本發(fā)明屬于信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電磁矢量傳感器陣列的相干源的二維到達(dá)角估計(jì)方法。

背景技術(shù)：

由于實(shí)際傳播環(huán)境的復(fù)雜性，入射到陣列上的信號(hào)中有相干信號(hào)源的情況是普遍存在的，包括同頻干擾和多徑傳播信號(hào)，在雷達(dá)陣列信號(hào)處理中，相干信號(hào)源干擾會(huì)造成虛警或者目標(biāo)定位錯(cuò)誤。對(duì)相干信號(hào)源，傳統(tǒng)的music、esprit高分辨信號(hào)子空間類到達(dá)角(doa)估計(jì)方法失效，必須探索能夠解相干的方法，因此，探索有效的相干信號(hào)處理方法是陣列信號(hào)處理中的一個(gè)相當(dāng)重要的研究?jī)?nèi)容，也是雷達(dá)、聲吶和通信等領(lǐng)域的基本任務(wù)之一。

以空間平滑為代表的解相干方法減小了陣列孔徑，增大了陣列的波束寬度，降低了陣列的分辨能力，且空間平滑一般只適用于均勻線陣，嚴(yán)重限制了方法的應(yīng)用范圍。電磁矢量傳感器是一種新型的傳感器，該傳感器不僅能夠獲取信號(hào)的幅度和相位信息，而且能夠同時(shí)獲取信號(hào)的三維電場(chǎng)和三維磁場(chǎng)，它是由空間上共點(diǎn)且相互正交的x軸、y軸和z軸方向的電偶極子和x軸、y軸和z軸方向的磁偶極子構(gòu)成的，分別測(cè)量x軸、y軸和z軸方向的電場(chǎng)和x軸、y軸和z軸方向的磁場(chǎng)。與標(biāo)量傳感器陣列相比較，電磁矢量傳感器陣列不僅能夠獲取陣列孔徑信息，而且能夠感知各分量之間的正交矢量信息，因而具有更高的空間分辨力和測(cè)向精度，近年來(lái)已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題?，F(xiàn)有的解相干方法主要是針對(duì)標(biāo)量一維均勻線陣的一維到達(dá)角估計(jì)方法，對(duì)于二維到達(dá)角估計(jì)方法研究很少，且往往非常復(fù)雜，吳小強(qiáng)發(fā)表的論文“基于esprit算法的二維doa估計(jì)方法研究”(哈爾濱工程大學(xué)2008年碩士學(xué)位論文)中研究了改進(jìn)的二維esprit算法和基于四階累計(jì)量處理和空時(shí)處理的二維esprit算法，該方法具有一定的解相干能力，但該方法需要構(gòu)造非常復(fù)雜的矩陣，且后續(xù)算法也非常復(fù)雜；本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有方法的不足提出了非均勻l型電磁矢量傳感器陣列的解相干二維music參數(shù)估計(jì)方法，該發(fā)明方法利用了電磁量傳感器子列的旋轉(zhuǎn)不變特性解相干，稱為空間旋轉(zhuǎn)解相干方法，利用解相干后的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣獲取噪聲子空間，然后利用噪聲子空間構(gòu)造music譜，通過(guò)方位角和俯仰角的搜索完成到達(dá)角的譜峰搜索，本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，參數(shù)估計(jì)精度高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種非均勻電磁矢量傳感器陣列解相干二維到達(dá)角估計(jì)方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案：

電磁矢量傳感器陣列解相干二維music參數(shù)估計(jì)方法，k個(gè)相干窄帶、遠(yuǎn)場(chǎng)電磁波信號(hào)從不同的方向(θk，φk)入射到該接收陣列上，θk∈[0，π/2]是第k個(gè)信號(hào)的俯仰角，φk∈[0，2π]是第k個(gè)信號(hào)的方位角，k＝1，...，k，所述陣列由2m-1個(gè)非均勻分布于x軸和y軸的電磁矢量傳感器陣元構(gòu)成，其中，m個(gè)陣元位于x軸，m個(gè)陣元位于y軸，坐標(biāo)原點(diǎn)的兩軸共用，所述陣元是由空間共點(diǎn)且相互垂直的x軸、y軸和z軸方向的電偶極子和x軸、y軸和z軸方向的磁偶極子構(gòu)成的電磁矢量傳感器，所有傳感器的對(duì)應(yīng)通道相互平行：所有的x軸電偶極子相互平行，所有的y軸電偶極子相互平行，所有的z軸方向電偶極子相互平行，所有的x軸方向磁偶極子相互平行，所有的y軸方向磁偶極子相互平行，以及所有的z軸方向磁偶極子相互平行；相鄰陣元間距小于入射電磁信號(hào)的最小半波長(zhǎng)；

電磁矢量傳感器陣列解相干二維music參數(shù)估計(jì)方法步驟如下：

步驟一、利用l型非均勻電磁矢量傳感器接收陣列，接收k個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)窄帶相干信號(hào)，接收陣列獲取n次同步采樣數(shù)據(jù)z；

步驟二、抽取x軸、y軸和z軸方向電偶極子子陣接收的電場(chǎng)數(shù)據(jù)和x軸、y軸和z軸方向的磁偶極子子陣接收的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)子陣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣處理恢復(fù)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的秩，得到變換前的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣rz；

根據(jù)陣列數(shù)據(jù)z的排布規(guī)律將數(shù)據(jù)分成x軸、y軸和z軸方向電場(chǎng)和x軸、y軸和z軸方向的磁場(chǎng)子陣數(shù)據(jù)zex、zey、zez、zhx、zhy、zhz，計(jì)算6個(gè)子陣數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣和和分別是x軸、y軸和z軸方向的電場(chǎng)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，分別是x軸、y軸和z軸方向磁場(chǎng)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，通過(guò)6個(gè)子陣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的算術(shù)平均得到變換前的滿秩數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣rz；

步驟三、對(duì)子陣接收數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，求變換后的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣ry和變換前后的互協(xié)方差數(shù)據(jù)矩陣rzy，由協(xié)方差數(shù)據(jù)矩陣rz、ry和rzy得到解相干后的數(shù)據(jù)相關(guān)矩陣r，從而恢復(fù)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的秩；

對(duì)子陣數(shù)據(jù)zex、zey、zez、zhx、zhy、zhz變換得到其中，jm是m×m的反對(duì)角變換矩陣，ji，m-i+1＝1(i＝1，...，m)是矩陣jm的第i行第m-i+1列的元素，jm的其它元素全部為零，表示對(duì)子陣數(shù)據(jù)zex、zey、zez、zhx、zhy、zhz取共軛后的數(shù)據(jù)，求變換后子陣數(shù)據(jù)yex、yey、yez、yhx、yhy、yhz的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣其中求變換前后數(shù)據(jù)的互協(xié)方差矩陣qex、qey、qez、qhx、qhy、qhz，其中，變換后協(xié)方差矩陣的算術(shù)平均得到變換后陣列協(xié)方差矩陣變換前后數(shù)據(jù)的互協(xié)方差矩陣求算術(shù)平均得到變換后陣列互協(xié)方差矩陣rzy＝(qex+qey+qez+qhx+qhy+qhz)/6，構(gòu)造解相干數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣r＝[rzyrzry]；

步驟四、由解相干后的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣r進(jìn)行奇異值分解得到信號(hào)子空間us和噪聲空間un；利用噪聲子空間un構(gòu)造music空間譜p(θ，φ)，通過(guò)譜峰搜索完成二維到達(dá)角的估計(jì)：

其中，是music譜峰，θ∈[0，π/2]是搜索俯仰角，φ∈[0，2π]是搜索方位角。

本發(fā)明采用的非均勻l型陣列，陣列的陣元為由空間共點(diǎn)且相互垂直的x軸、y軸和z軸方向的電偶極子和x軸、y軸和z軸方向的磁偶極子構(gòu)成的電磁矢量傳感器，所有傳感器的對(duì)應(yīng)通道相互平行。本發(fā)明利用電磁矢量傳感器自身具有的矢量特性解相干，不存在陣列孔徑損失，對(duì)均勻陣和非均勻陣場(chǎng)景均成立突破了現(xiàn)有空間平滑解相干只適用于均勻陣和存在孔徑損失的局限性，提高了參數(shù)估計(jì)精度和擴(kuò)展了算法的應(yīng)用范圍。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中需要使用的附圖做簡(jiǎn)單介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例l型電磁矢量傳感器陣列的示意圖；

圖2為本發(fā)明方法的流程圖；

圖3為本發(fā)明方法的俯仰角方向的music空間譜曲線圖；

圖4為空間平滑解相干方法的俯仰角方向的music空間譜曲線圖；

圖5為本發(fā)明方法的方位角方向的music空間譜曲線圖；

圖6為空間平滑解相干方法的方位角方向的music空間譜曲線圖；

具體實(shí)施方式

為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征及優(yōu)點(diǎn)能更明顯，下文特舉本發(fā)明實(shí)施例，并配合所附圖示，做詳細(xì)說(shuō)明如下。

圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例的電磁矢量傳感器陣列的示意圖。本發(fā)明的電磁矢量傳感器陣列由2m-1個(gè)非均勻分布于x軸和y軸的電磁矢量傳感器陣元構(gòu)成，其中，m個(gè)陣元位于x軸，m個(gè)陣元位于y軸，坐標(biāo)原點(diǎn)的兩軸共用，所述陣元是由空間共點(diǎn)且相互垂直的x軸、y軸和z軸方向的電偶極子和x軸、y軸和z軸方向的磁偶極子構(gòu)成的電磁矢量傳感器，所有傳感器的對(duì)應(yīng)通道相互平行：所有的x軸電偶極子相互平行，所有的y軸電偶極子相互平行，所有的z軸方向電偶極子相互平行，所有的x軸方向磁偶極子相互平行，所有的y軸方向磁偶極子相互平行，以及所有的z軸方向磁偶極子相互平行；相鄰陣元間距小于入射電磁信號(hào)的最小半波長(zhǎng)；

參照?qǐng)D2，本發(fā)明的解相干二維music參數(shù)估計(jì)方法的步驟如下：l型非均勻電磁矢量傳感器陣列接收k個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)窄帶相干信號(hào)，k為入射聲源信號(hào)的數(shù)量，

步驟一、利用l型非均勻電磁矢量傳感器接收陣列，接收k個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)窄帶相干信號(hào)，接收陣列獲取n次同步采樣數(shù)據(jù)z；

步驟二、抽取x軸、y軸和z軸方向電偶極子子陣接收的電場(chǎng)數(shù)據(jù)和x軸、y軸和z軸方向的磁偶極子子陣接收的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)子陣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣處理恢復(fù)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的秩，得到變換前的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣rz；

根據(jù)陣列數(shù)據(jù)z的排布規(guī)律將數(shù)據(jù)分成x軸、y軸和z軸方向電場(chǎng)和x軸、y軸和z軸方向的磁場(chǎng)子陣數(shù)據(jù)zex、zey、zez、zhx、zhy、zhz，計(jì)算6個(gè)子陣數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣和和分別是x軸、y軸和z軸方向的電場(chǎng)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，分別是x軸、y軸和z軸方向磁場(chǎng)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，通過(guò)6個(gè)子陣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的算術(shù)平均得到變換前的滿秩數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣rz；

步驟三、對(duì)子陣接收數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，求變換后的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣ry和變換前后的互協(xié)方差數(shù)據(jù)矩陣rzy，由協(xié)方差數(shù)據(jù)矩陣rz、ry和rzy得到解相干后的數(shù)據(jù)相關(guān)矩陣r，從而恢復(fù)數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的秩；

對(duì)子陣數(shù)據(jù)zex、zey、zez、zhx、zhy、zhz變換得到其中，jm是m×m的反對(duì)角變換矩陣，ji，m-i+1＝1(i＝1，...，m)是矩陣jm的第i行第m-i+1列的元素，jm的其它元素全部為零，表示對(duì)子陣數(shù)據(jù)zex、zey、zez、zhx、zhy、zhz取共軛后的數(shù)據(jù)，求變換后子陣數(shù)據(jù)yex、yey、yez、yhx、yhy、yhz的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣其中求變換前后數(shù)據(jù)的互協(xié)方差矩陣qex、qey、qez、qhx、qhy、qhz，其中，變換后協(xié)方差矩陣的算術(shù)平均得到變換后陣列協(xié)方差矩陣變換前后數(shù)據(jù)的互協(xié)方差矩陣求算術(shù)平均得到變換后陣列互協(xié)方差矩陣rzy＝(qex+qey+qez+qhx+qhy+qhz)/6，構(gòu)造解相干數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣r＝[rzyrzry]；

步驟四、由解相干后的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣r進(jìn)行奇異值分解得到信號(hào)子空間us和噪聲空間un；利用噪聲子空間un構(gòu)造music空間譜p(θ，φ)，通過(guò)譜峰搜索完成二維到達(dá)角的估計(jì)：

其中，是music譜峰，θ∈[0，π/2]是搜索俯仰角，φ∈[0，2π]是搜索方位角。

本發(fā)明給出了電磁矢量傳感器陣列解相干二維music參數(shù)估計(jì)方法，利用電磁矢量傳感器自身具有的矢量特性，根據(jù)子陣的旋轉(zhuǎn)不變特性解相干，利用解相干后的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣獲取噪聲子空間，然后利用噪聲子空間構(gòu)造music譜，通過(guò)方位角和俯仰角的搜索完成到達(dá)角的譜峰搜索，該方法對(duì)于均勻陣和非均勻陣均成立，譜峰更尖銳，參數(shù)估計(jì)精度更高。

本發(fā)明的效果可以通過(guò)以下的仿真結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明：

仿真實(shí)驗(yàn)條件如下：

兩個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)窄帶相干信號(hào)入射到由8個(gè)任意分布于x軸上的陣元和8個(gè)任意分布于y軸上的陣元構(gòu)成的l型聲矢量傳感器陣列，如圖1所示，該接收陣列由15個(gè)陣元組成，x軸上的陣元間隔小于0.5λmin，y軸上的陣元間隔小于0.5λmin，入射信號(hào)的參數(shù)為：(θ1，φ1)＝(45°，60°)，(θ2，φ2)＝(60°，30°)，快拍數(shù)為512次。

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3至圖6所示，圖3為信噪比是10db時(shí)，本發(fā)明方法俯仰角空間譜估計(jì)的結(jié)果，圖4為信噪比是10db時(shí)，空間平滑解相干方法俯仰角空間譜估計(jì)的結(jié)果，從圖3和圖4可以看出本文方法俯仰角估計(jì)的空間譜很尖銳，本文方法具有優(yōu)異的旁瓣抑制效果和高的分辨率。圖5和圖6為信噪比是10db時(shí)，本發(fā)明方法和空間平滑解相干方法方位角空間譜估計(jì)的結(jié)果，從圖5和圖6可以看出，本發(fā)明方法和空間平滑解相干方法都能夠成功檢測(cè)到兩個(gè)方位角，但本發(fā)明方法的方位角空間譜具有較低的旁瓣和較高的分辨率，從而驗(yàn)證了本發(fā)明方法的到達(dá)角music搜索過(guò)程是正確。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明做任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。