陈善继等：极化敏感阵列及其应用研究极化敏感阵列及其应用研究

陈善继　张锐戈　吴国庆　陈　超　马　英　王　涛

摘 要：与普通阵列相比，极化敏感阵列由于利用了极化信息，不仅能完成空域信号的处理，还可完成极化域信号的处理。因此，极化敏感阵列在抗干扰能力、信号检测能力、分辨率、极化多址能力等方面都有很大的优势。针对极化敏感阵列的理论优势作了说明，对其在信号处理和信号检测方面的应用作了详细的阐述。从中可以看出，极化敏感阵列具有更加广阔的应用前景。

关键词：极化敏感阵列;极化多址;信号处理;抗干扰

中图分类号：TN82文献标识码：A

文章编号：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

现代科技发展和技术需求不但要得到目标信号的空间特征和频率特征，还希望得到目标信号更加细微的特征。这一特征就是电磁波的极化信息，极化信息是电磁波除幅度、相位、频率信息之外一个非常重要的信息，在目标检测、增强、滤波及识别中有着巨大的应用潜力，因而对包括极化信息在内的信号多参量研究成为近年来的热点。要获得目标信号的极化信息，原有的全向传感器阵列已满足不了需要，因而出现了许多极化敏感阵列。

所谓极化敏感阵列是指极化敏感阵元按一定方式在空间放置所构成的阵列系统，利用极化敏感阵元获取空间电磁信号的极化信息，极化信息表现为阵元两正交极化通道之间的相关特性;利用阵列几何结构进行空域采样获取空间电磁信号的空域信息，空域信息表现为相邻阵元间的空间相位延迟。

极化敏感阵列因为利用电磁信号的极化信息，使其在抗干扰能力、信号检测能力、分辨率、极化多址能力等方面都具有普通阵列无法比拟的优越性。极化敏感阵列系统性能取决于阵元的电磁特性和阵列的空间几何结构这两个重要因素。阵元的电磁特性主要包括极化特性和功率特性(方向图特性);阵列的空间几何结构常见的是均匀分布的线阵、环阵和面阵等。

1 阵列信号模型

在实际应用中，最常见的阵列是均匀分布的线阵、环阵、面阵等。以均匀线阵为例，阵列结构如图1所示。

阵元接收信号的过程如下:

振子在外电场的作用下激励起感应电动势并在振子表面产生电流，该电流进入接收机，使接收机回路中产生电流。假设极化敏感阵元位于坐标原点，信号波达方向为(θ,φ),信号为完全极化波，极化参量为(γ,η)，携带信息的基带信号为s(t),阵元可以测量完整的电磁信息，包括3个方向的电场矢量和3个方向的磁场矢量，阵元接收的信号极化矢量为：

可见阵元接收极化矢量不仅与入射信号极化状态有关，而且与信号波达方向也有关，说明接收极化矢量依赖于空间到达角信息。在实际应用中，可以合理利用其极化信息，提高阵列的性能。

2 极化敏感阵列的优势

极化阵列既可以获得信号的空间到达角信息,又可以获取信号的极化信息。完整的电磁信息为阵列性能的提高奠定了物理基础,使得阵列性能的提高成为可能。与普通阵列相比，极化阵列在理论上具有明显的优势,主要体现在如下4个方面:

(1) 具有较强的抗干扰能力；

(2) 具有稳健的检测能力；

(3) 具有较高的系统分辨能力；

(4) 具有极化多址能力。

2.1 极化多址能力

为了提高通信系统容量,除了不断完善和开发传统的频分多址、时分多址技术以及新兴的码分多址、空分多址技术外,还可以利用电磁信号的极化状态的差异将不同的信号区分开来。在同一传播方向和同一传播频率上,同时传输两路承载信息的独立信号,只要两路信号的极化状态满足一定条件,理论上它们的传输就不会互相影响,可以依靠两路信号极化状态差异将其区分并且分离,这就是极化多址(PDMA)的思想。极化多址技术本质上就是充分利用了TEM波等相位平面的二维空间自由度。极化阵列为极化多址的实现奠定了物理基础。

2.2 较高的分辨能力

极化阵列不仅可以估计获得信号的到达角,而且可以获得信号的极化状态,可以在空间-极化联合域对信号进行分辨。当两个信号在空间角度域不足以将其分辨时,可以利用极化信息改善系统的空间分辨率,并且两信号极化状态差异越大,空间分辨率的提高越明显。因此,极化信息和空间信息联合处理使得极化阵列具有较高的系统分辨率。极化阵列系统分辨率是指在多信号环境下阵列能否将两个或两个以上邻近的空间电磁信号区分开来的能力,具体而言,可以根据空间电磁信号的空间到达角(θ,φ)和极化状态角(γ,η)对信号进行区分。

2.3 较强的抗干扰能力

普通阵列滤波属于空域滤波,当干扰信号和期望信号空间到达角接近时,阵列滤波性能急剧下降。极化阵列不仅可以利用期望信号和干扰信号空间到达角的差异在空域滤波,而且还可以利用其极化状态的差异在极化域滤波。因此极化阵列比普通阵列具有更强的抑制干扰、增强信号的能力。当干扰信号和期望信号在空间-极化联合域中接近时,阵列滤波性能下降,特别是当干扰信号和期望信号特征参量完全相同时,阵列输出噪比严重下降,会形成一个干扰“零点”,也就是说要获得很好的干扰效果,“最佳”干扰信号不仅到达角和期望信号到达角相等,“最佳”干扰极化状态也要和期望信号极化状态相同,说明极化阵列的抗干扰性能增加了。

2.4 稳健的检测能力

对普通阵列而言,极化失配使得阵列对某些极化信号的响应很低,甚至为零,对于这部分信号无论其强度有多大,实际进入阵列接收机的信号强度很小,因此,阵列接收机对该部分信号通常检测不到。极化阵列具有极化分集能力,对于任意极化来波都能全极化接收,这样无论待检测信号的极化状态如何,接收信号的强度是恒定的,因此,极化阵列的检测性能随信号的极化状态变化基本是恒定的。也就是说极化阵列的检测性能对信号的极化状态不敏感,适应于对任意极化的信号的检测,比较说明极化阵列具有稳健的检测性能。

3 极化敏感阵列的应用

3.1 极化敏感阵列在信号滤波方面的应用

如何有效地抑制干扰，改善信号接收质量，一直是雷达、通信、导航以及声纳等应用领域中特别引人关注的问题。信号滤波的主要任务就是利用期望信号与干扰信号特征的差异来抑制干扰并增强信号。一般来说，期望信号与干扰信号之间至少存在某一方面的差别，包括到达方向、极化状态、频域结构、编码结构等，人们针对以上各种特征的差别分别发展了各种滤波理论与技术，并且针对未知和时变的电磁环境研究开发了自适应实现算法。

电子信息系统的滤波、抗干扰措施大体分为两类:一类在进入接收机之前，利用期望信号和干扰信号在空间到达角或极化状态方面的特征差异，尽量对干扰信号进行抑制和削弱，同时提升期望信号的电平，相应地分别形成了空域滤波技术和极化域滤波技术。另一类就是进入接收机以后利用期望信号和干扰信号在时域波形、频谱结构以及编码结构等方面的差异抑制干扰、增强信号，形成了频域滤波以及时频域滤波等滤波技术。在极化敏感阵列的信号滤波问题中同时利用了信号空间到达角信息和极化状态信息，因此，基于极化敏感阵列的信号滤波称为极化域-空域联合滤波。极化域-空域联合滤波并不等于空域滤波和极化域滤波的简单相加。极化敏感阵列信号滤波主要研究在电磁信号空间信息和极化信息都已知的情况下，同时利用干扰信号与期望信号空域和极化域的特征差异在空间-极化联合域中抑制干扰，增强信号。

在无线传输信道中，不可避免掺杂着各种干扰信号，它们从天线系统进入接收机，严重影响了对期望信号接收质量，使得接收系统信号干扰噪声比降低。对于空间存在多个方向干扰的情况，雷达必须具有自适应抑制干扰的能力。作为抗干扰的一种手段，自适应阵是一个广泛而深入研究的课题，其优点在于自适应阵系统既具有自动感知存在的干扰源并且抑制其影响的能力，又具有增强对期望信号接收的能力，并且在比过程中无需期望信号和电磁环境的先验信息。

阵列滤波的方法主要有波束形成和零点技术，波束形成的目的主要是将阵列方向图的主瓣对准期望信号，零点技术的目的在于将阵方向图的零点对准干扰方向。换句话说，前者是提高期望信号的接收电平，后者主要是减小干扰信号的接收，实质上都是为了提高阵列输出信号干扰噪声比。

在移动通信环境中，信道的衰落、扩展及多径现象对通信信号传输的影响是严重的，而且这种影响是随时间变化的。特别是多径干扰(Multiple Path Interference)和共信道干扰(Co-Channel Interference)使得通信质量严重下降。共信道干扰进一步限制了基站的覆盖范围。如何消除共信道干扰与多径衰落的影响已成为人们在提高无线移动通信系统性能时考虑的主要因素。

智能天线(Smart Antenna)技术利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。当前的智能天线技术本质上是自适应空域信号处理或自适应空时域联合处理，其核心也是提高信号干扰噪声比的问题。

普通阵列的阵元是单极化的，阵元对不同极化电磁信号的极化响应是相同的，即均为阵元的极化状态，该阵列对电磁信号的极化状态不敏感。在研究信号滤波问题时没有考虑电磁信号极化信息的利用问题，或者默认所有信号的极化状态是相同的。极化敏感阵列系统具有极化域滤波能力，阵列的抗干扰能力大大提高。

3.2 极化敏感阵列在信号检测方面的应用

极化敏感阵列信号检测问题可以归结为空间到达角信息已知而极化信息不确定时广义噪声背景中的信号检测问题。信号检测是信号处理中重要的环节，主要任务是在复杂的电磁环境背景中，利用统计决策理论，根据观测数据作出期望信号“有”和“无”的判决。

通常噪声背景包括:敌方故意施放的有源、无源干扰信号、友邻电台辐射的干扰信号、自然环境杂波信号以及接收机热噪声信号，以上信号统称广义噪声信号。通常用一、二阶统计量来描述噪声信号的特性，如噪声的协方差矩阵、噪声信号的功率谱密度等，实际应用中噪声的统计信息并不是先验已知的。

另外，由于传输信道的不确定性，导致待检测的信号带有未知参量，这些未知参量可能是随机变量或未知的确定量，如信号的幅度、相位、时延以及极化状态等。噪声背景和信号参量的不确知性增加了信号检测过程的复杂性，该检测问题属于复合假设检验(Composite Hypothesis Testing)。在信号参量未知的条件下，广义似然比检测是一个标准的处理手段。

广义似然比统计检验就是将广义似然比在未知参量的参量空间中寻找最大值。对于普通阵列系统，阵元对任何方向到达、任意极化状态的电磁信号的响应仅体现为一个复幅度，因此普通阵列信号检测通常可以表述为:待检测方向上未知幅度信号的检测。在实际应用中，阵列可以事先将阵列的波束预置到可能存在信号的方向上，若该方向上能够检测出信号，那么其到达方向必定等于或接近阵列的波束方向。对于极化敏感阵列系统，它可以敏感到电磁信号的极化信息，阵元输出为一矢量。对于极化敏感阵列信号检测而言，待检测信号的极化状态是先验未知的，对于完全极化信号其极化状态为未知的确定量;对于部分极化信号，其极化状态为随机量。

因此，极化敏感阵列信号检测问题可分为两种情况:完全极化信号检测和部分极化信号检测。完全极化信号的检测指待检测方向上未知极化信号的检测;部分极化信号检测指待检测方向上随机极化信号的检测。可以看出:无论哪种检测情形，待检测信号的空间到达角信息已知，而信号的极化信息未知。

此外，对于电磁环境背景可以事先获得一些先验知识，干扰信号的方向可以事先通过情报或粗略的估计获得，而干扰信号的极化信息是不确定的。

4 结 语

极化阵列是一种能够获取电磁信号极化信息的新型阵列,极化信息为阵列性能的提高奠定了物理基础。和普通阵列相比,极化阵列具有更加优越的系统性能，因此，它将具有广泛的应用价值，值得相关科技工作人员研究。

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作者简介 陈善继 男，青海民族学院电信系教师，副教授，中国电子学会高级会员。主要从事通信技术与阵列信号处理的教学和科研工作。