陳善繼等：極化敏感陣列及其應用研究極化敏感陣列及其應用研究

陳善繼　張銳戈　吳國慶　陳　超　馬　英　王　濤

摘 要：與普通陣列相比，極化敏感陣列由于利用了極化信息，不僅能完成空域信號的處理，還可完成極化域信號的處理。因此，極化敏感陣列在抗干擾能力、信號檢測能力、分辨率、極化多址能力等方面都有很大的優勢。針對極化敏感陣列的理論優勢作了說明，對其在信號處理和信號檢測方面的應用作了詳細的闡述。從中可以看出，極化敏感陣列具有更加廣闊的應用前景。

關鍵詞：極化敏感陣列;極化多址;信號處理;抗干擾

中圖分類號：TN82文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2009)05-053-04

Research on the Polarization Sensitive Array and Its Application

CHEN Shanji1,ZHANG Ruige2,WU Guoqing1,CHEN Chao1,MA Ying1,WANG Tao1

(1.Qinghai University for Nationalities,Xining,810007,China;2.Sanming University,Sanming,365000,China)

Abstract：Comparing with the normal array,the polarization sensitive array uses polarized information,it can complete the signal-processing not only in temporal domain but also in spatial domain.So it has many advantages in ability of anti-interfering， detecting signal and multiple access.The advantage of polarization sensitive array and expound its application in filtering and detecting of signal.Polarization sensitive array has wide foreground of application.

Keywords：polarization sensitive array;PDMA;signal processing;anti-interfering

0 引 言

現代科技發展和技術需求不但要得到目標信號的空間特征和頻率特征，還希望得到目標信號更加細微的特征。這一特征就是電磁波的極化信息，極化信息是電磁波除幅度、相位、頻率信息之外一個非常重要的信息，在目標檢測、增強、濾波及識別中有著巨大的應用潛力，因而對包括極化信息在內的信號多參量研究成為近年來的熱點。要獲得目標信號的極化信息，原有的全向傳感器陣列已滿足不了需要，因而出現了許多極化敏感陣列。

所謂極化敏感陣列是指極化敏感陣元按一定方式在空間放置所構成的陣列系統，利用極化敏感陣元獲取空間電磁信號的極化信息，極化信息表現為陣元兩正交極化通道之間的相關特性;利用陣列幾何結構進行空域采樣獲取空間電磁信號的空域信息，空域信息表現為相鄰陣元間的空間相位延遲。

極化敏感陣列因為利用電磁信號的極化信息，使其在抗干擾能力、信號檢測能力、分辨率、極化多址能力等方面都具有普通陣列無法比擬的優越性。極化敏感陣列系統性能取決于陣元的電磁特性和陣列的空間幾何結構這兩個重要因素。陣元的電磁特性主要包括極化特性和功率特性(方向圖特性);陣列的空間幾何結構常見的是均勻分布的線陣、環陣和面陣等。

1 陣列信號模型

在實際應用中，最常見的陣列是均勻分布的線陣、環陣、面陣等。以均勻線陣為例，陣列結構如圖1所示。

陣元接收信號的過程如下:

振子在外電場的作用下激勵起感應電動勢并在振子表面產生電流，該電流進入接收機，使接收機回路中產生電流。假設極化敏感陣元位于坐標原點，信號波達方向為(θ,φ),信號為完全極化波，極化參量為(γ,η)，攜帶信息的基帶信號為s(t),陣元可以測量完整的電磁信息，包括3個方向的電場矢量和3個方向的磁場矢量，陣元接收的信號極化矢量為：

可見陣元接收極化矢量不僅與入射信號極化狀態有關，而且與信號波達方向也有關，說明接收極化矢量依賴于空間到達角信息。在實際應用中，可以合理利用其極化信息，提高陣列的性能。

2 極化敏感陣列的優勢

極化陣列既可以獲得信號的空間到達角信息,又可以獲取信號的極化信息。完整的電磁信息為陣列性能的提高奠定了物理基礎,使得陣列性能的提高成為可能。與普通陣列相比，極化陣列在理論上具有明顯的優勢,主要體現在如下4個方面:

(1) 具有較強的抗干擾能力；

(2) 具有穩健的檢測能力；

(3) 具有較高的系統分辨能力；

(4) 具有極化多址能力。

2.1 極化多址能力

為了提高通信系統容量,除了不斷完善和開發傳統的頻分多址、時分多址技術以及新興的碼分多址、空分多址技術外,還可以利用電磁信號的極化狀態的差異將不同的信號區分開來。在同一傳播方向和同一傳播頻率上,同時傳輸兩路承載信息的獨立信號,只要兩路信號的極化狀態滿足一定條件,理論上它們的傳輸就不會互相影響,可以依靠兩路信號極化狀態差異將其區分并且分離,這就是極化多址(PDMA)的思想。極化多址技術本質上就是充分利用了TEM波等相位平面的二維空間自由度。極化陣列為極化多址的實現奠定了物理基礎。

2.2 較高的分辨能力

極化陣列不僅可以估計獲得信號的到達角,而且可以獲得信號的極化狀態,可以在空間-極化聯合域對信號進行分辨。當兩個信號在空間角度域不足以將其分辨時,可以利用極化信息改善系統的空間分辨率,并且兩信號極化狀態差異越大,空間分辨率的提高越明顯。因此,極化信息和空間信息聯合處理使得極化陣列具有較高的系統分辨率。極化陣列系統分辨率是指在多信號環境下陣列能否將兩個或兩個以上鄰近的空間電磁信號區分開來的能力,具體而言,可以根據空間電磁信號的空間到達角(θ,φ)和極化狀態角(γ,η)對信號進行區分。

2.3 較強的抗干擾能力

普通陣列濾波屬于空域濾波,當干擾信號和期望信號空間到達角接近時,陣列濾波性能急劇下降。極化陣列不僅可以利用期望信號和干擾信號空間到達角的差異在空域濾波,而且還可以利用其極化狀態的差異在極化域濾波。因此極化陣列比普通陣列具有更強的抑制干擾、增強信號的能力。當干擾信號和期望信號在空間-極化聯合域中接近時,陣列濾波性能下降,特別是當干擾信號和期望信號特征參量完全相同時,陣列輸出噪比嚴重下降,會形成一個干擾“零點”,也就是說要獲得很好的干擾效果,“最佳”干擾信號不僅到達角和期望信號到達角相等,“最佳”干擾極化狀態也要和期望信號極化狀態相同,說明極化陣列的抗干擾性能增加了。

2.4 穩健的檢測能力

對普通陣列而言,極化失配使得陣列對某些極化信號的響應很低,甚至為零,對于這部分信號無論其強度有多大,實際進入陣列接收機的信號強度很小,因此,陣列接收機對該部分信號通常檢測不到。極化陣列具有極化分集能力,對于任意極化來波都能全極化接收,這樣無論待檢測信號的極化狀態如何,接收信號的強度是恒定的,因此,極化陣列的檢測性能隨信號的極化狀態變化基本是恒定的。也就是說極化陣列的檢測性能對信號的極化狀態不敏感,適應于對任意極化的信號的檢測,比較說明極化陣列具有穩健的檢測性能。

3 極化敏感陣列的應用

3.1 極化敏感陣列在信號濾波方面的應用

如何有效地抑制干擾，改善信號接收質量，一直是雷達、通信、導航以及聲納等應用領域中特別引人關注的問題。信號濾波的主要任務就是利用期望信號與干擾信號特征的差異來抑制干擾并增強信號。一般來說，期望信號與干擾信號之間至少存在某一方面的差別，包括到達方向、極化狀態、頻域結構、編碼結構等，人們針對以上各種特征的差別分別發展了各種濾波理論與技術，并且針對未知和時變的電磁環境研究開發了自適應實現算法。

電子信息系統的濾波、抗干擾措施大體分為兩類:一類在進入接收機之前，利用期望信號和干擾信號在空間到達角或極化狀態方面的特征差異，盡量對干擾信號進行抑制和削弱，同時提升期望信號的電平，相應地分別形成了空域濾波技術和極化域濾波技術。另一類就是進入接收機以后利用期望信號和干擾信號在時域波形、頻譜結構以及編碼結構等方面的差異抑制干擾、增強信號，形成了頻域濾波以及時頻域濾波等濾波技術。在極化敏感陣列的信號濾波問題中同時利用了信號空間到達角信息和極化狀態信息，因此，基于極化敏感陣列的信號濾波稱為極化域-空域聯合濾波。極化域-空域聯合濾波并不等于空域濾波和極化域濾波的簡單相加。極化敏感陣列信號濾波主要研究在電磁信號空間信息和極化信息都已知的情況下，同時利用干擾信號與期望信號空域和極化域的特征差異在空間-極化聯合域中抑制干擾，增強信號。

在無線傳輸信道中，不可避免摻雜著各種干擾信號，它們從天線系統進入接收機，嚴重影響了對期望信號接收質量，使得接收系統信號干擾噪聲比降低。對于空間存在多個方向干擾的情況，雷達必須具有自適應抑制干擾的能力。作為抗干擾的一種手段，自適應陣是一個廣泛而深入研究的課題，其優點在于自適應陣系統既具有自動感知存在的干擾源并且抑制其影響的能力，又具有增強對期望信號接收的能力，并且在比過程中無需期望信號和電磁環境的先驗信息。

陣列濾波的方法主要有波束形成和零點技術，波束形成的目的主要是將陣列方向圖的主瓣對準期望信號，零點技術的目的在于將陣方向圖的零點對準干擾方向。換句話說，前者是提高期望信號的接收電平，后者主要是減小干擾信號的接收，實質上都是為了提高陣列輸出信號干擾噪聲比。

在移動通信環境中，信道的衰落、擴展及多徑現象對通信信號傳輸的影響是嚴重的，而且這種影響是隨時間變化的。特別是多徑干擾(Multiple Path Interference)和共信道干擾(Co-Channel Interference)使得通信質量嚴重下降。共信道干擾進一步限制了基站的覆蓋范圍。如何消除共信道干擾與多徑衰落的影響已成為人們在提高無線移動通信系統性能時考慮的主要因素。

智能天線(Smart Antenna)技術利用數字信號處理技術，產生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。當前的智能天線技術本質上是自適應空域信號處理或自適應空時域聯合處理，其核心也是提高信號干擾噪聲比的問題。

普通陣列的陣元是單極化的，陣元對不同極化電磁信號的極化響應是相同的，即均為陣元的極化狀態，該陣列對電磁信號的極化狀態不敏感。在研究信號濾波問題時沒有考慮電磁信號極化信息的利用問題，或者默認所有信號的極化狀態是相同的。極化敏感陣列系統具有極化域濾波能力，陣列的抗干擾能力大大提高。

3.2 極化敏感陣列在信號檢測方面的應用

極化敏感陣列信號檢測問題可以歸結為空間到達角信息已知而極化信息不確定時廣義噪聲背景中的信號檢測問題。信號檢測是信號處理中重要的環節，主要任務是在復雜的電磁環境背景中，利用統計決策理論，根據觀測數據作出期望信號“有”和“無”的判決。

通常噪聲背景包括:敵方故意施放的有源、無源干擾信號、友鄰電臺輻射的干擾信號、自然環境雜波信號以及接收機熱噪聲信號，以上信號統稱廣義噪聲信號。通常用一、二階統計量來描述噪聲信號的特性，如噪聲的協方差矩陣、噪聲信號的功率譜密度等，實際應用中噪聲的統計信息并不是先驗已知的。

另外，由于傳輸信道的不確定性，導致待檢測的信號帶有未知參量，這些未知參量可能是隨機變量或未知的確定量，如信號的幅度、相位、時延以及極化狀態等。噪聲背景和信號參量的不確知性增加了信號檢測過程的復雜性，該檢測問題屬于復合假設檢驗(Composite Hypothesis Testing)。在信號參量未知的條件下，廣義似然比檢測是一個標準的處理手段。

廣義似然比統計檢驗就是將廣義似然比在未知參量的參量空間中尋找最大值。對于普通陣列系統，陣元對任何方向到達、任意極化狀態的電磁信號的響應僅體現為一個復幅度，因此普通陣列信號檢測通?？梢员硎鰹?待檢測方向上未知幅度信號的檢測。在實際應用中，陣列可以事先將陣列的波束預置到可能存在信號的方向上，若該方向上能夠檢測出信號，那么其到達方向必定等于或接近陣列的波束方向。對于極化敏感陣列系統，它可以敏感到電磁信號的極化信息，陣元輸出為一矢量。對于極化敏感陣列信號檢測而言，待檢測信號的極化狀態是先驗未知的，對于完全極化信號其極化狀態為未知的確定量;對于部分極化信號，其極化狀態為隨機量。

因此，極化敏感陣列信號檢測問題可分為兩種情況:完全極化信號檢測和部分極化信號檢測。完全極化信號的檢測指待檢測方向上未知極化信號的檢測;部分極化信號檢測指待檢測方向上隨機極化信號的檢測?？梢钥闯?無論哪種檢測情形，待檢測信號的空間到達角信息已知，而信號的極化信息未知。

此外，對于電磁環境背景可以事先獲得一些先驗知識，干擾信號的方向可以事先通過情報或粗略的估計獲得，而干擾信號的極化信息是不確定的。

4 結 語

極化陣列是一種能夠獲取電磁信號極化信息的新型陣列,極化信息為陣列性能的提高奠定了物理基礎。和普通陣列相比,極化陣列具有更加優越的系統性能，因此，它將具有廣泛的應用價值，值得相關科技工作人員研究。

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作者簡介 陳善繼 男，青海民族學院電信系教師，副教授，中國電子學會高級會員。主要從事通信技術與陣列信號處理的教學和科研工作。