基于極化敏感陣列的加權融合測角方法

楊美娟 李文龍

摘要：角度估計是雷達的一個關鍵功能。極化敏感陣列用作雷達天線可有效減小模型誤差，改善測角性能。為提高目標角度估計精度，本文提出了一種擴展的加權融合測角方法。首先對完備電磁矢量進行介紹，建立了極化-空域信號處理模型；其次推導了擴展后的加權融合測角方法；最后結合稀疏恢復測角方法，以雙正交電偶極子陣列天線為例，驗證了方法的有效性。結果表明，極化信息的引入，減小了陣列信號模型的誤差，并通過極化加權使得該方法能夠有效提升目標空間角度估計的精度。

關鍵詞：電磁矢量；極化敏感陣列；加權融合；DOA估計

中圖分類號：TN821+.1文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.03.005

傳統(tǒng)雷達信號處理領域一般聚焦于信號的時間延遲、多普勒頻移和空間到達角，較少關注信號的極化信息。近年來，隨著信號處理相關應用的不斷增多，極化敏感陣列天線在雷達領域的逐漸嶄露頭角，極化信號處理技術成為國內外學者新的關注點[1-4]。獲取極化信息的主要途徑是采用極化敏感陣列，通過引入信號的極化信息，可提高陣列自由度，增加陣列接收數據的冗余信息，減少模型誤差對后續(xù)信號處理分析的影響[5-7]。此外，極化陣列的檢測性能對信號的極化狀態(tài)不敏感，能夠滿足各類極化信號的檢測要求，證明其具有較強的檢測魯棒性[8]。

目標到達角估計是雷達信號處理領域的重點研究內容之一，陣列測角的物理基礎是電磁波在均勻介質中傳播的直線性和陣列天線的方向性。國內外學者已相繼在極化信號處理領域開展了有關工作，針對參數估計的研究已成為熱點問題。國外方面主要通過將經典的超分辨測角算法，如多重信號分類算法（MUSIC）、旋轉不變子空間法（ESPRIT）等，經過改進修正應用至極化敏感陣列上，實現目標空間角度和極化角度的聯(lián)合估計[9-12]。國內方面，王洪洋等[13]說明了如何通過完備電磁矢量在空頻和極化域進行聯(lián)合參數估計，大多學者[14-16]采用修正MUSIC算法或降維MUSIC算法進行目標角度估計。然而，國內外鮮有利用極化信息對空域角度估計值加權來提升到達角（DOA）估計精度的研究。

為了提高DOA估計精度，本文提出一種擴展后的利用極化敏感陣列的完備電磁矢量信息對單極子陣列所測角度進行加權融合的方法，該方法能夠有效提升測角精度，且具有較強的魯棒性。

1極化敏感陣列信號處理基礎

1.1完備電磁矢量

本文主要考慮遠場平面窄帶信號，且各陣元所接收數據的噪聲互不相關，均為隨機高斯白噪聲。設存在一遠場平面電磁波沿-r？傳播（見圖1）。電場強度復矢量表達式為：

3計算機仿真與分析

采用單極子天線，并利用基于稀疏恢復原理的AGO方法[18]進行目標角度估計，將該測角結果與利用加權融合算法得到的結果進行對比驗證。采用半波長布陣，波束寬度為10.42°，快拍數為6，目標信號的來波方向設置為15°，極化參數為63°。仿真從兩種情況出發(fā)，分別為無隨機幅相誤差和有隨機幅相誤差，考查測角均方根誤差（RMSE）隨信噪比（SNR）的變化，令隨機幅度誤差不超過±0.5dB，隨機相位誤差不超過±5°。通過多次蒙特卡羅試驗，對比X方向電偶極子陣列、Y方向電偶極子陣列和兩種陣列加權融合后的測角均方根誤差隨信噪比的變化。仿真結果如圖3所示。

圖3中紅線、黑線和藍線依次表示利用AGO方法在采用X方向陣列、Y方向陣列和兩方向陣列加權融合時，有無隨機幅相誤差的測角RMSE隨信噪比的變化。從圖3（a）可以看出，隨著信噪比的提高，三種陣列的測角RMSE均相應減小，并且加權融合后的測角RMSE小于單一方向陣列的測角RMSE；觀察圖3（b）也可以得到相同的結論，說明加權融合方法能夠有效提高測角精度。通過對比圖3（a）和（b）發(fā)現，相比無隨機幅相誤差，存在誤差時AGO極化加權融合的測角RMSE增加不超過0.1°，說明本文方法具有較好的魯棒性。多次改變仿真條件，均可得到與圖3類似的仿真結果，故具體仿真圖不再一一羅列。

4結束語

針對傳統(tǒng)測角方法精度低的現狀，提出了一種擴展后的基于極化敏感陣列的加權融合測角方法。該方法通過獲取目標極化信息，提升信號處理模型準確度，并利用加權系數提高目標角度的估計精度。該方法可結合傳統(tǒng)的測角方法加權，也可利用較新的稀疏恢復測角方法加權，因此，為提升測角精度提供了一種較好的思路。此外，后續(xù)研究中可將本文方法應用至綜合后的陣列天線[19]或稀疏優(yōu)化陣列[20]，驗證本文方法的適應性。

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（責任編輯陳東曉）

作者簡介

楊美娟（1992-）女，碩士研究生，工程師。主要研究方向：極化敏感陣列信號處理。

Tel：15229029718E-mail：mjyang11@163.com

Weighted Fusion Angle Measurement Method Based on Polarization Sensitive Array

Yang Meijuan*，Li Wenlong

Chinese Flight Test Establishment，Xian 710089，China

Abstract： Angle estimation is the key function of radar. Polarization sensitive array used as radar antenna can effectively reduce model error and improve angle measurement performance. In order to improve the accuracy of target angle estimation， this paper proposes an extended weighted fusion angle measurement method. Firstly， the complete electromagnetic vector is introduced briefly， and the polarization-space signal processing model is established. Secondly， the extended weighted fusion angle measurement method is derived. Finally， combined with sparse restoration method， the effectiveness of the proposed method is verified by taking the biorthogonal electric dipole array antenna as an example. The results show that the error of array signal model is diminished by using the polarization information. And through the weighted fusion， the accuracy of target space angle estimation is effectively improved.

Key Words： electromagnetic vector； polarization sensitive array； weighted fusion； DOA estimation