CN101980043A - 一种抗接收机相位跳变的多干扰源测向方法 - Google Patents

Abstract

该发明属于对多个无线信号干扰源同时测向的技术。包括：设置稀疏字典，建立干扰源来波方位角列向量，建立干扰源检测数据矩阵，确定方向位矩阵，确定干扰源方向。该发明利用相位跳变时刻以及干扰源在空间分布上具有的稀疏特性，根据接收端阵列的阵列流形在(1°，360°)范围内按照设定的角度分辨率间隔构建稀疏字典，作为确定多干扰源方向时的基础参数集；各接收机同时对多个干扰源进行采集。从而有效解决了相位跳变带来的性能下降的问题，并最大程度上降低了接收机通道间的高一致性要求、大幅度降低系统工作难度等特点；克服了传统技术对接收机通道间的一致性要求极高、相位跳变对测向精度影响大等缺陷。

Description

一种抗接收机相位跳变的多干扰源测向方法

技术领域

本发明属于对无线传播信号源进行测向的技术。特别是一种针对接收机中连续的A/D采样数据时、常会出现显著的相位跳变现象，利用空间谱测向技术对多个干扰源同时测向的方法；采用本发明方法可以大幅度消减相位跳变对测向结果的影响，降低了接收机各通道采样数据间高度的一致要求性。

背景技术

随着无线电技术高速发展，无线电频谱资源日趋紧张，无线电干扰事件时有发生。在国防领域，特别是在现代电子战中，敌我双方通过无线电测向、侦查到干扰源位置具有重要意义。

已成熟应用的测向技术常采用相位干涉仪对信号源测向；此类测向技术根据测向天线的布阵方式进一步分为一维相位干涉仪(测向天线呈“线性”布阵)测向和二维相位干涉仪(测向天线呈“面型”布阵)测向。一维相位干涉仪存在方位模糊，测向方位角范围限定在-90°～+90°范围内，当相同频率的干扰源分别从前方和后方以相同夹角入射到基线时，无法分辨干扰源的方向；此外，一维相位干涉仪仅适合来波方向与基线不存在仰角(如机载测向，地对空目标测向以及短波天线测向等)的测向场合。与一维相位干涉仪不同，二维相位干涉仪可进行360°的全方位测向，并可同时测量干扰源的方位和仰角、亦不存在因相位引起的相位模糊问题，而且只要在阵元间距小于半波长条件下，孔径越大，测向精度就越高。但在实际应用中，由于接收阵元间互耦、阵元支架或阵元载体等因素的影响，使得波阵面发生了畸变、入射波相位和幅度分布失真，从而导致测向误差。要想降低测向误差，就要消除或降低这些畸变和失真，这在实际中很难做到。例如，为降低阵元间互耦、应增大阵元间距，但随着阵元间距的增大，必然会导致测向模糊，这又在一定程度上限制了阵元间距扩大。

与相位干涉仪测向对应的相关干涉仪测向技术，同样是利用天线阵元获取干扰源入射波相位分布进行测向；相关干涉仪的设计原理是：通过比较获取的干扰源入射波的相位分布与事先已存的各方位、各频率来波相位分布的相似性而得到干扰源方向。相关干涉仪由于采用了相关处理技术，弱化了传统干涉仪中的互耦、载体等对测向精度带来的不利影响，虽然这些影响还存在，但这些影响是稳定的、便于进行相关处理。相关干涉仪测向技术是将采集到的系统原始相位样本进行存储、通过数字相关匹配处理实现测向；此外，相关干涉仪测向技术利用相关匹配运算避开了复杂的解模糊问题，直接获得来波方向，并运用所有独立基线上的相位差信息来综合求得恶劣环境、相位差波动较大的情况下的干扰源的方位信息，其测向结果的准确度明显高于相位干涉仪的测向准确度，但该测向技术却不能用于同时对多干扰源进行测向。

空间谱测向技术可以对多干扰源同时测向，其基本原理是：通过天线阵列接收干扰源的无线电信号，将其放大、变频、采样以及对“模拟/数字”转换后的数字信号进行处理、从而确定信号的来波方向。常用的空间谱测向方法有最小方差动态无失真响应(MVDR)法及多重信号分类(MUSIC)法。空间谱测向系统由天线阵列(多天线阵元组成)、多通道接收机、数字信号处理单元和终端显示单元四部分组成。其中，天线阵列(线阵、圆阵等)主要用于接收无线电信号，将电磁波信号转化为电信号传给接收机。在空间谱测向中，为避免信号源相位模糊，阵元间距必须小于半波长，这与干涉仪测向体制中的阵元间距要求相同。多通道接收机主要将天线阵列接收的射频信号放大、模拟下变频(ADS)，以便“模拟/数字”转换为中频信号。一般意义上讲，天线阵有多少个阵元，对应的接收机就有多少个接收通道，并且要求多信道接收机必须具有相同的本振信号、接收机具有大的动态范围以及很好的相位一致性；接收机中“模拟/数字”转换器的主要任务是完成模拟中频信号到数字信号的转换；信号处理单元按照特定的算法对数字信号进行处理，解析出干扰源的来波方向；终端显示单元主要是人机交互界面，负责接收用户对设备发出的指令、以及显示设备的处理结果等。传统的空间谱测向技术尽管具有上述诸多优势，然而仍存在：测向系统(设备)较复杂、成本高，且最致命的是对接收机各接收通道性能的一致性要求严格，当接收通道在采集(快摄)过程中出现相位跳变时，会直接影响传统的空间谱测向结果；同时接收机各通道的“A/D”转换器也很难做到严格的采样同步，各路“A/D”转换器间对干扰源采样时常常会发生明显的相位跳变现象，而且不同的接收通道的跳变模式不一样(如附图一所示)；此外，在传统的空间谱测向技术中，以MUSIC处理方法为例：MUSIC处理方法主要是通过计算多个干扰源信号的样本协方差矩阵、对样本协方差矩阵特征分解求出其特征值和特征向量，根据特征值的大小确定干扰源的数目，并完成信号子空间和噪声子空间的划分，再利用信号子空间和噪声子空间的正交性求得干扰源的来波方向。然而，当接收机存在相位跳变时，等效于引入了虚假信号及虚假信号的方向向量，而且这些虚假信号的方向向量不属于空间谱数据库中的任何一个角度的方向向量，而且还时常出现假峰，这将不可避免地导致空间谱测向出现偏差大，使空间谱测向结果偏离了真实干扰源的方向。若不解决这类因硬件之间性能差异引起的各个接收通道在“A/D”采样过程中的相位跳变问题，则将严重限制空间谱测向优势的发挥；此外，天线阵元间的互耦也严重影响测向结果、特别是在微波等测向应用中尤其如此。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种抗接收机相位跳变的多干扰源测向方法，达到有效解决了相位跳变带来的性能下降的问题，并最大程度上降低测向中对各接收机通道之间高度的一致性要求、大幅度降低系统测向的偏差等特点；以克服了传统技术(如，MUSIC空间谱测向技术等)对接收机通道间的一致性要求极高、相位跳变对测向精度影响大等缺陷。

本发明的解决方案是：根据接收端阵列的阵列流形在(1°，360°)范围内按照设定的角度分辨率间隔构建稀疏字典，作为确定多干扰源方向时的基础参数集；各接收机同时对多个干扰源进行采集；由于在接收机进行的多次采集中，接收机发生相位跳变的时刻是稀疏的，干扰源在方位分布上也是稀疏的，据此，通过对多干扰源采集，利用稀疏重构原理确定干扰源的角度，从而实现其发明目的。因此，本发明方法包括：

A、设置稀疏字典：

A₁.接收机工作参数的初始化设置：将干扰源频率，接收机系统采样频率、采集次数，干扰源最高角度分辨率，阵列流形进行初始化设置；

A₂.构建稀疏字典：根据步骤A₁确定的最高(优)角度分辨率和阵列流形构建稀疏字典矩阵，作为确定多干扰源方向时的基础参数集，稀疏字典矩阵的行数等于接收机(通道数)之和，稀疏字典矩阵列数等于360与干扰源最高角度分辨率之比(即干扰源来波方位角的个数)；

B.建立干扰源来波方位角列向量：根据设置的角度分辨率、将0-360°等分为不同的方向位，然后将各方向位的方位角度值依次排成一列，组成干扰源来波方位角度的列向量；

C.建立干扰源检测数据矩阵：将各接收机每次采集到的数据排成一列、组成一个列向量，并按照步骤A₁确定的采集次数连续采集，然后将各次所采集数据组成的列向量依次排成矩阵、作为干扰源检测数据矩阵；同时将对矩阵中每个元素平方和进行开方后≤0.01％的值作为模型拟合误差门限值；

D.确定方向位矩阵：

D₁.建立干扰源来波方位角矩阵：按照与步骤B相同的方法，根据多次采集数据建立各自的方向位列向量依次排列，组成干扰源来波方位角矩阵；

D₂.确定方向位矩阵：利用步骤C干扰源检测数据矩阵和步骤A₂稀疏字典矩阵，在模型拟合误差范围内，在约束条件下、采用凸优化方法确定所有满足条件的干扰源来波方位角矩阵，在所有满足约束条件的方向位矩阵中矩阵2范数最小值所对应的矩阵即为方向位矩阵；

E.确定干扰源方向：根据步骤D₂所得方向位矩阵，将矩阵中每行中各元素的绝对值相加，组成新的列向量、并将该列向量中各元素进行归一化处理，归一化处理后的各元素大小即为干扰源在该方向上的峰值(能量大小)，元素值大于判决门限值所对应的方位角即为干扰源所在的方向。

所述构建稀疏字典矩阵，其具体方法是：按照步骤A₁确定的阵列流形，在(0°，360°)范围内、按照干扰源最高角度分辨率为间隔步长，列出各方向上阵列流形对应的具体表达式，将各个方向上对应的阵列流形的表达式按列依次排列组成的矩阵即为稀疏字典。在步骤D₂中所述约束条件为：稀疏字典矩阵与方向位矩阵的积、再减去检测数据矩阵、得到的差值矩阵的一范数小于模型拟合误差门限。

本发明利用相位跳变时刻以及干扰源在空间分布上具有的稀疏特性，根据接收端阵列的阵列流形在(1°，360°)范围内按照设定的角度分辨率间隔构建稀疏字典，作为确定多干扰源方向时的基础参数集；各接收机同时对多个干扰源进行采集。从而有效解决了相位跳变带来的性能下降的问题，并最大程度上降低了接收机通道间的高一致性要求、大幅度降低系统工作难度等特点；克服了传统技术(如，MUSIC空间谱测向技术等)对接收机通道间的一致性要求极高、相位跳变对测向精度影响大等缺陷。

附图说明

图1.为接收机相位跳变模式示意图；

图2.为干扰源分别来自40°及250°时，本发明实施例1的仿真效果图(坐标图)；图中实线和虚线分别为在相位跳变情况下及无相位跳变情况下的仿真效果曲线；

图3.为与实施例1相同条件下，采用MUSIC空间谱测向法仿真效果图；图中实线和虚线分别为在相位跳变情况下及无相位跳变情况下的仿真效果曲线；

图4.为干扰源分别来自40°及70°时，本发明实施例2的仿真效果图(坐标图)；图中实线和虚线分别为在相位跳变情况下及无相位跳变情况下的仿真效果曲线；

图5.为与实施例2相同条件下，采用MUSIC空间谱测向法仿真效果图；图中实线和虚线分别为在相位跳变情况下及无相位跳变情况下的仿真效果曲线；

具体实施方式：

实施例1：本实施例在超短波频段、采用5个阵元的圆阵，在两个干扰源情况，做仿真实验；其具体步骤如下：

A.设置稀疏字典：

A₁.接收机工作参数的初始化设置：干扰源工作频率设置为f_c＝320MHz；系统采样频率设置为f_s＝40.96MHz；阵元半径r＝0.75m；干扰源信噪比设为SNR＝20dB；采集次数P＝20次；干扰源类型及数目：2个相干信号，分别为S₁(t)，S₂(t)，两个干扰源来波方向分别设为40°和250°；用零均值，标准差为1的高斯白噪声来模拟，其对应的采集数据表示为S₁(k)，S₂(k)；两种跳变模式分别设置为：无(不发生)相位跳变概率：P{φ_l(k)＝0}＝0.6；发生一位正相位跳变概率：P{φ_l(k)＝2πf_c/40.96}＝0.2；发生一位负相位跳变概率：P{φ_l(k)＝-2πf_c/40.96}＝0.2，l＝1，2，3，4，5；相位跳变示意图如附图一所示；

最高角分辨率为1°；阵列流形(阵列响应)为：

$\stackrel{\→}{\mathrm{\α}\left(\mathrm{\θ}\right)}=\left[\begin{array}{c}{e}^{j2\mathrm{\π}r\cos \left(\frac{\mathrm{\π\θ}}{180}\right)\·f_c/300}\\ e^{j2\mathrm{\π}r\cos (\frac{\mathrm{\π\θ}}{180}-\frac{2\mathrm{\π}}{5})\·f_c/300}\\ e^{j2\mathrm{\π}r\cos (\frac{\mathrm{\π\θ}}{180}-\frac{4\mathrm{\π}}{5})\·f_c/300}\\ e^{j2\mathrm{\π}r\cos (\frac{\mathrm{\π\θ}}{180}-\frac{6\mathrm{\π}}{5})\·f_c/300}\\ e^{j2\mathrm{\π}r\cos (\frac{\mathrm{\π\θ}}{180}-\frac{8\mathrm{\π}}{5})\·f_c/300}\end{array}\right]$

A₂.构建稀疏字典：本事实例中，字典矩阵的行数等于5，字典矩阵列数等于360；稀疏字典A为：

$A_{5\×360}=\left[\begin{array}{cccc}\stackrel{\→}{\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}& \stackrel{\→}{\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_2\right)}& ...& \stackrel{\→}{\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_{360}\right)}\end{array}\right]$

其中，

$\stackrel{\→}{\mathrm{\α}\left(\mathrm{\θ}\right)}=\left[\begin{array}{c}{e}^{j2\mathrm{\π}r\cos \left(\frac{\mathrm{\π\θ}}{180}\right)\·f_c/300}\\ e^{j2\mathrm{\π}r\cos (\frac{\mathrm{\π\θ}}{180}-\frac{2\mathrm{\π}}{5})\·f_c/300}\\ e^{j2\mathrm{\π}r\cos (\frac{\mathrm{\π\θ}}{180}-\frac{4\mathrm{\π}}{5})\·f_c/300}\\ e^{j2\mathrm{\π}r\cos (\frac{\mathrm{\π\θ}}{180}-\frac{6\mathrm{\π}}{5})\·f_c/300}\\ e^{j2\mathrm{\π}r\cos (\frac{\mathrm{\π\θ}}{180}-\frac{8\mathrm{\π}}{5})\·f_c/300}\end{array}\right]$

B.建立干扰源来波方位角列向量：

角度分辨率设为1°，将0°-360°等分为360个不同的方向位，然后将各方向位的方位角度值依次排成一列，组成干扰源来波方位角(度)的列向量；记为：

其中，γ₁表示1°；γ₂表示2°；依次类推，γ₃₆₀表示360°；

C.建立干扰源检测数据矩阵：

根据观测模型Y(k)＝ΦAS(k)+V(k)将各接收机每次采集到的数据排成一列、组成一个列向量，并连续作20次采集，将每次采集的列向量依次排列成干扰源检测数据矩阵；

观测模型中，A为字典；

采集时的加性噪声为：

${\stackrel{\→}{V\left(k\right)}}_{5\×1}={\left[\begin{array}{cccc}{v}_1\left(k\right)& v_2\left(k\right)& ...& v_5\left(k\right)\end{array}\right]}^T$

因此，20次采集的5×1维接收信号矢量构成的矩阵为：

$Y_{5\×20}=\left[\begin{array}{cccc}\stackrel{\→}{Y\left(1\right)}& \stackrel{\→}{Y\left(2\right)}& ...& \stackrel{\→}{Y\left(20\right)}\end{array}\right]$

字典为：

$A_{5\×360}=\left[\begin{array}{cccc}\stackrel{\→}{\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}& \stackrel{\→}{\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_2\right)}& ...& \stackrel{\→}{\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_{360}\right)}\end{array}\right]$

相位跳变转换矩阵为：

l＝1，2，3，4，5

20次数据采集的5×1维接加性噪声构成的矩阵为：

$V_{5\×20}=\left[\begin{array}{cccc}\stackrel{\→}{V\left(1\right)}& \stackrel{\→}{V\left(2\right)}& ...& \stackrel{\→}{V\left(20\right)}\end{array}\right]$

同时将对检测数据矩阵Y_5×20中的每个元素平方和进行开方后≤0.01％(本实施例中取万分之一)的值作为步骤D₂中的拟合误差门限值ε；

D.确定方位角矩阵：

D₁.建立方位角矩阵：按照步骤B同样的方法，根据20次采集数据建立各自的方向位列向量依次排列，组成干扰源来波方位角矩阵；

D₂.确定方位角矩阵：利用检测数据矩阵Y和稀疏字典矩阵A，在模型拟合误差ε范围内，在约束条件‖Y-AΓ‖₁＜ε下、采用凸优化方法确定所有满足条件的方位角矩阵，在所有满足约束条件的方向位矩阵中矩阵2范数最小值所对应的矩阵即为方向位矩阵Γ_360×20；等价地就是说，求解问题Q1：

$Q1:\left\{\begin{array}{c}\underset{\mathrm{\&Gamma;}}{\min }{\left|\right|\mathrm{\&Gamma;}\left|\right|}_{\mathrm{Block}-\mathrm{Sparsity}}\\ s.t{\left|\right|Y-\mathrm{A\&Gamma;}\left|\right|}_1<\mathrm{\&epsiv;}\end{array}\right.$

其中，

且，‖Γ(i，：)‖₂表示矩阵Γ的第i行所有列构成向量的2范数。

E.确定干扰源方向

根据步骤D₂所得方位角矩阵Γ，将矩阵中每行中各元素的绝对值相加，组成新的列向量、并将该列向量中各元素进行归一化处理，归一化处理后的各元素大小即为干扰源在该方向上的峰值(能量大小)，元素值大于判决门限值所对应的方位角即为干扰源所在的方向。

本实施例仿真效果曲线如附图2所示；附图3为在相同条件下、传统的MUSIC方法仿真效果曲线；后者在相位跳变情况下不但存在指向出现较大偏差，而且更为严重的是、还出现了虚假信号峰值指向；而本发明实施例不但不存在虚假信号峰值指向，而且对干扰源的来波方向指向清楚。

实施例2：

本实施例仍然假设存在两个以干扰源来波方向为40°及70°，其余参数均与实施例1中的参数设置一样，分别采用本发明方法和MUSIC方法分别进行仿真实验：

本实施例仿真效果曲线如附图3所示；附图4为在相同条件下，传统的MUSIC方法仿真效果曲线；后者在相位跳变情况下因两干扰源来波方向相近，因此出现单个谱峰而不能分辨出两干扰源的具体来波方向；而本实施例对两干扰源的来波方向指向清楚。

Claims (3)

1.一种抗接收机相位跳变的多干扰源测向方法，包括：

A、设置稀疏字典：

A₁.接收机工作参数的初始化设置：将干扰源频率，接收机系统采样频率、采集次数，干扰源最高角度分辨率，阵列流形进行初始化设置；

A₂.构建稀疏字典：根据步骤A₁确定的最高角度分辨率和阵列流形构建稀疏字典矩阵，作为确定多干扰源方向时的基础参数集，稀疏字典矩阵的行数等于接收机之和，稀疏字典矩阵列数等于360与干扰源最高角度分辨率之比；

B.建立干扰源来波方位角列向量：根据设置的角度分辨率、将0-360°等分为不同的方向位，然后将各方向位的方位角度值依次排成一列，组成干扰源来波方位角度的列向量；

C.建立干扰源检测数据矩阵：将各接收机每次采集到的数据排成一列、组成一个列向量，并按照步骤A₁确定的采集次数连续采集，然后将各次所采集数据组成的列向量依次排成矩阵、作为干扰源检测数据矩阵；同时将对矩阵中每个元素平方和进行开方后≤0.01％的值作为模型拟合误差门限值；

D.确定方向位矩阵：

D₁.建立干扰源来波方位角矩阵：按照与步骤B相同的方法，根据多次采集数据建立各自的方向位列向量依次排列，组成干扰源来波方位角矩阵；

D₂.确定方向位矩阵：利用步骤C干扰源检测数据矩阵和步骤A₂稀疏字典矩阵，在模型拟合误差范围内，在约束条件下、采用凸优化方法确定所有满足条件的干扰源来波方位角矩阵，在所有满足约束条件的方向位矩阵中矩阵2范数最小值所对应的矩阵即为方向位矩阵；

E.确定干扰源方向：根据步骤D₂所得方向位矩阵，将矩阵中每行中各元素的绝对值相加，组成新的列向量、并将该列向量中各元素进行归一化处理，归一化处理后的各元素大小即为干扰源在该方向上的峰值，元素值大于判决门限值所对应的方位角即为干扰源所在的方向。

2.按权利要求1所述抗接收机相位跳变的多干扰源测向方法，其特征在于所述构建稀疏字典矩阵的方法是：按照步骤A₁确定的阵列流形，在(0°，360°)范围内、按照干扰源最高角度分辨率为间隔步长，列出各方向上阵列流形对应的具体表达式，将各个方向上对应的阵列流形的表达式按列依次排列组成的矩阵即为稀疏字典。

3.按权利要求1所述基于稀疏分解的图像压缩方法，其特征在步骤D₂中所述约束条件为：稀疏字典矩阵与方向位矩阵的积、再减去检测数据矩阵、得到的差值矩阵的一范数小于模型拟合误差门限。

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