存在近場輻射源情況下的陣列流形建模及分辨性能分析

宋嘉奇，王 露，王 玨

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

近場輻射源定位作為雷達(dá)、聲吶系統(tǒng)的主要任務(wù)之一，在軍事、民用等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)陣列信號處理通常假設(shè)信號源位于天線陣列的遠(yuǎn)場區(qū)域，也稱夫瑯霍費區(qū)（Fraunhofer Region），即信號源與陣列中心的距離r＞2D2/λ，其中D為傳感器陣列的孔徑，λ為無線電信號的波長。此時信號源與陣列的距離遠(yuǎn)大于陣列孔徑，信號到達(dá)各陣元的波前差異不大，因此遠(yuǎn)場的電磁波傳播模型可以用平面波來近似。但當(dāng)信號源到陣列的距離滿足0.62(D3/λ)1/2＜r＜ 2D2/λ時，目標(biāo)位于天線陣列的近場區(qū)域，也稱菲涅爾區(qū)（Fresnel Region），信號波陣面在天線陣列的孔徑渡越無法忽略，此時信號到達(dá)陣列的波前需要用球面波模型進(jìn)行描述，不能再近似為平面波[1]。從天線陣列中心到0.62(D3/λ)1/2的區(qū)域稱為感應(yīng)近場區(qū)，電磁能量在該區(qū)域內(nèi)周期性地來回流動，不向外輻射。以11陣元的稀布天線陣列共線排布，陣元間距為5 m，天線工作在x波段，則陣列孔徑D= 50 m，λ= 0.03 m ，2D2/λ≈ 1.67 × 105m，距離陣列中心小于150 km 的信號源都被視為近場目標(biāo)，因此，研究近場情況下的輻射源參數(shù)估計問題具有非常重要的理論意義和實用價值。

參數(shù)估計算法中一類典型的參數(shù)估計算法是子空間類算法，自斯坦福大學(xué)的Schmidt 博士提出經(jīng)典的多重信號分類（Multiple Signal Classification，MUSIC）算法[2]之后，國內(nèi)外廣大學(xué)者對子空間類算法開展了深入研究，并提出了一系列改進(jìn)算法。特征子空間類算法的基本思想是利用特征分解將陣列接收數(shù)據(jù)矩陣分解為信號子空間和噪聲子空間，通過對陣列流形（Array Manifold）的搜索實現(xiàn)信號源的參數(shù)估計，大大提高了參數(shù)估計精度及分辨率，且不再受“瑞利限”的約束。對于來自某特定方向的信號，陣列流形是陣列幾何結(jié)構(gòu)的直接函數(shù)，其中包含了輻射源的所有信息，研究陣列流形的性質(zhì)不僅有助于分析目標(biāo)定位的模糊度和分辨能力，同時對新的定位算法的提出和陣列結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

雖然陣列流形的概念廣泛應(yīng)用于信號源的參數(shù)估計問題，但僅有少量文獻(xiàn)對陣列流形的形狀直接進(jìn)行研究。Manikas 提出，均勻線陣的遠(yuǎn)場陣列流形是N維復(fù)空間CN內(nèi)的超螺旋曲線（hyperhelix），當(dāng)所有陣元關(guān)于陣列質(zhì)心中心對稱時陣列流形的復(fù)超螺旋曲線為實值，同時指出反映參數(shù)估計性能的兩個關(guān)鍵參數(shù)是陣列流形的弧長和一階曲率[3]。帝國理工學(xué)院的Docus 和Manikas等人利用微分幾何對不同陣型的遠(yuǎn)場陣列流形進(jìn)行了研究[4]，并討論了平面陣列方位角和俯仰角估計精度與其陣列流形微分幾何特性的關(guān)系，并利用圓形近似推導(dǎo)出了用弧長和一階曲率表示的克拉美羅界（Cramer-Rao Bound，CRB）表達(dá)式[5]。Karimi等人對均勻線陣接收近場球面波信號時的弧長和一階曲率進(jìn)行了推導(dǎo)，此時陣列流形不再是超螺旋曲線而是隨信源距離的增大逐漸逼近于超螺旋曲線[6-7]。在國內(nèi)，電子科技大學(xué)的劉洪盛博士分析了線陣和面陣的陣元位置誤差與其測向性能的關(guān)系[8-9]，并提出了一種基于最小流形長度的高精度線陣優(yōu)化設(shè)計方法[10]。何子遠(yuǎn)博士對稀疏陣的遠(yuǎn)場源估計模糊問題進(jìn)行了分析，提出了一種利用功率估計去模糊的參數(shù)估計算法[11]。

本文以雷達(dá)和聲吶系統(tǒng)的目標(biāo)定位為背景，對近場參數(shù)估計的陣列流形進(jìn)行了研究。第1 節(jié)建立了任意N元陣列接收近場輻射源信號的陣列流形模型，可以看出近場陣列流形是嵌在N維復(fù)空間CN中的復(fù)曲面，并對均勻線陣的遠(yuǎn)場陣列流形與近場陣列流形進(jìn)行了對比；第2 節(jié)利用微分幾何對一維線性陣列的近場陣列流形進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出了陣列流形弧長和一階曲率的表達(dá)式；最后在第3節(jié)利用這兩種局部特性參數(shù)對近場參數(shù)估計的分辨率和克拉美羅界進(jìn)行了分析。

1 近場陣列流形建模

由N個陣元構(gòu)成的任意陣列對K個信號源進(jìn)行參數(shù)估計的問題模型通常被建立為以下陣列輸出模型：

式中，x(t) 為陣列輸出矩陣，s(t) 是信號的復(fù)包絡(luò)矢量，n(t) 是陣列接收到的加性噪聲，A()ω矩陣可以表示為以下形式：

式中，ωk包含所有信號源的位置參數(shù)，a(ωk)為相應(yīng)導(dǎo)向矢量（steering vector），表示陣列對位置參數(shù)為ωk的信源的響應(yīng)。所有導(dǎo)向矢量的集合形成了一個軌跡或向量連續(xù)體，稱為陣列流形。通常情況下，陣列流形被定義為從參數(shù)空間Ω 到CN的映射a。

式中，參數(shù)空間Ω 是所有可能的信源位置參數(shù)的集合。例如在遠(yuǎn)場源系統(tǒng)(ω=θ)中，Ω 是實數(shù)軸 R1上的開區(qū)間(0,2π)，因此遠(yuǎn)場陣列流形的圖像是CN中關(guān)于θ的單參數(shù)曲線。當(dāng)信號源位于近場區(qū)域(ω=θ,r)時，Ω是實數(shù)平面 R2上的開區(qū)間[(0,2π),(0.62(D3/λ)1/2,2D2/λ)]，陣列流形 a(θ,r)的圖像則是CN中關(guān)于θ和r的雙參數(shù)曲面。

推導(dǎo)陣列接收近場窄帶信號的陣列流形表達(dá)式首先需要確定其球面波前。簡單起見，假設(shè)只包含兩個各向同性陣元的陣列，如圖1所示，選取陣元1 為參考陣元（坐標(biāo)原點），陣元2 位于ρ 處。此外，假定一個各向同性的信號源位于陣列近場區(qū)域，分別相對于陣元1 和陣元2 位于r和r1 處，信號源相對于參考陣元的角度為θ（關(guān)于x軸），距離若s(t) 表示陣元1 接收到的信號復(fù)包絡(luò)，則陣元2接收到的信號包絡(luò)可以建模為：

式中，λ為傳播波的波長。表明球面波傳播的路徑傳輸損耗，指數(shù)項表示兩個陣元接收信號的相位差。

圖1 二元陣列接收近場信號示意圖

根據(jù)平面幾何關(guān)系易得：

將式（5）代入式（4），陣元2 接收到的信號包絡(luò)經(jīng)過處理后可以表示為：

將式（6）推廣到任意N元陣列，各陣元相對于參考陣元的坐標(biāo)分別為 ρ1,...,ρN-1，假設(shè)一個近場窄帶信號源的位置參數(shù)為(θ,r)，r≠ 0，其陣列流形可表示為：

式中，⊙表示Hadamard 積，1N是N×1 維全一矩陣。

可以看出，近場陣列流形是嵌在N維復(fù)數(shù)空間的曲面，直接對其研究比較復(fù)雜。若假定近場源的距離參數(shù)已知，只需對不同距離值的近場陣列流形曲線進(jìn)行分析即可。值得注意的是，矢量μ 是信源距離r的函數(shù)，它取決于距離r相對于陣列規(guī)模的大小。

由式（7）可以看出，不同于遠(yuǎn)場陣列流形 aP(θ)有N0.5固定范數(shù)，近場陣列流形的范數(shù)是關(guān)于信源角度θ函數(shù)，因此其圖像不在同一個N維超球面上。以七個各向同性陣元組成的均勻線陣為例，對近場陣列流形進(jìn)行分析，其中陣元間距為半波長，本文后續(xù)的討論也均采用這種陣型。圖2給出不同距離參數(shù)情況下近場陣列流形與遠(yuǎn)場陣列流形差異的曲線，距離r為實際距離相對于陣列尺寸的相對值。正如期望的那樣，隨著信號源距離的增加，遠(yuǎn)場平面波和近場球面波陣列流形之間的差異接近于零，并且在球面波前最明顯的邊射處差異最大。圖2還表明，不同距離值的θ曲線不存在相交，因此在θ和r中不存在明顯的模糊問題。

圖2 七陣元線陣平面波與球面波陣列流形的差異

2 基于微分幾何的近場陣列流形分析

陣列流形是陣列幾何結(jié)構(gòu)的直接函數(shù)，陣列流形的形狀直接影響陣列的參數(shù)估計性能。微分幾何是運用微積分的理論研究空間曲線和曲面幾何性質(zhì)的數(shù)學(xué)分支學(xué)科，是研究陣列流形形狀的基本工具。陣列參數(shù)估計的性能中最常用的指標(biāo)是估計精度和分辨率，這些性能都對應(yīng)著陣列流形的局部幾何特性，如弧長變化率和曲率等。針對第1 節(jié)建立的近場陣列流形模型，利用微分幾何對弧長變化率和一階曲率等參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)。

當(dāng)信號源的距離參數(shù)為固定值時，近場陣列流形的目標(biāo)參數(shù)僅剩下角度θ，則有：

從式（8）可以得出：

(θ,r)的值可以理解為θ取不同值時陣列敏感度的度量，例如(θ,r)在0θ處的值較大時，0θ附近一個小的角度偏差θΔ 可能會造成陣列響應(yīng)大的變化Δa，反之亦然。此外，1θ和2θ之間(θ,r)下方的面積表示a(θ1,r)和a(θ2,r)之間的陣列流形弧長，取較大值時在某種程度上意味著更強的分辨性能。圖3所示為七陣元線陣在近場源距離不同時函數(shù)(θ,r)隨θ的變化曲線。很顯然，當(dāng)信號源距離r足夠大時，函數(shù)曲線逼近于遠(yuǎn)場情況下的正弦函數(shù)。而當(dāng)輻射源靠近陣列時，端射附近的敏感度和分辨率較低，遠(yuǎn)離端射的則開始提高。還要注意，對于所有距離值，(θ,r)在角度為0 和π 時取值為0，意味著敏感度和分辨率都為0，根據(jù)曲線正則條件，a(θ,r)在這兩點上不是正則參數(shù)曲線。

圖3 七陣元線陣不同距離 s˙ (θ, r)函數(shù)隨θ 的變化曲線

微分幾何滑動框架第一個坐標(biāo)軸矢量可以寫成：

近場陣列流形的一階曲率表達(dá)式κ1(θ,r)可以通過對1u 關(guān)于弧長求微分并取范數(shù)來獲得。經(jīng)過一系列運算，可以求得：

可以看出式（16）的一階曲率表達(dá)式相當(dāng)復(fù)雜，對其進(jìn)行簡化，可得：

可以預(yù)見，即使推導(dǎo)出κ2(θ,r)的表達(dá)式，其余2N-3 個曲率的計算也會相當(dāng)復(fù)雜，因此不在這里給出。而幸好只需變量(θ,r)和κ1(θ,r)已知，就可以對陣列參數(shù)估計性能進(jìn)行分析[4]。

七陣元線陣的一階曲率κ1(θ,r)隨角度θ的變化如圖4所示，其中θ≠0,π。可以看出，信號源距離參數(shù)足夠大，即位于陣列遠(yuǎn)場區(qū)域時，陣列流形的一階曲率為定值，與θ無關(guān)，線陣的遠(yuǎn)場陣列流形為N維復(fù)空間中的超螺旋曲線。而當(dāng)信源靠近陣列時，κ1開始明顯偏離于該常數(shù)值。因此可以確定，線性陣列的近場陣列流形一般不是超螺旋結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)信源距離增大時逐漸逼近。

圖4 七陣元線陣一階曲率隨角度θ 的變化曲線

3 近場參數(shù)估計的分辨性能分析

陣列流形曲率越大，陣列的分辨性能越強，因此利用一階曲率及弧長變化率對分辨率做定量分析是可行的。獲得近場陣列流形的s˙(θ,r)和κ1(θ,r)后，繼而研究其對子空間類參數(shù)估計算法性能的影響。

3.1 陣列流形弧長及估計精度

特征子空間類算法通過陣列觀測數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣 R =E(xxH)分解出信號子空間和噪聲子空間。而在實際情況中R是未知的，因此只能用協(xié)方差矩陣的最大似然估計來近似，可以通過有限快拍的陣列接收數(shù)據(jù)獲得，這也造成了信號和噪聲子空間的擾動，從而不可避免地導(dǎo)致參數(shù)估計誤差，該誤差可以通過參數(shù)的CRB 進(jìn)行分析。假設(shè)時空不相關(guān)的高斯噪聲功率為σ2，快拍數(shù)足夠大（L? 1）時θ的CRB可寫作：

式中，Q = I -A (AHA)-1AH，I 為單位矩陣，A 為陣列流形矩陣，=dA(θ,r)/dθ。與上一節(jié)相同，本節(jié)在對近場參數(shù)估計分辨性能的分析中固定距離參數(shù)r，以θ為唯一參數(shù)。當(dāng)近場目標(biāo)為單位功率的單一信號源時，式（20）可以改寫為：

式中，ε1(θ,r)為陣列流形在該點的單位切矢量，可以用代替。自身就是陣列幾何結(jié)構(gòu)的函數(shù)，從式（21）可以看出陣列流形的弧長在確定無偏估計最小誤差方差中的重要性。遠(yuǎn)場情況(r= ∞)下，陣列接收信號源輻射的平面波時，ε1Ha (θ,r) =0，這一重要性尤為明顯，s˙(θ,r)成為唯一影響CRB值的陣列流形特征，即，其中SNR為目標(biāo)信號的信噪比。

通過分析MUSIC 算法中因有限快拍數(shù)導(dǎo)致的參數(shù)估計漸近方差表達(dá)式，可以進(jìn)一步證明流形弧長對于參數(shù)估計精度的重要性。信源數(shù)為1 且功率為單位功率時，漸近方差表達(dá)式可寫作：

可以看出，高信噪比或陣元數(shù)較多時，漸進(jìn)方差逼近于CRB，并與有類似的依賴性。一般來說，無論何種原因?qū)е玛嚵辛餍蝍(θ0,r)所產(chǎn)生的誤差δa，都意味著弧長s0的計算過程中同樣造成誤差δs，反過來又造成參數(shù)估計誤差，該誤差強正比于。由上可得，陣列幾何結(jié)構(gòu)的函數(shù)為比較各種陣列結(jié)構(gòu)的參數(shù)估計性能提供了一種很有價值的工具。

3.2 陣列流形特性及分辨率

本小節(jié)研究陣列流形曲線的微分幾何特性對參數(shù)估計分辨率性能的影響。假設(shè)天線陣列接收到兩個距離均為r，角度分別為θ±θΔ 的近場源信號，如圖5所示，兩個陣列流形端點處分別有一個半徑為eσ的不確定球，表示弧長參數(shù)分別為s±Δs的參數(shù)估計誤差。

圖5 陣列流形誤差示意圖

假設(shè)陣列的分辨性能只受限于有限的快拍數(shù)和陣列幾何結(jié)構(gòu)，不考慮所采用各種實際參數(shù)估計算法的缺點。采用有限次快拍數(shù)的觀測數(shù)據(jù)構(gòu)造協(xié)方差矩陣無法完全消除加性噪聲。噪聲去相關(guān)的程度與快拍數(shù)成正比，因此建立不確定球半徑的模型噪聲功率為2σ的背景下陣列接收來波方向為θ的單元功率信號，弧長參數(shù)s的無偏估計方差CRB可以表示為：

式中，快拍數(shù)L? 1，證明了上述對不確定球的建模是合理的?？梢钥闯?，參數(shù)估計誤差的方差與噪聲功率σ2成正比，與快拍數(shù)L成反比。天線陣列接收遠(yuǎn)場平面波時弧長s的無偏估計方差CRB可以簡寫為CRB(s) =σ2/2L。雖然這里只考慮了噪聲和快拍數(shù)的影響，但一般情況下任何誤差造成的參數(shù)估計影響都可以被模擬。

很明顯，空間曲線中足夠小的一部分可以用一段圓弧近似表示，圓弧的半徑等于曲線在所關(guān)注點的一階曲率的倒數(shù)。因此遠(yuǎn)場情況下流形曲線的所有曲率均為常數(shù)[4]，這也使得對遠(yuǎn)場線陣流形分辨性能的分析被大大簡化。近場陣列流形曲線在s±Δs點處的單位切矢量可以用泰勒展開表示為：

式中，κ2(s)是流形曲線的二階曲率只保留到二階的項[6]。由于近場陣列流形曲線具有可變曲率，利用圓弧近似近場流形需要滿足以下三個條件，當(dāng)且僅當(dāng)下列條件滿足時，式（24）可以用半徑為κ1-1(s)的圓弧有效近似：

假設(shè)上述圓近似是有效的，根據(jù)Schmidt 博士提出的分辨率準(zhǔn)則[12]，我們可以假定如果切矢量ε1(s)與不確定球不相交時，則可以成功分辨角度參數(shù)分別為θ±θΔ 的兩個近場源。將陣列流形的一階曲率引入該準(zhǔn)則，可得：

值得注意的是，Δψ=Δs·κ1(θ,r)，利用σe的模型，可以推導(dǎo)出間隔Δθ的兩個目標(biāo)所需的信噪比表達(dá)式：

式（27）將天線的分辨能力與陣列流形的弧長變化率和一階曲率結(jié)合起來，可看出s˙(θ,r)對所需SNR 的影響更大。

圖6所示的是七陣元組成的均勻線陣分辨不同距離環(huán)上角度為θ±0.5°的近場源所需信噪比的曲線，其中快拍數(shù)為500，0°＜θ＜180°。該情景下滿足式（25）的三個條件，因此圓近似有效。可以看出，分辨陣列端射方向的信號源所需信噪比趨于無窮大，這一點也可以通過θ= 0°, 180°時來驗證，表明陣列軸向的分辨率為0。還要注意的是，近場源來波方向靠近陣列法向時，距離越大所需的可分辨信噪比越低，這既是因為發(fā)射源可以在較低的信噪比(在陣列基準(zhǔn)處測量)下被分辨，也是由于的變化造成的。

圖6 分辨相鄰信號所需的SNR 曲線

4 結(jié)論

本文以雷達(dá)和聲吶系統(tǒng)的目標(biāo)定位為背景，采用微分幾何研究了存在近場輻射源情況下由全向傳感器組成的陣列接收近場源信號陣列流形，并以均勻線陣為例給出陣列流形弧長變化率和一階曲率以信源角度和距離參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，同時討論了參數(shù)估計的分辨特性，為近場參數(shù)估計新算法的提出和陣列結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。