CN108519575A - 干涉仪体制天线结构、辐射源极化参数测量及极化域信号增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种干涉仪体制天线结构、辐射源极化参数测量及极化域信号增强方法，基于双基线干涉仪体制，包括三个正交极化天线，每个正交极化天线作为一个整体，将三个正交极化天线布置成长短基线的阵列；所述每个正交极化天线包括水平和垂直极化的两个子天线；所述两个子天线除极化方式不同外其他特性一致，并且安装时相位中心重合，使得正交极化的两个子天线的输出即为入射电磁波的水平和垂直极化分量，且与信号的入射角度无关，便于获取入射电磁信号的极化信息，形成对辐射源特征更为完善的极化域参数描述。

Description

干涉仪体制天线结构、辐射源极化参数测量及极化域信号增 强方法

技术领域

本发明涉及一种干涉仪体制天线结构、辐射源极化参数测量及极化域信号增强方法，涉及阵列信号处理领域的参数测量技术。

背景技术

现有的辐射源参数测量方法是通过在时域确定辐射信号的出现和维持时间，在频域提取辐射源的频率及调制信息，在空域提取辐射源到达角度信息实现。图1给出了一种典型的传统辐射源参数测量方法，该方法采用双基线干涉仪体制，将三个极化一致天线布置成长短基线的阵列，通过对接收信号的放大滤波和AD转换，获取三个天线数字化后的信号，然后利用某个天线的数字信号在时域和频域内分析信号的特征，最后采用双基线干涉仪完成三个接收天线的相位比较，获得辐射源的空域到达角度。

不难发现，类似于图1中的传统辐射源参数提取方法存在如下问题：

由于未知辐射源的极化信息，当入射信号的极化方式与接收天线的极化方式不匹配时，接收天线感应到的入射信号分量将非常小甚至根本无法感应，从而造成后续提取信号时域、频域和空域的参数精度降低或者根本无法提取。

随着电磁环境的日益复杂和恶劣，辐射源信号特征也变得极为复杂。某些辐射源，如雷达等，其时域信息(脉冲重复周期，脉冲宽度等)，频域信息(如工作频率和调制方式等)可在很大的范围内随机变化，因此传统的通过测量时、频域参数来描述辐射源的特征局限性日趋明显。

信号的极化特性也反应了辐射源的一种固有性质，这种性质与辐射源时域、频域和空域信息没有直接联系。如果可测量出辐射源的极化信息，对辐射源的描述就可从传统的时域、频域和空域扩展到极化域，更有利于对辐射源的分析和识别。而传统的辐射源参数测量技术无法获取极化信息。

发明内容

本发明提供一种干涉仪体制天线结构，具有便于实现对辐射源极化参数的测量的特点；

本发明还提供了一种辐射源极化参数测量方法，具有能够实现对辐射源极化参数的测量的特点；

本发明还提供了一种极化域信号增强方法，具有能够增强接收天线极化域信号的特点。

本发明采用的技术方案如下：

根据本发明提供的一种干涉仪体制天线结构，基于双基线干涉仪体制，其特征在于：包括三个正交极化天线，每个正交极化天线作为一个整体，将三个正交极化天线布置成长短基线的阵列；所述每个正交极化天线包括水平和垂直极化的两个子天线；所述两个子天线除极化方式不同外其他特性一致，并且安装时相位中心重合，使得正交极化的两个子天线的输出即为入射电磁波的水平和垂直极化分量，且与信号的入射角度无关。

基于上述干涉仪体制天线结构的辐射源极化参数测量方法，设第i个正交极化天线的水平、垂直极化子天线经过放大滤波和AD处理后的信号复包络为 s_ih(t)和s_iv(t)，对s_ih(t)和s_iv(t)做快速傅里叶变换，提取两路信号中心频率处的幅度和相位并表示为和则根据极化参数的定义，入射信号的极化参数可表示成：

其中，i＝1,2,3；t表示时间；E表示幅度；e为自然数；j为复数形式；为相位；|·|表示取复数的模长，∠(·)表示取复数的幅角，γ是极化参数中的极化幅度角，它代表任意极化的入射信号在水平和垂直两个正交极化分量上投影的幅度差异，η是极化参数中的极化相位角，它代表任意极化的入射信号在水平和垂直两个正交极化分量上投影的相位差异；

典型地，如果γ∈[0° 90°],η＝0°代表入射信号是线极化，其水平和垂直两个正交极化分量仅有幅度差异而没有相位差异；γ＝45°,η＝90°代表入射信号是圆极化，其水平和垂直两个正交极化分量幅度相同，相位相差90°。

基于上述辐射源极化参数测量方法的极化域信号增强方法，定义第i个正交极化天线的极化响应为：

可按如下方式对第i个正交极化天线做极化域信号增强：

s_i(t)＝w_hs_ih(t)+w_vs_iv(t),i＝1,2,3

其中极化信号增强的系数w_h和w_v可按如下方式选择：

w＝[w_h w_v]^H

其中，E{·}表示求数学期望，^H代表共轭转置，^T代表转置。

与现有技术相比，引入正交极化天线，可获取入射电磁信号的极化信息，形成对辐射源特征更为完善的极化域参数描述；基于正交极化天线接收信号，利用Capon波束形成理论对两路极化的输出信号进行极化域增强，提高了接收信号的信噪比；无论入射信号为何种极化，都可保证极化合成高质量的信号，进而后续参数测量的精度将得以保证。

附图说明

图1为传统双基线干涉仪体制的辐射源参数测量原理结构示意图。

图2为本发明基于极化域信号增强的辐射源参数测量原理结构示意图。

图3为水平极化子天线接收信号复包络实部。

图4为垂直极化子天线接收信号复包络实部。

图5为本发明其中一实施例中目标线极化入射，极化幅度角测量结果。

图6为本发明其中一实施例中正交极化天线1极化合成增强后信号复包络实部。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图2所示，一种干涉仪体制天线结构，基于双基线干涉仪体制，包括三个正交极化天线，每个正交极化天线作为一个整体，将三个正交极化天线布置成长短基线的阵列；所述每个正交极化天线包括水平和垂直极化的两个子天线；所述两个子天线除极化方式不同外其他特性一致，并且安装时相位中心重合，使得正交极化的两个子天线的输出即为入射电磁波的水平和垂直极化分量，且与信号的入射角度无关。

和传统干涉仪体制的天线选择形式不同，本发明采用了一种正交极化天线；引入正交极化天线，可获取入射电磁信号的极化信息，形成对辐射源特征更为完善的极化域参数描述。针对传统辐射源参数测量技术无法提取辐射源的极化信息且当接收天线与入射信号极化失配时辐射源参数测量精度低甚至失效的问题，本发明提出的干涉仪体制天线结构便于在极化域测量辐射源的极化参数，然后通过极化域的信号增强技术，提高测量辐射源传统时域、频域和空域参数的准确性，从而实现对辐射源特征更为完善和精确地描述。

在完成对三个正交极化天线输出信号的放大滤波和AD转换后，基于上述干涉仪体制天线结构的辐射源极化参数测量方法，设第i个正交极化天线的水平、垂直极化子天线经过放大滤波和AD处理后的信号复包络为s_ih(t)和s_iv(t)，对s_ih(t)和s_iv(t)做快速傅里叶变换，提取两路信号中心频率处的幅度和相位并表示为和则根据极化参数的定义，入射信号的极化参数可表示成：

其中，i＝1,2,3；t表示时间；E表示幅度；e为自然数；j为复数形式；为相位；|·|表示取复数的模长，∠(·)表示取复数的幅角，γ是极化参数中的极化幅度角，它代表任意极化的入射信号在水平和垂直两个正交极化分量上投影的幅度差异，η是极化参数中的极化相位角，它代表任意极化的入射信号在水平和垂直两个正交极化分量上投影的相位差异；

典型地，如果γ∈[0° 90°],η＝0°代表入射信号是线极化，其水平和垂直两个正交极化分量仅有幅度差异而没有相位差异；γ＝45°,η＝90°代表入射信号是圆极化，其水平和垂直两个正交极化分量幅度相同，相位相差90°。

本发明采用了正交极化天线接收信号，利用Capon波束形成理论对两路极化的输出信号进行极化域增强，提高了接收信号的信噪比。当入射信号的极化和传统处理方法的接收天线极化失配时，接收信号的质量严重变差，传统方法的参数测量精度将显著下降甚至无法使用。本发明对两路正交极化的输出做极化域信号增强后，无论入射信号为何种极化，都可保证极化合成高质量的信号，进而后续参数测量的精度将得以保证。

基于上述辐射源极化参数测量方法的极化域信号增强方法，该方法采用极化合成的思想实现两路正交极化信号的增强，定义第i个正交极化天线的极化响应为：

可按如下方式对第i个正交极化天线做极化域信号增强：

s_i(t)＝w_hs_ih(t)+w_vs_iv(t),i＝1,2,3 (3)

其中极化信号增强的系数w_h和w_v可按如下方式选择：

w＝[w_h w_v]^H

其中，E{·}表示求数学期望，^H代表共轭转置，^T代表转置。(4)即为采用 Capon波束形成原理获取的最优极化增强系数。

对于极化域增强后信号的参数测量：对于极化域增强后的信号 s_i(t),i＝1,2,3，可按传统双基线干涉仪体制类似的方法，测量合成后信号的时域、频域和空域参数，此处不再赘述。

为了验证本发明的有效性，设计了一个典型的辐射源估计实例作为本发明的实施例，条件如下：

阵列采用如图2所示的正交极化天线的双基线干涉仪，其中短基线的长度为50mm，长基线的长度为300mm；

辐射源为中心频率3.1GHz，具有12.5MHz线性调频，脉宽10us的信号，从方位角19.5°入射到阵列上；

辐射源信号的极化可变，从水平极化(0°线极化)变化到垂直极化(90°线极化)，线极化角变化间隔为5°，每个线极化状态下接收100个信号脉冲；

阵列接收信号受加性高斯白噪声影响，接收信号的信噪比为5dB；

本发明采用正交极化天线并按图2的处理方式进行辐射源参数测量。作为对比，传统方法采用正交极化天线阵中水平极化子天线的输出，按图1的处理方式测量辐射源参数。

针对本实例，分步骤结果为：

图3和图4给出了辐射源信号以垂直极化方式入射时，正交极化天线1的水平和垂直子天线输出复信号实部。由图可知，由于入射信号为垂直极化与水平极化子天线极化失配，因此水平极化子通道几乎只接收到了噪声信号；反之入射信号极化与垂直极化子天线匹配，接收信号质量较好，可明显看出信号的脉冲持续时间段。可想象，如果此时采用水平极化子天线的输出的信号测量辐射源参数，精度将严重下降。

目标在0°、15°、75°、80°、85°和90°线极化入射情况下进行了100 次极化幅度角测量，图5中统计了在不同入射信号极化下，100次极化幅度角测量的r.m.s.(均方根误差)。从结果可知，本发明的极化估计方法可实现对目标极化的估计，对典型的线极化目标，本实例条件下极化幅度角测量 r.m.s.≤5.75°。

图6给出了图3和图4中正交极化天线两路输出按(4)式做极化域信号增强后的结果。本发明后续辐射源时域，频域和空域的参数的测量将利用增强后的信号，采用和传统方法相同的处理流程进行。

从典型入射信号极化下100次脉宽测量结果的对比可发现，传统方法由于采用水平极化天线接收信号，当辐射源极化在垂直极化附近，如75～90°线极化时，入射信号脉宽测量误差大，波动严重，而本发明无论入射信号的极化如何，均可以稳定地测出信号脉冲宽度，脉宽测量r.m.s.<0.3us，证实了本发明测量信号时域参数的正确性。

从典型入射信号极化下100次中心频率测量结果的对比可发现，传统方法由于采用水平极化天线接收信号，当辐射源极化在垂直极化附近，如75～90°线极化时，入射信号中心频率测量偏差明显增大，而本发明无论入射信号的极化如何，均可以稳定地测量信号中心频率，频率测量r.m.s.<0.15MHz，证实了本发明测量信号频域参数的有效性。

从典型入射信号极化下100次测角结果的对比可发现，传统方法由于采用水平极化天线接收信号，当目标极化在垂直极化附近，如85～90°线极化时，入射信号的测向角度出现明显“跳动”，这是由于双基线干涉仪解模糊错误和测向精度降低造成，而本发明无论入射信号的极化如何，均可以稳定地测出信号的角度，测向测量r.m.s.<0.6°，证实了本发明测量信号空域到达角参数的准确性。

Claims (3)

1.一种干涉仪体制天线结构，基于双基线干涉仪体制，其特征在于：包括三个正交极化天线，每个正交极化天线作为一个整体，将三个正交极化天线布置成长短基线的阵列；所述每个正交极化天线包括水平和垂直极化的两个子天线；所述两个子天线除极化方式不同外其他特性一致，并且安装时相位中心重合，使得正交极化的两个子天线的输出即为入射电磁波的水平和垂直极化分量，且与信号的入射角度无关。

2.基于权利要求1所述干涉仪体制天线结构的辐射源极化参数测量方法，设第i个正交极化天线的水平、垂直极化子天线经过放大滤波和AD处理后的信号复包络为s_ih(t)和s_iv(t)，对s_ih(t)和s_iv(t)做快速傅里叶变换，提取两路信号中心频率处的幅度和相位并表示为和则根据极化参数的定义，入射信号的极化参数可表示成：

其中，i＝1,2,3；t表示时间；E表示幅度；e为自然数；j为复数形式；为相位；|·|表示取复数的模长，∠(·)表示取复数的幅角，γ是极化参数中的极化幅度角，它代表任意极化的入射信号在水平和垂直两个正交极化分量上投影的幅度差异，η是极化参数中的极化相位角，它代表任意极化的入射信号在水平和垂直两个正交极化分量上投影的相位差异；

典型地，如果γ∈[0° 90°],η＝0°代表入射信号是线极化，其水平和垂直两个正交极化分量仅有幅度差异而没有相位差异；γ＝45°,η＝90°代表入射信号是圆极化，其水平和垂直两个正交极化分量幅度相同，相位相差90°。

3.基于权利要求2所述辐射源极化参数测量方法的极化域信号增强方法，定义第i个正交极化天线的极化响应为：

可按如下方式对第i个正交极化天线做极化域信号增强：

s_i(t)＝w_hs_ih(t)+w_vs_iv(t),i＝1,2,3

其中极化信号增强的系数w_h和w_v可按如下方式选择：

w＝[w_h w_v]^H

其中，E{·}表示求数学期望，^H代表共轭转置，^T代表转置。