CN113824484B - 一种paf相控阵接收机数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PAF相控阵接收机数据处理方法，涉及数据处理相关技术领域，具体步骤为：构建模型：根据多波束模型构建波束合成模型；计算波束合成SNR和增益：根据任一接收通道中的中感兴趣的信号与干扰和噪声信号之间的关系获取SNR波束合成输出信号；根据SNR波束合成输出与输入关系计算出阵列的总增益；优化波束合成算法：根据波束合成SNR和增益，确定最小均方误差s；本发明通过对最小均方误差的确定，无失真的响应波束合成，提高射电接收处理***的整体效率。

Description

一种PAF相控阵接收机数据处理方法

技术领域

本发明涉及数据处理相关技术领域，更具体的说是涉及一种PAF相控阵接收机数据处理方法。

背景技术

射电望远镜的视场是体现望远镜巡天能力的重要指标，其表征在任何给定时刻可观测天区的范围。对于一架单口径射电望远镜来说，视场和分辨率均可用半波束功率宽度表述：HPBW＝1.02λ/D，其中，λ为观测波长，D为望远镜的直径。大口径射电望远镜通过增加直径D来获得更高的分辨率和灵敏度，但与此同时望远镜的视场随着口径的增加而减小，从而导致单位时间内观测天区的面积减小，如进行脉冲星或暂现源搜寻、分子谱线巡天等观测，同样大小的观测区域，视场小的望远镜将花费更多的观测时间。口径和视场似乎成为大口径望远镜不可回避的矛盾。然而，多波束接收机的出现打破了这一局面。

相控阵馈源(Phased Array Feed，PAF)是近些年在射电天文得到大力发展的多波束接收机技术。PAF使用小型天线作为馈源并将其放置于射电望远镜的焦平面上，通过电子扫描来形成多个同步波束，可以增大望远镜的视场，提高巡天效率，同时，这些密集交叠的波束还可以形成连续的天空覆盖，通过实时波束合成可以实现多种灵活的观测模式。波束合成直接会影响到整个***的灵敏度、***噪声及观测效率，因此迫切的需要能够得到合成波束的优化方法，保证射电接收***的接收效率是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种PAF相控阵接收机数据处理方法，克服现有技术的缺陷。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种PAF相控阵接收机数据处理方法，具体步骤为：

构建模型：根据多波束模型构建波束合成模型；

计算波束合成SNR和增益：根据任一接收通道中的中感兴趣的信号与干扰和噪声信号之间的关系获取SNR波束合成输出信号；根据SNR波束合成输出与输入关系计算出阵列的总增益；

优化波束合成算法：根据波束合成SNR和增益，确定最小均方误差s。

可选的，接收阵列中阵元对平面波的响应为：

引入波达时差后，变换为：

其中，M为第m个相对参考阵元的阵元；s为最小均方误差；k为信号传播方向的单位向量；x为阵元的位置坐标；c为光速；t为时间；τ为波达时差；A为幅值响应；ω₀为信号频率；

为起始相位。

可选的，接收阵列对平面波的响应为：

可选的，合成波束的模型为：

或/>

其中，

为第i个阵元的加权共轭转置；i为相对阵元编号。

可选的，波束合成的信噪比输出为：

其中，

为阵元的信噪比。

可选的，各阵元的噪声输出不相关时，感兴趣的信号输出具体为：

M为阵元的个数；W为权重；S为感兴趣的信号。

可选的，各阵元的噪声输出不相关时，干扰和噪声信号输出具体为：

N为干扰和噪声信号，N～(0，R_nn)；R_nn为标准差。

可选的，确定最小均方误差s时，根据最大近似可能ML，估算最小方差s，最小方差

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种PAF相控阵接收机数据处理方法，通过对波束合成算法进行优化，通过对最小均方误差s的确定，无失真的响应波束合成，提高射电接收处理***的整体效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明实施例的***结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种PAF相控阵接收机数据处理方法，步骤如图1所示，具体为：

步骤1：构建模型：根据多波束模型构建波束合成模型，具体步骤为：

考虑理想的各向同性传感器阵列对单个复杂的单色平面波的响应为：

将波达时差代入式(1)中得到下式：

其中，M为第m个相对参考阵元的阵元；s为最小均方误差；k为信号传播方向的单位向量；x为阵元的位置坐标；c为光速；t为时间；τ为波达时差；A为幅值响应；ω₀为信号频率；

为起始相位。

根据式(2)可以得到观测向量为：

根据观测向量构建波束合成模型，波束合成模型为：

其中，

为第i个阵元的加权共轭转置；i为相对阵元编号。

步骤2：计算波束合成SNR和增益：根据接收信号中的感兴趣的信号与干扰和噪声信号之间的关系计算SNR波束合成输出；根据SNR波束合成输出与输入关系计算出此阵列的总增益；

步骤21：给定任一通道的带宽频谱，通过射电天文台站的电波环境测试***提供多个给定电波环境宽带频谱P(F[o],V[o])，其中，P为二维数组，F为频率，V为频率点对应的功率值，o为频点个数；

步骤22，判断测试参数是否改变，若测试参数发生改变，则进入步骤23，若测试参数未发生改变，则进入步骤212；

步骤23，选取频谱样本，在所述多个给定电波环境宽带频谱中取O组频谱样本，并将每组频谱样本按照频率高低均分为Q段；

步骤24，根据所述O组频谱样本，计算频谱噪声的标准差；

步骤25，令邻值比较判别值为deta；

步骤26，根据所述宽带频谱P(F[o],V[o])中的功率值数据，计算邻值比较初始干扰和噪声信号V[0]；

步骤27，噪声提取，提取所述宽带频谱P(F[o],V[o])中的频谱噪声P1(F[o],V1[o])；

步骤28，噪声窗口划分，将所述频谱噪声P1(F[o],V1[o])划分为Y个窗口，每个窗口的窗口划分宽度为B；

步骤29，计算单个窗口噪声的中值VQ[Y]以及标准差σQ[Y]；

步骤210，计算每个窗口的信噪分离阈值VQ[Y]，得出每个频点的信噪分离阈值V2[o]；

步骤211：信噪分离，判断V[o]-V2[o]＞0是否成立，若成立，则表示为所述宽带频谱P(F[o],V[o])中的信号，若不成立，则表示为所述宽带频谱P(F[o],V[o])中的噪声；

步骤212：优化邻值比较判别值和窗口划分宽度，递进增加邻值比较判别值deta的值和窗口划分宽度B的值，重复执行步骤26至步骤211，直到统计出信噪分离准确率C的最大值，并以此时得到的信噪分离结果为最终结果；

步骤213：根据信噪分离结果获得各阵元的信号输出为：

式中，i为相对阵元编号，i＝1,2,...,n；W_i为第i个阵元的权重；V_i为第i个阵元的信号值；

根据式(5)可以得到：

V_total＝(W₁·S₁+W₂·S₂+...+W_n·S_n)+(W₁·N₁+W₂·N₂+...+W_n·N_n) (6)；式中，S为感兴趣的信号；N为干扰和噪声信号；

假设各个阵元的噪声输出不相关，则：

根据式(7)可得：

当

时，

由此可得到单一通道的信噪比为：

根据式(10)得到，波束合成的信噪比输出为：

根据式(11)得到此阵列的总增益为：

步骤3：优化波束合成算法：根据波束合成SNR和增益，确定最小均方误差s；具体步骤为：

步骤31：判断R_nn是否等于

若R_nn是不等于/>

执行步骤32；

其中，I为单位矩阵；

步骤32：根据波束合成SNR以及波束合成公式，对观测向量进行定义，可得z＝a(θ)s+N，其中z＝M×1；a(θ)为方向向量，为已知条件；N～CN(0,R_nn)，R_nn为标准差；s为最小均方误差，

步骤33：最小化E{|w^Hz|₂}，使得w^Ha(θ)＝1，H为共轭转置；保证感兴趣的信号不会丢失；

步骤34：查找最大近似可能ML，估计最小均方误差s。

若R_nn是等于

则增益G＝M。

最大近似可能ML可以通过提前约定，在求解前作为条件带入或求出解空间，寻找全局最优解两种方法获得。

本实施例还包括一种PAF相控阵接收机数据处理***，结构如图2所示，包括：信号采集与预处理单元、波束合成单元、多波束处理单元；

所述信号采集与预处理单元，用于采集预设路数的阵元信号，并对所述阵元信号进行预处理；

所述波束合成单元，将预处理后的阵元信号合成预设波束数的波束；

所述多波束处理单元，将合成的波束进行计算，优化，确定最小均方误差。

所述信号预处理单元包括数字下变频模块和信道化模块，其中：

数字下变频模块，用于所述阵元信号的数字混频和滤波，包括频率综合器、混频器、滤波器以及下采样器，

频率综合器，用于将每路阵元信号产生固定频率的余弦和正弦信号；

混频器，用于将所述余弦和正弦信号进行混频生成混频信号；

滤波器，用于滤除所述混频信号中不需要的信号；

下采样信器，用于根据预设条件抽取信号，并输出同相和正交两路复信号；

信道化模块，用于接收所述同相和正交两路复信号，并将其信道化。

本实施例还包括一种计算机可存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的一种PAF相控阵接收机数据处理方法中的步骤。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种PAF相控阵接收机数据处理方法，其特征在于，具体步骤为：

构建模型：根据多波束模型构建波束合成模型；

计算波束合成SNR和增益：根据任一接收通道中的感兴趣的信号与干扰和噪声信号之间的关系获取SNR波束合成输出信号；根据SNR波束合成输出与输入关系计算出阵列的总增益；

优化波束合成算法：根据波束合成SNR和增益，确定最小均方误差s；

其中，接收阵列中阵元对平面波的响应为：

引入波达时差后，变换为：

其中，M为第m个相对参考阵元的阵元；s为最小均方误差；k为信号传播方向的单位向量；x为阵元的位置坐标；c为光速；t为时间；τ为波达时差；A为幅值响应；ω₀为信号频率；

为起始相位；

接收阵列对平面波的响应为：

波束合成模型为：

或/>

其中，

为第i个阵元的加权共轭转置；i为相对阵元编号；

波束合成的信噪比输出为：

其中，

为阵元的信噪比；

各阵元的噪声输出不相关时，感兴趣的信号输出具体为：

W为权重；S为感兴趣的信号；

各阵元的噪声输出不相关时，干扰和噪声信号输出具体为：

N为干扰和噪声信号，N～(0，R_nn)；R_nn为标准差。

2.根据权利要求1所述的一种PAF相控阵接收机数据处理方法，其特征在于，确定最小均方误差s时，根据最大近似可能ML，估算最小方差s，最小方差

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