吉林大学学报(工学版) ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (5): 1772-1779.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20230791

• 通信与控制工程 • 上一篇    下一篇

基于原子范数最小化的极化敏感阵列二维波达方向估计算法

陈涛1(),李敏行1,赵立鹏2   

  1. 1.哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院,哈尔滨 150001
    2.中国电子科技集团公司 第五十四研究所,石家庄 050081
  • 收稿日期:2023-07-12 出版日期:2025-05-01 发布日期:2025-07-18
  • 作者简介:陈涛(1974-),男,教授,博士. 研究方向:阵列信号处理. E-mail: chentao@hrbeu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(62071137)

Two-dimensional DOA estimation algorithm for polarization-sensitive arrays based on atomic norm minimization

Tao CHEN1(),Min-xing LI1,Li-peng ZHAO2   

  1. 1.College of Information and Communication Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China
    2.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang 050081,China
  • Received:2023-07-12 Online:2025-05-01 Published:2025-07-18

摘要:

为解决极化敏感阵列中压缩感知类波达方向(DOA)估计算法产生的网格失配带来估计精度下降的问题,本文针对单偶极子阵列在原子范数最小化(ANM)理论的基础上提出一种二维DOA和极化参数的联合估计算法。首先,利用正交极化敏感阵列的特性,分别构造不同极化方向的接收模型,并证明该模型可以消除极化参数的影响,符合ANM模型。其次,通过求解半正定规划问题得到一个半正定的Toeplitz矩阵,随后基于矩阵束算法恢复DOA信息;最后,利用DOA信息和广义特征值理论恢复出极化参数。通过仿真实验验证了本文算法的有效性和优越性。

关键词: 无网格波达方向估计, 正交极化敏感阵列, 原子范数最小化, 网格失配

Abstract:

To address the challenge of estimation accuracy degradation resulting from off-grid caused by compressive sensing-like direction of arrival (DOA) estimation algorithm in polarization-sensitive arrays, this paper presents a joint estimation algorithm for two-dimensional DOA and polarization parameters utilizing the theory of atomic norm minimization (ANM) applied to a single dipole array. Firstly, the proposed algorithm constructs receiving models for different polarization directions using the orthogonal polarization sensitive array's characteristics, which can accommodate the influence of polarization parameters and adhere to the ANM model. Secondly, the algorithm solves a positive semi-definite programming problem to obtain a positive semi-definite Toeplitz matrix, from which DOA information is recovered using the matrix-pencil algorithm. Lastly, the polarization parameters are retrieved using the DOA information and the generalized eigenvalue theory. The effectiveness and superiority of the proposed algorithm are demonstrated through simulation experiments.

Key words: gridless direction of arrival estimation, orthogonal polarization sensitive arrays, atomic norm minimization, off-grid

中图分类号: 

  • TN911.7

图1

阵列接收信号模型"

表 1

算法流程"

基于ANM的极化敏感阵列二维DOA估计算法
输入阵列接收到的多快拍信号
输出入射信源的DOA估计结果??θ?及极化参数估计结果γ?η?
步骤1将极化阵列接收信号分为x1x2
步骤2构建如式(7)所示的DOA估计模型
步骤3构建式(13)中的半正定规划问题
步骤4通过解该半正定规划问题得到最优解Toeplitz矩阵Toep(u)
步骤5对Toeplitz矩阵进行Vandermonde分解,根据式(14)式(15)恢复入射信号的DOA估计信息??θ?
步骤6构建如式(17)所示的优化问题
步骤7根据式(19)计算广义特征向量e
步骤8根据式(20)计算极化域估计结果γ?η?

图2

极化敏感阵列和标量阵列的对比"

图3

极化参数估计结果分布图"

图4

方位角RMSE随信噪比的变化"

图5

俯仰角RMSE随信噪比的变化"

图6

方位角RMSE随快拍数的变化"

图7

俯仰角RMSE随快拍数的变化"

图8

双信源分辨成功率"

表 2

算法复杂度"

算法复杂度
l1-SVDO(16M3P3)
秩亏MUSICO[8M2L+16M3+240(4M2-2MK)]
ANMO(16M3L3log?μ)

图9

算法运行时间随快拍数的变化"

[1] Ferrara E, Parks T. Direction finding with an array of antennas having diverse polarizations[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1983, 31(2): 231-236.
[2] He Z, Tian Z, Zhou M, et al. DOA estimation method for polarization sensitive circular array based on reduced-dimensional MUSIC[C]∥IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting, Denver, USA, 2022: 427-428.
[3] Roy R, Kailath T. ESPRIT-estimation of signal parameters via rotational invariance techniques[J]. IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 1989, 37(7): 984-995.
[4] Li J, Compton R T. Angle and polarization estimation using ESPRIT with a polarization sensitive array[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1991, 39(9): 1376-1383.
[5] Tian Y, Sun X, Zhao S. Sparse-reconstruction-based direction of arrival, polarization and power estimation using a cross-dipole array[J]. IET Radar, Sonar & Navigation, 2015, 9(6): 727-731.
[6] Chalise B K, Zhang Y D, Himed B. Compressed sensing based joint DOA and polarization angle estimation for sparse arrays with dual-polarized antennas[C]∥IEEE Global Conference on Signal and Information Processing, Anaheim, USA, 2018: 251-255.
[7] 王洪雁, 于若男, 潘勉, 等. 基于协方差矩阵重构的离网格DOA估计方法[J]. 电子与信息学报, 2021, 43(10): 2863-2870.
Wang Hong-yan, Yu Ruo-nan, Pan Mian, et al. Off-grid DOA estimation method based on covariance matrix reconstruction[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2021, 43(10): 2863-2870.
[8] 陈涛,赵立鹏,史林.基于有限新息率的正交偶极子阵列信号参数估计算法[J].电子与信息学报,2022,44(7):2469-2477.
Chen Tao, Zhao Li-peng, Shi Lin. Signal parameter estimation algorithm for orthogonal dipole array based on finite rate of innovation[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022,44(7):2469-2477.
[9] Hu B, Shen X Y, Jiang M, et al. Off-grid DOA estimation based on compressed sensing on multipath environment[J]. International Journal of Antennas and Propagation, 2023, 1: 9315869.
[10] Tang G, Bhaskar B N, Shah P, et al. Compressed sensing off the grid[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2013, 59(11): 7465-7490.
[11] Pan Y, Yao M, Luo G Q . et al. Underdetermined direction-of-arrival estimation with coprime array via atomic norm minimization[J]. Radio Engineering, 2020, 29(2): 405-413.
[12] Yang Z, Xie L, Stoica P. Vandermonde decomposition of multilevel toeplitz matrices with application to multi-mensional super-resolution[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2016, 62(6): 3685-3701.
[13] Zhang X, Zheng Z, Wang W Q.DOA estimation of coherent sources using coprime array via atomic norm minimization[J]. IEEE Signal Processing Letters, 2022, 29: 1312-1316.
[14] Wu Y, Wakin M B, Gerstoft P. Gridless DOA estimation with multiple frequencies[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2023, 71: 417-432.
[15] Wagner M, Park Y, Gerstoft P. Gridless DOA estimation and root-music for non-uniform linear arrays[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2021, 69: 2144-2157.
[16] 陈涛,李敏行,郭立民.基于原子范数最小化的极化敏感阵列DOA估计[J].电子学报,2023,51(4):835-842.
Chen Tao, Li Min-xing, Guo Li-min. DOA estimation of polarization sensitive array based on atomic norm minimization[J]. Acta Electronica Sinica, 2023,51(4):835-842.
[17] Zhang Z, Wang Y, Tian Z. Efficient two-dimensional line spectrum estimation based on decoupled atomic norm minimization[J]. Signal Processing, 2019, 163: 95-106.
[1] 聂为之,尹斐,苏毅珊. 任务驱动下成像声呐水下目标识别方法综述[J]. 吉林大学学报(工学版), 2025, 55(4): 1163-1175.
[2] 窦慧晶,谢东旭,郭威,邢路阳. 基于改进的正交匹配跟踪算法的波达方向估计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2024, 54(12): 3568-3576.
[3] 杨青,于明,阎刚. 基于深度频率特征注意力机制的图像去雨方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2024, 54(10): 2952-2962.
[4] 葛动元,向文江,李健,刘恩辰,姚锡凡. 基于机器视觉的电动汽车充电自动定位方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2023, 53(12): 3465-3471.
[5] 石屹然,齐金伟,曲思凝,潘向阳,符麟. 基于几何功率的α噪声的特征指数估计方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2023, 53(10): 3007-3013.
[6] 曾春艳,严康,王志锋,王正辉. 多尺度生成对抗网络下图像压缩感知重建算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2023, 53(10): 2923-2931.
[7] 王春阳,丘文乾,刘雪莲,肖博,施春皓. 基于平面拟合的地面点云精确分割方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2023, 53(3): 933-940.
[8] 周怡娜,董宏丽,张勇,路敬祎. 基于VMD去噪和散布熵的管道信号特征提取方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2022, 52(4): 959-969.
[9] 李雪梅,王春阳,刘雪莲,谢达. 基于SESTH的线性调频连续波激光雷达信号时延估计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2022, 52(4): 950-958.
[10] 窦慧晶,丁钢,高佳,梁霄. 基于压缩感知理论的宽带信号波达方向估计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(6): 2237-2245.
[11] 侯春萍,赵春月,王致芃,田海瑞. 基于有效异常样本构造的视频异常检测算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(5): 1823-1829.
[12] 燕学智,王子婷,王昕. 超声波三维定位系统中基线长度与误差传递关系的分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(4): 1461-1469.
[13] 李厚杰,王法胜,贺建军,周瑜,李威,窦宇轩. 基于伪样本正则化Faster R⁃CNN的交通标志检测[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(4): 1251-1260.
[14] 李伟,陈剑,陶善勇. 自适应耦合周期势系统随机共振信号增强方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(3): 1091-1096.
[15] 刘国华,周文斌. 基于卷积神经网络的脉搏波时频域特征混叠分类[J]. 吉林大学学报(工学版), 2020, 50(5): 1818-1825.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 高科,孙友宏,任露泉,王文龙,谢晓波5 ,吕跃滨 . 仿生孕镶金刚石钻头非光滑度优化设计及试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2009, 39(03): 721 -0725 .
[2] 李良宇,田地,熊行创 . 基于VPN的MAT900型质谱仪远程共享系统[J]. 吉林大学学报(工学版), 2009, 39(03): 749 -0752 .
[3] 陈书明, 王登峰, 马一功, 曹晓琳, 刘波, 昝建明. 模态密度计算精度对车内噪声预测精度的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2010, 40(02): 335 -0340 .
[4] 赵强忠,赵谋明,苏国万,罗东辉 . 搅打稀奶油的搅打充气机理[J]. 吉林大学学报(工学版), 2009, 39(02): 555 -0560 .
[5] 王红睿, 田彦涛, 顾庆. 变光照环境中的数字摄像机参数自适应调整算法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2009, 39(05): 1262 -1267 .
[6] 郭学东,魏健,张淼. 多重网格方法求解结构动态响应中的几种不同循环算法的比较[J]. 吉林大学学报(工学版), 2009, 39(06): 1527 -1531 .
[7] 白鹏飞,汤勇,陆龙生,唐彪. 以水为工质的铜基微通道热沉的流态可视化与传热特性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2010, 40(04): 959 -0964 .
[8] 姚永明,刘顺安,尚涛,陈延礼,周旭辉. 基于恒压液压系统的ZL50装载机节能技术[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(01): 117 -0121 .
[9] 刘爱军1,毛兴鹏1,邓维波2. 基于斜投影极化滤波的高频雷达电台干扰抑制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2011, 41(4): 1177 -1182 .
[10] 刘仁云,张义民,于繁华 . 基于灰色粒子群算法的可靠性稳健优化设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2006, 36(06): 893 -897 .