电磁矢量传感器阵列的角度估计及其在MIMO雷达中的应用

【摘要】电磁波的极化特征是信号幅度、相位、频率和波形等信息外,另一个可资利用的重要特征信息。对极化信息的充分挖掘和利用,有利于提高雷达和通信等系统的性能。电磁矢量传感器构成的极化敏感阵列在雷达、通信、声纳和生物医学等众多领域具有广阔的应用前景。另一方面,MIMO雷达以其在目标检测、参数估计等方面的独特优势,使其成为近十年的一个研究热点。而参数估计(如波达方向、极化状态角等)是雷达和通信等系统的主要任务之一。故本文主要研究基于电磁矢量传感器以及电磁矢量传感器在MIMO雷达应用中的波达方向、极化状态角等参数估计问题。具体内容可概括为如下四个部分。第一部分,研究电磁矢量传感器对相干信源波达方向的估计问题。首先建立传统共点式电磁矢量传感器对完全极化入射信源响应的信号模型,接着回顾几种基于共点式电磁矢量传感器的波达方向估计算法。然后针对传统极化平滑算法解相干源时没有利用子阵互相关信息导致分辨率较差的问题,提出一种新的解相干源预处理方法：加权极化平滑算法。该算法利用了电磁矢量传感器阵列的六个分量组成子阵的全部自相关和互相关信息,对接收阵列协方差矩阵的子矩阵做加权滑动平均,得到等效的阵列协方差矩阵,以该协方差矩阵对角化为约束,推导最优加权系数的理论表达式,并分析等效信源协方差矩阵的秩,得到加权极化平滑算法最大的解相干源数为6。计算机仿真结果表明加权极化平滑算法比传统的极化平滑算法具有更高的分辨性能和估计精度。第二部分,提出四种分离式电磁矢量传感器阵列结构,并研究其波达方向和(或)极化状态角联合估计问题。传统共点式电磁矢量传感器阵元间互耦效应明显,导致电磁矢量传感器硬件实现困难、波达方向和极化状态角估计性能严重下降。较之传统的共点式电磁矢量传感器,分离式电磁矢量传感器能够显著降低阵元间互耦,且非共点结构在硬件设计上更易于实现。故提出分离式电磁矢量传感器阵列结构来解决互耦问题。为实现两维高精度波达方向估计,首先提出由单个分离式全电磁矢量传感器和单个电偶极子组成的单三角阵列结构。在不增加任何阵元个数的前提下,提出一种双三角形阵列结构来实现两维波达方向的高精度估计。该矢量传感器空间结构分两个步骤设计：第一步,设计空间分离式电磁矢量传感器的空间结构使之满足矢量叉积传播矢量估计算法：第二步,在第一步基础上,设计阵列结构使之满足两维孔径扩展。上述两种阵列结构只使用六个或七个阵元,在实际的阵列雷达中往往不能满足检测概率和估计精度的需求,故提出一种稀疏均匀分离式电磁矢量传感器矩形阵列,针对该阵列提出了一种二维波达方向和极化参数的联合估计算法。但是全电磁矢量传感器中的电偶极子和磁偶极子的响应往往不一致,导致参数估计精度下降。故提出一种全电偶极子组成的三正交分离式矢量传感器阵列。上述所提阵列结构在降低阵元间互耦的同时,都采用稀疏阵列结构来扩展阵列的物理孔径,提高了波达方向估计精度。第三部分,研究双基地MIMO雷达的发射角和接收角估计问题。由于MIMO雷达的自由度等于发射阵元数和接收阵元数的Kronecker积,使MIMO雷达在提供高精度参数估计的同时,计算复杂度大大增加。此外,在双基地MIMO雷达中发射角和接收角的配对亦是一个重要问题。因此,提出一种实值ESPRIT方法和波束域求根MUSIC方法,利用全程实值操作的ESPRIT算法来降低复数域的ESPRIT算法的计算量。利用波束域的转换及求根算法来降低常规阵元域MUSIC算法的计算量。另外,从提高估计精度的角度出发,针对发射阵和接收阵均为分布式子阵的双基地MIMO雷达,研究实值双尺度ESPRIT方法来估计发射角和接收角。相对于半波长均匀分布的发射阵和接收阵组成的双基地MIMO雷达,分布式阵列能够扩展阵列的物理孔径,在不增加硬件复杂度的情况下,提高了角度估计性能。而且所提三种方法均能够实现发射角和接收角的自动配对。第四部分,研究电磁矢量传感器MIMO雷达的波达方向估计问题。鉴于MIMO雷达在参数估计方面的独特优势,考虑电磁矢量传感器在MIMO雷达中的应用,提出一种干涉式矢量传感器MIMO雷达,利用干涉发射阵列的长、短基线空间平移不变性采用双尺度ESPRIT算法获取发射角的高精度估计值；同理,利用矢量接收阵的双尺度空间平移不变特性得到高精度接收角估计值。该干涉矢量传感器MIMO阵列雷达,可同时获取MIMO雷达的波形分集和矢量传感器的极化分集,且在不增加阵元数和硬件复杂度情况下扩展有效孔径,提高了角度估计精度。另一方面,针对常规电磁矢量传感器MIMO雷达采用固定极化的发射极化方式,极化信息并没有得到充分利用,提出一种CRB最小化的发射极化优化算法来估计目标的波达方向。所提优化算法的波达方向估计精度高于采用固定极化的波达方向估计算法,并能保持固定极化波达方向估计算法的两维波达方向估计可自动配对、发射电磁矢量传感器位置可任意的优点。
【作者】郑桂妹；
【导师】陈伯孝；
【作者基本信息】西安电子科技大学，信号与信息处理，2014，博士
【关键词】电磁矢量传感器；极化敏感阵列；MIMO雷达；阵列信号处理；阵列互耦；分离式电磁矢量传感器；分布式阵列；波达方向估计；极化；求根MUSIC算法；波束域MUSIC算法；实值ESPRIT算法；矢量叉积算法；极化平滑；克拉美罗界(CRB)；

【参考文献】
[1]厉海鸥.高校虚拟跨学科组织研究[D].浙江大学,2008.
[2]韩小伟.内部控制审计对财务报告审计意见的影响研究[D].山东财经大学,会计学,2013,硕士.
[3]谢晓锋,张文俊,杨之廉.一种防止浮点遗传算法早熟收敛的父代选择策略[J].控制与决策,2002,05:625-628+634.
[4]曹仕艺.葭怀秋水依唐声[D].西安音乐学院,中国近现代音乐史,2014,硕士.
[5]代云霏.五轴侧铣加工刀具路径生成及优化[D].华中科技大学,机械电子工程,2013,硕士.
[6]胡明波.建国前中国共产党文书工作的现代化进程研究[D].南京师范大学,应用文体学,2014,博士.
[7]王婷婷.基于协同创新的高职项目课程改革研究[D].广东技术师范学院,职业技术教育学,2013,硕士.
[8]邓红林.云南省山地城镇化耕地保护机制研究[D].南京农业大学,公共管理,2013,硕士.
[9]李青.王尔德小说中的面具[D].河北师范大学,比较文学与世界文学,2013,硕士.
[10]史争伟.枣庄市周营镇农民民主权利保障研究[D].东北大学,中外政治制度,2010,硕士.
[11]陆关祥.造山带复杂结构构造区遥感——构造综合解析[D].西北大学,2002.
[12]郭佳.任务驱动教学法在高中信息技术教学中的实践研究[D].华中师范大学,现代教育技术,2014,硕士.
[13]闻兴媛.诉状叙事结构的研究[D].广东外语外贸大学,外国语言学及应用语言学,2004,硕士.
[14]陈怡斐.对麦克道威尔作品《森林素描》的研究[D].天津音乐学院,音乐表演,2014,硕士.
[15]刘章.湖南电大综合办公管理系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[16]贺欢.市场导向、技术导向与企业成长绩效的关系研究[D].北方工业大学,企业管理,2014,硕士.
[17]化小会.几类边传递图[D].北京交通大学,2011.
[18]张瑞.温度和臭氧对储藏稻谷品质和微生物量的影响研究[D].南京财经大学,食品科学,2012,硕士.
[19]张胜涛.临近空间高超声速飞行器绕流红外辐射特性数值模拟研究[D].上海交通大学,2009.
[20]王必金,林畅松,陈莹,卢明国,刘景彦.江汉盆地幕式构造运动及其演化特征[J].石油地球物理勘探,2006,02:226-230+248+19-20.
[21]丁然.支持向量机多类分类算法研究[D].哈尔滨理工大学,模式识别与智能系统,2012,硕士.
[22]韩亚琴.西藏自治区可再生能源开发研究[D].中国地质大学（北京）,管理科学与工程,2014,硕士.
[23]王琮琮.JNC集团总部员工绩效管理体系设计[D].山东大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[24]耿妮.遗传δ-有界meso紧空间的性质及刻画[D].成都理工大学,计算数学,2013,硕士.
[25]吕明灿.串联的5-Endo卤代内酰胺化C-H键氧化官能团化合成β卤代吡咯烷酮的新方法[D].天津大学,药物化学,2013,硕士.
[26]张元伟.普鲁塔克《提秀斯传》研究[D].东北师范大学,古典文献学,2012,硕士.
[27]张云洲.安徽移动通信市场竞争比较[D].安徽大学,经济学,2004,硕士.
[28]勇湘霞.顺应论在《牛津公共政策手册》（第44章）汉译中的应用[D].苏州大学,翻译（专业学位）,2014,硕士.
[29]邓凯.农村高中学生对英语和汉语学习态度与学习效果的相关研究[D].华中师范大学,学科教学,2013,硕士.
[30]任尧喜.安全信息闭环管理系统在煤矿安全生产中的研究与应用[D].天津大学,软件工程,2013,硕士.
[31]芮小虎.基于模糊积分的协作频谱感知技术研究[D].南京邮电大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[32]吴洋.多媒体教学管理系统的设计与实现[D].西安科技大学,计算机技术,2014,硕士.
[33]王飞宇.基于全相位数字信号处理的基因识别算法研究[D].宁波大学,通信与信息系统,2014,硕士.
[34]冯璐.海上强制保险最大诚信原则新探[D].上海交通大学,法律,2013,硕士.
[35]习宁.可组合信息流安全验证模型及方法研究[D].西安电子科技大学,计算机系统结构,2014,博士.
[36]庄善洁.从情报学角度谈知识地图的应用[J].现代情报,2005,08:198-200.
[37]卓祖亮,张福俊,许晓伟,王健,卢丽芳,徐征.退火处理提高P3HT:PCBM聚合物太阳能电池光伏性能[J].物理化学学报,2011,04:875-880.
[38]刘波.基于数据仓库的决策支持系统的研究与应用[D].西安建筑科技大学,2001.
[39]李海莲.基于移动终端的室内三维定位及跟踪技术研究[D].北京邮电大学,电子科学与技术,2013,硕士.
[40]王娟,马钦彦,杜凡,杨宇明.云南大围山种子植物区系海拔梯度格局分析[J].植物生态学报,2005,06:28-34.
[41]张佩思.缺陷对LiBH_4·NH_3结构和储氢性能的影响[D].河北师范大学,物理化学,2014,硕士.
[42]谭亮.长春市普通高校体育特长生培养现状的研究[D].辽宁师范大学,体育教育训练学,2012,硕士.
[43]周丛群.滁州市政府绩效考核评估研究[D].安徽大学,公共管理,2013,硕士.
[44]由盈光.市场经济条件下大学生诚信教育研究[D].沈阳师范大学,思想政治教育,2014,硕士.
[45]骆琳.面向计算机的现代汉语“得”字研究[D].华中科技大学,2007.
[46]吴晓晓,李福山,吴薇,郭太良.基于石墨烯/PEDOT∶PSS叠层薄膜的柔性OLED器件[J].发光学报,2014,04:486-490.
[47]姚春楠.地域化室内设计在金融机构中的应用[D].北方工业大学,设计艺术学,2014,硕士.
[48]刁建东.大型旋转机械运行状态监测系统研究[D].哈尔滨工业大学,机械电子工程,2013,硕士.
[49]冯绍青.食品安全规制法律问题研究[D].山西财经大学,经济法学,2013,硕士.
[50]褚光萍.湖北省中小学生人体测量学指标与血压水平关系的研究[D].华中科技大学,公共卫生,2013,硕士.