基于嵌套阵列的部分/随机极化信号波达方向与极化度估计方法研究

In the recent decade, estimation of array parameters for polarized signals has received significant amount of attention in the field of array signal processing. Most of the developed methods, which are tailored for completely polarized signals, are inapplicable to partially-polarized (PP)/randomly-polarized (RP) signals. To deal with this problem, this project applies the nested array geometry to parameter estimation of PP/RP signals, and proposes several new direction-of-arrival (DOA) and degree-of-polarization (DOP) estimation methods for PP/RP signals. The main contents of this project include: parameter estimation using multiple-level nested array, quaternion representation of PP/RP signals and parameter estimation, parameter estimation of near-field PP/RP signals and statistical performance analysis of parameter estimation methods using nested arrays. The project aims to solve the following key technologies: obtaining Khatri-Rao (K-R) subspace for PP/RP signals using nested arrays, DOP estimation of PP/RP signals and statistical performance and Cramer Rao Bound (CRB) analysis for scenario when the number of signals exceeds that of sensors. The project has a very important theoretical and practical significance to further explore the characteristics of polarized signals and to develop new generation of polarization information acquisition and processing systems.

近十多年来，极化信号阵列参数估计方法研究是阵列信号处理领域的研究热点。业已发展的大量针对完全极化信号的参数估计方法不适用于部分/随机极化信号。针对这一问题，本项目将嵌套阵列构型引入部分/随机极化信号的阵列信号参数估计中，提出几种部分/随机极化信号波达方向与极化度参数估计新方法。主要研究内容包括：基于多级嵌套阵列构型参数估计方法；部分/随机极化信号的四元数表示与参数估计方法；近场部分/随机极化信号参数估计方法以及基于嵌套阵列的参数估计方法的统计性能分析。通过攻克基于嵌套阵列的部分/随机极化信号的K-R子空间获取、部分/随机极化信号的极化度参数的估计以及信号个数大于阵元个数时算法的统计性能与克拉美-罗界分析等关键技术，形成一套基于嵌套阵列的部分/随机极化信号参数估计新理论。本项目对进一步深刻挖掘极化信号的特性及对新一代极化信息获取与处理系统无疑具有十分重要的理论与实际意义。

本项目将嵌套阵列构型引入部分/随机极化信号的阵列信号参数估计中，对嵌套阵列信号处理和极化阵列信号处理开展了以下研究：.(1) 针对现有嵌套阵列第一级子阵间距小于半波长造成的阵列孔径受限问题，提出了稀疏嵌套阵列结构，利用极化(电磁信号)或振速(声波信号)自由度解决了由于阵列孔径扩展引起的相位模糊问题，并在此基础上设计了扩展孔径阵列参数估计算法。.(2) 针对现有嵌套阵列参数估计算法不适用于部分/随机极化信号的问题，提出了基于嵌套阵列的部分/随机极化信号的四元数表示方法，并设计了信号DOA和极化度的联合估计算法。.(3) 针对现有嵌套阵列参数估计算法不适用于近场信号的问题，提出了基于嵌套阵列的近场信号的高阶累积量差分协阵模型，理论分析了考虑近场传播的幅度响应后差分协阵的自由度，并在此基础上设计了信号DOA和距离的联合估计算法。.(4) 针对实际天线阵列存在的阵元幅相不一致问题，提出了基于部分校准阵列的联合参数估计和阵列校正方法，并在此基础上设计了鲁棒的自适应波束形成算法和近场信号DOA和距离的联合估计算法。.相关研究成果发表学术论文26篇，其中有8篇发表在IEEE Transactions刊物上，截至2021年12月，有一篇入选ESI高被引论文和热点论文。项目的研究成果丰富了阵列信号处理理论，同时也将促进雷达、声纳及无线通信领域中目标定位等技术的发展。