悅亞星 李天宇 周成偉 袁 鑫 史治國(guó)*(浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院 杭州 310027)(西湖大學(xué)工學(xué)院 杭州 310024)(浙江省協(xié)同感知與自主無(wú)人系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310015)

1 引言

多極化陣列具有聯(lián)合處理信號(hào)空域和極化域信息的能力，在信號(hào)處理、通信和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1–9]。近年來(lái)，為降低陣元間互耦效應(yīng)、擴(kuò)展陣列孔徑和降低硬件成本，突破奈奎斯特采樣速率的稀疏結(jié)構(gòu)陣列引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[10–17]。然而現(xiàn)有稀疏陣列設(shè)計(jì)背景下相關(guān)研究大多聚焦于陣列的空域稀疏性，綜合考慮陣列空域稀疏特性以及多極化特性的相關(guān)研究缺少系統(tǒng)性論述。另外，電磁波是一種矢量信號(hào)，未綜合考慮上述因素會(huì)導(dǎo)致由于極化失配而出現(xiàn)信號(hào)處理方法的非穩(wěn)健性問(wèn)題[18–21]。因此，對(duì)多極化陣列進(jìn)行合理化稀疏配置的稀疏多極化陣列設(shè)計(jì)的重要性不言而喻。本文對(duì)稀疏多極化陣列設(shè)計(jì)的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行深入調(diào)研，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

現(xiàn)有稀疏多極化陣列的相關(guān)研究主要包括基于常見(jiàn)稀疏單極化陣列向多極化陣列的推廣[22,23]，涵蓋常見(jiàn)的幾種稀疏陣列(如嵌套陣(Nested Array,NA)和互質(zhì)陣[10,24–27])向稀疏多極化陣列的一維和二維推廣，相關(guān)研究依然有較大的局限性。文獻(xiàn)[28]還利用了多極化陣列特有的“矢量叉積”特性，該特性可以使得稀疏多極化陣列的設(shè)計(jì)方式更加多樣化。然而現(xiàn)有對(duì)深度融合“矢量叉積”特性進(jìn)行稀疏多極化陣列設(shè)計(jì)的研究相對(duì)較為缺乏，且現(xiàn)有相關(guān)工作缺少系統(tǒng)性地對(duì)稀疏多極化陣列設(shè)計(jì)方法的論述總結(jié)?；谏鲜鰡?wèn)題，本文擬對(duì)稀疏多極化陣列結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行調(diào)研，從陣列的非均勻、均勻、混合均勻與非均勻的稀疏配置方式入手，深入探究不同稀疏多極化陣列的配置方式，并簡(jiǎn)要討論基于所設(shè)計(jì)陣列的二維波達(dá)方向(Direction-of-Arrival,DOA)與極化參數(shù)的多維參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法。

隨著近年來(lái)深度學(xué)習(xí)技術(shù)[29–31]的快速發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)陣列的合理化稀疏配置也受到了廣泛關(guān)注。稀疏陣列的陣元選擇可被認(rèn)為是組合問(wèn)題或凸優(yōu)化問(wèn)題，能通過(guò)搜索或貪婪算法求解，但這些方法在陣元數(shù)增加的情況下算法的計(jì)算復(fù)雜度也隨之上升。近年來(lái)隨著計(jì)算設(shè)備運(yùn)算效率的大幅提高和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的日益成熟，基于深度學(xué)習(xí)對(duì)陣元進(jìn)行最佳選擇成為一大研究熱點(diǎn)。多極化陣列的合理化稀疏配置是一個(gè)系統(tǒng)性的復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題，其面臨著合理化稀疏配置和合理化極化配置兩大難題，因而可以依托先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)施最佳的陣型選擇，該方面的研究在未來(lái)稀疏多極化陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面尤為重要。

從應(yīng)用角度出發(fā)，稀疏多極化多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)雷達(dá)也將是稀疏多極化陣列未來(lái)的一大重要研究方向。MIMO雷達(dá)憑借其在高目標(biāo)分辨精度、改善雷達(dá)截面積(Radar Cross Section,RCS)閃爍效應(yīng)和抗干擾能力等方面的優(yōu)勢(shì)，成為目前一大熱點(diǎn)。MIMO雷達(dá)還采用了波形分集技術(shù)[32]，可以生成更大的虛擬陣列孔徑和更高的陣列自由度，因此在角度估計(jì)領(lǐng)域備受青睞。但傳統(tǒng)MIMO雷達(dá)在未來(lái)可能大規(guī)模應(yīng)用的場(chǎng)景下，將面臨系統(tǒng)成本高、陣元間耦合效應(yīng)強(qiáng)、接收信號(hào)時(shí)出現(xiàn)的極化失配影響信號(hào)處理性能等問(wèn)題，若采用稀疏多極化MIMO雷達(dá)則能很好地改善這些問(wèn)題。然而，相關(guān)研究還十分有限，稀疏多極化MIMO雷達(dá)在未來(lái)具有廣闊的發(fā)展前景。

此外，稀疏多極化頻率分集陣列(Polarimetric Frequency Diverse Array,PFDA)雷達(dá)和稀疏PFDA-MIMO雷達(dá)也具有良好的發(fā)展前景。頻率分集陣列(Frequency Diverse Array,FDA)雷達(dá)作為一種新型雷達(dá)，其相比于傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)，可以生成與距離、角度、時(shí)間和頻率增量有關(guān)的波束方向圖，為雷達(dá)對(duì)距離域的目標(biāo)探測(cè)提供支持，融合了FDA和MIMO體制優(yōu)勢(shì)的FDA-MIMO雷達(dá)更是受到廣泛關(guān)注。但目前傳統(tǒng)FDA雷達(dá)和FDA-MIMO雷達(dá)相關(guān)研究同樣面臨系統(tǒng)成本高、陣元間耦合效應(yīng)強(qiáng)、接收信號(hào)時(shí)出現(xiàn)極化失配影響信號(hào)處理性能等問(wèn)題，稀疏PFDA雷達(dá)和稀疏PFDA-MIMO雷達(dá)將是極具潛力的解決方案。

作為另外一個(gè)科學(xué)前沿，稀疏多極化智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS)也稱(chēng)稀疏多極化智能反射超表面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)在電磁領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大潛力，可為稀疏多極化陣列設(shè)計(jì)研究注入新的活力。傳統(tǒng)對(duì)電磁波極化特性調(diào)控的方法是直接調(diào)控天線的極化方式，這種方法的缺點(diǎn)在于一旦設(shè)計(jì)并制備完成天線后難以對(duì)其進(jìn)行修改，而極化可重構(gòu)技術(shù)的出現(xiàn)讓實(shí)時(shí)調(diào)控超表面處電磁波極化特性成為可能。由極化可重構(gòu)超表面單元組成的多極化RIS可被PIN二極管[33]、電控開(kāi)關(guān)[34,35]或石墨烯[36]對(duì)其極化方式進(jìn)行編程控制。但傳統(tǒng)超表面陣列的超表面陣元之間以及對(duì)多種特性進(jìn)行調(diào)控的單元之間可能存在由于間距較近導(dǎo)致的耦合效應(yīng)，因此對(duì)其陣元進(jìn)行合理化稀疏布置是必要的。考慮到大規(guī)模應(yīng)用的因素，為減小陣列功耗、提升不同極化配置方式下陣列自由度和改善陣列性能，將稀疏多極化陣列設(shè)計(jì)應(yīng)用于稀疏多極化RIS研究中具有極大潛在價(jià)值。

最后，將稀疏多極化陣列應(yīng)用于家居智能通信和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等復(fù)雜室內(nèi)場(chǎng)景中也將是一個(gè)極具應(yīng)用前景的研究方向。在室內(nèi)環(huán)境已經(jīng)成為當(dāng)今無(wú)線通信主要應(yīng)用場(chǎng)景的前提下，研究室內(nèi)無(wú)線通信高效性和穩(wěn)定性的影響因素，并尋找改善室內(nèi)無(wú)線通信性能的方法已成為未來(lái)新一代信息技術(shù)的重要研究課題。除了優(yōu)化通信資源、改善建筑布局和建筑材料，研究人員更多地將目光投向了增設(shè)或改進(jìn)室內(nèi)通信硬件，如直接鋪設(shè)陣列或?qū)㈥嚵星度虢ㄖ牧稀＞哂休p量化、易集成、成本低等優(yōu)點(diǎn)的稀疏多極化陣列在未來(lái)復(fù)雜室內(nèi)通信場(chǎng)景中有望發(fā)揮重大作用。

本文總共分為4節(jié)，第1節(jié)概述了稀疏多極化陣列研究的重要性、現(xiàn)有的相關(guān)研究總結(jié)及未來(lái)發(fā)展展望；第2節(jié)從多極化陣列的3種稀疏化方式出發(fā)分別介紹了現(xiàn)有的多極化陣列稀疏化方式及所提出的多極化陣列稀疏化方式；第3節(jié)對(duì)未來(lái)的5個(gè)發(fā)展方向進(jìn)行闡述和展望，包括基于深度學(xué)習(xí)的稀疏多極化陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)、稀疏多極化MIMO雷達(dá)研究、稀疏PFDA雷達(dá)和稀疏PFDA-MIMO雷達(dá)研究、稀疏多極化智能超表面、稀疏多極化陣列在家居智能通信和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等復(fù)雜室內(nèi)場(chǎng)景下的應(yīng)用；第4節(jié)對(duì)全文工作進(jìn)行總結(jié)。

2 稀疏多極化陣列設(shè)計(jì)研究

不同于稀疏標(biāo)量陣列的稀疏化方式僅為位置上的優(yōu)化，稀疏多極化陣列由于其陣元極化類(lèi)型多樣化(包含用來(lái)接收電場(chǎng)信號(hào)的偶極子陣元與接收磁場(chǎng)信號(hào)的磁環(huán)陣元，本文的偶極子和磁環(huán)分別指長(zhǎng)度和半徑相對(duì)較小的短偶極子(L/λ<0.1)和小磁環(huán)(2π(R/λ)<0.1)，它們的尺寸分別小于電長(zhǎng)偶極子和電大磁環(huán)，其中L和R分別指偶極子和磁環(huán)的長(zhǎng)度與半徑[9])、陣元指向多樣化和陣元位置多樣化3種特點(diǎn)，因而擁有更加多樣化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置方法。陣元位置是3種多樣化特點(diǎn)中最重要且顯而易見(jiàn)的特點(diǎn)，本節(jié)基于該特點(diǎn)，從陣元位置的非均勻稀疏、均勻稀疏、混合均勻與非均勻稀疏3種方式出發(fā)，對(duì)現(xiàn)有稀疏多極化陣列結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行總結(jié)和概述。表1總結(jié)了稀疏多極化陣列設(shè)計(jì)研究的技術(shù)背景、理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)種類(lèi)和設(shè)置及約束方式。這里值得指出的是引言和表1中所述多極化陣列的“矢量叉積”性質(zhì)(見(jiàn)公式(1))，主要適用于由3種極化方式的偶極子和3種極化方式的磁環(huán)組成的全電磁矢量傳感器(Electromagnetic Vector Sensor,EMVS)陣列。特別的，由3種極化方式的偶極子組成的三正交偶極子或由3種極化方式的磁環(huán)組成的三正交磁環(huán)[37]能夠利用電場(chǎng)或磁場(chǎng)三分量的實(shí)部和虛部的矢量叉積，在已知極化相角正弦值或方位角余弦值的符號(hào)的條件下，實(shí)現(xiàn)二維DOA的估計(jì)，這可以認(rèn)為是一種特殊的“矢量叉積”特性。另外，由兩種極化方式天線構(gòu)成的多極化陣列(如同點(diǎn)正交磁環(huán)偶極子(Co-centered Orthogonal Loop and Dipole,COLD)陣列和交叉偶極子陣列)對(duì)應(yīng)于二維矢量，因而無(wú)法利用“矢量叉積”性質(zhì)；但由于其同樣具有極化多樣性，因而由兩種極化方式天線構(gòu)成的多極化陣列也可以感知極化信息。

表1 稀疏多極化陣列設(shè)計(jì)研究的技術(shù)背景、理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)方法種類(lèi)和設(shè)置及約束方式Tab.1 Technical background,theoretical basis,categorization of the configuration design,and setting/constraint approaches for sparse diversely polarized array

(1) 非均勻稀疏多極化陣列設(shè)計(jì)

現(xiàn)有非均勻稀疏多極化陣列的相關(guān)研究主要基于常見(jiàn)稀疏標(biāo)量陣(如互質(zhì)陣、嵌套陣、超級(jí)嵌套陣和增廣嵌套陣(Augmented NA,ANA))向多極化陣的簡(jiǎn)單推廣，且大多應(yīng)用于一維DOA和極化參數(shù)估計(jì)[21]，如文獻(xiàn)[22]提出的由嵌套陣和增廣嵌套陣組成的一種稀疏多極化陣列(如圖1所示)，該陣列不僅實(shí)現(xiàn)了孔徑擴(kuò)展還避開(kāi)了部分多極化陣元間的互耦效應(yīng)。上述陣列的設(shè)計(jì)思路如下：①均以原點(diǎn)為起點(diǎn)沿y軸依次擺放軸向平行于y軸的理想嵌套陣偶極子陣元，以及沿y軸依次擺放軸向平行于z軸的增廣嵌套陣偶極子陣元；②理想嵌套陣偶極子陣元和增廣嵌套陣偶極子陣元的虛擬孔徑盡量相等。

盡管圖1所示陣列有上述優(yōu)點(diǎn)，然而由于其僅在y軸有空域孔徑且僅感知信號(hào)的二維極化域信息，使其損失了對(duì)二維DOA與極化參數(shù)無(wú)模糊估計(jì)的潛能。圖2所示的嵌套EMVS陣列盡管也僅在y軸有空域孔徑，然而其還可感知信號(hào)的六維極化域信息，可借助“矢量叉積”特性實(shí)現(xiàn)對(duì)二維DOA與極化參數(shù)的無(wú)模糊估計(jì)。矢量叉積特性可表述如下：記3個(gè)軸向分別與坐標(biāo)軸平行的電偶極子和3個(gè)法線方向分別與坐標(biāo)軸平行的磁偶極子對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量分別為em∈C3×1和hm∈C3×1，則電磁波的傳播矢量可表示為em和矢量叉積并歸一化的結(jié)果：

圖1 由6個(gè)NA偶極子陣元(軸向平行于y 軸)及10個(gè)偶極子ANA陣元(軸向平行于z 軸)組成的稀疏多極化陣列結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sparse diversely polarized array composed of 6 NA dipoles (axial directions parallel to the y-axis) and 10 ANA dipoles(axial directions parallel to the z-axis)

其中，θm和?m分別是第m個(gè)接收信號(hào)的方位角和俯仰角，“×”表示矢量叉積運(yùn)算，“?”表示共軛運(yùn)算，“ T”代表轉(zhuǎn)置運(yùn)算，等號(hào)右邊的負(fù)號(hào)與具體的em和表達(dá)方式有關(guān)(相關(guān)文獻(xiàn)中的表達(dá)式中可能無(wú)負(fù)號(hào)[38])。

上述嵌套EMVS陣列的設(shè)計(jì)思路為以EMVS陣元為基本單元在嵌套陣位置上進(jìn)行配置，圖2所示的兩層嵌套EMVS陣列的第1層有N1個(gè)EMVS陣元(陣元間距為dy)，第2層有N2個(gè)EMVS陣元(陣元間距為(N1+1)dy)。圖中紅色(黑色、藍(lán)色)短實(shí)線分別代表軸向分別平行于x(y,z)軸的偶極子，紅色(黑色、藍(lán)色)(橢)圓分別代表法線方向分別平行于x(y,z)軸的磁環(huán)。

雖然圖2所示陣列擁有無(wú)模糊估計(jì)多維參數(shù)的潛能，但該陣列中緊湊的非正交磁環(huán)和偶極子會(huì)導(dǎo)致其存在較為嚴(yán)重的EMVS陣元內(nèi)互耦效應(yīng)，為解決上述問(wèn)題，除了自校正方法[39]，現(xiàn)有發(fā)表文獻(xiàn)給出了兩種潛在的解決方案。一種解決EMVS陣元內(nèi)互耦效應(yīng)的思路為將共點(diǎn)的EMVS進(jìn)行非共點(diǎn)拉伸，從而減小共點(diǎn)配置導(dǎo)致的較強(qiáng)互耦效應(yīng)。文獻(xiàn)[28]給出了一種稀疏拉伸每個(gè)EMVS陣元的方法，具體如圖3所示。為便于應(yīng)用拉伸EMVS的“矢量叉積”性質(zhì)，該稀疏拉伸EMVS陣列的稀疏拉伸方式為3個(gè)偶極子和3個(gè)磁環(huán)的中心均與x軸平行，軸向與x軸平行的偶極子和軸向與y軸平行的偶極子的距離為?xy，軸向與y軸平行的偶極子和軸向與z軸平行的偶極子的距離為?yz，法線方向與x軸平行的磁環(huán)和法線方向與y軸平行的磁環(huán)的距離為?xy，法線方向與y軸平行的磁環(huán)和法線方向與z軸平行的磁環(huán)的距離為?yz。

圖2 由兩層嵌套EMVS陣列組成的稀疏多極化陣列結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sparse diversely polarized array composed of two-layer nested EMVS subarrays

圖3 由兩層嵌套稀疏拉伸EMVS陣列組成的稀疏多極化陣列結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Sparse diversely polarized array composed of two-layer nested sparse stretched EMVS subarrays

另一種解決EMVS陣元內(nèi)互耦效應(yīng)的思路為將成對(duì)的正交磁環(huán)和偶極子進(jìn)行拉伸，該解決方案利用正交磁環(huán)和偶極子具有較小互耦效應(yīng)的特點(diǎn)，還可基于正交磁環(huán)和偶極子的軸向拉伸以進(jìn)一步減小互耦效應(yīng)，并且還可利用正交磁環(huán)和偶極子實(shí)現(xiàn)信號(hào)水平極化分量和垂直極化分量的獨(dú)立接收。受文獻(xiàn)[40]中平行多極化陣列設(shè)計(jì)方法的啟發(fā)，文獻(xiàn)[18]給出了一種平行非共點(diǎn)稀疏COLD陣列如圖4所示，該陣列的設(shè)計(jì)思路如下：①以成對(duì)的方式沿z軸拉伸偶極子和磁環(huán)天線；②偶極子和磁環(huán)天線的距離不大于半個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)，以不至于引起二維DOA估計(jì)模糊；③偶極子和磁環(huán)天線對(duì)在常見(jiàn)稀疏陣(如嵌套陣和增廣嵌套陣等)位置上進(jìn)行配置。

圖4 一種平行非共點(diǎn)稀疏COLD陣列結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Parallel non-collocated sparse COLD array

(2) 均勻稀疏多極化陣列設(shè)計(jì)

非均勻稀疏多極化陣列需要系統(tǒng)性地設(shè)計(jì)陣元位置，而均勻稀疏多極化陣列的陣元位置為均勻稀疏布設(shè)，因而優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)際中可應(yīng)用EMVS、三正交偶極子和三正交磁環(huán)等多極化陣列的“矢量叉積”特性[38,41]，對(duì)多極化陣列進(jìn)行均勻性稀疏化配置。文獻(xiàn)[42]給出了一種由EMVS以矩形結(jié)構(gòu)均勻稀疏擺放構(gòu)成的稀疏多極化陣列(如圖5所示)，基于該陣列的稀疏性帶來(lái)的陣列擴(kuò)展孔徑和共點(diǎn)EMVS的“矢量叉積”特性可實(shí)現(xiàn)無(wú)模糊的高精度多維參數(shù)估計(jì)。

盡管圖5所示陣列在理想情況下?lián)碛休^高的多維參數(shù)估計(jì)精度，然而與圖2所示的稀疏多極化陣列類(lèi)似，圖5所示陣列同樣面臨較強(qiáng)的EMVS陣元內(nèi)互耦效應(yīng)，文獻(xiàn)[43]給出了一種利用3種指向偶極子組成的具有更少陣元的空域分置交叉偶極子稀疏多極化陣列(如圖6所示)，避免了緊湊的非正交磁環(huán)和偶極子導(dǎo)致的較強(qiáng)互耦效應(yīng)，繼而可利用構(gòu)建的陣列空間旋轉(zhuǎn)不變性實(shí)現(xiàn)高精度的多維參數(shù)估計(jì)。

圖5 由EMVS構(gòu)成的矩形稀疏多極化陣列結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Rectangular sparse diversely polarized array constructed by EMVS

雖然圖6所示陣列擁有較小的互耦效應(yīng)，但該陣列中共心配置的交叉偶極子在實(shí)際中存在由于制造中的非嚴(yán)格正交導(dǎo)致的互耦誤差。文獻(xiàn)[44,45]分別提出了一種拉伸L型稀疏多極化陣列和一種空域分置交叉偶極子稀疏矩形多極化陣列，具體分別如圖7和圖8所示，上述陣列由于其對(duì)所有偶極子進(jìn)行拉伸和空域分置從而避免了潛在的互耦誤差，并且可基于該擴(kuò)大孔徑陣列的空間旋轉(zhuǎn)不變性實(shí)現(xiàn)更高精度的多維參數(shù)估計(jì)。

圖6 由3種指向的偶極子組成的稀疏L型多極化陣列結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Sparse L-shaped diversely polarized array composed of dipoles with three directions

圖7 拉伸L型稀疏多極化陣列結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Stretched L-shaped sparse diversely polarized array

圖8 空域分置交叉偶極子稀疏矩形多極化陣列結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Sparse rectangular diversely polarized array composed of spatially distributed cross-dipoles

盡管上述兩種陣列有效避免了陣元共點(diǎn)配置導(dǎo)致的互耦誤差，但上述兩種陣列未能對(duì)EMVS、三正交偶極子和三正交磁環(huán)等多極化陣列的“矢量叉積”特性進(jìn)行有效發(fā)掘。為充分利用“矢量叉積”特性在多極化陣列中的潛力，下面給出了一種軸向平行多線性稀疏多極化陣列(如圖9所示)，該設(shè)計(jì)不僅可避免陣元共點(diǎn)配置導(dǎo)致的互耦誤差，還可基于各子陣導(dǎo)引陣元帶來(lái)的時(shí)延補(bǔ)償，并充分利用“矢量叉積”特性，最終基于對(duì)各子陣間構(gòu)造起來(lái)的虛擬旋轉(zhuǎn)不變性實(shí)現(xiàn)多維參數(shù)的高精度無(wú)模糊估計(jì)。

圖9 軸向平移多線性稀疏多極化陣列結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Axial translation multilinear sparse diversely polarized array

(3) 混合均勻與非均勻稀疏多極化陣列設(shè)計(jì)

不同于單獨(dú)研究多極化陣列的均勻或非均勻稀疏化配置設(shè)計(jì)方法，研究混合均勻與非均勻多極化陣列的聯(lián)合稀疏配置可進(jìn)一步豐富稀疏多極化陣列的稀疏化設(shè)計(jì)種類(lèi)，并蘊(yùn)含增加信號(hào)參數(shù)估計(jì)精度的潛力，下面分別給出混合均勻與非均勻稀疏多極化陣列的兩種最基本配置方法：

①以非均勻稀疏陣為子陣均勻稀疏擺放的混合稀疏多極化陣列

基于文獻(xiàn)[38]給出的空域分置EMVS，圖10給出了一種以空域分置EMVS(非均勻稀疏)為子陣均勻稀疏擺放構(gòu)成的混合稀疏多極化陣列，由圖可見(jiàn)基本單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和最終稀疏化的陣列結(jié)構(gòu)?？苫谠撽嚵芯鶆蛳∈枳雨囁鶚?gòu)造的平移不變性實(shí)現(xiàn)有模糊的精估計(jì)，并利用空域分置EMVS的“矢量叉積”特性實(shí)現(xiàn)多維參數(shù)有模糊精估計(jì)的去模糊，最終實(shí)現(xiàn)多維參數(shù)的無(wú)模糊高精度估計(jì)。

圖10 以非均勻稀疏陣為子陣均勻稀疏擺放的多極化陣列結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Diversely polarized array composed of uniformly distributed non-uniform sparse subarrays

② 以均勻稀疏陣為子陣非均勻稀疏擺放的混合稀疏多極化陣列

圖11給出了本方案下的一種混合稀疏多極化陣列：首先在x軸等間距稀疏配置多極化子陣，接著以該多極化子陣為基本單元在y軸非均勻稀疏配置，圖11中所示陣列以嵌套陣(第1層子陣數(shù)為3，第2層子陣數(shù)為2)的稀疏配置方式為例?？蓪?duì)所有的平行子陣接收數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑操作，進(jìn)而虛擬構(gòu)建為圖12所示陣列對(duì)應(yīng)的虛擬接收數(shù)據(jù)，然后基于該虛擬接收數(shù)據(jù)以及“矢量叉積”特性實(shí)現(xiàn)多維參數(shù)的高精度估計(jì)。

圖11 以均勻稀疏陣為子陣非均勻稀疏擺放的多極化陣列示意圖Fig.11 Diversely polarized array composed of non-uniformly distributed uniform sparse subarrays

圖12 圖11所對(duì)應(yīng)的均勻配置多極化陣列示意圖Fig.12 Uniformly distributed diversely polarized array corresponding to Fig.11

上述混合稀疏多極化陣列基于合理優(yōu)化設(shè)計(jì)混合均勻與非均勻稀疏多極化陣列中的均勻稀疏和非均勻稀疏部分，利用了如陣列的對(duì)稱(chēng)、平行、所構(gòu)造的虛擬多極化旋轉(zhuǎn)不變等特性，可最終基于所設(shè)計(jì)陣列的接收數(shù)據(jù)并通過(guò)數(shù)據(jù)變換實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的高精度估計(jì)。值得指出的是，稀疏多極化陣列的設(shè)計(jì)是一個(gè)全局統(tǒng)籌優(yōu)化過(guò)程，需要系統(tǒng)性地從多角度綜合考慮與評(píng)估，如角度分辨精度、多維參數(shù)估計(jì)精度、波束形成性能優(yōu)劣和計(jì)算復(fù)雜度等。

3 未來(lái)展望

目前，稀疏多極化陣列的研究已經(jīng)取得了大量成果，顯示出十分廣闊的前景。下述5個(gè)研究方向極具潛力成為稀疏多極化陣列未來(lái)研究的重要探索方向。

3.1 基于深度學(xué)習(xí)的稀疏多極化陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

近年來(lái)隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)化驅(qū)動(dòng)的智能深度學(xué)習(xí)為稀疏多極化陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)研究提供了新的思路和有力的技術(shù)支持，尤其是在解決天線最優(yōu)選擇問(wèn)題時(shí)，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在性能優(yōu)化和計(jì)算效率提升等方面展現(xiàn)出傳統(tǒng)方法難以比擬的優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)的稀疏陣列設(shè)計(jì)問(wèn)題，可以認(rèn)為是在給定天線陣元數(shù)量時(shí)，明確其最佳擺放位置或選取天線陣元的最佳子集問(wèn)題。最佳的天線陣元選擇可以獲取更大的陣列物理孔徑并實(shí)現(xiàn)更高的角度分辨精度[46,47]，因此優(yōu)化天線陣元選擇的重要性不言而喻。然而除了已經(jīng)得到大量驗(yàn)證的嵌套陣、互質(zhì)陣等少數(shù)陣型結(jié)構(gòu)，通常很難獲得其他合理化稀疏配置的陣元位置閉式解。從算法角度看搜尋最優(yōu)配置的稀疏陣列是一個(gè)隨著陣元數(shù)增加而計(jì)算復(fù)雜度也增加的組合問(wèn)題，或是凸優(yōu)化問(wèn)題。采取組合優(yōu)化和凸松弛算法，可通過(guò)對(duì)具體目標(biāo)函數(shù)求最值以獲取最優(yōu)子陣列[46–48]。

但搜索類(lèi)或貪婪算法在計(jì)算復(fù)雜度方面不具備優(yōu)勢(shì)，因此基于深度學(xué)習(xí)的合理化稀疏陣列配置逐漸進(jìn)入人們視野，并被證明相比于傳統(tǒng)方法具有更高的計(jì)算效率。如文獻(xiàn)[49,50]研究了基于深度學(xué)習(xí)的毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的天線選擇和混合波束形成器設(shè)計(jì)問(wèn)題，并設(shè)計(jì)了兩個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以解決這兩個(gè)分類(lèi)問(wèn)題，所提出的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架相比傳統(tǒng)方法具有更好的性能。此外，基于深度學(xué)習(xí)的稀疏陣列設(shè)計(jì)相關(guān)研究還包括：文獻(xiàn)[51]構(gòu)建了一個(gè)有源天線選擇網(wǎng)絡(luò)，用于可重構(gòu)智能超表面輔助通信的深度學(xué)習(xí)優(yōu)化稀疏天線激活，該網(wǎng)絡(luò)利用概率采樣理論來(lái)選擇這些有源天線的最佳位置，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)了基于深度學(xué)習(xí)的信道外推方案和波束搜索方案，所提出的最優(yōu)天線選擇方案被證明優(yōu)于一般均勻天線選擇方案；文獻(xiàn)[52]研究了一種基于增強(qiáng)深度學(xué)習(xí)的天線選擇方法，為DOA估計(jì)提供了一種稀疏線性陣列結(jié)構(gòu)的選擇方案，與傳統(tǒng)的深度學(xué)習(xí)方法相比，該改進(jìn)型方法通過(guò)約束組合集以保留無(wú)孔子陣列，具有更優(yōu)異的DOA估計(jì)性能。

前述基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)研究極大地豐富了稀疏陣列設(shè)計(jì)方法的多樣性并提高了效率和性能，但所提方法均是用于稀疏標(biāo)量陣列。稀疏多極化陣列的設(shè)計(jì)一方面面臨著與稀疏標(biāo)量陣列設(shè)計(jì)類(lèi)似的問(wèn)題，即合理化稀疏配置；另一方面還需要對(duì)天線陣元的極化方式進(jìn)行最優(yōu)化選擇。考慮到稀疏多極化陣列設(shè)計(jì)的更加復(fù)雜性以及稀疏多極化陣列相較于稀疏單極化陣列在改善極化失配、進(jìn)一步提高角度估計(jì)精度、提取更多極化信息的巨大優(yōu)勢(shì)和廣闊應(yīng)用前景，基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)稀疏多極化陣列的稀疏方式和極化方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)將是未來(lái)十分重要的一個(gè)研究方向。

3.2 稀疏多極化MIMO雷達(dá)研究

MIMO雷達(dá)相較于傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)存在著諸多技術(shù)進(jìn)步，深度融合稀疏多極化陣列在減小極化失配、提升陣列自由度、降低互耦效應(yīng)、減小成本等方面擁有的優(yōu)勢(shì)(相較于稀疏標(biāo)量陣列和均勻多極化陣列)，進(jìn)而對(duì)稀疏多極化MIMO雷達(dá)的系統(tǒng)性研究具有廣闊的應(yīng)用前景。

21世紀(jì)初，美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室的Bliss和Forsythe[53]首次將無(wú)線通信領(lǐng)域的MIMO理論引入雷達(dá)領(lǐng)域，并提出MIMO雷達(dá)的概念。MIMO雷達(dá)由多個(gè)發(fā)射天線組成發(fā)射端、多個(gè)接收天線組成接收端，并在發(fā)射端向目標(biāo)發(fā)射正交信號(hào)，在接收端接收目標(biāo)反射的回波信號(hào)后經(jīng)匹配濾波器組實(shí)現(xiàn)各路信號(hào)的分離。根據(jù)收發(fā)天線布置間距的大小可將MIMO雷達(dá)分為分布式MIMO雷達(dá)和集中式MIMO雷達(dá)。分布式MIMO雷達(dá)收發(fā)天線布置間距較大，可從多個(gè)視角觀測(cè)目標(biāo)，獲得空間分集增益，從而改善RCS閃爍效應(yīng)。集中式和分布式MIMO雷達(dá)的各發(fā)射單元均可發(fā)射所設(shè)計(jì)的不同信號(hào)波形，獲得不同的波形分集增益，在提升抑制雜波和抗干擾能力、提高測(cè)角精度和目標(biāo)跟蹤性能等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)也吸引許多學(xué)者研究將MIMO雷達(dá)應(yīng)用于波離方向(Direction-of-Departure,DOD)和DOA估計(jì)[20,54–75]。

稀疏多極化MIMO雷達(dá)的研究也逐漸進(jìn)入人們視野，其發(fā)展脈絡(luò)大致可以被總結(jié)如圖13所示。最開(kāi)始出現(xiàn)的均勻MIMO雷達(dá)較之相控陣?yán)走_(dá)增加了波形分集技術(shù)，處理數(shù)據(jù)時(shí)可以得到更大的虛擬天線孔徑，因而具有更高的自由度[76]。相比于均勻MIMO雷達(dá)，稀疏MIMO雷達(dá)能用較少的陣元獲得相同的虛擬天線孔徑，在陣元數(shù)相同時(shí)具有更大的自由度，并且能減小陣元間的互耦效應(yīng)，進(jìn)而具有更強(qiáng)的角度分辨能力；通過(guò)稀疏布置可在具有相同陣列孔徑的情況下減少系統(tǒng)陣元數(shù)，節(jié)省系統(tǒng)成本。此外，相比于其他體制的雷達(dá)，稀疏MIMO雷達(dá)采用稀疏布陣時(shí)能量利用率更高[76]。因此，近年來(lái)涌現(xiàn)出一些MIMO雷達(dá)合理化稀疏配置并將其用于提升角度估計(jì)性能的研究，其中稀疏配置方式以最小冗余陣列結(jié)構(gòu)[63,64]、嵌套陣列結(jié)構(gòu)[65,66]和互質(zhì)陣列結(jié)構(gòu)[67,68]及它們的擴(kuò)展形式[69]為主。

圖13 從傳統(tǒng)MIMO雷達(dá)到稀疏多極化MIMO雷達(dá)的發(fā)展脈絡(luò)Fig.13 Evolution from traditional MIMO radar to sparse diversely polarized MIMO radar

上述有關(guān)MIMO雷達(dá)的研究均采用的是單極化天線，而采用多極化天線作為MIMO雷達(dá)的收發(fā)天線陣元，可以減小極化失配帶來(lái)的影響，提高信號(hào)處理的穩(wěn)健性，并且可感知信號(hào)的極化信息，因此多極化MIMO雷達(dá)[70–72]受到了廣泛關(guān)注，相關(guān)研究多采用均勻擺放的EMVS作為收發(fā)天線陣元?；谌诤舷∈鐼IMO雷達(dá)和多極化天線的優(yōu)勢(shì)、進(jìn)一步提升均勻多極化MIMO雷達(dá)性能的愿景，研究采用稀疏多極化天線作為收發(fā)天線陣元的稀疏多極化MIMO雷達(dá)成為極具吸引力的課題。目前已有的相關(guān)研究包括互質(zhì)EMVS-MIMO雷達(dá)的二維DOD和二維DOA聯(lián)合估計(jì)方法[73]、雙基地互質(zhì)EMVS-MIMO雷達(dá)的傳播算子方法[74]和雙基地稀疏EMVS-MIMO雷達(dá)的高分辨自匹配二維DOD和二維DOA估計(jì)方法[75]等。上述所提到的多種類(lèi)型MIMO雷達(dá)的主要優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)總結(jié)如表2所示。

表2 標(biāo)量與多極化MIMO雷達(dá)優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)Tab.2 Summary of advantages and disadvantages of scalar and diversely polarized MIMO radars

可以看出，稀疏多極化MIMO雷達(dá)具有多種技術(shù)的集成優(yōu)勢(shì)，主要包括以下幾個(gè)方面：(1)提升自由度，在天線陣元數(shù)有限的情況下提高角度分辨精度；(2)降低互耦效應(yīng)，減小互耦效應(yīng)帶來(lái)的角度估計(jì)精度損失；(3)在大規(guī)模應(yīng)用的場(chǎng)景下，降低系統(tǒng)成本和硬件開(kāi)銷(xiāo)；(4)相比于單極化天線的雷達(dá)系統(tǒng)可以減少極化失配帶來(lái)的角度估計(jì)精度損失，增加信號(hào)極化信息處理能力。而現(xiàn)有稀疏多極化MIMO雷達(dá)的相關(guān)研究不僅數(shù)量偏少，在稀疏配置和多極化配置的方式上也有很大的改進(jìn)空間。因此，在不斷優(yōu)化相關(guān)技術(shù)性能并提高其穩(wěn)定性和實(shí)用性的基礎(chǔ)上，稀疏多極化MIMO雷達(dá)具有很好的應(yīng)用前景，相關(guān)研究將成為一個(gè)重要發(fā)展方向。

3.3 稀疏PFDA雷達(dá)和稀疏PFDA-MIMO雷達(dá)研究

FDA雷達(dá)作為一種新型雷達(dá)，因其在探測(cè)目標(biāo)距離方面的優(yōu)勢(shì)而受到了廣泛關(guān)注，F(xiàn)DA-MIMO雷達(dá)融合了FDA和MIMO兩大體制的優(yōu)勢(shì)，而稀疏PFDA-MIMO雷達(dá)還將兼具提升陣列自由度、降低互耦效應(yīng)、減小極化失配、提高角度分辨精度和減小成本等優(yōu)點(diǎn)，是極具潛力的一個(gè)發(fā)展方向。

傳統(tǒng)的相控陣?yán)走_(dá)只能提供與方位有關(guān)的波束方向圖，因此無(wú)法直接通過(guò)其波束方向圖對(duì)同一方位不同距離的目標(biāo)進(jìn)行分辨。為解決這一問(wèn)題，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的Antonik等人[77–81]于2006年首次提出了FDA的概念。與相控陣?yán)走_(dá)相比，F(xiàn)DA雷達(dá)的主要優(yōu)勢(shì)在于，基于各陣元間存在的一個(gè)極小頻率增量，生成與距離、角度、時(shí)間和頻率增量有關(guān)的波束方向圖，為雷達(dá)對(duì)目標(biāo)距離域的探測(cè)提供支持，其相關(guān)研究也在通信領(lǐng)域得到一定應(yīng)用[82,83]。FDA雷達(dá)引入MIMO技術(shù)時(shí)則成為FDA-MIMO雷達(dá)[84]?；镜腇DA雷達(dá)存在距離-角度耦合問(wèn)題，在進(jìn)行角度分辨時(shí)容易產(chǎn)生估計(jì)模糊，而FDA-MIMO雷達(dá)通過(guò)增加陣列自由度能有效降低模糊。因此FDA-MIMO雷達(dá)可被用來(lái)區(qū)分距離模糊的目標(biāo)信號(hào)[85]，以及用來(lái)追蹤運(yùn)動(dòng)中的目標(biāo)并對(duì)其進(jìn)行DOD和DOA估計(jì)[86–89]。

FDA雷達(dá)因具有距離-角度二維相關(guān)特性，在抑制傳統(tǒng)相控陣難以抑制的主瓣干擾方面具有極大應(yīng)用潛力。FDA-MIMO雷達(dá)在提升FDA雷達(dá)性能的同時(shí)也具有良好的抗干擾及抗主瓣欺騙式干擾能力[90–92]。下面給出目前FDA-MIMO雷達(dá)抗主瓣欺騙式干擾的主要方法：首先是基于真實(shí)目標(biāo)和假目標(biāo)在距離維上差異的自適應(yīng)波束形成抗干擾方法[93]，該方法依據(jù)目標(biāo)測(cè)距結(jié)果和脈沖延遲數(shù)分別與回波信號(hào)主值距離和模糊次數(shù)的比較結(jié)果，對(duì)真、假目標(biāo)進(jìn)行鑒別，隨后通過(guò)進(jìn)行發(fā)射距離頻率補(bǔ)償和自適應(yīng)匹配濾波實(shí)現(xiàn)真、假目標(biāo)的分離；在目標(biāo)先驗(yàn)參數(shù)未知時(shí)，上述自適應(yīng)波束形成抗干擾方法難以區(qū)分角度相同的真、假目標(biāo)，有學(xué)者提出了基于盲源分離的抗干擾方法[94]，該方法能夠分離出和目標(biāo)角度相同的干擾，再基于目標(biāo)和干擾的距離維差異對(duì)干擾進(jìn)行抑制；此外，在目標(biāo)先驗(yàn)參數(shù)未知時(shí)，自適應(yīng)波束形成抗干擾方法還存在協(xié)方差矩陣重建較難的問(wèn)題，有學(xué)者提出基于空間投影的抗干擾方法[95]，該方法根據(jù)一個(gè)主瓣接收區(qū)域的子空間構(gòu)造出主瓣接收區(qū)域內(nèi)的投影矩陣，并對(duì)主瓣方向的干擾目標(biāo)樣本進(jìn)行挑選；但空間投影方法會(huì)出現(xiàn)在弱信號(hào)和低快拍情況下性能下降問(wèn)題，因此有學(xué)者進(jìn)一步提出了特征向量剔除抗干擾方法[96]，該方法在角度、距離約束范圍內(nèi)，對(duì)目標(biāo)導(dǎo)向矢量進(jìn)行約束，并求出目標(biāo)導(dǎo)向矢量中與信號(hào)子空間具有最強(qiáng)相關(guān)特性的特征向量，隨后在協(xié)方差矩陣中剔除這些特征向量，并基于對(duì)角加載技術(shù)改進(jìn)協(xié)方差矩陣小特征值抖動(dòng)帶來(lái)的算法性能下降問(wèn)題。FDA雷達(dá)以及FDA-MIMO雷達(dá)在提升目標(biāo)分辨精度和抗干擾能力方面的優(yōu)勢(shì)使得二者逐漸成為研究熱點(diǎn)，目前FDA雷達(dá)和FDA-MIMO雷達(dá)的發(fā)展呈現(xiàn)出稀疏化和多極化的趨勢(shì)。

首先由于稀疏陣列相較于均勻陣列在提升陣列孔徑和降低系統(tǒng)成本等方面的優(yōu)勢(shì)，以及FDA雷達(dá)空間和距離分辨率受陣列幾何形狀和頻率偏移限制的因素，涌現(xiàn)出了許多稀疏FDA雷達(dá)或稀疏FDA-MIMO雷達(dá)的研究。文獻(xiàn)[97]提出了一種基于稀疏重建的多目標(biāo)定位方法，該方法結(jié)合了互質(zhì)FDA雷達(dá)的互質(zhì)頻率偏移，可以在天線數(shù)量和頻率數(shù)量相同的情況下實(shí)現(xiàn)更多目標(biāo)的定位，并被驗(yàn)證相比傳統(tǒng)均勻FDA雷達(dá)具有更精確的角度定位分辨率；文獻(xiàn)[98]針對(duì)互質(zhì)FDA雷達(dá)提出了基于雙Toeplitz插值的DOA-距離聯(lián)合估計(jì)方法；文獻(xiàn)[99]研究了稀疏FDA-MIMO雷達(dá)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了FDA-MIMO雷達(dá)的一種稀疏變換形式，其和傳統(tǒng)FDA-MIMO雷達(dá)相比在減少50%帶寬和陣元數(shù)的情況下獲得了相近的性能。稀疏FDA-MIMO雷達(dá)的另一大優(yōu)勢(shì)在于其可以提升FDA-MIMO雷達(dá)的抗干擾能力。傳統(tǒng)均勻FDA-MIMO雷達(dá)的自由度受陣元數(shù)目的限制，因而其抗干擾能力受到了制約。稀疏FDA-MIMO雷達(dá)可以在相同陣元數(shù)的情況下提供更高的陣列自由度和更大的陣列孔徑，進(jìn)而分辨更多目標(biāo)的真?zhèn)?，從而采用更少的物理陣元和更低的硬件開(kāi)銷(xiāo)實(shí)現(xiàn)最大限度地抑制干擾的影響。陣元的稀疏布置還可以減小陣元間互耦效應(yīng)帶來(lái)的影響，有利于FDA-MIMO雷達(dá)進(jìn)一步發(fā)揮其抗干擾優(yōu)勢(shì)。將FDA和MIMO兩種體制相結(jié)合已成為目前頻率分集陣研究的一個(gè)主要發(fā)展方向，在引入稀疏陣列后，通過(guò)充分利用其距離-角度二維相關(guān)特性，稀疏FDA-MIMO雷達(dá)將在提升陣列自由度、目標(biāo)估計(jì)精度和抗干擾能力方面發(fā)揮潛在的性能優(yōu)勢(shì)。

其次考慮到多極化陣列相較于單極化陣列在減小極化失配帶來(lái)的信號(hào)處理性能損失及獲取更多信號(hào)極化信息等方面的優(yōu)勢(shì)，涌現(xiàn)了一些PFDA-MIMO雷達(dá)的相關(guān)研究，如基于子空間類(lèi)方法的DOA-距離-極化聯(lián)合估計(jì)的算法研究[100,101]。然而，目前還鮮有采用稀疏布陣的PFDA雷達(dá)或PFDA-MIMO雷達(dá)的相關(guān)公開(kāi)文獻(xiàn)，其相關(guān)研究呈現(xiàn)出了巨大的潛在價(jià)值。前述內(nèi)容所提到多種FDA各有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，下面給出現(xiàn)有主流FDA雷達(dá)相關(guān)方法的優(yōu)勢(shì)總結(jié)，如表3所示。

表3 FDA雷達(dá)、FDA-MIMO雷達(dá)和PFDA-MIMO雷達(dá)優(yōu)點(diǎn)總結(jié)Tab.3 Summary of potential advantages of FDA radar,FDA-MIMO radar and PFDA-MIMO radar

綜上所述，深度融合FDA/FDA-MIMO雷達(dá)技術(shù)和稀疏多極化陣列優(yōu)化技術(shù)，研究設(shè)計(jì)稀疏PFDA/PFDA-MIMO雷達(dá)可獲得多種技術(shù)各自的潛在優(yōu)勢(shì)集合，至少包括以下幾個(gè)方面：(1)可以區(qū)分距離模糊的目標(biāo)信號(hào)，對(duì)運(yùn)動(dòng)中的目標(biāo)進(jìn)行角度估計(jì)；(2)相較于其他體制雷達(dá)具有更強(qiáng)的抗干擾能力；(3)在陣元數(shù)相同的情況下具有更高的陣列自由度和更大的陣列孔徑；(4)可以減小陣元間互耦效應(yīng)帶來(lái)的精度損失，提升角度分辨精度；(5)降低系統(tǒng)成本和硬件開(kāi)銷(xiāo)；(6)減少極化失配帶來(lái)的精度損失，進(jìn)一步提高角度分辨精度。遺憾的是目前PFDA-MIMO雷達(dá)的相關(guān)研究尚且十分匱乏?；谏鲜鲇懻?，稀疏多極化FDA/FDA-MIMO雷達(dá)或?qū)⒊蔀轭l率分集陣中十分重要且很有前景的研究方向之一。

3.4 稀疏多極化智能超表面研究

超表面因其在電磁波特性控制和提高增益方面顯著的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注，尤其是RIS已經(jīng)成為電磁領(lǐng)域一大研究熱點(diǎn)?？紤]到RIS大規(guī)模應(yīng)用的因素，基于節(jié)省成本和改善性能的愿景，稀疏多極化RIS或?qū)⒊蔀槲磥?lái)一大重要研究方向。

超表面于2011年被哈佛大學(xué)Cappaso課題組[102]首次提出，可被認(rèn)為是一種人工微結(jié)構(gòu)材料——電磁超材料的二維形式。研究人員可通過(guò)設(shè)計(jì)超表面結(jié)構(gòu)單元及排布對(duì)電磁波實(shí)現(xiàn)調(diào)控，且超表面具有低損耗、厚度薄、便于加工等特點(diǎn)，因此用于改善天線性能是其在電磁領(lǐng)域的主要應(yīng)用之一。在宏觀結(jié)構(gòu)上，超表面由多個(gè)單元沿橫向周期或準(zhǔn)周期排列，與陣列天線類(lèi)似[103]，因此也引起了學(xué)術(shù)界對(duì)于利用超表面實(shí)現(xiàn)陣列天線性能越來(lái)越濃厚的興趣[104–106]。

然而，傳統(tǒng)超表面一旦被設(shè)計(jì)并制造則具有固定功能，這限制了其適用范圍。2014年，崔鐵軍等人[107]將“可重構(gòu)”的概念引入超表面的領(lǐng)域，利用數(shù)字編碼代替等效媒質(zhì)描述超材料，首次提出可重構(gòu)超材料的概念，使人們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超材料表面電磁波特性的實(shí)時(shí)調(diào)控。這一概念一被提出就迅速成為研究熱點(diǎn)。利用大量可重構(gòu)超表面單元構(gòu)成的超表面，被稱(chēng)為RIS或IRS。RIS技術(shù)的出現(xiàn)使得對(duì)電磁波的電磁特性進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控成為可能。

目前將RIS的反射單元用來(lái)調(diào)控入射電磁波相位的研究相對(duì)較多[108–111]，但除此之外，極化作為電磁波最重要的電磁特性之一也受到重點(diǎn)關(guān)注。傳統(tǒng)的極化轉(zhuǎn)換表面由特定幾何形狀的基本金屬單元結(jié)構(gòu)按照周期排列而成，以固定方式轉(zhuǎn)換入射電磁波的極化方式，制備完成后無(wú)法調(diào)控其對(duì)電磁波的極化轉(zhuǎn)換方式。多極化RIS[112–116]則克服了這一問(wèn)題，研究人員發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)PIN二極管[33]、電控開(kāi)關(guān)[34,35]或石墨烯[36]調(diào)控多極化RIS對(duì)入射波的極化方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其在不同控制模式下分別產(chǎn)生不同極化方式的反射波。

目前關(guān)于各種RIS的應(yīng)用已有諸多相關(guān)研究，RIS可以人為創(chuàng)造一個(gè)智能、可編程的無(wú)線傳播環(huán)境，提高接收器的信號(hào)接收質(zhì)量，因此被廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信領(lǐng)域[109,117–128]。此外還可以利用多RIS配合以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的信號(hào)處理性能，如文獻(xiàn)[129]研究的基于多RIS的無(wú)人機(jī)群高效DOA估計(jì)方法。隨著RIS在多個(gè)領(lǐng)域越來(lái)越多的應(yīng)用，有學(xué)者考慮到大規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)景下的成本問(wèn)題，以及均勻RIS陣列的較高功耗和耦合效應(yīng)等問(wèn)題。為了在不影響性能的前提下減小功耗，并盡可能避免超表面單元之間以及調(diào)控單元之間的耦合效應(yīng)，應(yīng)該使用RIS中的部分超表面單元而不是全部，故稀疏RIS的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究顯得尤為必要，例如文獻(xiàn)[51]提出了基于深度學(xué)習(xí)的稀疏RIS天線單元選擇方案。

同理，多極化RIS的稀疏布陣在將來(lái)大規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)景下也是十分必要的，但目前還鮮有相關(guān)研究，利用多極化RIS進(jìn)行稀疏優(yōu)化設(shè)計(jì)的潛力還有待進(jìn)一步發(fā)掘。圖14和圖15展示了兩種不同類(lèi)型的稀疏多極化RIS，其中圖14(a)、圖14(b)和圖15(a)、圖15(b)分別展示了該稀疏多極化RIS中部分反射單元在不同控制指令下對(duì)同一種入射極化信號(hào)的不同反射方式，即將線極化的入射信號(hào)分別反射為線極化和圓極化的信號(hào)。圖中紅色箭頭代表入射、反射信號(hào)，箭頭上的平面正弦曲線和空間螺旋曲線分別表示信號(hào)的線極化方式和圓極化方式。

圖14 稀疏多極化RIS示意圖(一種多極化配置方式)Fig.14 Sparse polarimetric RIS (one diversely polarized configuration)

圖15 稀疏多極化RIS示意圖(另一種多極化配置方式)Fig.15 Sparse polarimetric RIS (another diversely polarized configuration)

未來(lái)，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，如何優(yōu)化稀疏多極化RIS的稀疏多極化優(yōu)化配置方式并用于改善信號(hào)處理性能、降低系統(tǒng)成本，將成為一個(gè)具有重大意義的研究課題，相關(guān)研究具有很好的應(yīng)用前景。

3.5 稀疏多極化陣列在家居智能通信和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等復(fù)雜室內(nèi)場(chǎng)景下的應(yīng)用

當(dāng)前，復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的通信已經(jīng)成為無(wú)線通信的主要應(yīng)用場(chǎng)景(如家居智能通信和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng))，如何提升復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下通信的性能和穩(wěn)定性具有巨大的研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，而稀疏多極化陣列由于其在提升性能方面顯著的優(yōu)勢(shì)，以及輕量化、易集成、低成本等特點(diǎn)在其中將發(fā)揮不可忽視的作用。

在研究復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下無(wú)線通信性能的成果中，文獻(xiàn)[130,131]分析了不同建筑布局下室內(nèi)無(wú)線通信性能的差異，可為室內(nèi)無(wú)線通信性能的預(yù)測(cè)和評(píng)估、通信資源優(yōu)化等提供理論和技術(shù)支撐，這方面的研究有望應(yīng)用于未來(lái)民用建筑行業(yè)。除了上述側(cè)重于建筑空間設(shè)計(jì)的研究之外，有許多學(xué)者著眼于改善無(wú)線通信硬件以提升室內(nèi)無(wú)線通信性能，如增加室內(nèi)基站或接入點(diǎn)數(shù)量[132,133]，合理化鋪設(shè)MIMO[134]或RIS[135]設(shè)備等。這樣直接有效的方式目前看來(lái)是實(shí)際應(yīng)用于提升室內(nèi)無(wú)線通信性能的主流，但現(xiàn)有研究還未考慮到稀疏化與多極化布陣。稀疏多極化陣列與稀疏標(biāo)量陣列相比具有提升對(duì)接收電磁波極化信息的處理能力等優(yōu)勢(shì)，與均勻多極化陣列相比在相同陣列孔徑的前提下具有低硬件成本開(kāi)銷(xiāo)和低互耦等優(yōu)勢(shì)。因此，在未來(lái)可能大規(guī)模室內(nèi)陣列天線鋪設(shè)的場(chǎng)景下，陣列合理化的稀疏多極化配置顯得很有必要。

以上所提到的通過(guò)增加硬件設(shè)備提升室內(nèi)無(wú)線通信性能的方法雖直接而有效，但它們都需要額外占用室內(nèi)空間，因此出于節(jié)省室內(nèi)空間成本的考慮，研究人員開(kāi)始關(guān)注將天線陣列集成于建筑材料內(nèi)以提升室內(nèi)無(wú)線通信效果，這就要求必須考慮到建筑材料的物理特性對(duì)無(wú)線通信性能的影響[136,137]。文獻(xiàn)[138]提出一種系統(tǒng)分析與天線陣列集成的建筑材料的物理特性對(duì)無(wú)線通信性能影響的模型和分析方法，并指出天線陣列在建筑材料中的集成深度和墻體厚度對(duì)室內(nèi)無(wú)線通信有很大的影響。通常建筑材料越薄、陣列集成深度越淺，無(wú)線通信性能就越好。而稀疏多極化陣列具有輕量化、易集成、低成本等特點(diǎn)，使得建筑師在設(shè)計(jì)階段中權(quán)衡室內(nèi)無(wú)線通信性能和陣列集成深度、墻體厚度等建筑結(jié)構(gòu)時(shí)擁有更多的設(shè)計(jì)自由度。但是，也需要考慮到，陣列的大面積稀疏化可能會(huì)導(dǎo)致建筑內(nèi)無(wú)法容納所設(shè)計(jì)的稀疏多極化陣列。因此對(duì)用于建筑內(nèi)稀疏多極化陣列的稀疏優(yōu)化研究也十分重要，并且應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注建筑可容納的陣列體積這一約束條件，從而在一定陣列尺寸下盡可能發(fā)揮稀疏化布陣的優(yōu)勢(shì)。以上討論表明，稀疏多極化陣列在復(fù)雜室內(nèi)通信場(chǎng)景中有望發(fā)揮極其重要的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文深入探討和總結(jié)了非均勻、均勻和混合均勻與非均勻稀疏多極化陣列的優(yōu)化配置方式，結(jié)合多極化陣列特有的“矢量叉積”特性，依據(jù)天線陣元位置、天線陣元間距和天線極化指向等可調(diào)因素給出了現(xiàn)有相關(guān)研究及系統(tǒng)性探討。本文的研究對(duì)于多極化陣列結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)、充分利用信號(hào)的極化多樣性、減小陣元間互耦、提高陣列自由度和保障參數(shù)估計(jì)的穩(wěn)健性等方面尤為重要。隨后，本文還給出了5個(gè)未來(lái)的發(fā)展展望，首先介紹了基于深度學(xué)習(xí)的稀疏陣列合理化配置的優(yōu)勢(shì)，給出了該領(lǐng)域的部分研究成果，并對(duì)未來(lái)利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行稀疏多極化陣列合理化稀疏配置進(jìn)行展望；其次簡(jiǎn)要介紹了MIMO雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用，列舉了不同類(lèi)型MIMO雷達(dá)的研究成果，總結(jié)了其主要優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，并探討了稀疏多極化MIMO雷達(dá)研究的重要性；隨后簡(jiǎn)要介紹了FDA雷達(dá)及FDA-MIMO雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用，給出了不同類(lèi)型FDA雷達(dá)和FDA-MIMO雷達(dá)研究成果，并展望了稀疏PFDA雷達(dá)和稀疏PFDA-MIMO雷達(dá)的相關(guān)研究；此外，還介紹了稀疏多極化RIS的相關(guān)研究與展望；最后，介紹了改善室內(nèi)場(chǎng)景下無(wú)線通信性能的主要方法，對(duì)稀疏多極化陣列在家居智能通信和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等復(fù)雜室內(nèi)場(chǎng)景下的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

本文的研究可為雷達(dá)信號(hào)處理和無(wú)線通信等領(lǐng)域的實(shí)際稀疏多極化陣列陣型優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐和技術(shù)保障，對(duì)完善稀疏陣列信號(hào)處理的相關(guān)方法和應(yīng)用研究具有十分重要的意義。