CN108761381A - 一种基于阵列天线的目标信源探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于移动通信技术领域，公开了一种基于阵列天线的目标信源探测方法，包括以下步骤：通过波束形成技术初步判断目标信源的个数和方位，并根据波束转动过程中获得的接收信号功率将天线覆盖范围划分为多个小区；使波束依次指向多个所述小区，通过MUSIC算法得到每个所述小区中信号的空间谱，确定每个所述小区中目标信源的个数和方位；将多个所述小区的计算结果进行汇总，综合处理后获得目标信源的精确个数和精确方位。本发明解决了现有技术中目标信源的方位估计存在空间分辨率较低、应用上有诸多限制的问题，本发明能够提高空间分辨率，并且能够检测的信源数量不受阵列天线阵元数量的限制。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种基于阵列天线的目标信源探测方法。
背景技术
过去，阵列天线广泛应用与雷达、声纳、电子对抗等军用领域，最近几年来，阵列天线开始进入到移动通信这样的民用领域中。在阵列信号处理领域中，目标信源的方位估计一直是研究的重要内容，也是研究的热点和难点。传统的估计方法是基于波束形成技术，通过扫描的方式来确定信源的方向，这种方法虽然实现简单，但是空间分辨率较低，无法得到精确的角度值。而采用MUSIC等类似算法计算角度，也存在诸多限制，比如要求信源数量包括多径数目小于天线阵元的数量，因此在实际使用也有很多限制。
发明内容
本申请实施例通过提供一种基于阵列天线的目标信源探测方法，解决了现有技术中目标信源的方位估计存在空间分辨率较低、应用上有诸多限制的问题。
本申请实施例提供一种基于阵列天线的目标信源探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过波束形成技术初步判断目标信源的个数和方位，并根据波束转动过程中获得的接收信号功率将天线覆盖范围划分为多个小区；
使波束依次指向多个所述小区，通过MUSIC算法得到每个所述小区中信号的空间谱，确定每个所述小区中目标信源的个数和方位；
将多个所述小区的计算结果进行汇总，综合处理后获得目标信源的精确个数和精确方位。
优选的，所述基于阵列天线的目标信源探测方法具体包括以下步骤：
(1)根据阵列天线各个阵元的排列结构，利用波束赋形算法得到波束的赋形权值，使所述阵列天线的辐射方向图为窄波束；
(2)改变所述赋形权值，使所述阵列天线的所述波束的指向进行转动；
(3)在所述波束每转动一个角度时，计算一次接收信号功率；
(4)根据波束转动过程中计算得到的所述接收信号功率，初步判断目标信源的个数和方位，根据初步判断的信源方位，将所述阵列天线的覆盖范围划分为K个小区；
(5)使所述波束指向第k个小区，并根据接收到的信号计算第k个小区的协方差矩阵；
(6)对所述协方差矩阵进行特征分解，将特征值按从大到小排列，并得到对应的特征矢量矩阵；
(7)根据MUSIC算法计算得到第k个小区中信号的空间谱，在所述空间谱中搜索极大值点，确定第k个小区中目标信源的个数和方位；
(8)使k＝k+1；若k<＝K，回到步骤(5)，进行下一个小区的计算；若k＞K，则结束循环；
(9)综合以上K次的计算结果，汇总处理得到最终的目标信源的精确方位。
优选的，所述步骤(1)和步骤(2)的具体实现过程为：根据波束赋形算法计算得到波束的赋形权值，所述赋形权值用于控制各个阵元的激励信号幅度和相位，使得所述阵列天线的辐射方向图为窄波束；通过改变所述赋形权值，从而改变激励信号幅度和相位，控制阵列天线的波束指向转动。
优选的，所述步骤(4)中的所述接收信号功率的计算公式为P＝I2+Q2，其中，I为同相载波信号，Q为正交载波信号。
优选的，所述步骤(4)中K小于5。
优选的，所述步骤(5)中的所述协方差矩阵的计算公式为：其中，L为数据的采样快拍数，H表示共轭转置矩阵，X为阵列天线接收到的数据。
优选的，所述步骤(6)的特征值分解是通过正交运算实现的，通过多次迭代使所述协方差矩阵变换为近似的对角矩阵。
优选的，所述步骤(6)的的具体实现过程为：
S1、令m＝1，n＝m+1；
S2、构造正交矩阵P为：
上式中
S3、计算R'＝PRPH，E'＝EPH，其中，H为共轭转置矩阵，R′为本次迭代之后的协方差矩阵，E′为本次迭代之后的单位矩阵，E为单位矩阵；
S4、令n＝n+1，若n≤M则回到S2；若n>M则进行下一步；
S5、令m＝m+1，若m≤M则回到S2；若m>M则进行下一步；
S6、计算协方差矩阵非对角线元素绝对值的平方和，若平方和小于e，则迭代计算结束；若平方和大于e，则回到S1进入下一轮迭代；其中，e为迭代误差，e取10-5。
优选的，所述步骤(7)中的MUSIC空间谱计算公式为：
其中，a(θ)为导向矢量，H为共轭转置矩阵，EN代表噪声子空间。
优选的，所述步骤(9)包括分析相邻小区中是否有重复计算的信源；若存在重复计算的信源，则去掉重复计算数据。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明结合波束形成技术和MUSIC算法来实现对阵列天线的目标信源探测，相对于使用波束扫描进行目标探测，本发明能够克服因波束宽度导致的目标范围较大、不明确、指向精度低的问题；相对于空间谱估计进行目标探测，本发明能够避免当无线环境较复杂时，空间谱估计信源不准确或遗漏的问题。本发明采用两次搜索的方法，不仅原理简单，还能够提高计算的准确性，尤其能够克服由于多径信号导致的信源遗漏问题。综上，本发明与现有方案相比，能够提高空间分辨率，并且能够检测的信源数不受阵列天线阵元数量的限制，即使信源数多于阵元数量，也能够正确检测到。此外，本发明提供的目标信源探测方法对天线的形式无任何限制，可适用于任意形式的阵列测向***。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于阵列天线的目标信源探测方法的流程示意框图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本发明中采用两次搜索的方法，第一次使用功率扫描，确定大致的信源方位和个数；然后根据接收到的功率图谱，对覆盖范围进行分区，各小区分别进行第二次搜索，第二次采用MUSIC算法，计算小区内的精确的信源方位。
如图1所示，本发明提供了一种基于阵列天线的目标信源检测方法，包括如下步骤：
步骤1、根据阵列天线各阵元的排列结构，利用波束赋形算法得到波束的赋形权值，使阵列天线的辐射方向图为窄波束；这里的窄波束宽度受赋形权值及阵元数量的影响，并不能无限制的窄。阵元数量越多，赋形能达到的波束宽度越窄；阵元数量越少，波束越宽。
步骤2、改变赋形权值，也就是改变阵列天线每个阵元的激励信号幅度和相位，使阵列天线的波束指向能够按照一定的步进角度进行转动。步进角度值应该由波束宽度决定，可以使步进角度值等于一半的波束宽度，也可以使步进角度等于波束宽度。
步骤3、在波束转动时，每转动一个角度计算一次接收信号功率。这里功率计算公式为P＝I2+Q2，I为同相载波信号，Q为正交载波信号。
步骤4、根据波束转动过程中计算的接收信号功率，判断大致的目标信源的个数和方位，然后根据初步判断的信源方位，将阵列天线的覆盖范围划分为K个小区。这里K由信源分散或聚集程度确定，聚集较近的信源划分在一个小区。一般来说，K应该小于5，否则计算量就会过大，算法的实时性就会下降。在划分小区时应尽可能使各功率峰值划分在不同的小区。
步骤5、使波束指向小区k(第k个小区，其中1≤k≤K)，根据接收到的信号计算第k个小区的协方差矩阵Rx。这里使波束指向小区k时，同样是通过波束赋形算法计算得到权值，使辐射方向图对准目标小区。接收信号的协方差矩阵计算公式为：这里L为数据的采样快拍数，H表示共轭转置矩阵，X为阵列天线接收到的数据，X为M*L维矢量，M为阵列天线的阵元数量。最终协方差矩阵Rx的维数即为M*M。
步骤6、对协方差矩阵进行特征分解，将特征值按从大到小排列，并得到对应的特征矢量矩阵。通过构造一个正交矩阵，对协方差矩阵和单位矩阵进行一系列的正交运算，使协方差矩阵经过这些变换后化为近似的对角矩阵，由于正交运算后矩阵特征值不变，所以对角矩阵对角线上的元素就是协方差矩阵的特征值。
这里正交矩阵的构造方法为：
S1、令m＝1，n＝m+1；
S2、构造正交矩阵P为：
上式中
S3、计算R'＝PRPH，E'＝EPH，这里H表示共轭转置矩阵，R′为本次迭代之后的协方差矩阵，E′为本次迭代之后的单位矩阵，E为单位矩阵。
S4、令n＝n+1，若n≤M则回到S2；若n>M则进行下一步；
S5、令m＝m+1，若m≤M则回到S2；若m>M则进行下一步；
S6、计算协方差矩阵非对角线元素绝对值的平方和，若该值小于e，则迭代计算结束，协方差矩阵的对角线元素即为它的特征值，单位矩阵E的各个列向量即为对应的特征向量；若计算得到的值大于e，则回到S1进入下一轮迭代。其中，e为迭代误差，e可以取10-5。
步骤7、根据MUSIC算法计算得到信号的空间谱，在空间谱中搜索极大值点，确定信号的精确个数和方位。这里空间谱计算公式为：a(θ)为导向矢量，EN代表噪声子空间，EN由代表噪声的特征值的特征向量组成。
步骤8、使k＝k+1，若k<＝K，回到步骤5计算，否则直接到下一步；
步骤9、综合以上K次的计算结果，汇总处理得到最终的目标信源的精确方位。这里要分析相邻小区中是否有重复计算的信源，将其去掉，最后得到最终的结果。
本发明实施例提供的一种基于阵列天线的目标信源探测方法至少包括如下技术效果：
本发明结合波束形成技术和MUSIC算法来实现对阵列天线的目标信源探测，相对于使用波束扫描进行目标探测，本发明能够克服因波束宽度导致的目标范围较大、不明确、指向精度低的问题；相对于空间谱估计进行目标探测，本发明能够避免当无线环境较复杂时，空间谱估计信源不准确或遗漏的问题。本发明采用两次搜索的方法，不仅原理简单，还能够提高计算的准确性，尤其能够克服由于多径信号导致的信源遗漏问题。综上，本发明与现有方案相比，能够提高空间分辨率，并且能够检测的信源数不受阵列天线阵元数量的限制，即使信源数多于阵元数量，也能够正确检测到。此外，本发明提供的目标信源探测方法对天线的形式无任何限制，可适用于任意形式的阵列测向***。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于阵列天线的目标信源探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过波束形成技术初步判断目标信源的个数和方位，并根据波束转动过程中获得的接收信号功率将天线覆盖范围划分为多个小区；
使波束依次指向多个所述小区，通过MUSIC算法得到每个所述小区中信号的空间谱，确定每个所述小区中目标信源的个数和方位；
将多个所述小区的计算结果进行汇总，综合处理后获得目标信源的精确个数和精确方位。
2.根据权利要求1所述的基于阵列天线的目标信源探测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)根据阵列天线各个阵元的排列结构，利用波束赋形算法得到波束的赋形权值，使所述阵列天线的辐射方向图为窄波束；
(2)改变所述赋形权值，使所述阵列天线的所述波束的指向进行转动；
(3)在所述波束每转动一个角度时，计算一次接收信号功率；
(4)根据波束转动过程中计算得到的所述接收信号功率，初步判断目标信源的个数和方位，根据初步判断的信源方位，将所述阵列天线的覆盖范围划分为K个小区；
(5)使所述波束指向第k个小区，并根据接收到的信号计算第k个小区的协方差矩阵；
(6)对所述协方差矩阵进行特征分解，将特征值按从大到小排列，并得到对应的特征矢量矩阵；
(7)根据MUSIC算法计算得到第k个小区中信号的空间谱，在所述空间谱中搜索极大值点，确定第k个小区中目标信源的个数和方位；
(8)使k＝k+1；若k<＝K，回到步骤(5)，进行下一个小区的计算；若k＞K，则结束循环；
(9)综合以上K次的计算结果，汇总处理得到最终的目标信源的精确方位。
3.根据权利要求2所述的基于阵列天线的目标信源探测方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)的具体实现过程为：
根据波束赋形算法计算得到波束的赋形权值，所述赋形权值用于控制各个阵元的激励信号幅度和相位，使得所述阵列天线的辐射方向图为窄波束；通过改变所述赋形权值，从而改变激励信号幅度和相位，控制阵列天线的波束指向转动。
4.根据权利要求2所述的基于阵列天线的目标信源探测方法，其特征在于，所述步骤(4)中的所述接收信号功率的计算公式为P＝I2+Q2，其中，I为同相载波信号，Q为正交载波信号。
5.根据权利要求2所述的基于阵列天线的目标信源探测方法，其特征在于，所述步骤(4)中K小于5。
6.根据权利要求2所述的基于阵列天线的目标信源探测方法，其特征在于，所述步骤(5)中的所述协方差矩阵的计算公式为：其中，L为数据的采样快拍数，H表示共轭转置矩阵，X为阵列天线接收到的数据。
7.根据权利要求2所述的基于阵列天线的目标信源探测方法，其特征在于，所述步骤(6)的特征值分解是通过正交运算实现的，通过多次迭代使所述协方差矩阵变换为近似的对角矩阵。
8.根据权利要求7所述的基于阵列天线的目标信源探测方法，其特征在于，所述步骤(6)的的具体实现过程为：
S1、令m＝1，n＝m+1；
S2、构造正交矩阵P为：
上式中
S3、计算R'＝PRPH，E'＝EPH，其中，H为共轭转置矩阵，R′为本次迭代之后的协方差矩阵，E′为本次迭代之后的单位矩阵，E为单位矩阵；
S4、令n＝n+1，若n≤M则回到S2；若n>M则进行下一步；
S5、令m＝m+1，若m≤M则回到S2；若m>M则进行下一步；
S6、计算协方差矩阵非对角线元素绝对值的平方和，若平方和小于e，则迭代计算结束；若平方和大于e，则回到S1进入下一轮迭代；其中，e为迭代误差，e取10-5。
9.根据权利要求2所述的基于阵列天线的目标信源探测方法，其特征在于，所述步骤(7)中的MUSIC空间谱计算公式为：其中，a(θ)为导向矢量，H为共轭转置矩阵，EN代表噪声子空间。
10.根据权利要求2所述的基于阵列天线的目标信源探测方法，其特征在于，所述步骤(9)包括分析相邻小区中是否有重复计算的信源；若存在重复计算的信源，则去掉重复计算数据。
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