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

1、電磁波的極化特征是信號幅度、相位、頻率和波形等信息外,另一個可資利用的重要特征信息。對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、參數(shù)估計等方面的獨特優(yōu)勢,使其成為近十年的一個研宄熱點。而參數(shù)估計(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)估計問題。具體內(nèi)容可概括為如下四個部分。
　　第一部分,研宄電磁矢量傳感器對相干信源波達(dá)方向的估計問題。首先建立傳統(tǒng)共點式電磁矢量傳感器對完全極化入射信源響應(yīng)的信號模型,接著回顧幾種基于共點式電磁矢量傳感器的波達(dá)方向估計算法。然后針對傳統(tǒng)極化平滑算法解相干源時沒有利用子陣互相關(guān)信息導(dǎo)致分辨率較差的問題,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、傳感器陣列的六個分量組成子陣的全部自相關(guān)和互相關(guān)信息,對接收陣列協(xié)方差矩陣的子矩陣做加權(quán)滑動平均,得到等效的陣列協(xié)方差矩陣,以該協(xié)方差矩陣對角化為約束,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

4、問題。傳統(tǒng)共點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現(xiàn)困難、波達(dá)方向和極化狀態(tài)角估計性能嚴(yán)重下降。較之傳統(tǒng)的共點式電磁矢量傳感器,分離式電磁矢量傳感器能夠顯著降低陣元間互耦,且非共點結(jié)構(gòu)在硬件設(shè)計上更易于實現(xiàn)。故提出分離式電磁矢量傳感器陣列結(jié)構(gòu)來解決互耦問題。為實現(xiàn)兩維高精度波達(dá)方向估計,首先提出由單個分離式全電磁矢量傳感器和單個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數(shù)的前提下,提出一種雙三角形陣列結(jié)構(gòu)來

5、實現(xiàn)兩維波達(dá)方向的高精度估計。該矢量傳感器空間結(jié)構(gòu)分兩個步驟設(shè)計:第一步,設(shè)計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算法;第二步,在第一步基礎(chǔ)上,設(shè)計陣列結(jié)構(gòu)使之滿足兩維孔徑擴(kuò)展。上述兩種陣列結(jié)構(gòu)只使用六個或七個陣元,在實際的陣列雷達(dá)中往往不能滿足檢測概率和估計精度的需求,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,都采用稀疏陣列結(jié)構(gòu)來擴(kuò)展陣列的物理孔徑,提高了波達(dá)方向估計精度。
　　第三部分,研宄雙基地MIMO雷達(dá)的發(fā)射角和接收角估計問題。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)估計的同時,計算復(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亦是一個重要問題。因此,提出一種實值ESPRIT方法和波束域求根MUSIC方法,利用全程實值操作的E S P R IT算法來降低復(fù)數(shù)域的ESPRIT算法的計算量。利用波束域的轉(zhuǎn)換及求根算法來降低常規(guī)陣元域MUSIC算法的計算量。另外,從提高估計精度的角度出發(fā),針對發(fā)射陣和接收陣均為分布式子陣的雙基地MIMO雷達(dá),研宄實值雙尺度ESPRIT方法來估計發(fā)射角和接收角。相對于半波長均勻分布的發(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配對。
　　第四部分,研宄電磁矢量傳感器MIMO雷達(dá)的波達(dá)方向估計問題。鑒于MIMO雷達(dá)在參數(shù)估計方面的獨特優(yōu)勢,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、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值。該干涉矢量傳感器MIMO陣列雷達(dá),可同時獲取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,提高了角度估計精度。另一方面,針對常規(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)化算法來估計目標(biāo)的波達(dá)方向。所提優(yōu)化算法的波達(dá)方向估計精度高于采用固定極化的波達(dá)方向估計算法