電磁矢量傳感器陣列的角度估計(jì)及其在MIMO雷達(dá)中的應(yīng)用.pdf

1、電磁波的極化特征是信號(hào)幅度、相位、頻率和波形等信息外,另一個(gè)可資利用的重要特征信息。對(duì)極化信息的充分挖掘和利用,有利于提高雷達(dá)和通信等系統(tǒng)的性能。電磁矢量傳感器構(gòu)成的極化敏感陣列在雷達(dá)、通信、聲納和生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。另一方面,MIMO雷達(dá)以其在目標(biāo)檢測(cè)、參數(shù)估計(jì)等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),使其成為近十年的一個(gè)研宄熱點(diǎn)。而參數(shù)估計(jì)(如波達(dá)方向、極化狀態(tài)角等)是雷達(dá)和通信等系統(tǒng)的主要任務(wù)之一。故本文主要研宄基于電磁矢量傳感器以及電

2、磁矢量傳感器在MIMO雷達(dá)應(yīng)用中的波達(dá)方向、極化狀態(tài)角等參數(shù)估計(jì)問(wèn)題。具體內(nèi)容可概括為如下四個(gè)部分。
　　第一部分,研宄電磁矢量傳感器對(duì)相干信源波達(dá)方向的估計(jì)問(wèn)題。首先建立傳統(tǒng)共點(diǎn)式電磁矢量傳感器對(duì)完全極化入射信源響應(yīng)的信號(hào)模型,接著回顧幾種基于共點(diǎn)式電磁矢量傳感器的波達(dá)方向估計(jì)算法。然后針對(duì)傳統(tǒng)極化平滑算法解相干源時(shí)沒(méi)有利用子陣互相關(guān)信息導(dǎo)致分辨率較差的問(wèn)題,提出一種新的解相干源預(yù)處理方法:加權(quán)極化平滑算法。該算法利用了電磁矢量

3、傳感器陣列的六個(gè)分量組成子陣的全部自相關(guān)和互相關(guān)信息,對(duì)接收陣列協(xié)方差矩陣的子矩陣做加權(quán)滑動(dòng)平均,得到等效的陣列協(xié)方差矩陣,以該協(xié)方差矩陣對(duì)角化為約束,推導(dǎo)最優(yōu)加權(quán)系數(shù)的理論表達(dá)式,并分析等效信源協(xié)方差矩陣的秩,得到加權(quán)極化平滑算法最大的解相干源數(shù)為6。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明加權(quán)極化平滑算法比傳統(tǒng)的極化平滑算法具有更高的分辨性能和估計(jì)精度。
　　第二部分,提出四種分離式電磁矢量傳感器陣列結(jié)構(gòu),并研宄其波達(dá)方向和(或)極化狀態(tài)角聯(lián)合估計(jì)

4、問(wèn)題。傳統(tǒng)共點(diǎn)式電磁矢量傳感器陣元間互耦效應(yīng)明顯,導(dǎo)致電磁矢量傳感器硬件實(shí)現(xiàn)困難、波達(dá)方向和極化狀態(tài)角估計(jì)性能?chē)?yán)重下降。較之傳統(tǒng)的共點(diǎn)式電磁矢量傳感器,分離式電磁矢量傳感器能夠顯著降低陣元間互耦,且非共點(diǎn)結(jié)構(gòu)在硬件設(shè)計(jì)上更易于實(shí)現(xiàn)。故提出分離式電磁矢量傳感器陣列結(jié)構(gòu)來(lái)解決互耦問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)兩維高精度波達(dá)方向估計(jì),首先提出由單個(gè)分離式全電磁矢量傳感器和單個(gè)電偶極子組成的單三角陣列結(jié)構(gòu)。在不增加任何陣元個(gè)數(shù)的前提下,提出一種雙三角形陣列結(jié)構(gòu)來(lái)

5、實(shí)現(xiàn)兩維波達(dá)方向的高精度估計(jì)。該矢量傳感器空間結(jié)構(gòu)分兩個(gè)步驟設(shè)計(jì):第一步,設(shè)計(jì)空間分離式電磁矢量傳感器的空間結(jié)構(gòu)使之滿足矢量叉積傳播矢量估計(jì)算法;第二步,在第一步基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)陣列結(jié)構(gòu)使之滿足兩維孔徑擴(kuò)展。上述兩種陣列結(jié)構(gòu)只使用六個(gè)或七個(gè)陣元,在實(shí)際的陣列雷達(dá)中往往不能滿足檢測(cè)概率和估計(jì)精度的需求,故提出一種稀疏均勻分離式電磁矢量傳感器矩形陣列,針對(duì)該陣列提出了一種二維波達(dá)方向和極化參數(shù)的聯(lián)合估計(jì)算法。但是全電磁矢量傳感器中的電偶極子和磁

6、偶極子的響應(yīng)往往不一致,導(dǎo)致參數(shù)估計(jì)精度下降。故提出一種全電偶極子組成的三正交分離式矢量傳感器陣列。上述所提陣列結(jié)構(gòu)在降低陣元間互耦的同時(shí),都采用稀疏陣列結(jié)構(gòu)來(lái)擴(kuò)展陣列的物理孔徑,提高了波達(dá)方向估計(jì)精度。
　　第三部分,研宄雙基地MIMO雷達(dá)的發(fā)射角和接收角估計(jì)問(wèn)題。由于MIMO雷達(dá)的自由度等于發(fā)射陣元數(shù)和接收陣元數(shù)的Kronecker積,使 MIMO雷達(dá)在提供高精度參數(shù)估計(jì)的同時(shí),計(jì)算復(fù)雜度大大增加。此外,在雙基地MIMO雷達(dá)中

7、發(fā)射角和接收角的配對(duì)亦是一個(gè)重要問(wèn)題。因此,提出一種實(shí)值ESPRIT方法和波束域求根MUSIC方法,利用全程實(shí)值操作的E S P R IT算法來(lái)降低復(fù)數(shù)域的ESPRIT算法的計(jì)算量。利用波束域的轉(zhuǎn)換及求根算法來(lái)降低常規(guī)陣元域MUSIC算法的計(jì)算量。另外,從提高估計(jì)精度的角度出發(fā),針對(duì)發(fā)射陣和接收陣均為分布式子陣的雙基地MIMO雷達(dá),研宄實(shí)值雙尺度ESPRIT方法來(lái)估計(jì)發(fā)射角和接收角。相對(duì)于半波長(zhǎng)均勻分布的發(fā)射陣和接收陣組成的雙基地MIM

8、O雷達(dá),分布式陣列能夠擴(kuò)展陣列的物理孔徑,在不增加硬件復(fù)雜度的情況下,提高了角度估計(jì)性能。而且所提三種方法均能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射角和接收角的自動(dòng)配對(duì)。
　　第四部分,研宄電磁矢量傳感器MIMO雷達(dá)的波達(dá)方向估計(jì)問(wèn)題。鑒于MIMO雷達(dá)在參數(shù)估計(jì)方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),考慮電磁矢量傳感器在MIMO雷達(dá)中的應(yīng)用,提出一種干涉式矢量傳感器MIMO雷達(dá),利用干涉發(fā)射陣列的長(zhǎng)、短基線空間平移不變性采用雙尺度ESPRIT算法獲取發(fā)射角的高精度估計(jì)值;同理,利用

9、矢量接收陣的雙尺度空間平移不變特性得到高精度接收角估計(jì)值。該干涉矢量傳感器MIMO陣列雷達(dá),可同時(shí)獲取MIMO雷達(dá)的波形分集和矢量傳感器的極化分集,且在不增加陣元數(shù)和硬件復(fù)雜度情況下擴(kuò)展有效孔徑,提高了角度估計(jì)精度。另一方面,針對(duì)常規(guī)電磁矢量傳感器MIMO雷達(dá)采用固定極化的發(fā)射極化方式,極化信息并沒(méi)有得到充分利用,提出一種CRB最小化的發(fā)射極化優(yōu)化算法來(lái)估計(jì)目標(biāo)的波達(dá)方向。所提優(yōu)化算法的波達(dá)方向估計(jì)精度高于采用固定極化的波達(dá)方向估計(jì)算法