CN110058193B - 一种基于单接收通道的数字多波束测角方法及*** - Google Patents
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Abstract
一种基于单接收通道的数字多波束测角方法及***,测向天线共用接收通道和A/D采集存储单元,通过射频开关以相同的时间间隔,依次对各个天线接收信号进行采样,对多次轮采构成的阵列接收数据在数字域形成多个接收波束,再采用和差波束测角完成对非合作目标辐射源的被动高精度测角。与多接收通道测向***相比,在成本和***复杂性方面显著优势,避免通道间幅相不一致导致测向性能下降。与经典超分辨空间谱测向技术相比,***接收灵敏度更高,特别适合于侦测各种天波、散射及旁瓣等微弱功率信号,满足超视距侦测需求。数字多波束的形成和测角过程仅使用乘加运算,不涉及大规模数据矩阵的特征分解和谱峰搜索运算,实时性和准确性均得以保证。
Description
技术领域
本发明属于阵列信号处理领域,主要涉及一种基于单接收通道,在数字域同时形成多个接收波束,完成对非合作目标辐射源的被动高精度测角。
背景技术
经过数十年的密集研究,基于阵列处理的测向算法得到了长足发展。无论是基于模拟或者数字多波束幅度比较或者相位比较的测向方法,还是基于子空间分解的超分辨率空间谱估计方法,均需要多天线同时并行采样,因而阵列天线数目与下变频接收通道和A/D采集存储设备与数目一一对应。为了获得优良的角度估计性能,增强测向***的鲁棒性和健壮性,通常要求阵列天线数目为数十甚至数百,阵列天线数目的增加会导致射频前端和采集存储等硬件设备过于庞杂,使得测向***功耗、体积、重量和成本增加。同时,应用多个下变频接收通道还存在通道间幅相不一致问题,虽然可以采用校正算法来补偿,但是由于高精度阵列测向算法对模型误差极其敏感,算法的性能在通道间幅相不一致性得不到彻底校正的条件下,测向性能下降极为严重,而且也增加了测向处理的流程和运算负担,空间谱估计测向要求大规模矩阵的乘加和特征分解运算,运算负担极为繁重,测向的实时性和准确性不能得到保证。再之,高精度阵列测向受阵列方向图不出栅瓣理论约束,单个测向天线尺寸受限导致增益有限,无法满足对天波、散射及旁瓣等微弱功率信号测向需求。
发明内容
本发明的目的在于:克服现有技术的不足,提供一种基于单接收通道的数字多波束测角方法及***,解决多接收通道测向方法成本高、硬件庞杂及多通道间幅相不一致导致测向性能下降问题;解决单通道超分辨空间谱测向***接收灵敏度低、测向运算复杂度高导致测向实时性不足等问题。
本发明的技术解决方案是:
一种基于单接收通道的数字多波束测角方法,步骤如下:
假设N个各向同性的测向天线,均匀分布在一条直线上,相邻测向天线间距为d,d≤λ/2。一个远场窄带平面波信号s(t),以方位角θ入射至该均匀线阵,其中,λ表示s(t)信号的中心频率对应的波长。
(1)初始化处理:从左到右,对接收阵列上的N个测向天线依次编号1,2,…,N。N个测向天线仅有一个(共用)下变频接收通道,射频开关选通1号天线单元,使其与单通道下变频接收机连接;
(2)一次轮巡获取时域采样序列:1号天线单元对应的采样起始时刻为t,射频开关切换间隔为T,依次对2号至N号天线单元接收的信号进行采样,得到N个数据样点,即
xn=x(tn)=s(t+(n-1)T-τn(θ)),n=1,2,…,N
其中,τn(θ)表示第n个天线相对于1号天线的时间延迟。
假设入射信号为远场窄带信号,中心频率为f0,则可以将时间延迟转换为相位延迟,即s(t-τ)=s(t)exp(-j2πf0τ)=s(t)exp(-jω0τ),ω0=2πf0,接收机接收的以t为采样起始时刻,一次轮采N个数据样点表示成向量形式x(t)为:
(3)M次轮巡获取时域采样序列:轮采M次,将接收机采样点写成矩阵形式
令Ts=NT,X=asingleC(θ)×[s(0) s(Ts) … s((M-1)Ts)],
X=Φ×asingleC(θ)×s'+V
(4)接收数字多波束形成粗测角:对步骤(3)中M次轮巡采集得到的阵列接收数据X,采用数字配相法,形成K个接收波束,覆盖非合作目标辐射源可能的来向空域,波束间隔为3dB波束宽度,利用最大振幅法对目标来向进行粗测,输出幅值最大的波束指向和波束宽度确定了初步目标角度范围Ω。
第k个波束指向为θk,则第k个波束的导向矢量
W=[w1 w2 … wK]
令
y=WHX
其中,(·)H表示矩阵共轭转置操作。经过波束形成后的输出信噪比相对于输入信噪比提高了N倍,对微弱功率信号的检测和参数测量能力得到了极大增强。直接对上式得到的波束输出信号y在时域上测量其幅值,输出幅值最大的波束指向和波束宽度确定了初步目标角度范围Ω;
(5)数字和差波束精测角:依据步骤(4)得到的目标角度范围Ω(°),用数字配相法,形成P个波束间隔尽可能精细的接收波束,波束间隔采用数字和差波束测角的方式,获得目标的高精度角度估计值。通过采用步骤(4)方法判定具有最大幅值输出的波束编号,假定为第p个(p=1,2,…,P)波束输出辐射最大,记第p个波束输出幅值为Ap(θ),与其相邻两波束p-1、p+1输出幅值记作Ap-1(θ)、Ap+1(θ),令ΔL=log(Ap(θ)-Ap-1(θ))、ΔR=log(Ap(θ)-Ap+1(θ)),则非合作目标辐射源的精确角度估计值为
本发明与现有技术相比的有益效果在于:
现存的高分辨率阵列测向***,采用多路下变频接收通道和A/D采集存储设备,使得测向***硬件设备庞杂,功耗、体积、重量和成本增加,测向运算复杂度高导致实时性差,且测向精度受通道间幅相误差影响极大,对微弱功率信号测向能力不足。针对此,本发明提出了一种基于单接收通道的数字多波束测角方法,该方法采用多个测向天线共用一个接收通道,与多接收通道测向***相比,该单通道方法在成本和***复杂性方面具有显著的优势,并且避免了通道间幅相不一致导致测向性能下降的问题。与经典超分辨空间谱测向技术相比,***接收灵敏度更高,特别适合于侦测各种天波、散射及旁瓣等微弱功率信号,满足超视距侦测需求。而且,数字多波束的形成和测角过程仅使用乘加运算,不涉及大规模数据矩阵的特征分解和谱峰搜索运算,因此,测向的实时性和准确性均得以保证。
附图说明
图1为基于单接收通道的数字多波束测角方法原理框图;
图2为本发明基于单接收通道的数字多波束测角方法流程图;
图3为不同指向波束输出信号幅值图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明主要针对背景技术中提到的测向***射频前端和采集存储等硬件设备庞杂、通道间幅相误差影响测向精度及测向运算复杂度高致使测向实时性差等不足,提出了一种基于单接收通道的数字多波束测角方法。如图1所示,该方法采用多个测向天线共用一个下变频接收通道和一路A/D采集存储单元,单个接收通道通过射频开关以相同的时间间隔,依次对各个测向天线接收的信号进行采样,把一次轮流采样视为随机过程的一次实现,对多次轮采构成的阵列接收数据在数字域形成多个接收波束,再采用和差波束测角完成对非合作目标辐射源的被动高精度测角。
如图2所示,本发明提出的基于单接收通道的数字多波束测角方法,包括:
(1)布设接收阵列;
令N个各向同性的测向天线,均匀分布在一条直线上,相邻测向天线间距为d,d≤λ/2;令窄带平面波信号s(t),以方位角θ入射至该均匀线阵,其中,λ表示s(t)信号的中心频率f0对应的波长。
(2)对所述接收阵列进行初始化处理;
对接收阵列上的N个测向天线依次编号1,2,…,N,N个测向天线共用一个下变频接收通道,射频开关选通1号天线单元,使其与单通道下变频接收机连接。
(3)获取一次轮巡获取时域采样序列;
1号天线单元对应的采样起始时刻为t,射频开关切换间隔为T,依次对2号至N号天线单元接收的信号进行采样,得到N个数据样点,即
xn=x(tn)=s(t+(n-1)T-τn(θ)),n=1,2,…,N
其中,τn(θ)表示第n个天线相对于1号天线的时间延迟;
将时间延迟转换为相位延迟,即s(t-τ)=s(t)exp(-j2πf0τ)=s(t)exp(-jω0τ),ω0=2πf0,f0为远场窄带入射信号的中心频率,则接收机接收的以t为采样起始时刻,一次轮采N个数据样点表示成向量形式x(t)为:
(4)轮采M次,获取M次轮巡获取时域采样序列;
轮采M次,将接收机采样点写成矩阵形式
令Ts=NT,X=asingleC(θ)×[s(0) s(Ts) … s((M-1)Ts)],
X=Φ×asingleC(θ)×s'+V。
(5)对M次采集得到的阵列接收数据,采用数字配相法,形成K个接收波束,利用最大振幅法对目标来向进行粗测;输出幅值最大的波束指向和波束宽度确定了初步目标角度范围Ω;
W=[w1 w2 … wK]
令
y=WHX
其中,(·)H表示矩阵共轭转置操作。经过波束形成后的输出信噪比相对于输入信噪比提高了N倍,对微弱功率信号的检测和参数测量能力得到了极大增强。直接对上式得到的波束输出信号在时域上测量其幅值,输出幅值最大的波束指向和波束宽度确定了初步目标角度范围Ω;输出幅值最大的波束方向即为非合作目标辐射源所在的粗略方向。
(6)根据步骤(5)得到的目标角度范围Ω,采用数字配相法,形成P个接收波束,采用数字多波束比幅测角法,获得非合作目标辐射源的角度估计值,完成基于单接收通道的数字多波束测角。
依据步骤(5)得到的目标角度范围Ω(°),用数字配相法,形成P个波束间隔尽可能精细的接收波束,波束间隔采用数字和差波束测角的方式,获得目标的高精度角度估计值。通过采用步骤(4)方法判定具有最大幅值输出的波束编号,假定为第p个(p=1,2,…,P)波束输出辐射最大,记第p个波束输出幅值为Ap(θ),与其相邻两波束p-1、p+1输出幅值记作Ap-1(θ)、Ap+1(θ),令ΔL=log(Ap(θ)-Ap-1(θ))、ΔR=log(Ap(θ)-Ap+1(θ)),则非合作目标辐射源的精确角度估计值为
进一步的,基于上述数字多波束测角方法,本发明还提出一种数字多波束测角***,包括:
初始化模块:布设接收阵列,并对所述接收阵列进行初始化处理;
轮巡采样模块:进行一次轮询采样,获取一次轮巡获取时域采样序列;
M次轮采模块:重复运行一次轮巡模块进行采样,获取M次轮巡获取时域采样序列;
粗测模块:对M次采集得到的阵列接收数据,采用数字配相法,形成K个接收波束,利用最大振幅法对目标来向进行粗测;
精测模块:根据粗测模块得到的目标角度范围,采用数字配相法,形成P个接收波束,采用数字多波束比幅测角法,获得非合作目标辐射源的角度估计值,完成基于单接收通道的数字多波束测角。
本发明方法及***采用多个测向天线共用一个接收通道,与多接收通道测向***相比,单通道在成本和***复杂性方面具有显著的优势,并且避免了通道间幅相不一致导致测向性能下降的问题。
与经典超分辨空间谱测向技术相比,***接收灵敏度更高,特别适合于侦测各种天波、散射及旁瓣等微弱功率信号,满足超视距侦测需求。而且,数字多波束的形成和测角过程仅使用乘加运算,不涉及大规模数据矩阵的特征分解和谱峰搜索运算,因此,测向的实时性和准确性均得以保证,性能优于现有多通道测向***。
实施例:
给出了一种基于单接收通道的数字多波束测角方法具体实施案例,具体按如下步骤实施:
假设N=16个各向同性的测向天线,均匀分布在一条直线上,相邻测向天线间距为d=λ/2=(3e8/3.5e9)/2=0.0429m。一个远场窄带平面波信号以方位角θ=30°入射至该均匀线阵,其中,λ表示s(t)信号的中心频率f0=3.5GHz对应的波长。
(1)假定阵列接收信号叠加高斯白噪声序列,信噪比SNR=15dB,射频电子开关切换速率为15MHz,则一次轮巡获取时域采样序列X如下所示:
表1一次轮巡时域采样序列
4.89086138981063+0.190670383095548i |
6.19787013339961+3.16122035466238i |
3.47688508865584+3.82129379978415i |
0.556737540128745+4.90197738618394i |
-3.43104325604456+4.55394552887450i |
-4.64378052957000+2.88924695949481i |
-6.01818692661926+0.798137199397486i |
-5.09023258584296-3.01674145839321i |
-3.21476450336003-3.97796766451407i |
-0.725303195306057-5.28723714360094i |
2.16912645909965-4.03979281524051i |
4.72159890385468-2.72194149330039i |
4.42213493767077-0.464438997342216i |
5.29965721955901+1.76419929679682i |
2.72841065680161+4.97996605552804i |
0.494381013086957+6.20221647533422i |
(2)轮采M=5次的时域采样序列X如下矩阵所示:
表2五次轮巡时域采样序列
(3)对步骤(2)中M=5次轮巡采集得到的阵列接收数据X,采用数字配相法,形成接收波束,16×1的均匀线阵形成的波束宽度约为6°,形成K=11个波束覆盖0~60°空域,分别指向0°、6°、12°、18°、24°、30°、36°、42°、48°、54°和60°。对波束输出信号在时域上测量其幅值,输出幅值最大的波束方向如图3所示,可以看出,波束指向30°具有最大幅值输出,因此,可以判定非合作目标辐射源位于27°~33°之间。
(4)依据步骤3得到的目标角度范围,采用用数字配相法,形成P=61个波束间隔为0.1°的接收波束,分布在27°~33°之间,采用数字和差波束测角的方式,测得目标角度值为30.0287°。
本实施案例仅仅是本发明的一种具体实现方式,可根据目标角度估计精度和响应时间要求,增大或者减小阵列规模,增加或者减少轮巡采样的次数,精细或者稀疏数字波束形成间隔。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (3)
1.一种基于单接收通道的数字多波束测角方法,其特征在于步骤如下:
(1)布设接收阵列;
(2)对所述接收阵列进行初始化处理;
(3)获取一次轮巡时域采样序列;
(4)轮采M次,获取M次轮巡时域采样序列;
(5)对M次采集得到的阵列接收数据,采用数字配相法,形成K个接收波束,利用最大振幅法对目标来向进行粗测,输出幅值最大的波束指向和波束宽度确定了初步目标角度范围Ω;
(6)根据步骤(5)得到的初步目标角度范围Ω,采用数字配相法,形成P个接收波束,采用数字多波束比幅测角法,获得目标角度的精估计值,完成基于单接收通道的数字多波束测角;
布设接收阵列,具体为:令N个各向同性的测向天线,均匀分布在一条直线上,相邻测向天线间距为d,d≤λ/2;令窄带平面波信号s(t),以方位角θ入射至均匀线阵,其中,λ表示s(t)信号的中心频率f0对应的波长;
对所述接收阵列进行初始化处理,具体为:对接收阵列上的N个测向天线依次编号1,2,…,N,N个测向天线共用一个下变频接收通道,射频开关选通1号天线单元,使其与单通道下变频接收机连接;
所述一次轮巡获取时域采样序列,具体为:
1号天线单元对应的采样起始时刻为t,射频开关切换间隔为T,依次对2号至N号天线单元接收的信号进行采样,得到N个数据样点,即
xn=x(t)=s(t+(n-1)T-τn(θ)),n=1,2,…,N
其中,τn(θ)表示第n个天线相对于1号天线的时间延迟;
将时间延迟转换为相位延迟,即s(t-τ)=s(t)exp(-j2πf0τ)=s(t)exp(-jω0τ),ω0=2πf0,f0为远场窄带入射信号的中心频率,则接收机接收的以t为采样起始时刻,一次轮采获取的N个数据样点表示成向量形式x(t)为:
获取M次轮巡获取时域采样序列,具体为:
轮采M次,将接收机采样点写成矩阵形式
令Ts=NT,X=asingleC(θ)×[s(0) s(Ts) … s((M-1)Ts)],
X=Φ×asingleC(θ)×s'+V;
对M次采集得到的阵列接收数据,采用数字配相法,形成K个接收波束,利用最大振幅法对目标来向进行粗测,具体为:
要同时形成K个波束,则加权矩阵表示为
W=[w1 w2 … wK]
令
y=WHX
其中,(·)H表示矩阵共轭转置操作;
对上式得到的波束输出信号y在时域上测量其幅值,输出幅值最大的波束指向和波束宽度确定了初步目标角度范围Ω;
根据初步目标角度范围Ω,采用数字配相法,形成P个接收波束,采用数字多波束比幅测角法,获得目标角度的精确估计值,具体为:
判定具有最大幅值输出的波束编号,第p个波束输出辐射最大,p=1,2,…,P,记第p个波束输出幅值为Ap(θ),与其相邻两波束p-1、p+1输出幅值记作Ap-1(θ)、Ap+1(θ),令ΔL=log(Ap(θ))-log(Ap-1(θ))、
2.一种基于权利要求1所述数字多波束测角方法实现的数字多波束测角***,其特征在于包括:
初始化模块:布设接收阵列,并对所述接收阵列进行初始化处理;
轮巡采样模块:进行一次轮巡采样,获取一次轮巡时域采样序列;
M次轮采模块:重复进行M次轮巡采样,获取M次轮巡时域采样序列;
粗测模块:对M次轮巡采集得到的阵列接收数据,采用数字配相法,形成K个接收波束,利用最大振幅法对目标来向进行粗测;
精测模块:根据粗测模块得到的初步目标角度范围Ω,采用数字配相法,形成P个接收波束,采用数字多波束比幅测角法,获得目标角度的精估计值,完成基于单接收通道的数字多波束测角。
3.根据权利要求2所述的数字多波束测角***,其特征在于:布设接收阵列,对所述接收阵列进行初始化处理,具体为:令N个各向同性的测向天线,均匀分布在一条直线上,相邻测向天线间距为d,d≤λ/2;令窄带平面波信号s(t),以方位角θ入射至该均匀线阵,其中,λ表示s(t)信号的中心频率f0对应的波长;对接收阵列上的N个测向天线依次编号1,2,…,N,N个测向天线共用一个下变频接收通道,射频开关选通1号天线单元,使其与单通道下变频接收机连接。
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