《電子技術應用》
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互耦條件下窄帶循環(huán)平穩(wěn)信號陣列測向方法的誤差分析
2016年電子技術應用第8期
魏煜欣1,岳 倩2,陳長興1
1.空軍工程大學 理學院,陜西 西安710051;2.中國人民解放軍91033部隊,山東 青島266034
摘要: 常規(guī)陣列各陣元感應電流間的耦合作用是很難消除的,互耦效應的存在會導致窄帶循環(huán)平穩(wěn)信號陣列測向方法產生角度估計偏差。為了分析這一偏差,首先基于互耦條件下的陣列接收數據建立了用于窄帶循環(huán)平穩(wěn)信號測向的陣列偽數據矩陣模型,并以此為基礎得到了均勻線陣和一般線陣中測向誤差的解析表達式。仿真結果表明該理論偏差在各種信號環(huán)境和陣列結構中都具有很高的準確性。
中圖分類號: TN911.7
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.028
中文引用格式: 魏煜欣,岳倩,陳長興. 互耦條件下窄帶循環(huán)平穩(wěn)信號陣列測向方法的誤差分析[J].電子技術應用,2016,
42(8):112-115,120.
英文引用格式: Wei Yuxin,Yue Qian,Chen Changxing. Performance analysis of narrowband cyclic direction finding methods with mutually coupled arrays[J].Application of Electronic Technique,2016,42(8):112-115,120.
Performance analysis of narrowband cyclic direction finding methods with mutually coupled arrays
Wei Yuxin1,Yue Qian2,Chen Changxing1
1.College of Science,Air Force Engineering University,Xi′an 710051,China; 2.Unit 91033 of PLA,Qingdao 266034,China
Abstract: The coupling effect between the inductive current at different elements of commonly used arrays is hard to eliminate completely, which will inevitably deteriorates the performance of the direction-of-arrival (DOA) estimators for narrowband cyclostationary signals. The bias introduced by the effect of mutual coupling is taken for predictable in this paper because of the determinacy of the mutual coupling for a given array, and by constructing the pseudo data matrices used in the narrowband cyclic methods, or rather Cyclic MUSIC and Extended Cyclic MUSIC, a closed-form expression for the biases in both uniform linear arrays(ULA) and general linear arrays(GLA) are obtained. Sufficient numerical experiments are carried out to validate the veracity of the theoretical biases in different signal environments and for different array shapes.
Key words : array signal processing;direction-of-arrival(DOA) estimation;performance analysis;mutual coupling;cyclostationarity

0 引言

  由于人為調制等原因,大多數雷達和通信信號都體現出一種特殊的周期性,即循環(huán)平穩(wěn)特性,不同調制樣式的信號具有不同的循環(huán)平穩(wěn)特性[1],因此,基于信號循環(huán)平穩(wěn)特性的參數估計方法在信號的選擇性和噪聲抑制方面具有顯著優(yōu)勢[2]。

  陣列信號處理是信號循環(huán)平穩(wěn)特性成功應用的一個典型例子[2]。GARDNER W A首先把信號的循環(huán)平穩(wěn)特性引入到陣列測向方法中,提出了相應的Cyclic MUSIC(簡記為C-MUSIC)方法[3]。文獻[4,5]分析了C-MUSIC方法對高斯和非高斯窄帶循環(huán)平穩(wěn)信號測向的性能,但該分析都是基于理想陣列結構進行的。隨后,CHARGE P等通過綜合考慮入射信號的循環(huán)相關函數和共軛循環(huán)相關函數,對已有的C-MUSIC方法進行了擴展,提出了Extended Cyclic MUSIC(簡記為EC-MUSIC)方法[6]。與C-MUSIC方法相比,EC-MUSIC方法更有效地利用了入射信號的信息,因此具有更優(yōu)的測向性能。當入射信號帶寬較為顯著時,YAN H對C-MUSIC方法進行了修正,提出了Improved Cyclic MUSIC方法[7],極大地減小了實際信號的非零帶寬在C-MUSIC方法中所帶來的測向偏差。該修正思想同樣可用于EC-MUSIC方法中,借以減小對非零帶寬近似窄帶信號的測向偏差[7]。

  在實際系統(tǒng)中,接收陣列可能存在各種模型誤差,如陣列互耦、通道不一致性等。當此類誤差存在時,C-MUSIC方法和EC-MUSIC方法可能產生測向偏差。本文以常規(guī)陣列中很難消除的陣列互耦效應為對象,通過建立互耦條件下Cyclic MUSIC方法和EC-MUSIC方法的偽數據模型,考查這兩種方法的測向性能受互耦效應的影響情況,給出了均勻線陣和一般線陣中測向偏差的解析表達式,并通過仿真實驗驗證了信號入射方向和陣元間距變化時該理論偏差的準確性。

1 互耦條件下窄帶循環(huán)平穩(wěn)信號測向方法的偽數據模型

  假設K個循環(huán)頻率為QQ圖片20161205152358.jpg的窄帶信號從不同方向QQ圖片20161205152401.jpg=QQ圖片20161205152404.png同時入射到M元均勻線陣上,則陣列接收數據模型為:

  QQ圖片20161205151623.png

  其中x(t)=[x1(t),x2(t),…,xM(t)]T為陣列在t時刻的接收數據構成的向量,s(t)=[s1(t),s2(t),…,sK(t)]T為各入射信號在t時刻的波形,A(f,QQ圖片20161205152401.jpg)=QQ圖片20161205152706.pngQQ圖片20161205152709.png為第k個信號在相鄰陣元間的傳播時延)為K個信號的導向矢量,為表述方便,以下的討論中簡記QQ圖片20161205152712.png并特別標記QQ圖片20161205152717.png為陣列加性噪聲。另外,記信號sk(t)的幅度包絡為gk(t),即sk(t)=QQ圖片20161205152732.png。

  互耦條件下陣列觀測數據為[8]:

  QQ圖片20161205151626.png

  其中QQ圖片20161205153254.png分別為互耦條件下和理想情況下t時刻陣列的接收數據,C為陣列互耦矩陣。在以下的敘述中,如無特別說明,QQ圖片20161205153408.jpg均表示變量QQ圖片20161205153412.jpg在互耦條件下的取值。

  第p個陣元t時刻的接收數據為:

  QQ圖片20161205151629.png

  其中cpu為C的第(p,u)個元素。

  1.1 互耦條件下C-MUSIC方法的偽數據模型

  互耦條件下第p個陣元和第q個陣元接收數據的循環(huán)互相關函數為:

  QQ圖片20161205151632.png

  其中QQ圖片20161205153540.png為共軛運算符,QQ圖片20161205153544.png為共軛轉置運算符,且:

  QQ圖片20161205151637.png

  進一步地,QQ圖片20161205153546.png其中,QQ圖片20161205153549.pngQQ圖片20161205153552.png

  結合文獻[3]給出的無互耦偽數據矩陣,得到互耦條件下考慮窄帶信號非零帶寬時的陣列偽數據矩陣為:

  QQ圖片20161205151641.png

  其中QQ圖片20161205153705.png

  1.2 互耦條件下EC-MUSIC方法的偽數據模型

  經過類似的推導,得到互耦條件下第p個陣元和第q個陣元接收數據的共軛循環(huán)互相關函數為:

  QQ圖片20161205151645.png

  因此,QQ圖片20161205153753.png其中QQ圖片20161205153757.pngQQ圖片20161205153801.png為轉置運算符。

  進而得到互耦條件下EC-MUSIC方法的陣列偽數據矩陣為:

  QQ圖片20161205151648.png

  其中,QQ圖片20161205153933.png QQ圖片20161205153936.png

  結合文獻[6]給出的理想情況下EC-MUSIC方法的偽數據矩陣,得到互耦條件下考慮窄帶信號非零帶寬時的陣列偽數據矩陣為:

  QQ圖片20161205151652.png

2 互耦條件下C-MUSIC方法的測向誤差分析

  對QQ圖片20161205154104.png進行特征值分解,得到互耦條件下C-MUSIC方法的信號子空間QQ圖片20161205154107.jpg和噪聲子空間QQ圖片20161205154206.jpg

  QQ圖片20161205151659.png

  結合式(6)、式(10)不難看出,信號子空間QQ圖片20161205154107.jpg與真實信號方向矩陣QQ圖片20161205154300.png之間存在如下關系:

  QQ圖片20161205151715.png

  其中QQ圖片20161205154353.png分別表示由矩陣QQ圖片20161205154357.pngQQ圖片20161205154359.png的各列所張成的子空間。

  如果互耦條件下,空間多個目標仍然可以分辨,則由空間譜函數:

  QQ圖片20161205151718.png

  估計得到的信號波達方向QQ圖片20161205154505.pngQQ圖片20161205154505.png所構成的陣列導向矢量與真實導向矢量間滿足如下關系:

  aQQ圖片20161205151721.png

  其中QQ圖片20161205154601.jpg為幅度調整系數。

  記QQ圖片20161205154657.pngQQ圖片20161205154654.jpg為相應的互耦條件下對應的變量。由互耦條件下陣列接收數據的循環(huán)互相關協(xié)方差矩陣的特征值分解得到QQ圖片20161205154822.jpg的估計值之后,可用如下罰函數確定QQ圖片20161205154818.png

  QQ圖片20161205151725.png

  參考文獻[9]中的數學推導,可以由以上罰函數得到互耦條件下對第k個信號角度QQ圖片20161205154903.jpg的估計誤差為:

  QQ圖片20161205151728.png

  其中QQ圖片20161205155012.pngQQ圖片20161205155014.png為電磁波傳播速度,1為全1列向量,其維數由上下文確定,QQ圖片20161205155024.png分別為復數的實部和虛部,⊙表示矩陣或向量點乘運算符。

3 互耦條件下EC-MUSIC方法的測向誤差分析

  對QQ圖片20161205155344.png進行特征值分解,得到互耦條件下EC-MUSIC方法中偽數據協(xié)方差矩陣的信號子空間QQ圖片20161205155425.jpg和噪聲子空間QQ圖片20161205155428.png

  QQ圖片20161205151730.png

  互耦條件下波達方向的估計結果由如下空間譜估計函數得到[6]:

  QQ圖片20161205151734.png

  其中,QQ圖片20161205155532.png表示取L2范數,QQ圖片20161205155636.jpg

      QQ圖片20161205155633.png

  為了消除加權向量h的影響,將上述空間譜函數轉化為:

  QQ圖片20161205151737.png

  由于QQ圖片20161205155757.png為二階單位矩陣乘以系數QQ圖片20161205155906.png,因此當h等于矩陣QQ圖片20161205155906.png的最小特征值對應的特征向量時,QQ圖片20161205160003.png取最小值,且該最小值等于矩陣QQ圖片20161205160035.png的最小特征值。定義該矩陣為E,則:

  QQ圖片20161205151740.png

  由于QQ圖片20161205160238.png因此:

  QQ圖片20161205151743.png

  其中QQ圖片20161205160326.png

  經過類似參考文獻[6]附錄中的推導過程可以得到結論:QQ圖片20161205160414.png進而有:

  QQ圖片20161205151749.png

  因此QQ圖片20161205160452.png,該矩陣的最小特征值為:

  QQ圖片20161205151752.png

  最終的空間譜函數為:QQ圖片20161205160509.png

  通過搜索QQ圖片20161205160600.jpg的峰值可以得到信號波達方向的估計值QQ圖片20161205160604.png由于:

  QQ圖片20161205151755.png

  因此QQ圖片20161205160644.png

  同時,觀察QQ圖片20161205160712.jpg的特征分解式(16)不難看出:

  QQ圖片20161205151800.png

  QQ圖片20161205151802.png

  故QQ圖片20161205160752.png

  所以,當QQ圖片20161205160831.png有:

  QQ圖片20161205151807.png

  進而QQ圖片20161205160921.png即空間譜函數QQ圖片20161205160923.png的峰值出現在滿足式QQ圖片20161205160921.png處,即:

  QQ圖片20161205151811.png

  其中QQ圖片20161205161026.jpg為幅度調整系數。

  由陣列接收數據的循環(huán)互相關協(xié)方差矩陣的特征值分解得到QQ圖片20161205161154.jpg的估計值之后,可用如下罰函數確定QQ圖片20161205161150.jpg

  QQ圖片20161205151814.png

  經過一系列的數學推導[9],可以由以上罰函數得到互耦條件下對第k個窄帶循環(huán)平穩(wěn)信號的入射角度QQ圖片20161205161100.jpg的估計誤差為:

  QQ圖片20161205151818.png

4 仿真

  為了驗證以上理論分析結果的正確性,在以下的實驗中均假設一個遠場BPSK信號入射到均勻線性陣列上,并假設窄帶接收陣列由多個細線偶極子天線沿x軸排列而成。信號帶寬與載波頻率之比為0.02,可近似看作窄帶信號,但為了減小非零帶寬給窄帶循環(huán)平穩(wěn)信號測向模型所帶來的誤差,測向方法選擇Improved Cyclic MUSIC及其擴展形式。陣列的阻抗由開環(huán)計算方法得到[10],細線偶極子天線之間的阻抗參考文獻[11]進行計算。

  (1)實驗1:假設一個相對帶寬為2%的BPSK信號入射到8元均勻線陣上,相鄰陣元間距等于半波長,仿真得到C-MUSIC方法、EC-MUSIC方法的角度估計偏差和由式(15)、式(29)給出的均勻線陣的理論偏差的對比情況如圖1所示。

圖像 001.png

圖1  互耦條件下均勻線陣的測向偏差隨信號入射方向的變化情況

  (2)實驗2:在實驗1的基礎上保持信號入射方向為20°,相鄰陣元間距從0.1倍波長到半波長之間變化,仿真得到C-MUSIC方法、EC-MUSIC方法的角度估計偏差和由式(15)、式(29)給出的均勻線陣的理論偏差的對比情況如圖2所示。

圖像 002.png

圖2  互耦條件下均勻線陣的測向偏差隨相鄰陣元間距的變化情況

  上述仿真結果表明,在陣列互耦效應存在的情況下,本文所得到的窄帶循環(huán)平穩(wěn)信號陣列測向方法及其共軛擴展方法的測向偏差的理論結果都具有較高的準確度,很好地反映了兩種方法的測向誤差隨信號入射方向和陣列結構的變化情況。

5 結束語

  本文通過分析互耦條件下窄帶循環(huán)平穩(wěn)信號測向方法C-MUSIC以及EC-MUSIC的偽數據矩陣模型,借助數學分析得到了這兩種方法的測向偏差受互耦效應影響情況的解析表達式,并借助仿真實驗驗證了所得理論偏差的準確性。該解析結果對陣列誤差條件下窄帶循環(huán)平穩(wěn)信號陣列測向方法的性能分析以及實際系統(tǒng)的誤差校正都具有較強的指導意義。

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