CN101977068B - 不需目标仰角参数对目标来波方向进行快速测定的方法 - Google Patents

Abstract

该发明属于利用传感器天线阵列在不需目标仰角参数条件下、对无线传播信号的来波方向进行快速测定的方法。包括：建立快速定向的基础数据库，各发射芯片参数的设置，确定管理目标所在方向及显示目标的当前位置方向。该发明将各个信号接收器的天线设置成圆阵并设定各个接收器和各个空间坐标点坐标，建立对来波方向进行快速测定的数据库；并在各管理目标上分别设置可发射识别信息的芯片。本发明将二维信息变换为目标方向角的最优天线加权向量参数，因而具有可有效提高对来波区域内方向差异的敏感性及在无对仰角信息的来波方向进行快速测定，降低了测量所需硬件的要求及成本，提高了对信号来波方向测量的速度和精度等特点。

Description

不需目标仰角参数对目标来波方向进行快速测定的方法

技术领域

本发明属于一种利用传感器天线阵列对无线传播信号的来波方向进行测定的方法，特别是一种涉及天线阵列系统中高维信号的优化处理技术。采用该方法可在不需目标仰角参数的条件下、对其所在方向进行快速测定(定向)、并可获得较好的效果(精确度)且能够实现降低成本的目的。

背景技术

接收无线传播信号的天线阵列信号处理技术已广泛应用于雷达、天文、地震、声纳、医学信号检测、地质探测、无线通信等领域。由于圆形阵列具有可以对二维来波具体的空间方位进行测量，且不存在方位模糊现象，对孔径的限制较小及角度分辨率在各个方向上一致性较好等诸多优点，致使利用圆阵进行方向角测量的应用研究越来越多。然而由于圆阵的阵列流形较线阵复杂，许多用于线阵的简单、易于操作的成熟处理方法却不适用于圆形阵列；而且目前针对圆形阵列来波方向的测量大多涉及到二维参数(方位角和仰角)的测定，其运算(处理)量大且复杂。这就加大了阵列系统的成本及控制器、信号处理装置的复杂性，同影响到信号处理的数据量和处理速度。阵列来波方向的测定技术属于经典的空间谱处理技术问题，最早对来波方向测量是采用机械波束扫描的方法，即把天线波束最大增益的方向(主瓣)进行机械扫描、测量其功率，进而确定来波方向；但此类方法无论在速度和精度上都满足不了实际需要。为了得到期望的估计(测向)精度和角度分辨力，目前普遍采用的一类超分辨空间谱估计技术是基于对协方差矩阵进行子空间分解的方法，其中多信号分类技术为典型代表，但这种方法无法正确估计出相干信号的来波方向；随后提出基于利用信号子空间的旋转不变特性来估计信号参数的旋转不变技术，该方法避免了多信号分类方法因需要“谱峰”搜索而带来计算量大的问题，同时降低了该方法对硬件的要求。但多信号分类方法和估计信号参数的旋转不变方法同属于子空间类技术，均需要对接收信号协方差矩阵进行特征分解，将观测空间分解为信号子空间和噪声子空间。随着阵元数和快拍(采集)数的增加，运算量急剧增加。且上述超分辨空间谱估计技术为了测定来波方向均需要利用仰角等信息进行联合处理，由此造成计算量大且复杂的问题。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究一种不需目标仰角参数对目标来波方向进行快速测定的方法，以达到在降低对设备和硬件性能要求的同时，对目标来波方向进行快速、准确测定，提高测量精度，以及简化处理流程、降低运行成本等目的。

本发明的解决方案是首先在拟监控的区域内将各个信号接收器的天线设置成圆阵，并以其中心点为圆心、在360°方向上将其分成角度相同的方向角，同时将待监控的空间区域分成以空间坐标点为中心的(空间)小区域，并设定各个接收器和各个空间坐标点；然后根据设定信号的频率和各空间坐标点的空间方位依次确定来自各空间坐标点所处方位信号的方向向量，进而得到阵列方向矩阵；利用同一方向角和其所对应空间区域上的每一个坐标点分别与所有(各)信号接收器之间的仰角组成的阵列方向矩阵，并根据所需的波束图性能设置旁瓣区域对应的阵列方向矩阵，重复上述操作，依次确定其余方向角对应的阵列方向矩阵和其旁瓣区域对应的阵列方向矩阵；然后利用凸优化技术对待测方向阵列响应及相应旁瓣域响应进行处理，获得位于不同方向角内空间坐标点对应的最优天线加权向量参数，并将所得各方向角最优天线加权向量参数连同与各最优天线加权向量参数对应的方向角、作为目标来波方向进行快速测定的基础数据；同时在各管理目标上分别设置对应的识别码和可发射频率与基础数据中信号频率相同的发射芯片，并将识别码存入数据库作为相应管理目标上的识别信息；当接收器天线阵列收到监控空间区域内的管理目标(芯片)发出的信号和识别码后、与数据库中存入的基础数据进行匹配处理，从最优天线加权向量参数组中搜索出与该管理目标发出的信息数据最大的方向参数匹配值、以及对应的识别码，从而确定该目标所在的方向角度；本发明即以此实现其目的。因此本发明方法包括：

步骤A.建立快速定向的基础数据库：

首先在拟监控的区域内将各个信号接收器的天线设置成圆阵，并以其中心点为圆心、在360°方向上将其分成角度相同的不同方向角的区域，而将拟监控的空间区域分成若干个以空间坐标点为中心的(空间)小区域，并设定各个接收器和各个空间坐标点的坐标；然后根据设定信号的频率和各空间坐标点的空间方位依次确定来自各空间坐标点所处方位信号的方向向量，进而得到阵列方向矩阵；利用同一方向角和其所对应空间区域上的每一个坐标点分别与所有(各)信号接收器之间的仰角组成的阵列方向矩阵，并根据所需的波束图性能设置旁瓣区域对应的阵列方向矩阵；重复上述操作，依次确定其余方向角对应的阵列方向矩阵和其旁瓣区域对应的阵列方向矩阵；然后利用凸优化技术对待测方向阵列响应及相应旁瓣域响应进行处理，获得位于各个不同方向角区域空间坐标点对应的最优天线加权向量参数，再将所得各方向角最优天线加权向量参数连同与各最优天线加权向量参数对应的方向角、作为目标来波方向进行快速测定的基础数据，存入数据库，从而建成本发明快速定向的基础数据库；

步骤B.各发射芯片参数的设置：

在各发射信号芯片上设置与基础数据库中信号频率相同的信号源、并在各芯片上分别设定相应识别码；然后将各发射信号芯片分别置于各管理目标上，同时将各识别码及对应目标的名称分别作为一组信息参数，亦存入数据库内、备用；

步骤C.确定管理目标所在方向：

监控过程中，当各接收器收到任一管理目标所附芯片发出的信息参数后，将其与基础数据库中记录的最优天线加权向量参数组进行匹配处理，从中搜索出与该管理目标最大的方向参数匹配值，该匹配值所对应的方向角即为该目标所在的方向；同时通过芯片所发信息中的识别码与数据库中的识别码比对、以确定该目标的名称；

步骤D.显示目标的当前位置方向：

各接收器同时依次锁定其余各管理目标，并按C步骤自动处理，从而确定各管理目标当前所在的位置方向，并在可视化界面上显示出各管理目标的名称及其所在的位置方向；按步骤C、D循环进行即可对各管理目标进行实时监控。

所述根据设定信号的频率和各空间坐标点的空间方位依次确定来自各空间坐标点信号的方向向量，进而得到的阵列方向矩阵为：

其中：L和M分别为观测方位角方向和仰角方向等间隔划分的观测区间数，

为各观测角，l＝1，...，L；m＝1，..，M，方向向量：

其中：R是圆形天线阵列的半径，λ是信号的波长，N为接收器个数，φ_i(i＝1，...，N)为各接收器所处的方向，[·]^T代表向量的转置。

所述利用凸优化技术对待测方向阵列响应及相应旁瓣域响应进行处理，即通过

$\underset{W}{\min }\mathrm{\ξ}$

进行优化处理，即得到对应于方向角为θ₁，....，θ_L的最优加权向量参数组W，其中，待测方向对应的阵列响应为：

A_o＝[a_o(θ₁)，...，a_o(θ_L)]，

旁瓣区域对应的阵列方向矩阵为：

A_SL＝[A_sl(θ₁)，...，A_sl(θ_L)]，A_sl(θ)＝[a(θ₁)，...，a(θ-η)，a(θ+η)，...，a(θ_L)]且

||·||_∞表示矩阵或向量的无穷范数，ξ和η分别表示为误差容忍参数和波束宽度的一半。

步骤C中所述将目标所附芯片发出的信息参数与基础数据库中记录的最优天线加权向量参数组通过下式进行匹配处理：

f＝|Y(t)^HW|，

其中：f代表阵列接收数据与各最优天线加权向量参数的匹配值系列，

t＝1，为各接收器某一时刻接收到的数据，s(t)为空间信号，(·)^H代表共轭转置，|·|代表绝对值处理。

本发明由于将各个信号接收器的天线设置成圆阵，并以其中心点为圆心、在360°方向上将其分成角度相同的方向角，同时将待监控的空间区域分成以坐标点为中心的空间小区域，并设定各个接收器和各个空间坐标点，并将各方向角最优天线加权向量参数连同与各最优天线加权向量参数对应的方向角、作为目标来波方向进行快速测定的基础数据存入数据库；同时在各管理目标上分别设置对应的识别码和可发射频率与基础数据中信号频率相同的发射芯片，并将识别码存入数据库作为相应管理目标上的识别信息；监控过程中将接收信号与最优天线加权向量参数组进行最优匹配、以确定目标方向；本发明将二维方位信息变换投影到仅涉及到目标方向角的最优天线加权向量参数，因而与背景技术相比，具有可有效提高对来波区域内方向差异的敏感性且无需知道仰角的信息，降低了对来波方向测定的硬件要求及成本，并提高对信号来波方向测量的处理速度和精度等特点。

附图说明

图1.为本发明方法流程示意图(方框图)；

图2.为具体实施方式采用均匀9圆阵时的归一化方向波束示意图(波长30米，半径40米，信号来波的方向为179度，仰角分别为0度、1度，...，45度的情况)；

具体实施方式

以位于半径为40米、方位角搜索范围为0～359度、仰角搜索范围为0～45度的球面上的待估计目标的方向角估计为例，9个信号接收器p₁、p₂、p₃、p₄、p₅、p₆、p₇、p₈、p₉依次均匀分布在半径为40米的圆环上，其所在空间方位坐标(方向角，仰角)依次为(0°，0°)，(40°，0°)，(80°，0°)，(120°，0°)，(160°，0°)，(200°，0°)，(240°，0°)，(280°，0°)，(320°，0°)；

步骤A.建立快速定向的基础数据库：根据设定信号的频率30MHZ和各空间坐标点的空间方位角(0°，0°)，(0°，1°)，...，(0°，45°)，(1°，0°)，(1°，1°)，...，(1°，45°)，(359°，0°)，(359°，1°)，...，(359°，45°)，依次确定来自360×46个坐标点所处方位信号的方向向量，并以此得到阵列方向矩阵：

其中，观测方向角和俯仰角方向被1°等间隔划分的观测区间数分别为360和46，

为各观测方向的角度。

接收机对来自各坐标点处信号的方向向量为：

其中，针对来自第一个坐标点所处方位(0°，0°)信号的方向向量为：

根据其余坐标点所处的方位角依次可以得到其余所有坐标点方位处的方向向量，进而获得阵列方向矩阵。

确定对应于方向角θ＝0°，1°...，359°的最优加权向量：

利用凸优化约束

$\underset{W}{\min }\mathrm{\ξ}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{\left|\right|A_o^{H}W-1\left|\right|}_{\∞}\≤\mathrm{\ξ}\\ {\left|\right|A_{\mathrm{SL}}^{H}W\left|\right|}_{\∞}\≤\mathrm{\ξ}\end{array}\right.$

进行优化处理，即得到对应于方位角为0°，1°...，359°的最优加权向量参数组

且ξ＝0.4520，其中，期望方向对应的阵列响应

A_o＝[a_o(0°)，a_o(1°)，...，a_o(359°)]，

a_o(0°)＝[a(0°，0°)，...，a(0°，45°)]，a_o(1°)＝[a(1°，0°)，...，a(1°，45°)]，...，a_o(359°)＝[a(359°，0°)，...，a(359°，45°)]。

旁瓣区域对应的阵列方向矩阵

A_SL＝[A_sl(0°)，A_sl(1°)，...，A_sl(359°)]，

A_sl(0°)＝[a(10°)，a(11°)，...，a(350°)]，...，A_sl(θ)＝[a(0°)，a(1°)，...，a(θ-10°)，a(θ+10°)，...，a(359°)]，...，A_sl(359°)＝[a(9°)，a(10°)，...，a(349°)]，且a(θ)＝[a(θ，0°)，a(θ，1°)，...，a(θ，45°)]。由于该9阵元均匀圆形阵列对应的方向向量具有每间隔40°呈循环结构的特点，对应的各最优天线加权向量每间隔40°亦呈循环结构的形式。

步骤B.各发射芯片参数的设置：

每一个目标均带有一个由KT Micro推出的调频发射芯片KT0806，在芯片发射信号之前，计算机已针对加入该网的每个无线信号发射芯片均事先初始化一个物理地址，由此每一个目标根据各自所带的无线芯片而相应获得一个与物理地址相关联的识别码，不同目标可以通过相应识别码相互区别。

步骤C.确定管理目标所在方向：

当位于θ＝179°，

的一个目标进入监控区域内，各信号接收器接收到的信号为：

Y(t)＝[-0.3849+0.9230i，0.9984-0.0566i，0.2765+0.9610i，-0.4468+0.8946i，0.0531-0.9986i，0.1511-0.9885i，-0.6538+0.7567i，-0.0034+1.0000i，0.9918+0.1282i]^T。

将各信号接收器接收到的信号与基础数据库中已记录的最优天线加权向量参数组进行：

f＝|Y(t)^HW|＝[0.1686，0.1720，0.1702，...，0.1529，0.1638，0.1678]

匹配处理，通过最大匹配处理搜索出与该目标的方向参数之间最大匹配值对应的方向信息为

也即计算出信号的来波方向角估计值为且显示结果为179°，即采用本实施方式测得管理目标的方向角为179°；

经实测验证：该管理目标实际测量得到的准确方向角为θ_r＝179°，采用本实施方式进行100次信号来波方向估计的均方根误差为：

为了进一步验证本发明方法的准确性，采用本实施方式对100个位于不同方向的待管理目标作仿真测试，其平均误差为0.3度，其中误差小于0.5度的达95％以上。从上述验证结果可以看出：本发明方法不需目标仰角参数对目标来波方向进行快速测定的技术，可以在确保测量精度的条件下、有效降低计算复杂度、及测量目标方向的成本。

Claims (3)

1.一种不需目标仰角参数对目标来波方向进行快速测定的方法，包括：

步骤A.建立快速定向的基础数据库：

首先在拟监控的区域内将各个信号接收器的天线设置成圆阵，并以其中心点为圆心、在360°方向上将其分成角度相同的不同方向角的区域，而将拟监控的空间区域分成若干个以空间坐标点为中心的小区域，并设定各个接收器和各个空间坐标点的坐标；然后根据设定信号的频率和各空间坐标点的空间方位依次确定来自各空间坐标点信号的方向向量，进而得到阵列方向矩阵；利用同一方向角和其所对应空间区域上的每一个坐标点分别与所有信号接收器之间的仰角组成的阵列方向矩阵，并根据所需的波束图性能设置旁瓣区域对应的阵列方向矩阵；重复上述操作，依次确定其余方向角对应的阵列方向矩阵和其旁瓣区域对应的阵列方向矩阵；然后利用凸优化技术对待测方向阵列响应及相应旁瓣域响应进行处理，获得位于各个不同方向角区域空间坐标点对应的最优天线加权向量参数，再将所得各方向角最优天线加权向量参数连同与各最优天线加权向量参数对应的方向角、作为目标来波方向进行快速测定的基础数据，存入数据库，从而建成快速定向的基础数据库；

上述利用凸优化技术对待测方向阵列响应及相应旁瓣域响应进行处理，即通过：

进行优化处理，即得到对应于方向角为θ₁，....，θ_L的最优加权向量参数组W，其中，待测方向对应的阵列响应为：

旁瓣区域对应的阵列方向矩阵为：

A_SL＝[A_sl(θ₁)，...，A_sl(θ_L)]，A_sl(θ)＝[a(θ₁)，...，a(θ-η)，a(θ+η)，...，a(θ_L)]、且

||·||_∞表示矩阵或向量的无穷范数，ξ和η分别表示为误差容忍参数和波束宽度的一半；

步骤B.各发射信号芯片参数的设置：

在各发射信号芯片上设置与基础数据库信号频率相同的信号源、并在各芯片上分别设定相应识别码；然后将各发射信号芯片分别置于各管理目标上，同时将各识别码及对应目标的名称分别作为一组信息参数，亦存入数据库内、备用；

步骤C.确定管理目标所在方向：

监控过程中，当各接收器收到任一管理目标所附芯片发出的信息参数后，将其与基础数据库中记录的最优天线加权向量参数组进行匹配处理，从中搜索出与该管理目标最大的方向参数匹配值，该匹配值所对应的方向角即为该目标所在的方向；同时通过芯片所发信息中的识别码与数据库中的识别码比对、以确定该目标的名称；

步骤D.显示目标的当前位置方向：

各接收器同时依次锁定其余各管理目标，并按C步骤自动处理，从而确定各管理目标当前所在的位置方向，并在可视化界面上显示出各管理目标的名称及其所在的位置方向；按步骤C、D循环进行即可对各管理目标进行实时监控。

2.按权利要求1所述不需目标仰角参数对目标来波方向进行快速测定的方法，其特征在于所述根据设定信号的频率和各空间坐标点的空间方位依次确定来自各空间坐标点信号的方向向量得到的阵列方向矩阵为：

其中：L和M分别为观测方位角方向和仰角方向等间隔划分的观测区间数，为各观测角，l＝1，...，L；m＝1，...，M，方向向量：

式中：R是圆形天线阵列的半径，λ是信号的波长，N为接收器个数，φ_i(i＝1，...，N)为各接收器所处的方向，[·]^T代表向量的转置。

3.按权利要求1所述不需目标仰角参数对目标来波方向进行快速测定的方法，其特征在于在步骤C中所述将目标所附芯片发出的信息参数与基础数据库中记录的最优天线加权向量参数组通过下式进行匹配处理：

f＝|Y(t)^HW|，

其中：f代表阵列接收数据与各最优天线加权向量参数的匹配值系列，

t＝1，为各接收器某一时刻接收到的数据，s(t)为空间信号，(·)^H代表共轭转置，W为对应于方向角为θ₁，....，θ_L的最优加权向量参数组，|·|代表绝对值处理。

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