【摘 要】
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传统的波达方向(Direction-of-Arrival,DOA)估计算法大多要求信源数必须小于物理阵元数(超定估计),否则算法将会失效,这必然会导致估计成本的提高。除了DOA外,极化参数也是描述信号特征的重要参量,然而目前大多数文献都只能实现对完全极化信号的估计,且一般针对的都是超定情形,这在实际应用中具有很大的局限性。因此,提出一种部分极化信号欠定波达方向与极化参数估计算法是很有必要的。本文围
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传统的波达方向(Direction-of-Arrival,DOA)估计算法大多要求信源数必须小于物理阵元数(超定估计),否则算法将会失效,这必然会导致估计成本的提高。除了DOA外,极化参数也是描述信号特征的重要参量,然而目前大多数文献都只能实现对完全极化信号的估计,且一般针对的都是超定情形,这在实际应用中具有很大的局限性。因此,提出一种部分极化信号欠定波达方向与极化参数估计算法是很有必要的。本文围绕部分极化信号欠定参数估计,分别给出了基于双极化互质阵列的零化插值算法和基于三极化嵌套阵列的非迭代子空间算法,并通过仿真实验证明了这两种算法在低信噪比和低快拍数下优越的估计性能。本文主要工作如下:首先分析了互质阵列和嵌套阵列的结构以及接收信号的数学模型,并详细解释了其提高估计自由度的原理。此外还分析了完全极化信号和部分极化信号的具体运动特征,并给出了其在极化-空域下的联合表示形式。其次在双极化扩展互质阵列接收信号的前提下,介绍了几种欠定部分极化信号估计方法,并重点分析了所提出的零化插值算法。该算法通过子协方差相加的形式对阵列输出进行降维,并借助由零化关系构造的最优化问题对虚拟阵列的孔洞处进行插值,使得估计自由度得到进一步提升,之后再通过迭代求解得到零化滤波系数及噪声方差,进而实现对部分极化信号DOA与极化参数的欠定联合估计。仿真结果表明,该算法能够成功实现估计自由度的提升,且相较于其它算法具有更好的估计性能。最后在三极化嵌套阵列接收信号的前提下,给出了克拉美罗下限的推导方法,还重点介绍了一种基于非迭代子空间的欠定部分极化信号参数估计算法,该算法采用子协方差相加的形式来降低信号输出维度,并通过构造Toeplitz矩阵来恢复二阶统计信号带来的秩亏问题,无需多次迭代,因此具有较小的计算复杂度,此外该算法还给出了嵌套阵列的优化方法来实现阵列噪声方差的欠定估计。仿真结果表明,该算法能够有效提高信号的估计自由度,且相较于双极化天线,具有更小的均方根误差,估计精度得到了进一步提升。
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