稀疏多极化阵列设计研究进展与展望_悦亚星.pdf
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1、稀疏多极化阵列设计研究进展与展望悦亚星李天宇周成伟袁鑫史治国*(浙江大学信息与电子工程学院杭州310027)(西湖大学工学院杭州310024)(浙江省协同感知与自主无人系统重点实验室杭州310015)摘要:相较于稀疏标量阵列和均匀多极化阵列,稀疏多极化阵列由于其可感知信号的极化状态、避免极化失配以及增加阵列自由度、减小互耦效应与降低硬件成本等优点,对其进行系统性研究具有重要的应用价值和理论指导意义。稀疏多极化阵列的设计较之于稀疏标量阵列的设计更加多样化,因其不仅与天线阵元位置有关,还与天线阵元极化种类和阵元指向等因素有关。该文首先对近年来该领域内相关研究进行归纳总结,从非均匀稀疏、均匀稀疏、混
2、合均匀与非均匀稀疏3种稀疏方式出发,介绍和探究了主流稀疏多极化阵列结构优化方式,然后从基于深度学习的稀疏多极化阵列优化设计、稀疏多极化多输入多输出(MIMO)雷达、稀疏极化频率分集阵(PFDA)雷达和稀疏PFDA-MIMO雷达、稀疏多极化智能超表面以及稀疏多极化阵列在家居智能通信和工业物联网等复杂室内场景下的应用等方面对未来的发展方向进行了展望。关键词:稀疏多极化阵列;多输入多输出雷达;多极化智能超表面;极化频率分集阵;智能通信;工业物联网中图分类号:TN951文献标识码:A文章编号:2095-283X(2023)02-0312-20DOI:10.12000/JR22206引用格式:悦亚星,李
3、天宇,周成伟,等.稀疏多极化阵列设计研究进展与展望J.雷达学报,2023,12(2):312331.doi:10.12000/JR22206.Reference format:YUEYaxing,LITianyu,ZHOUChengwei,et al.ResearchprogressandprospectofsparsediverselypolarizedarraydesignJ.Journal of Radars,2023,12(2):312331.doi:10.12000/JR22206.Research Progress and Prospect of Sparse DiverselyP
4、olarized Array DesignYUEYaxingLITianyuZHOUChengweiYUANXinSHIZhiguo*(College of Information Science and Electronic Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)(School of Engineering,Westlake University,Hangzhou 310024,China)(Key Laboratory of Collaborative Sensing and Autonomous Unmanned Sy
5、stems ofZhejiang Province,Hangzhou 310015,China)Abstract:Ascomparedwithsparsescalararraysanduniformdiverselypolarizedarrays,sparsediverselypolarizedarraysshowrespectivelyadvantagesofpossessingtheabilityofsensingthepolarizationstateofsourcesignals,avoidingpolarizationmismatchandincreasingthedegreesof
6、freedom,reducingmutualcoupling,decreasinghardwarecost,etc.Therefore,thecomprehensiveresearchonsparsediverselypolarizedarrayisofgreatimportanceinboththeoryandrealisticapplications.Thedesignarchitectureofsparsediverselypolarizedarrays,whicharerelatednotonlytothelocationofthearrayelements,butalsotothed
7、ipole/looptype,收稿日期:2022-10-14;改回日期:2022-12-01;网络出版:2022-12-20*通信作者:史治国*CorrespondingAuthor:SHIZhiguo,基金项目:国家重点研发计划(2018YFE0126300),国家自然科学基金(61901413,U21A20456,62271414),工业控制技术国家重点实验室自主课题(ICT2022A02),浙江大学教育基金会启真人才基金,杭州未来科技城5G开放实验平台FoundationItems:TheNationalKeyR&DProgramofChina(2018YFE0126300),TheNa
8、tionalNaturalScienceFoundationofChina(61901413,U21A20456,62271414),TheResearchProjectoftheStateKeyLaboratoryofIndustrialControlTechnology(ICT2022A02),ZhejiangUniversityEducationFoundationQizhenScholarFoundation,The5GOpenLaboratoryofHangzhouFutureSci-TechCity责任主编:朱圣棋CorrespondingEditor:ZHUShengqi第12卷
9、第2期雷达学报Vol.12No.22023年4月JournalofRadarsApr.2023orientation,andpolarizationstatesoftheantennaelements,aremorediversethanthoseofsparsescalararrays.Thispapersummarizestherelevantresearchesinthisfieldinrecentyears,introducesandexploresthemainstreamsparsediverselypolarizedarraystructureoptimizationapproa
10、chesfromthreeaspects:non-uniformlysparse,uniformlysparseandmixeduniformlyandnon-uniformlysparse.Thenthefuturedevelopmentofsparsediverselypolarizedarraysisdiscussedintermsofdeeplearning-basedoptimizationapproach,sparseMultiple-InputMultiple-Output(MIMO)diverselypolarizedarray,sparsePolarimetricFreque
11、ncyDiverseArray(PFDA)radarandsparsePFDA-MIMOradar,sparsepolarimetricreconfigurableintelligentsurface,andtheapplicationofsparsediverselypolarizedarrayincomplexindoorscenes,suchassmartcommunicationsinhouseandIndustrialInternetofThings.Key words:Sparsediverselypolarizedarray;Multiple-InputMultiple-Outp
12、ut(MIMO)radar;Polarimetricreconfigurableintelligentsurface;PolarimetricFrequencyDiverseArray(PFDA);Smartcommunications;IndustrialInternetofThings(IIOT)1 引言多极化阵列具有联合处理信号空域和极化域信息的能力,在信号处理、通信和工业物联网等领域有着广泛应用19。近年来,为降低阵元间互耦效应、扩展阵列孔径和降低硬件成本,突破奈奎斯特采样速率的稀疏结构阵列引起了学术界和工业界的广泛关注1017。然而现有稀疏阵列设计背景下相关研究大多聚焦于阵列的空域稀
13、疏性,综合考虑阵列空域稀疏特性以及多极化特性的相关研究缺少系统性论述。另外,电磁波是一种矢量信号,未综合考虑上述因素会导致由于极化失配而出现信号处理方法的非稳健性问题1821。因此,对多极化阵列进行合理化稀疏配置的稀疏多极化阵列设计的重要性不言而喻。本文对稀疏多极化阵列设计的相关研究进展进行深入调研,并对未来的发展方向进行展望。现有稀疏多极化阵列的相关研究主要包括基于常见稀疏单极化阵列向多极化阵列的推广22,23,涵盖常见的几种稀疏阵列(如嵌套阵(NestedArray,NA)和互质阵10,2427)向稀疏多极化阵列的一维和二维推广,相关研究依然有较大的局限性。文献28还利用了多极化阵列特有的
14、“矢量叉积”特性,该特性可以使得稀疏多极化阵列的设计方式更加多样化。然而现有对深度融合“矢量叉积”特性进行稀疏多极化阵列设计的研究相对较为缺乏,且现有相关工作缺少系统性地对稀疏多极化阵列设计方法的论述总结。基于上述问题,本文拟对稀疏多极化阵列结构的优化设计问题进行调研,从阵列的非均匀、均匀、混合均匀与非均匀的稀疏配置方式入手,深入探究不同稀疏多极化阵列的配置方式,并简要讨论基于所设计阵列的二维波达方向(Direc-tion-of-Arrival,DOA)与极化参数的多维参数联合估计方法。随着近年来深度学习技术2931的快速发展,基于深度学习实现阵列的合理化稀疏配置也受到了广泛关注。稀疏阵列的阵
15、元选择可被认为是组合问题或凸优化问题,能通过搜索或贪婪算法求解,但这些方法在阵元数增加的情况下算法的计算复杂度也随之上升。近年来随着计算设备运算效率的大幅提高和深度学习技术的日益成熟,基于深度学习对阵元进行最佳选择成为一大研究热点。多极化阵列的合理化稀疏配置是一个系统性的复杂优化问题,其面临着合理化稀疏配置和合理化极化配置两大难题,因而可以依托先进的深度学习技术实施最佳的阵型选择,该方面的研究在未来稀疏多极化阵列的优化设计方面尤为重要。从应用角度出发,稀疏多极化多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output,MIMO)雷达也将是稀疏多极化阵列未来的一大重要研究方向。M
16、IMO雷达凭借其在高目标分辨精度、改善雷达截面积(RadarCrossSection,RCS)闪烁效应和抗干扰能力等方面的优势,成为目前一大热点。MIMO雷达还采用了波形分集技术32,可以生成更大的虚拟阵列孔径和更高的阵列自由度,因此在角度估计领域备受青睐。但传统MIMO雷达在未来可能大规模应用的场景下,将面临系统成本高、阵元间耦合效应强、接收信号时出现的极化失配影响信号处理性能等问题,若采用稀疏多极化MIMO雷达则能很好地改善这些问题。然而,相关研究还十分有限,稀疏多极化MIMO雷达在未来具有广阔的发展前景。此外,稀疏多极化频率分集阵列(PolarimetricFrequencyDivers
17、eArray,PFDA)雷达和稀疏PF-DA-MIMO雷达也具有良好的发展前景。频率分集阵列(FrequencyDiverseArray,FDA)雷达作为一种新型雷达,其相比于传统相控阵雷达,可以生成与距离、角度、时间和频率增量有关的波束方向图,为雷达对距离域的目标探测提供支持,融合了第2期悦亚星等:稀疏多极化阵列设计研究进展与展望313FDA和MIMO体制优势的FDA-MIMO雷达更是受到广泛关注。但目前传统FDA雷达和FDA-MIMO雷达相关研究同样面临系统成本高、阵元间耦合效应强、接收信号时出现极化失配影响信号处理性能等问题,稀疏PFDA雷达和稀疏PFDA-MIMO雷达将是极具潜力的解决
18、方案。作为另外一个科学前沿,稀疏多极化智能超表面(ReconfigurableIntelligentSurface,RIS)也称稀疏多极化智能反射超表面(IntelligentReflectingSurface,IRS)在电磁领域展现出了巨大潜力,可为稀疏多极化阵列设计研究注入新的活力。传统对电磁波极化特性调控的方法是直接调控天线的极化方式,这种方法的缺点在于一旦设计并制备完成天线后难以对其进行修改,而极化可重构技术的出现让实时调控超表面处电磁波极化特性成为可能。由极化可重构超表面单元组成的多极化RIS可被PIN二极管33、电控开关34,35或石墨烯36对其极化方式进行编程控制。但传统超表面阵
19、列的超表面阵元之间以及对多种特性进行调控的单元之间可能存在由于间距较近导致的耦合效应,因此对其阵元进行合理化稀疏布置是必要的。考虑到大规模应用的因素,为减小阵列功耗、提升不同极化配置方式下阵列自由度和改善阵列性能,将稀疏多极化阵列设计应用于稀疏多极化RIS研究中具有极大潜在价值。最后,将稀疏多极化阵列应用于家居智能通信和工业物联网等复杂室内场景中也将是一个极具应用前景的研究方向。在室内环境已经成为当今无线通信主要应用场景的前提下,研究室内无线通信高效性和稳定性的影响因素,并寻找改善室内无线通信性能的方法已成为未来新一代信息技术的重要研究课题。除了优化通信资源、改善建筑布局和建筑材料,研究人员更
20、多地将目光投向了增设或改进室内通信硬件,如直接铺设阵列或将阵列嵌入建筑材料。具有轻量化、易集成、成本低等优点的稀疏多极化阵列在未来复杂室内通信场景中有望发挥重大作用。本文总共分为4节,第1节概述了稀疏多极化阵列研究的重要性、现有的相关研究总结及未来发展展望;第2节从多极化阵列的3种稀疏化方式出发分别介绍了现有的多极化阵列稀疏化方式及所提出的多极化阵列稀疏化方式;第3节对未来的5个发展方向进行阐述和展望,包括基于深度学习的稀疏多极化阵列优化设计、稀疏多极化MIMO雷达研究、稀疏PFDA雷达和稀疏PFDA-MIMO雷达研究、稀疏多极化智能超表面、稀疏多极化阵列在家居智能通信和工业物联网等复杂室内场
21、景下的应用;第4节对全文工作进行总结。2 稀疏多极化阵列设计研究L/0.12(R/)2dx.图5由EMVS构成的矩形稀疏多极化阵列结构示意图Fig.5RectangularsparsediverselypolarizedarrayconstructedbyEMVS316雷达学报第12卷致的互耦误差,但上述两种阵列未能对EMVS、三正交偶极子和三正交磁环等多极化阵列的“矢量叉积”特性进行有效发掘。为充分利用“矢量叉积”特性在多极化阵列中的潜力,下面给出了一种轴向平行多线性稀疏多极化阵列(如图9所示),该设计不仅可避免阵元共点配置导致的互耦误差,还可基于各子阵导引阵元带来的时延补偿,并充分利用“矢
22、量叉积”特性,最终基于对各子阵间构造起来的虚拟旋转不变性实现多维参数的高精度无模糊估计。(3)混合均匀与非均匀稀疏多极化阵列设计不同于单独研究多极化阵列的均匀或非均匀稀疏化配置设计方法,研究混合均匀与非均匀多极化阵列的联合稀疏配置可进一步丰富稀疏多极化阵列的稀疏化设计种类,并蕴含增加信号参数估计精度的潜力,下面分别给出混合均匀与非均匀稀疏多极化阵列的两种最基本配置方法:以非均匀稀疏阵为子阵均匀稀疏摆放的混合稀疏多极化阵列基于文献38给出的空域分置EMVS,图10给出了一种以空域分置EMVS(非均匀稀疏)为子阵均匀稀疏摆放构成的混合稀疏多极化阵列,由图可见基本单元的内部结构和最终稀疏化的阵列结构
23、。可基于该阵列均匀稀疏子阵所构造的平移不变性实现有模糊的精估计,并利用空域分置EMVS的“矢量叉积”特性实现多维参数有模糊精估计的去模糊,最终实现多维参数的无模糊高精度估计。以均匀稀疏阵为子阵非均匀稀疏摆放的混合稀疏多极化阵列图11给出了本方案下的一种混合稀疏多极化阵列:首先在x轴等间距稀疏配置多极化子阵,接着以该多极化子阵为基本单元在y轴非均匀稀疏配置,图11中所示阵列以嵌套阵(第1层子阵数为3,第2层子阵数为2)的稀疏配置方式为例。可对所有的平行子阵接收数据进行平滑操作,进而虚拟构建为图12所示阵列对应的虚拟接收数据,然后基于该虚拟接收数据以及“矢量叉积”特性实现多维参数的高精度估计。上述
24、混合稀疏多极化阵列基于合理优化设计混合均匀与非均匀稀疏多极化阵列中的均匀稀疏和非均匀稀疏部分,利用了如阵列的对称、平行、所构造的虚拟多极化旋转不变等特性,可最终基于所设计阵列的接收数据并通过数据变换实现多参数的高精度估计。值得指出的是,稀疏多极化阵列的设计是一个全局统筹优化过程,需要系统性地从多角度xzy图6由3种指向的偶极子组成的稀疏L型多极化阵列结构示意图Fig.6SparseL-shapeddiverselypolarizedarraycomposedofdipoleswiththreedirectionsxzy子阵3子阵4子阵6子阵5子阵2子阵1dMydMx图7拉伸L型稀疏多极化阵列结
25、构示意图Fig.7StretchedL-shapedsparsediverselypolarizedarrayxzy.22d=Dy2Dx图8空域分置交叉偶极子稀疏矩形多极化阵列结构示意图Fig.8Sparserectangulardiverselypolarizedarraycomposedofspatiallydistributedcross-dipolesxzy子阵1.子阵0子阵2.子阵4子阵3.基本单元导引阵元ddxdxdxdxdy2dy图9轴向平移多线性稀疏多极化阵列结构示意图Fig.9Axialtranslationmultilinearsparsediverselypolarize
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