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通信学报 2004年第5期25卷 28-38页

作者：徐友根刘志文北京理工大学电子工程系北京100081

研究如何利用电磁矢量传感器阵列中隐含的冗余空域信息解决多个相干极化信号源的二维波达方向(DOA)和极化参数的同时估计问题。基于整个阵列中所隐含的多个空域旋转不变结构,将组成阵列的单个或多个电磁矢量传感器单元看作一个无模糊子... 详细信息

研究如何利用电磁矢量传感器阵列中隐含的冗余空域信息解决多个相干极化信号源的二维波达方向(DOA)和极化参数的同时估计问题。基于整个阵列中所隐含的多个空域旋转不变结构,将组成阵列的单个或多个电磁矢量传感器单元看作一个无模糊子阵,利用空间平滑方法对阵列数据进行预处理,以恢复信号协方差矩阵的秩特性。在此基础上,利用多信号分类方法(MUSIC)和旋转不变参数估计方法(ESPRIT)完成多个相干极化信号源的二维 DOA 和极化参数的同时估计。文中还讨论了成功进行信号解相干的必要条件,并通过计算机仿真验证和比较了所给方法的有效性及其辨识能力。

关键词：波达方向极化电磁矢量传感器阵列相干信号源空间平滑

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电磁矢量传感器阵列高分辨参数估计算法研究

电磁矢量传感器阵列高分辨参数估计算法研究

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作者：王桂宝西安电子科技大学

学位级别：博士

电磁矢量传感器阵列是一种能够获取电磁信号极化信息的新型阵列,和普通阵列相比,电磁矢量传感器阵列具有更好的抗干扰能力和更高的分辨能力。电磁矢量传感器阵列信号处理是包含空域和极化域的多维信号处理,研究电磁矢量传感器阵列信号... 详细信息

电磁矢量传感器阵列是一种能够获取电磁信号极化信息的新型阵列,和普通阵列相比,电磁矢量传感器阵列具有更好的抗干扰能力和更高的分辨能力。电磁矢量传感器阵列信号处理是包含空域和极化域的多维信号处理,研究电磁矢量传感器阵列信号到达角(DOA)-极化参数的估计以及误差校正具有重要的意义。本文围绕这一课题的若干热点问题展开研究,并把研究重点放在电磁矢量传感器阵列的稀疏高分辨算法研究。本论文的主旨在于,提出了一系列稀疏电磁矢量传感器高分辨算法,包括基于虚拟基线的解模糊高分辨算法和基于四元数模型的高分辨算法,同时也研究了基于电磁矢量传感器的误差校正算法。本论文的主要创新点如下:1、提出了电磁矢量传感器取向误差(也称之为指向误差)、幅相误差和耦合误差的估计与校正补偿算法。电磁矢量传感器取向误差的校正是利用一个极化参数已知而到达角未知校正源进行参数估计和误差校正,在校正过程中信号源发射天线绕z轴和x轴以90度角进行两次坐标旋转,根据旋转前后的到达角之间的关系进行参数估计和取向误差校正。电偶极子组幅相误差的校正是将待校正电偶极子组绕x轴旋转90度,根据旋转前后的到达角关系估计幅相误差和信号参数。耦合误差的校正是建立了简单的耦合误差矩阵模型,通过矩阵运算将耦合误差矩阵的求解转化为求误差矩阵中的少数几个变量,大大降低了计算复杂度。2、研究了基于稀布阵解模糊的高分辨参数估计算法。阵列孔径越大,波达方向估计的精度就会越高、角度分辨力也会相应的提高,但是当孔径大于信号的半波长时,测向将会出现模糊问题。常用的稀疏解模糊方法有长短基线法、虚拟基线法等。本节从稀疏解模糊的思想出发,提出了四种电磁矢量传感器阵列的高分辨算法,首先,利用均匀同心圆环阵估计到达角(Direction of arrival,DOA)和极化参数,通过小圆环得到到达角的粗略而无模糊的估计,大圆环得到有模糊的精确估计值,通过解模糊得到精确的无模糊的估计结果,从而提高了到达角的估计精度。其次,利用稀疏同心半圆环估计到达角和极化参数,建立了稀疏同心半圆环偶极子对阵列的测向解模糊模型,运用虚拟基线的思想将空域导向矢量进行变换,得到小于半波长的虚拟短基线进行到达角的粗略估计,利用粗略估计值实现长基线的解模糊,从而极大地提高了参数估计精度,该方法能够自动配对极化参数和到达角,计算量较小。再次,提出了用于高频信号的虚拟圆阵高分辨测向算法,通过对均匀圆阵的阵元与参考阵元间的实际相位差进行一次或多次虚拟变换,获得无模糊的虚拟阵元与参考阵元间的相位差,利用虚拟后无模糊的相位差估计DOA,然后利用粗略估计值解原始阵元与参考阵元基线的相位模糊,得到高精度的DOA估计。最后,提出了一种基于子空间理论的非均匀L型偶极子对阵列的DOA和极化参数估计算法,利用直接采样和延时后采样数据构造数据相关矩阵,通过空域导向矢量的点除运算得到无模糊的相位估计,并用来解导向矢量的相位模糊,从而得到高精度的信号DOA估计。3、提出了两种基于四元数ESPRIT算法的多参数联合估计算法。首先研究了正交电偶极子对L型阵列的频率、极化和二维DOA联合估计方法,利用两组同步采样数据构造数据协方差矩阵,由数据协方差矩阵四元数特征分解并根据子空间理论得到阵列导向矢量的估计,通过空域导向矢量分块运算得到x轴方向和y轴方向的方向余弦关系,从而得到信号二维DOA估计,通过四元数运算得到重构x轴和y轴方向的电偶极子子阵导向矢量,从而估计极化参数。其次,针对柱面共形阵给出了基于四元数ESPRIT算法的电磁对DOA和极化估计算法,先由信号子空间理论得到阵列空域导向矢量,从而进一步得到信号DOA的估计,再通过阵列导向矢量的四元数重新表示得到电偶极子子阵导向矢量和磁偶极子子阵导向矢量,根据它们的关系得到极化参数的表示。与基于长矢量模型的阵列相比,本文所提的基于四元数模型的电磁矢量传感器阵列参数估计利用较少的计算量获得更高的估计精度,体现了四元数模型的优势。大量仿真实验验证了所提算法的有效性和可行性。

关键词：电磁矢量传感器阵列误差校正波达方向估计极化均匀同心圆环阵

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机载电磁矢量传感器阵列DOA和极化参数估计

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系统工程与电子技术 2008年第2期30卷 222-225页

作者：崔伟陶建武刘亮空军航空大学吉林长春130022

针对机载电磁矢量传感器阵列DOA和极化参数估计问题,提出了一种基于复四元数估计方法,该算法利用四元数建立机载电磁矢量传感器阵列信号处理模型,然后利用四元数联合矩阵的特征分解得到阵列数据相关矩阵的特征分解,一方面使得计算过程... 详细信息

针对机载电磁矢量传感器阵列DOA和极化参数估计问题,提出了一种基于复四元数估计方法,该算法利用四元数建立机载电磁矢量传感器阵列信号处理模型,然后利用四元数联合矩阵的特征分解得到阵列数据相关矩阵的特征分解,一方面使得计算过程中数据的贮存量大大减少,另一方面通过推导得到信号子空间和噪声子空间在四元数域上的正交性从而使DOA和极化参数估计的精度更高,仿真证实了本算法的有效性。

关键词： DOA 极化参数估计电磁矢量传感器阵列四元数特征分解

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基于电磁矢量传感器阵列相干源DOA估计的研究

基于电磁矢量传感器阵列相干源DOA估计的研究

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作者：蔡云霄吉林大学

学位级别：硕士

阵列信号处理是空域信号分析和处理的一种重要手段,它广泛应用于雷达、声纳、通信、地震勘探和医学成像等多个领域。阵列信号处理的本质是利用空间按一定规则布置的传感器阵列和多通道来接收获取信号的时域和空域等多维信息,达到检测信... 详细信息

阵列信号处理是空域信号分析和处理的一种重要手段,它广泛应用于雷达、声纳、通信、地震勘探和医学成像等多个领域。阵列信号处理的本质是利用空间按一定规则布置的传感器阵列和多通道来接收获取信号的时域和空域等多维信息,达到检测信号和提取其参数的目的。对于空间电磁波信号而言,波达方向和极化状态是其重要的特征参数,携带了空间电磁波信号的重要信息。信号波达方向描述了信号源在空间中的位置,极化状态描述了电磁波的矢量运动特征,是电磁波本身固有属性。传统的标量传感器阵列能够估计信号的功率、频率、时间延迟和到达方向,但不能估计出波信号的极化状态。电磁矢量传感器阵列不仅能获得信号的空间到达角信息,而且也能得到信号的极化信息。和传统标量传感器阵列相比较,电磁矢量传感器阵列具有以下几个优点：具有较强的抗干扰能力；具有稳健的监测能力；具有较高的系统分辨能力；具有极化多址能力。在实际工程中,经常会碰到相干源的问题。在雷达或声纳系统中,当目标信号存在多径或有多个目标信号时,接收到的回波是相干的。关于相干源的波达方向估计问题一直是雷达、通信和声纳等系统中的关键问题之一。当来波信号相干时,经典的MUSIC算法和ESPRIT算法中关键的协方差矩阵不满秩,从而无法划分信号子空间和噪声子空间,导致算法失效。在此,本文利用电磁矢量传感器阵列的优秀性能,讨论研究了相干信号源DOA和极化参数的估计问题。针对循环平稳信号中的相干源问题,本文首先利用极化均匀线阵,结合空域平滑技术,介绍了循环MUSIC平滑算法。其后,研究了在Toeplitz矩阵重构基础上的相干源DOA估计方法。对相干循环平稳信号源的DOA给予了有效估计,而且在不影响阵列孔径的情况下,进一步提高了估计性能。最后,分析了非均匀线阵的信号模型,讨论了非均匀线阵的阵元配置、阵列信号的估计模糊的问题,并结合电磁矢量传感器平滑的循环MUSIC算法,研究了在稀疏线性阵列下的循环相干信号的DOA和极化参数估计问题,并进行仿真实验予以验证。

关键词： DOA估计电磁矢量传感器阵列循环平稳相干

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基于电磁矢量传感器阵列的循环平稳信号的参数估计的方法研究

基于电磁矢量传感器阵列的循环平稳信号的参数估计的方法研究

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作者：高迪吉林大学

学位级别：硕士

电磁矢量传感器阵列信号处理是阵列信号处理领域中一个新兴的学科分支,它在雷达、声纳、通信和生物医学等领域有着广泛的应用前景。本文将现代信号处理中的优秀方法与电磁矢量传感器阵列信号处理相结合,研究了在有色噪声背景下非平稳信... 详细信息

电磁矢量传感器阵列信号处理是阵列信号处理领域中一个新兴的学科分支,它在雷达、声纳、通信和生物医学等领域有着广泛的应用前景。本文将现代信号处理中的优秀方法与电磁矢量传感器阵列信号处理相结合,研究了在有色噪声背景下非平稳信号的波达方向和极化参数同时估计的问题。这样可以充分利用信号的具体特性和接收的冗余信息来实现算法性能的真正突破。本文针对一类特殊的非平稳信号——循环平稳信号(如QPSK信号)入射到由电磁矢量传感器单元组成的均匀线性阵列上,利用其循环平稳特性,构造出四阶循环累积量矩阵,利用循环MUSIC方法解决信号的波达方向和极化参数同时估计的问题。但直接利用基于四阶循环累积量的循环MUSIC算法进行四维区域搜索寻找峰值会带来很大的搜索量。因此本文还提出了基于四阶循环累积量的循环ESPRIT算法,因为循环ESPRIT算法利用阵列结构的移不变特性,使参数可以直接计算出来,而不像循环MUSIC算法那样进行区域搜索,解决了循环MUSIC算法运算量大的问题,并且能够保证在较低信噪比的情况下的估计精度。本文所提的方法,兼有高阶累积量和循环统计量的优点,并且弥补了循环互相关MUSIC算法不能对有色噪声背景下四相移键控(QPSK)信号的波达方向和极化参数同时估计的缺憾,而且本文算法扩展了基于单个电磁矢量传感器的循环MUSIC算法和循环ESPRIT算法的阵列孔径。本文方法可以有效的抑制循环相关的平稳高斯噪声和循环不相关的任意分布的空间平稳噪声。

关键词：电磁矢量传感器阵列高阶循环累积量波达方向极化循环平稳

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基于电磁矢量传感器阵列波达方向估计的研究

基于电磁矢量传感器阵列波达方向估计的研究

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作者：朱秋爽吉林大学

学位级别：硕士

电磁矢量传感器阵列是指电磁矢量传感器阵元按一定方式在空间放置所构成的阵列系统,利用电磁矢量传感器可获取空间电磁信号的极化信息,利用阵列几何结构进行空域采样可获取信号的空域信息。电磁矢量传感器阵列与传统标量传感器阵列相比... 详细信息

电磁矢量传感器阵列是指电磁矢量传感器阵元按一定方式在空间放置所构成的阵列系统,利用电磁矢量传感器可获取空间电磁信号的极化信息,利用阵列几何结构进行空域采样可获取信号的空域信息。电磁矢量传感器阵列与传统标量传感器阵列相比,在理论上具有明显的优势,包括具有较强的抗干扰能力,具有稳健的监测能力,具有较高的系统分辨能力,具有极化多址能力。因此电磁矢量传感器阵列信号处理这一阵列信号处理领域中的新兴学科分支和研究受到了越来越多的关注,它在雷达、声纳、通信等领域有着广泛的应用前景。本文首先介绍了电磁矢量传感器阵列的数学模型,在此基础上研究了两方面内容,包括循环平稳信号基于四阶累积量的DOA估计算法,循环平稳宽带相干信号的极化域估计方法。这两方面内容都是目前阵列信号处理研究的热点内容,它们在极化阵列信号处理的理论发展和实际应用上都有重要的意义。

关键词： DOA估计电磁矢量传感器阵列高阶循环累积量宽带信号循环平稳

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基于电磁矢量传感器阵列的广义旁瓣相消器

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航天电子对抗 2011年第4期27卷 58-61页

作者：章希睿杨金金徐友根刘志文北京理工大学信息与电子学院北京100081

提出一种基于特殊电磁矢量传感器阵列的广义旁瓣相消器。首先在理论层面推导得到广义旁瓣相消器最优权矢量;针对信号是否在偶极子均匀圆阵处发生极化失配的四种情况进行讨论,进而明确阵列广义旁瓣相消器的适用场合;最后对广义旁瓣相消器... 详细信息

提出一种基于特殊电磁矢量传感器阵列的广义旁瓣相消器。首先在理论层面推导得到广义旁瓣相消器最优权矢量;针对信号是否在偶极子均匀圆阵处发生极化失配的四种情况进行讨论,进而明确阵列广义旁瓣相消器的适用场合;最后对广义旁瓣相消器和Capon波束形成器进行性能对比。理论分析和仿真实验表明,将广义旁瓣相消器推广到电磁矢量传感器阵列,充分利用信号在极化域的差异,可实现期望和干扰空域信息完全相同情况下的波束形成;在高输入信噪比情况下,广义旁瓣相消器相对于Capon波束形成器对角度估计误差具有更高鲁棒性。

关键词：电磁矢量传感器阵列部分自适应波束形成广义旁瓣相消器

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机会式电磁矢量传感器阵列互耦校正算法

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传感器与微系统 2015年第8期34卷 138-141页

作者：马丽梅李国岫赵力行北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 北京自动化技术研究院北京100009

针对电磁矢量传感器阵列中的互耦效应导致系统性能下降的问题,研究了一种分布式电磁矢量传感器机会式阵列互耦校正算法。首先建立可以从信噪比、波达方向估计精度和孔径扩展维数等性能方面分析线性阵列、三角形阵列和双三角形阵列等阵... 详细信息

针对电磁矢量传感器阵列中的互耦效应导致系统性能下降的问题,研究了一种分布式电磁矢量传感器机会式阵列互耦校正算法。首先建立可以从信噪比、波达方向估计精度和孔径扩展维数等性能方面分析线性阵列、三角形阵列和双三角形阵列等阵列结构特性的数学模型,然后根据性能分析结果构建了电磁矢量传感器机会式阵列架构,最后提出了适用于分布式电磁矢量传感器阵列的机会式互耦校正算法。实验结果从波达方向估计精度、空间谱估计精度和信噪比等方面证明了所提分布式电磁矢量传感器机会式阵列互耦校正算法比静态传感器阵列具有明显优势。

关键词：电磁矢量传感器阵列分布式机会式结构互耦校正

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基于DOA矩阵法的矢量传感器阵列二维波达方向估计

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电子与信息学报 2008年第8期30卷 1886-1889页

作者：季飞余华谢泽明张军朱一成华南理工大学电子与信息学院广州510640

DOA矩阵法是一种二维波达方向估计方法,该方法具有分辩率较高、计算量较少的特点。该文将DOA矩阵法扩展至矢量传感器阵列的波达方向估计,推导出相应的计算公式,分析了算法计算复杂度。算法分析表明,相对于ESPRIT算法,DOA矩阵法计算复杂... 详细信息

DOA矩阵法是一种二维波达方向估计方法,该方法具有分辩率较高、计算量较少的特点。该文将DOA矩阵法扩展至矢量传感器阵列的波达方向估计,推导出相应的计算公式,分析了算法计算复杂度。算法分析表明,相对于ESPRIT算法,DOA矩阵法计算复杂度大大降低。Monte Carlo仿真结果表明,与ESPRIT算法相比,DOA矩阵法估计的均方根偏差和均方根标准方差相对大一些,所需的最低快拍数也增加。

关键词：波达方向估计电磁矢量传感器阵列 DOA矩阵法

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矢量传感器阵列的张量模型及其参数估计

矢量传感器阵列的张量模型及其参数估计

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作者：韩伟电子科技大学

学位级别：硕士

阵列信号处理经过多年来的发展,时域、空域上所蕴含的信息已得到充分的挖掘。近年来,新的研究工作在极化上得到开展。作为一种既能感知极化信息又能感知时空域信息的接收装置,电磁矢量传感器阵列接收到的数据具有高维结构。然而,传统的... 详细信息

阵列信号处理经过多年来的发展,时域、空域上所蕴含的信息已得到充分的挖掘。近年来,新的研究工作在极化上得到开展。作为一种既能感知极化信息又能感知时空域信息的接收装置,电磁矢量传感器阵列接收到的数据具有高维结构。然而,传统的方法处理高维数据是将其转化为矩阵数据,这使得数据的高维信息未得到有效利用。本文利用张量这一处理高维数据的专用工具,研究了非完全极化波信号的BTD(Block term decompositions)模型、基于Tucker分解的参数估计方法、基于CP(Canoical Decomposition)分解的参数估计方法和基于BTD分解的DOA估计方法。本文围绕如何充分利用电磁矢量传感器阵列中蕴含的高维信息,展开了以下几个部分工作:1、改进了基于张量的Tucker分解的MUSIC算法。通过张量分解改善了估计的噪声子空间与真实信号导向矢量的之间的正交性,提升了对电磁矢量传感器阵列参数估计的分辨力。相对于矩阵方法对噪声子空间的估计,张量法利用到了数据的各个维度的信息,能从被噪声覆盖的数据中还原出更接近真实值的数据。仿真表明,利用张量分解估计的噪声子空间进行MUSIC参数估计能够提升来波信号的分辨力。这部分说明了张量各维度之间的整体性,即张量数据的高维特征,是一种值得利用的信息。2、改进了基于张量的CP分解对阵列进行盲估计的方法。相比于Tucker分解的估计方法,CP分解不仅能反映数据各维度之间的整体性,更重要的是还可以盲估计出各维度上的组成成分。利用这种盲估计特性,可以进一步将对应组成成分具有的结构特点作为约束去影响CP分解的每一步迭代。即这种盲估计特性为充分利用阵列自身具有的结构特点创造了条件。另外,本文提出了基于参数化的加入结构约束的方法。即在每一步迭代中,利用盲估计出来的组成成分估算参数,并根据参数和信号模型生成满足模型特征的组成成分。仿真表明,加入了结构信息的约束之后,参数估计误差有所减小。3、研究了基于BTD分解的非完全极化波参数估计方法。对于非完全极化波的电磁矢量传感器阵列接收模型,同一方向的来波总是可以等效为两路不相干的信号被一个6×2矩阵导向。这时候,CP分解唯一性所需的条件不满足,本文首次采用了符合这种阵列模型的BTD分解。BTD分解可以盲估计出空域阵列导向矢量和极化部分的一个列空间。另外,根据电磁场中的坡印廷定理,本文研究了从这个列空间中求解方向向量的方法。最后,融合空域阵列导向矢量和方向向量的估计得到来波方向。最后与ESPRIT算法进行了仿真对比。结果表明,对于非完全极化波的接收模型,基于BTD分解的方法能够得到更精确的估计结果。

关键词：电磁矢量传感器阵列张量模型 ALS迭代结构约束

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