CN102200573B - 一种对近场目标信号来波方向进行测定的方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种对近场目标信号来波方向进行测定的方法，包括将待监控区域分成若干个小区域、并以其中心点该小区域坐标，利用均匀线形阵接收设定频率的信号；选取任一阵元为基准阵元、并将所处位置作为坐标原点，将各坐标点相对于基准阵元的方向角度和距离作为对应小区域的位置坐标，再依次将所得各方向角最优天线加权向量参数连同各最优加权向量参数所对应的方向角、作为目标来波方向进行测向的基础数据、连同各管理目标上分别设置的识别码存入数据库内作为对目标来波方向测定用。该发明具有可有效提高对来波方向差异的敏感性且无需知道管理目标的距离信息，对所需硬件要求及测量成本低，提高了对信号来波方向测量的处理速度和精度等特点。

Description

一种对近场目标信号来波方向进行测定的方法

技术领域

本发明属于一种利用传感器天线阵列对目标信号的来波方向进行测定的方法，特别是一种对近场目标信号(距离阵列中心

的目标信号，其中：λ代表波长、d为阵元间隔、M为阵元个数)的来波方向进行测定的方法。采用该方法可在不需目标距离参数、对该信号目标所在方向进行快速测定，以较低的定位成本、获得较高的定位精度。

背景技术

阵列信号处理是现代信号处理的一个重要分支，其研究内容包括信号检测、参数估计、空间滤波、目标成像等，并广泛应用于雷达、声纳、通信、导航、地震勘探、射电天文、电子医疗等众多军用、民用领域；来波方向的测定是阵列信号处理的主要研究内容之一。近四十年间，来波方向测定问题得到了很大发展，国内外学者提出了许多方法，主要有波束形成方法、最大似然方法、线性预测方法、多信号分类(MUSIC)方法和旋转不变技术估计信号参数(ESPRIT)的方法等。其中MUSIC方法和ESPRIT方法都属于高分辨率的子空间方法，其性能优良，现有的许多来波方向测定方法都是在子空间估计方法基础上发展而来。但是，采用这些方法的前提都是建立在假设目标信源处于远离阵列中心、信号到达各个阵元前为平面波，信号模型中不包括距离参数。而当信源位于近场时，将阵列接收到的信号波视为平面波的假设不再成立，此时近场波形固有的弯曲性不能被忽略；因其波形随阵元位置具有非线性变化特性，则需采用球面波来精确描述，即信号模型除了方向信息外，还必需包括距离信息。因此，现有基于远场信号源的高分辨来波方向的估计方法不能用于对近场信号源方向的测定。目前针对近场目标信号源来波方向的测定大多涉及到二维参数(方向和距离)，其运算(处理)量大且复杂，对控制器、信号处理装置的性能要求较高，从而不但加大了阵列系统的成本、而且处理速度慢。而Ju-Hong Lee提出的对近场信号源来波方向测定方法、是将近场源情况下的接收信号协方差矩阵看成是相同方向远场信号源情况下的信号协方差矩阵被污染了的测量值；该方法虽然可以直接采用基于远场信号源的高分辨来波方向的估计(测定)方法来测定近场信号源的来波方向、并可减少距离的影响，但是该方法需要较多的阵元参数和快拍参数来建立协方差矩阵，因此仍存在运算量大、处理速度慢的弊病。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究一种对近场目标信号来波方向进行测定的方法，以达到在降低对设备和硬件性能要求的同时，对近场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将待监控的平面区域分成若干个小区域、并以各小区域的中心点作为对应小区域的坐标(点)，利用均匀线形阵接收信号、选取阵列中任一阵元作为基准阵元、其所处位置作为坐标原点(o)，并将该原点作为其它阵元相位的基准点；再将各个坐标点相对于基准阵元的方向角度和距离作为对应小区域的位置坐标，根据设定信号的频率和各坐标点的位置坐标依次确定各坐标点相对于各接收阵元的方向向量，并将相对于基准阵元同一方向角度、不同距离的坐标点所对应的各方向向量依次作为列向量、进而得到该角度(同一方向角度)范围内各坐标点相对于基准阵元所对应的阵列方向矩阵；其次根据所选定主波束的宽度设置相对于基准阵元该方向角所对应的旁瓣区域、确定旁瓣区域内所含坐标点相对于各接收阵元的方向向量，并将所得各方向向量作为列向量、进而得到该旁瓣区域所含坐标点相对于各接收阵元的阵列方向矩阵；重复上述两步骤，依次确定相对于基准阵元各方向角度所对应的阵列方向阵和相应旁瓣区域所含坐标点对应的阵列方向矩阵；然后利用凸优化技术(方法)分别对各方向角度所对应的阵列方向矩阵和相应旁瓣区域内所含坐标点相对于各接收阵元的阵列方向矩阵进行优化处理、以获得相对于基准阵元各方向角所对应的最优天线加权向量参数；最后将所得各方向角最优天线加权向量参数连同该加权向量参数所对应的方向角、作为目标来波方向进行快速测定的基础数据存入数据库中备用；同时在各管理目标上分别设置可发射频率与基础数据中信号频率相同的发射芯片及不同的识别码，并将识别码作为相应管理目标上的识别信息存入数据库；当接收器天线阵列中各阵元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.建立测向基础数据库：首先将待监控的平面区域分成若干个小区域、并以各小区域的中心点作为对应小区域的坐标点，利用均匀线形阵接收设定频率的信号、并选取阵列中任一阵元作为基准阵元、该阵元所处位置作为坐标原点，然后将各个坐标点相对于基准阵元的方向角度和距离作为对应小区域的位置坐标；再依次将所得各方向角最优天线加权向量参数连同各最优加权向量参数所对应的方向角、作为目标来波方向进行测向的基础数据存入数据库中、备用；

步骤B.设置各管理目标信号发射芯片的参数：在各信号发射芯片上设置与步骤A所接收信号频率相同的信号源、及各芯片的识别码，然后将各信号发射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.确定管理目标的名称及方向：监控过程中，当各阵元接收到任一管理目标发出的信息参数后，将其与基础数据库中存入的各最优天线加权向量参数分别进行匹配处理，并从中搜索出与数据库中最优天线加权向量参数的最优匹配值，该匹配值所对应的方向角即为该目标所在的方向；同时将所收到信息参数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.显示目标的名称及当前的位置方向：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的名称及当前的位置方向，并在可视化界面上显示出各管理目标的名称及当前所在位置的方向；按步骤C、D循环进行即可对各管理目标进行实时监控。

上述各方向角最优天线加权向量参数按以下方式确定：首先根据设定信号的频率和各坐标点的位置坐标依次确定各坐标点相对于各接收阵元的方向向量，并将相对于基准阵元同一方向角度、不同距离的坐标点所对应的各方向向量依次作为列向量、进而得到该角度(同一方向角度)范围内各坐标点相对于基准阵元所对应的阵列方向矩阵；其次根据所选定主波束的宽度设置相对于基准阵元该方向角所对应的旁瓣区域、确定该旁瓣区域内所含坐标点相对于各接收阵元的方向向量，并将所得各方向向量作为列向量、进而得到该旁瓣区域所含坐标点相对于各接收阵元的阵列方向矩阵；重复上述两步骤，依次确定相对于基准阵元各方向角度所对应的阵列方向阵和相应旁瓣区域所含坐标点对应的阵列方向矩阵；然后利用凸优化技术(方法)分别对各方向角度所对应的阵列方向矩阵和相应旁瓣区域内所含坐标点相对于各接收阵元的阵列方向矩阵进行优化处理、以获得相对于基准阵元各方向角所对应的最优天线加权向量参数。

所述各坐标点分别相对于各接收阵元的方向向量为：

a(θ_l，r_m)＝[exp(j(-Nγ_lm+(-N)²φ_lm))，K，exp(j(Nγ_lm+N²φ_lm))]^T，l＝1，...，L；m＝1，...，M

其中， (θ₁，r₁)，...，(θ_L，r_M)为各个坐标点对应的位置坐标，d是阵元间距，λ是信号的波长，2N+1为阵列的阵元个数，L和M分别为观测方向角的方向和观测距离等间隔划分的个数，[g]^T代表向量的转置。

所述设定信号的频率和各坐标点的位置坐标依次确定各坐标点分别相对于各接收阵元的方向向量，并将相对于基准阵元同一方向角度、不同距离的坐标点所对应的各方向向量依次作为列向量、进而得到该角度范围内各坐标点相对于基准阵元的阵列方向矩阵为：

A_o(θ_i)＝[a(θ_i，r₁)，...，a(θ_i，r_M)]，(i＝1，...，L)

所述根据所选定主波束的宽度设置相对于基准阵元同一方向角所对应的旁瓣区域、确定该旁瓣区域内所含坐标点相对于各接收阵元的方向向量，并将所得各方向向量作为列向量、进而得到相对于基准阵元同该一方向角对应旁瓣区域所含坐标点的阵列方向矩阵为：

A_sl(θ_i)＝[a(θ₁)，...，a(θ_i-η)，a(θ_i+η)，...，a(θ_L)]，(i＝1，...，L)

其中，a(θ_i)＝[a(θ_i，r₁)，...，a(θ_i，r_M)]，θ_i为相对于基准阵元的方向角，η为波束宽度的一半。

所述利用凸优化技术分别对各方向角度所对应的阵列方向矩阵和相应旁瓣区域内所含坐标点相对于各接收阵元的阵列方向矩阵进行优化处理、以获得相对于基准阵元各方向角所对应的最优天线加权向量参数，即通过：

$\underset{W}{\min }\mathrm{\ξ}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{\left|\right|A_o^H\left({\mathrm{\θ}}_i\right)w_i-1\left|\right|}_{\∞}\≤\mathrm{\ξ}\\ {\left|\right|A_{\mathrm{sl}}^H\left({\mathrm{\θ}}_i\right)w_i\left|\right|}_{\∞}\≤\mathrm{\ξ}\end{array}\right.,$ i＝1，...，L

进行优化处理，其中：θ₁，...，θ_L为相对于基准阵元的各方向角，w_i(i＝1，...，L)为各方向角对应的最优加权向量参数，||g||_∞表示向量的无穷范数(向量元素的最大值)，ξ为误差容忍参数。

在步骤C中所述将管理目标发出的信息参数与基础数据库中存入的各最优天线加权向量参数分别进行匹配处理：

f(i)＝|Y(t)^Hw_i|，i＝1，...，L，

其中，f(i)(i＝1，...，L)代表阵列接收数据与各最优天线加权向量参数的匹配值，Y(t)＝a(θ_r，r_r)s(t)，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。

本发明由于将待监控的空间区域分成若干个小区域，并根据各小区域的中心点相对于基准阵元的方向角度和距离确定其空间位置坐标；然后根据设定信号的频率和各坐标点的位置坐标依次确定各坐标点相对于各接收阵元的方向向量；并利用凸优化技术确定相对于基准阵元各方向角所对应的最优天线加权向量参数；并将各方位角最优天线加权向量参数连同该加权向量参数所对应的方向角、作为目标来波方向进行测定的基础数据；同时在各管理目标上分别设置对应的识别码和可发射与设定频率相同的信号发射芯片；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管理目标的距离信息，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.为具体实施方式归一化方向波束图；

图3.为采用背景技术在相同条件下的归一化方向波束图。

具体实施方式

本实施方式采用9元均匀线形阵列，波长30米、阵元间距d＝λ/2、信号来波的方向为0度，同一方向角内各坐标点相对于基准阵元的距离分别为50m、100m，...，1000m；设定方向角搜索范围为-60～60度、搜索距离范围为50～1000m；目标信号来波方向进行测定的方法为：

步骤A.建立测向基础数据库：根据设定信号的频率10MHZ和各小区域中心点的位置坐标(-60°，50m)，(-60°，100m)，...，(-60°，1000m)，(-59°，50m)，(-59°，100m)，...，(-59°，1000m)，...，(60°，50m)，(60°，100m)，...，(60°，1000m)依次确定来自121×20个坐标点相对于各接收阵元的方向向量。观测方向角和距离分别被1°和50m等间隔划分，划分的个数分别为121和20，并选取9元均匀线形阵列中第一个阵元作为基准阵元，且阵元间隔为15米，即为信号波长的一半。

接收机(接收阵列)对来自各坐标点相对于各接收阵元的方向向量为：

a(θ_l，r_m)＝[exp(j(-4γ_lm+(-4)²φ_lm))，...，exp(j(4γ_lm+4²φ_lm))]^T，l＝1，...，121；m＝1，...，20

其中，γ_lm＝-πsinθ_l，φ_lm＝πλcos²θ_l/4r_m；(θ_l，r_m)(l＝1，...，121；m＝1，...，20)为各坐标点的位置坐标。

针对来自第一个坐标点位置坐标(-60°，50m)相对于各接收阵元的方向向量为：

依次根据设定信号的频率和其余坐标点的位置坐标可以确定其余坐标点相对于各接收阵元的方向向量。

确定相对于基准阵元各方向角θ＝-60°，-59°...，60°所对应的最优加权向量：

利用凸优化约束

$\underset{W}{\min }\mathrm{\ξ}$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{\left|\right|A_o^H\left({\mathrm{\θ}}_i\right)w_i-1\left|\right|}_{\∞}\≤\mathrm{\ξ}\\ {\left|\right|A_{\mathrm{sl}}^H\left({\mathrm{\θ}}_i\right)w_i\left|\right|}_{\∞}\≤\mathrm{\ξ}\end{array}\right.,$ i＝1，...，121

进行优化处理，即确定相对于基准阵元各方向角为θ＝-60°，-59°...，60°所对应的最优加权向量参数组：

且ξ＝0.3269，其中，相对于基准阵元同一方向角度所对应的阵列方向矩阵为：

A_o(θ_i)＝[a(θ_i，50m)，a(θ_i，100m)，...，a(θ_i，1000m)]，(i＝1，...，121)，各旁瓣区域内所含坐标点相对于各接收阵元的阵列方向矩阵为：

A_sl(θ_i)＝[a(-60°)，...，a(θ_i-5°)，a(θ_i+5°)，...，a(60°)]，(i＝1，...，121)，

步骤B.设置各管理目标发射芯片的参数：

每一个管理目标均带有一个由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.确定管理目标的名称及方向：

当位于θ＝0°，r＝200m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)＝[-0.9960+0.0889i，-0.7414-0.6710i，-0.2437-0.9699i，0.1071-0.9943i，

0.2232-0.9748i，0.1071-0.9943i，-0.2437-0.9699i，-0.7414-0.6710i，-0.9960+0.0889i]T将各信号接收器接收到的信号与基础数据库中存入的各最优天线加权向量参数进行匹配处理，

f＝[f(1)，f(2)...，f(L)]＝|Y(t)^HW|＝[0.0627，0.0800，0.0819，...，0.0802，0.0628]，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0°，即采用本实施方式测得管理目标的方向角为0°；

经实测验证：该管理目标实际测量得到的准确方向角为0°，采用本实施方式进行100次信号来波方向估计的均方误差为：

式中，

表示第i次试验的估计值，θ_r为真实测量值。

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(-50°～49°)作仿真测试，其均方误差为：

式中，

为第i个目标方向的测量值，θ_i为第i个目标方向的实际值；测量误差小于0.5度的概率达85％以上。

Claims (7)

1.一种对近场目标信号来波方向进行测定的方法，包括：

步骤A.建立测向基础数据库：首先将待监控的平面区域分成若干个小区域、并以各小区域的中心点作为对应小区域的坐标点，利用均匀线形阵接收设定频率的信号、并选取阵列中任一阵元作为基准阵元，该阵元所处位置作为坐标原点，然后将各个坐标点相对于基准阵元的方向角度和距离作为对应小区域的位置坐标；再依次将所得各方向角最优天线加权向量参数连同各最优加权向量参数所对应的方向角，作为目标来波方向进行测向的基础数据存入数据库中，备用；

步骤B.设置各管理目标信号发射芯片的参数：在各信号发射芯片上设置与步骤A所接收信号频率相同的信号源、及各芯片的识别码，然后将各信号发射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.确定管理目标的名称及方向：监控过程中，当各阵元接收到任一管理目标发出的信息参数后，将其与基础数据库中存入的各最优天线加权向量参数分别进行匹配处理，并从中搜索出与数据库中最优天线加权向量参数的最优匹配值，该匹配值所对应的方向角即为该目标所在的方向；同时将所收到信息参数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.显示目标的名称及当前的位置方向：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的名称及当前的位置方向，并在可视化界面上显示出各管理目标的名称及当前所在位置的方向；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所述对近场目标信号来波方向进行测定的方法，其特征在于所述各方向角最优天线加权向量参数按以下方式确定：首先根据设定信号的频率和各坐标点的位置坐标依次确定各坐标点相对于各接收阵元的方向向量，并将相对于基准阵元同一方向角度、不同距离的坐标点所对应的各方向向量依次作为列向量，进而得到该角度范围内各坐标点相对于基准阵元所对应的阵列方向矩阵；其次根据所选定主波束的宽度设置相对于基准阵元该方向角所对应的旁瓣区域，确定该旁瓣区域内所含坐标点相对于各接收阵元的方向向量，并将所得各方向向量作为列向量，进而得到该旁瓣区域所含坐标点相对于各接收阵元的阵列方向矩阵；重复上述两步骤，依次确定相对于基准阵元各方向角度所对应的阵列方向阵和相应旁瓣区域所含坐标点对应的阵列方向矩阵；然后利用凸优化技术分别对各方向角度所对应的阵列方向矩阵和相应旁瓣区域内所含坐标点相对于各接收阵元的阵列方向矩阵进行优化处理，以获得相对于基准阵元各方向角所对应的最优天线加权向量参数。

3.按权利要求2所述对近场目标信号来波方向进行测定的方法，其特征在于所述各坐标点分别相对于各接收阵元的方向向量为：

a(θ_l,r_m)=[exp(j(-Nγ_lm+(-N)²φ_lm)),…,exp(j(Nγ_lm+N²φ_lm))]^T，l=1,...,L;m=1,...,M

其中， ${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{lm}}=-2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\sin {\mathrm{\θ}}_l,$ ${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{lm}}=\mathrm{\π}\frac{d^2}{{\mathrm{\λr}}_m}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_l,({\mathrm{\θ}}_1,r_1),...,({\mathrm{\θ}}_L,r_M)$ 为各个坐标点对应的位置坐标，d是阵元间距，λ是信号的波长，2N+1为阵列的阵元个数，L和M分别为观测方向角的方向和观测距离等间隔划分的个数，[·]^T代表向量的转置。

4.按权利要求2所述对近场目标信号来波方向进行测定的方法，其特征在于所述将相对于基准阵元同一方向角度、不同距离的坐标点所对应的各方向向量依次作为列向量、进而得到的该同一方向角度范围内各坐标点相对于基准阵元的阵列方向矩阵为：

A_o(θ_i)=[a(θ_i,r_l),...,a(θ_i,r_M)],(i=1,...,L)。

5.按权利要求2所述对近场目标信号来波方向进行测定的方法，其特征在于所述进而得到该旁瓣区域所含坐标点相对于各接收阵元的阵列方向矩阵为：

A_sl(θ_i)=[a(θ_l),...,a(θ_i-η),a(θ_i+η),...,a(θ_L)]，(i=1,...,L)

其中，a(θ_i)=[a(θ_i,r_l),...,a(θ_i,r_M)]，θ_i为相对于基准阵元的方向角，η为波束宽度的一半。

6.按权利要求2所述对近场目标信号来波方向进行测定的方法，其特征在于所述利用凸优化技术分别对各方向角度所对应的阵列方向矩阵和相应旁瓣区域内所含坐标点相对于各接收阵元的阵列方向矩阵进行优化处理，即通过：

$\underset{W}{\min }\mathrm{\ξ}$

$s.t.=\left\{\begin{array}{c}{\left|\right|A_o^H\left({\mathrm{\θ}}_i\right)w_i-1\left|\right|}_{\∞}\≤\mathrm{\ξ}\\ {\left|\right|A_{\mathrm{sl}}^H\left({\mathrm{\θ}}_i\right)w_i\left|\right|}_{\∞}\≤\mathrm{\ξ}\end{array}\right.,i=1,...,L$

进行优化处理，其中：θ_l,....,θ_L为相对于基准阵元的各方向角，w_i(i＝1,...,L)为各方向角对应的最优加权向量参数，||·||_∞表示向量的无穷范数（向量元素的最大值），ξ为误差容忍参数。

7.按权利要求1所述对近场目标信号来波方向进行测定的方法，其特征在于步骤C中所述将管理目标发出的信息参数与基础数据库中存入的各最优天线加权向量参数分别进行匹配处理，即通过：

f(i)=|Y(t)^Hw_i|,i＝1,...,L，

进行处理，其中：f(i)(i＝1,...,L)代表阵列接收数据与各最优天线加权向量参数的匹配值，Y(t)=a(θ_r,r_r)s(t),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。