CN111537947A - 单射频通道空间谱估计测向***与方法 - Google Patents

单射频通道空间谱估计测向***与方法 Download PDF

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贺冲
陈靖峰
金荣洪
朱卫仁
梁仙灵
耿军平
曹岸杰
白旭东
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Abstract

本发明提供了一种单射频通道空间谱估计测向***与方法，本发明针对无线通信、雷达、导航以及无线电频谱管理中的无线电测向问题，利用多个天线单元以及单射频通道，实现超分辨率的空间谱估计测向，对各天线单元上接收的无线电信号进行周期性调制，并利用功率合路器合并为一路射频信号，经过下变频、模数转换后，在数字域内对其进行频谱分析，并利用周期调制产生的基波分量与谐波分量构建信号的自相关矩阵，随后利用多信号分类或旋转不变子空间算法等对来波方向进行估计。本发明能显著降低现有空间谱估计测向***的复杂度和成本，尤其适用于低成本、高精度的无线电测向***中。

Description

单射频通道空间谱估计测向***与方法
技术领域
本发明涉及无线电工程技术领域，具体地，涉及一种使用单射频通道进行空间谱估计测向的***和方法。
背景技术
传统的空间谱估计测向***具有多个射频通道，需要对每个射频通道接收的信号进行低噪声放大、下变频、低通滤波、驱动放大以及模数转换。在数字域内，利用各单元通道上接收的信号来计算信号的自相关矩阵，再对自相关矩阵进行特征分解来估计信号的入射方向。为得到较好的测向精度，其阵列规模通常较大。相应的，传统的空间谱估计测向***的复杂度及成本均较高。另外，由于各射频通道的幅度和相位不一致，为保证测向性能，通常需要设计复杂的校准算法对其进行校准。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种单射频通道的空间谱估计测向***和方法。
根据本发明提供的一种单射频通道空间谱估计测向***，包括：
多路天线单元：接收远场的无线电信号；
调制开关：对接收的无线电信号进行周期性地调制；
功率合路器：将经周期调制的各天线单元上接收的无线电信号合并为一路；
接收射频通道，包括：低噪声放大器、混频器、射频本振、低通滤波器、驱动放大器以及模数转换器；
所述接收射频通道：将接收的无线电信号进行低噪声放大并变换至中频，经过低通滤波器滤除混频产生的高频信号后，经驱动放大器放大，再由模数转换器将其采样至数字域；
信号处理与控制单元：对调制开关进行周期性调制；对接收的数字无线电信号进行频谱分析、求解阵列流型矢量、计算自相关矩阵以及进行信号特征分解，进而实现对无线电信号的测向。
优选地,所述信号处理与控制单元由FPGA、DSP或MCU组成。
优选地,所述接收射频通道通过低噪声放大器、混频器以及射频本振将接收的无线电信号进行低噪声放大并变换至中频。
根据本发明提供的一种单射频通道空间谱估计测向方法，包括：
步骤S1：对各天线单元通道上的单刀单掷射频开关进行周期性调制，并依据调制时序计算由各单元通道上的谐波系数组成的谐波特征矩阵；
步骤S2：将谐波特征矩阵的逆矩阵乘以谐波特征向量得到阵列流型矢量；
步骤S3：由阵列流型矢量计算阵列接收信号的自相关矩阵；
步骤S4：对得到的自相关矩阵进行特征分解，由空间谱估计算法计算无线电信号的入射方向。
优选地,所述步骤S1：对各天线单元上接收的射频信号进行周期性调制，并利用合路器将多路射频信号合并为一路射频信号。
优选地,所述步骤S3：对合并后的射频信号中的基波分量与谐波分量进行频谱分析，通过调制时序、基波以及谐波的频谱来构建信号的接收信号的自相关矩阵。
优选地,所述步骤S4：对构成的接收信号的自相关矩阵进行特征分解，再利用空间谱估计算法估计来波方向。
优选地,所述步骤S2：对接收的无线电信号进行频谱分析，并由谐波特征矢量以及接收信号的频谱特征计算阵列流型矢量。
优选地,所述步骤S3：将阵列流型矢量乘以其共轭转置向量得到接收信号的自相关矩阵。
优选地,所述空间谱估计算法包括以下任一种：MUSIC算法、ESPRIT算法。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明能显著降低现有空间谱估计测向***的复杂度和成本，尤其适用于低成本、高精度的无线电测向***中。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为单射频通道空间谱估计测向的***结构框示意图。
图2为单射频通道空间谱估计测向的***算法流程框示意图。
图3为经过单刀单掷开关调制与合路器后，接收到的信号的归一化功率谱示意图。
图4为得到阵列信号的自相关矩阵后，利用经典MUSIC算法得到的空间谱示意图。
图5为信号入射方向为+15°时，100次测向的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种单射频通道空间谱估计测向***，包括：
多路天线单元1：接收远场的无线电信号；
调制开关2：对接收的无线电信号进行周期性地调制；
功率合路器3：将经周期调制的各天线单元上接收的无线电信号合并为一路；
接收射频通道，包括：低噪声放大器4、混频器5、射频本振6、低通滤波器7、驱动放大器8以及模数转换器9；
所述接收射频通道：将接收的无线电信号进行低噪声放大并变换至中频，经过低通滤波器7滤除混频产生的高频信号后，经驱动放大器8放大，再由模数转换器9将其采样至数字域；
信号处理与控制单元10：对调制开关2进行周期性调制；对接收的数字无线电信号进行频谱分析、求解阵列流型矢量、计算自相关矩阵以及进行信号特征分解，进而实现对无线电信号的测向。
具体地,所述信号处理与控制单元10由FPGA、DSP或MCU组成。
具体地,所述接收射频通道通过低噪声放大器4、混频器5以及射频本振6将接收的无线电信号进行低噪声放大并变换至中频。
根据本发明提供的一种单射频通道空间谱估计测向方法，包括：
步骤S1：对各天线单元通道上的单刀单掷射频开关进行周期性调制，并依据调制时序计算由各单元通道上的谐波系数组成的谐波特征矩阵；
步骤S2：将谐波特征矩阵的逆矩阵乘以谐波特征向量得到阵列流型矢量；
步骤S3：由阵列流型矢量计算阵列接收信号的自相关矩阵；
步骤S4：对得到的自相关矩阵进行特征分解，由空间谱估计算法计算无线电信号的入射方向。
具体地,所述步骤S1：对各天线单元上接收的射频信号进行周期性调制，并利用合路器将多路射频信号合并为一路射频信号。
具体地,所述步骤S3：对合并后的射频信号中的基波分量与谐波分量进行频谱分析，通过调制时序、基波以及谐波的频谱来构建信号的接收信号的自相关矩阵。
具体地,所述步骤S4：对构成的接收信号的自相关矩阵进行特征分解，再利用空间谱估计算法估计来波方向。
具体地,所述步骤S2：对接收的无线电信号进行频谱分析，并由谐波特征矢量以及接收信号的频谱特征计算阵列流型矢量。
具体地,所述步骤S3：将阵列流型矢量乘以其共轭转置向量得到接收信号的自相关矩阵。
具体地,所述空间谱估计算法包括以下任一种：MUSIC算法、ESPRIT算法。
下面通过优选例，对本发明进行更为具体地说明。
优选例1：
与现有的空间谱估计测向***相比，本发明的优点是结构简单，仅使用单个射频通道获取阵列信号的自相关矩阵并实现空间谱估计测向。
本发明的基本原理是：当窄带信号从远场入射到天线阵列上时，由连接天线阵列各单元的射频开关进行周期性调制，再经过合路器合并为一路射频信号。接收的窄带信号经周期性调制后，会产生基波分量和谐波分量。由接收信号中的谐波分量以及各单元上射频开关的调制时序，可计算阵列的流型矢量。再由阵列流型矢量获取阵列信号的自相关矩阵，随后利用经典的MUSIC或ESPRIT算法等空间谱估计算法，对窄带信号完成测向。
本发明的技术解决方案如下：
图1给出了一种单射频通道空间估计测向***的原理框图，特点在于其构成包括：
天线阵列：用于接收远场的无线电信号；
单刀单掷射频开关：用于对接收的无线电信号进行周期性地调制。
合路器：用于将经周期调制的各单元上接收的无线电信号合并为一路。
接收射频通道：包括低噪声放大器、混频器、射频本振、低通滤波器、驱动放大器和模数转换器。用于将接收的无线电信号进行低噪声放大并变换至中频，经过低通滤波器滤除混频产生的高频信号后，经驱动放大，再由模数转换器将其采样至数字域。
信号采集处理与控制模块：通常由FPGA/DSP/MCU等组成。其功能之一是对单刀单掷射频开关进行周期性调制；其功能之二是对接收的数字无线电信号进行频谱分析、求解阵列流型矢量、计算自相关矩阵、进行信号特征分解等，进而实现对无线电信号的测向。
本发明所涉及的理论基础如下。设载频为Fc的单频无线电信号从远场入射到N单元一维线性阵列上。N个单元通道上接收的无线电信号均有单刀单掷射频开关进行周期性调制，且第n个单元通道上的调制函数为：
Figure BDA0002488574710000051
其中，Tp为调制周期，gn(t)为门函数，可以表示为：
Figure BDA0002488574710000052
第n个单元通道上的周期调制函数Un(t)可用傅里叶级数展开为：
Figure BDA0002488574710000053
其中，αn,k为第n个单元通道上第k次谐波的傅里叶系数，其值可用下式计算：
Figure BDA0002488574710000054
其中，Fp＝1/Tp为调制频率。当k＝0时，αn,0称为基波分量；当k≠0时，αn,k称为谐波分量。经过合路器后，合成的信号中包括各单元通道上产生的基波分量与谐波分量之和，于是有下列关系式：
Figure BDA0002488574710000055
式(5)左边的矩阵称为谐波特征矩阵，由式(4)可知它与各单元通道上的调制时序有关；式(5)左边的向量为阵列流型矢量；式(5)右边的向量为接收信号的谐波向量，其中Γ0为合路后的信号中的基波分量，Γk,k＝1,2,...N-1为合路信号中的谐波分量，它们可通过对合路后的信号进行快速傅里叶变换得到。因此，由式(5)计算阵列流型矢量为：
Figure BDA0002488574710000061
在获得阵列流型矢量a(θ)后，可计算阵列信号的自相关矩阵：
Rxx＝a(θ)Ha(θ) (7)
对得到的自相关矩阵Rxx进行特征分解，可利用经典的空间谱估计算法，如MUSIC算法或ESPRIT算法等，估计无线电信号的入射方向。例如若采用精度的MUSIC算法，首先对自相关矩阵Rxx进行特征分解为：
[VD]＝eig(Rxx) (8)
其中，D为特征值构成的对角阵，V为对应的特征向量。V的前N-1列构成的矩阵Vnoise为噪声子空间，利用经典的MUSIC算法计算空间谱为：
Figure BDA0002488574710000062
搜索P(θ)的谱峰对应的θ值即为信号的入射方向。
图2给出了一种单射频通道空间谱估计测向的基本流程。
首先，数据采集处理与控制模块对各单元通道上的单刀单掷射频开关进行周期性调制，并依据调制时序计算由各单元通道上的谐波系数组成的谐波特征矩阵；
然后，数据采集处理与控制模块对接收的无线电信号进行频谱分析，并由谐波特征矢量以及接收信号的频谱特征计算阵列流型矢量；
其次，由阵列流型矢量计算阵列接收信号的自相关矩阵；具体计算方法可参见公式(4)到(7)。
最后，对得到的自相关矩阵进行特征分解，由MUSIC算法或ESPRIT算法等经典的空间谱估计算法计算无线电信号的入射方向。
优选例2：
单射频通道经典MUSIC算法测向
设有8单元一维线性阵列，阵元间距为半波长。载频为1GHz的单频信号从+15°方向入射到阵列上。利用数据采集处理与控制单元对8个单元通道上的射频开关进行周期性调制，调制周期为1ms。8个单元通道上的调制时序如下：在一个调制周期内，8个单元通道上的单刀单掷射频开关依次接通天线单元，且每个射频开关接通的时间均为125us。设置***的信噪比为10dB，经过合路器后，接收信号的归一化功率谱如图3所示。从图中可以看出，经过射频开关的周期性调制后，接收信号中会出现频率为1GHz的基波分量，以及频率为1GHz±k×1MHz的谐波分量。设置***的采样率为10GHz，信号采集时间为10us，利用FFT计算基波分量与前7次谐波分量的值，并利用调制时序计算谐波特征矩阵，将结果代入式(6)中计算8单元阵列的自相关矩阵。再利用经典MUSIC算法，对自相关矩阵进行特征分解，利用信号子空间与噪声子空间的正交性计算空间谱，得到的结果如图4所示。
为检验测向算法的精度，设置***信噪比为10dB，进行100次蒙特卡洛仿真，得到的100次测向结果如图5所示。经统计在10dB信噪比条件下，测向误差的均方根为0.014°。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的***、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种单射频通道空间谱估计测向***，其特征在于,包括：
多路天线单元(1)：接收远场的无线电信号；
调制开关(2)：对接收的无线电信号进行周期性地调制；
功率合路器(3)：将经周期调制的各天线单元上接收的无线电信号合并为一路；
接收射频通道，包括：低噪声放大器(4)、混频器(5)、射频本振(6)、低通滤波器(7)、驱动放大器(8)以及模数转换器(9)；
所述接收射频通道：将接收的无线电信号进行低噪声放大并变换至中频，经过低通滤波器(7)滤除混频产生的高频信号后，经驱动放大器(8)放大，再由模数转换器(9)将其采样至数字域；
信号处理与控制单元(10)：对调制开关(2)进行周期性调制；对接收的数字无线电信号进行频谱分析、求解阵列流型矢量、计算自相关矩阵以及进行信号特征分解，进而实现对无线电信号的测向。
2.根据权利要求1所述的单射频通道空间谱估计测向***，其特征在于,所述信号处理与控制单元(10)由FPGA、DSP或MCU组成。
3.根据权利要求1所述的单射频通道空间谱估计测向***，其特征在于,所述接收射频通道通过低噪声放大器(4)、混频器(5)以及射频本振(6)将接收的无线电信号进行低噪声放大并变换至中频。
4.一种单射频通道空间谱估计测向方法，其特征在于，包括：
步骤S1：对各天线单元通道上的单刀单掷射频开关进行周期性调制，并依据调制时序计算由各单元通道上的谐波系数组成的谐波特征矩阵；
步骤S2：将谐波特征矩阵的逆矩阵乘以谐波特征向量得到阵列流型矢量；
步骤S3：由阵列流型矢量计算阵列接收信号的自相关矩阵；
步骤S4：对得到的自相关矩阵进行特征分解，由空间谱估计算法计算无线电信号的入射方向。
5.根据权利要求4所述的单射频通道空间谱估计测向方法，其特征在于,所述步骤S1：对各天线单元上接收的射频信号进行周期性调制，并利用合路器将多路射频信号合并为一路射频信号。
6.根据权利要求5所述的单射频通道空间谱估计测向方法，其特征在于,所述步骤S3：对合并后的射频信号中的基波分量与谐波分量进行频谱分析，通过调制时序、基波以及谐波的频谱来构建信号的接收信号的自相关矩阵。
7.根据权利要求4所述的单射频通道空间谱估计测向方法，其特征在于,所述步骤S4：对构成的接收信号的自相关矩阵进行特征分解，再利用空间谱估计算法估计来波方向。
8.根据权利要求4所述的单射频通道空间谱估计测向方法，其特征在于,所述步骤S2：对接收的无线电信号进行频谱分析，并由谐波特征矢量以及接收信号的频谱特征计算阵列流型矢量。
9.根据权利要求8所述的单射频通道空间谱估计测向方法，其特征在于,所述步骤S3：将阵列流型矢量乘以其共轭转置向量得到接收信号的自相关矩阵。
10.根据权利要求7所述的单射频通道空间谱估计测向方法，其特征在于,所述空间谱估计算法包括以下任一种：MUSIC算法、ESPRIT算法。
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