CN109471065A - 一种相干信号的测向方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种相干信号的测向方法，属于阵列信号处理技术领域，解决了现有技术中相干信号的测向方法复杂、精度不高的问题。一种相干信号的测向方法，包括以下步骤：步骤1、确定来波角度；步骤2、构建当前角度至各阵列的虚构数字信号，并分别与经数字滤波后的对应阵列信号进行叠加；步骤3、获取调零计算后的阵列天线的归一化方向图中凹点的角度；步骤4、以角度增量为步进，逐步增加来波角度，以增加后的角度为当前角度，重复步骤步骤2和步骤3，直到当前角度等于终止角度；步骤5、对归一化方向图中各组凹点的角度进行分析，获得相干信号的来波方向。实现了对相干信号的测向，提高了测向精度，简化了测向方法。

Description

一种相干信号的测向方法
技术领域
本发明涉及阵列信号处理技术领域，尤其涉及一种相干信号的测向方法。
背景技术
无线电测向技术在探测、导航、电子对抗等民用和军事领域有着广泛应用，但当多个来波信号相干时，无论是干涉仪测向、时差测向以及阵列测向，要么无法实现对相干信号的测向，要么实现结构复杂，运算量极大，在工程上无法实现。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种相干信号的测向方法，实现了对因多径传输等原因产生的相干信号进行高精度测向，方法简洁实用。
本发明提供一种相干信号的测向方法，包括以下步骤：
步骤S1、确定来波角度的初始角度、角度增量和终止角度，以初始角度为当前角度；
步骤S2、构建当前角度至阵列天线各单元的虚构数字信号，并分别与经数字滤波后的对应阵列信号进行叠加，得到叠加信号；
步骤S3、对叠加信号进行空域自适应调零计算，获取调零计算后的阵列天线的归一化方向图中凹点的角度；
步骤S4、以角度增量为步进，逐步增加来波角度，以增加后的角度为当前角度，重复步骤步骤S2和步骤S3，直到当前角度等于终止角度；
步骤S5、对归一化方向图中各组凹点的角度进行分析，获得相干信号的来波方向。
上述技术方案的有益效果为：通过上述方案实现了对相干信号的测向，提高了侧向精度，简化了侧向方法。
进一步地，所述方法还包括，利用数字滤波器对来自阵列天线的每路数字信号进行数字滤波处理，获得数字滤波后的阵列信号。
进一步地，利用数字滤波器对来自阵列天线的每路数字信号进行数字滤波处理，具体包括，设置数字滤波器的中心频率为待测信号的中心频率，数字滤波器的通带带宽不大于待测信号的带宽，利用所述数字滤波器对来自阵列天线的每路数字信号进行数字滤波处理。
上述进一步技术方案的有益效果为：通过上述方案对数字滤波器的进行设置，使得其对数字信号的数字滤波效果到达最优。
进一步地，上述角度增量不大于所需的测向精度。
进一步地，所述测向信号的中心频率和带宽由快速傅里叶变换处理阵列天线的数字信号得到。
进一步地，构建当前角度至阵列天线各单元的虚构数字信号，具体包括，构建一个数字信号Axsx(n)，计算当前角度θx下，阵列天线的方向向量a(θx)，将所述数字信号与方向向量相乘，得到阵列天线各单元的虚构数字信号Axsx(n)a(θx)，以此构建得到当前角度至阵列天线各单元的虚构数字信号。
上述进一步技术方案的有益效果为：通过上述方案构建了当前角度至各阵列的虚构数字信号。
进一步地，所述虚拟数字信号的频率为所述测向信号带宽内任一值。
进一步地，所述步骤S3具体包括，利用最小均方算法对叠加信号矩阵进行空域自适应调零计算，所述最小均方算法输出收敛后，计算得到调零处理后阵列天线的归一化方向图表达式，通过所述表达式绘制归一化方向图，通过所述归一化方向图获取归一化方向图中凹点的角度。
上述进一步技术方案的有益效果为：通过上述方案得到归一化方向图，并获取归一化方向图中凹点的角度。
进一步地，所述步骤S5具体包括，设定一个凹点门限，统计归一化方向图中低于门限的凹点数，当低于门限的凹点数不小于预定个数时，记录归一化方向图中所有低于门限的凹点对应角度值，将所述凹点对应角度值与当前角度值、凹点的幅度值作为一组数据；
在所有记录的各组数据中，确定是否有凹点对应角度值基本相同的组，所述基本相同具体为其差值小于所需的测向精度；
若是，则在这些凹点对应角度值相同的组里，计算每一组中凹点幅度值的差值，取绝对值最小的组；
在绝对值最小组的数据中，与当前角度最接近的凹点对应角度值即为多径信号的来波方向，另一个凹点对应角度值为直射信号的来波方向；
若否，统计各组数据中相同次数最多的凹点对应角度值，即为信号来波方向。
上述进一步技术方案的有益效果为：上述方案通过对归一化方向图中各组凹点的角度进行分析，根据是否有凹点对应角度值基本相同的组，确定信号的来波方向。
进一步地，若阵列天线为均匀线阵，则所述方向矢量其中，d为均匀线阵的阵元间距，λ为虚构的数字信号的波长，M为阵列天线的阵元数；若阵列天线为均匀圆阵，则所述方向矢量其中，式中，R为均匀圆阵的半径，λ为虚构的数字信号的波长，M为阵列天线的阵元数。
上述进一步技术方案的有益效果为：通过上述方案可以计算出不同类型阵列天线的阵列各单元的虚构数字信号，即可对不同类型阵列天线的相干信号进行侧向。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例所述方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明的一个具体实施例，公开了一种相干信号的测向方法。如图1所示，包括以下步骤：
步骤S01、对来自阵列天线各天线单元所接收到的同一路数字信号进行快速傅里叶变换(FFT)处理，获取待测信号的中心频率、带宽、幅度等参数；
阵列天线包括多个天线单元，每个天线单元接收相同的数字信号，所述数字信号包括多路；
步骤S02、设置数字滤波器的中心频率为待测信号的中心频率，数字滤波器的通带带宽不大于待测信号的带宽，对来自阵列天线的每路数字信号进行相同设置参数的数字滤波处理，获得数字滤波后的阵列信号Xs(n)；
步骤S03、确定来波角度的初始角度、角度增量和终止角度，以初始角度为当前角度；
具体的，根据阵列天线可测向的角度范围，确定虚拟信号来波方向的起始角度、终止角度和角度增量，对于线阵一般取起始角度为-60°，终止角度为60°(阵列法线方向为0°)，对于圆阵一般取起始角度为0°，终止角度为360°。角度增量应不大于要求的测向精度，设置起始角度为当前角度。
步骤S04、构建当前角度至各阵列的虚构数字信号，并分别与经数字滤波后的对应阵列信号进行叠加，得到叠加信号；
具体的，构建一个数字信号Axsx(n)，取该信号的频率为所测向信号带宽内任一值，若阵列天线是线阵，虚构的数字信号的幅度Ax是待测信号幅度的0.3倍～0.8倍；若阵列天线是圆阵，构建的数字信号的幅度Ax是待测信号幅度的1倍～2.5倍；计算在当前角度θx下，阵列天线的方向向量a(θx),将数字信号与方向向量相乘，得到阵列天线各天线单元的虚构数字信号Axsx(n)a(θx)；
对于均匀线阵，方向矢量
式中，d为均匀线阵的阵元间距，λ为虚构的数字信号的波长，M为阵列天线的阵元数。
对于均匀圆阵，方向矢量
式中，R为均匀圆阵的半径，λ为虚构的数字信号的波长，M为阵列天线的阵元数。
将数字滤波后的阵列信号与各自的虚构数字信号相加，得到叠加信号矩阵:
X(n)＝Xs(n)+Axsx(n)a(θx)+N(n)
式中，N(n)为噪声矩阵。
步骤S05、对叠加信号进行空域自适应调零计算，获取调零计算后的阵列天线的归一化方向图中凹点的角度；
具体包括：对叠加信号矩阵进行空域自适应调零计算。空域滤波算法可取最小均方(LMS，Least mean square)算法，LMS算法是一种线性自适应滤波算法，其滤波过程和自适应过程组成一个反馈环，基本形式如下：
上式中：
y(n)为空域滤波输出，X(n)为叠加信号矩阵，W(n)权矢量矩阵，初始值可取为[0,…,0]T，e(n)误差信号，d(n)为参考信号，可取叠加信号矩阵的第一路为参考信号。u为步长因子。
当LMS算法输出收敛后，计算得调零处理后阵列天线的归一化方向图表达式：
F(φ)＝|WTa(φ)|
式中，φ为归一化方向图的方位角。由该表达式可以绘制出调零处理后阵列天线的归一化方向图。
再设定一个凹点门限，统计归一化方向图中低于门限的凹点数，当低于门限的凹点数不小于2个时，记录归一化方向图中所有低于门限的凹点对应角度值、当前角度值以及凹点的幅度值，作为一组数据；
其中，上述凹点门限的值一般取-10dB～-15dB。
步骤S06、以角度增量为步进，逐步增加当前角度，重复步骤S04和步骤S05直到当前角度等于终止角度；
步骤S07、对归一化方向图中各组凹点的角度进行分析，即可获得相干信号的来波方向；
具体包括：在所有记录的各组数据中，找出凹点对应角度值基本相同的组；在这些组里，计算每一组中凹点幅度值的差值，取绝对值最小的组；在绝对值最小组的数据中，与当前角度接近的凹点对应角度值即为多径信号的来波方向，另一个凹点对应角度值为直射信号的来波方向；当凹点对应角度值相同的组不存在时，说明该侧向信号不存在多径信号，则统计各组数据中相同次数最多的凹点对应角度值，即为信号来波方向；
其中，凹点对应角度值基本相同是指其角度值的差值小于所需的测向精度。
本发明公开一种相干信号的测向方法，将阵列信号处理技术及测向技术相结合，利用空域自适应调零对来波信号的抵消特性，通过对虚构信号的来波角度进行扫描，获取虚构信号与真实信号进行叠加后的阵列方向图，通过分析其阵列天线合成方向图中调零凹点的特征，可实现对包括多径信号在内的相干信号高精度测向，该方向简单实用，可提升侦测设备在多径等电磁环境下的侧向能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相干信号的测向方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、确定来波角度的初始角度、角度增量和终止角度，以初始角度为当前角度；
步骤S2、构建当前角度至阵列天线各单元的虚构数字信号，并分别与经数字滤波后的对应阵列信号进行叠加，得到叠加信号；
步骤S3、对叠加信号进行空域自适应调零计算，获取调零计算后的阵列天线的归一化方向图中凹点的角度；
步骤S4、以角度增量为步进，逐步增加来波角度，以增加后的角度为当前角度，重复步骤步骤S2和步骤S3，直到当前角度等于终止角度；
步骤S5、对归一化方向图中各组凹点的角度进行分析，获得相干信号的来波方向。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，利用数字滤波器对来自阵列天线的每路数字信号进行数字滤波处理，获得数字滤波后的阵列信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用数字滤波器对来自阵列天线的每路数字信号进行数字滤波处理，具体包括，设置数字滤波器的中心频率为待测信号的中心频率，数字滤波器的通带带宽不大于待测信号的带宽，利用所述数字滤波器对来自阵列天线的每路数字信号进行数字滤波处理。
4.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述角度增量不大于所需的测向精度。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述测向信号的中心频率和带宽由快速傅里叶变换处理阵列天线的数字信号得到。
6.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，构建当前角度至阵列天线各单元的虚构数字信号，具体包括，构建一个数字信号Axsx(n)，计算当前角度θx下，阵列天线的方向向量a(θx)，将所述数字信号与方向向量相乘，得到阵列天线各单元的虚构数字信号Axsx(n)a(θx)，以此构建得到当前角度至阵列天线各单元的虚构数字信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述虚拟数字信号的频率为所述测向信号带宽内任一值。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括，利用最小均方算法对叠加信号矩阵进行空域自适应调零计算，所述最小均方算法输出收敛后，计算得到调零处理后阵列天线的归一化方向图表达式，通过所述表达式绘制归一化方向图，通过所述归一化方向图获取归一化方向图中凹点的角度。
9.根据权利要求1或7或8所述的方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括，设定一个凹点门限，统计归一化方向图中低于门限的凹点数，当低于门限的凹点数不小于预定个数时，记录归一化方向图中所有低于门限的凹点对应角度值，将所述凹点对应角度值与当前角度值、凹点的幅度值作为一组数据；
在所有记录的各组数据中，确定是否有凹点对应角度值基本相同的组，所述基本相同具体为其差值小于所需的测向精度；
若是，则在这些凹点对应角度值相同的组里，计算每一组中凹点幅度值的差值，取绝对值最小的组；
在绝对值最小组的数据中，与当前角度最接近的凹点对应角度值即为多径信号的来波方向，另一个凹点对应角度值为直射信号的来波方向；
若否，统计各组数据中相同次数最多的凹点对应角度值，即为信号来波方向。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，若阵列天线为均匀线阵，则所述方向矢量其中，d为均匀线阵的阵元间距，λ为虚构的数字信号的波长，M为阵列天线的阵元数；若阵列天线为均匀圆阵，则所述方向矢量其中，式中，R为均匀圆阵的半径，λ为虚构的数字信号的波长，M为阵列天线的阵元数。
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