CN102445679A - 三信道空间谱估计测向系统的测向方法 - Google Patents

三信道空间谱估计测向系统的测向方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三信道空间谱估计测向系统的测向方法，包括测向天线阵、三个同频多信道接收机及测向算法处理器，所述测向天线阵为9元均匀圆阵，测向天线阵设有用于选择天线阵中不同天线元的天线选择开关；天线选择开关每次选择3副天线，其中1号天线每次必选，选择为129、138、147、156，其中每位数字代表所选天线号，四组天线轮流选取；测向接收机采用三通道，天线开关每次选的三副天线分别连接三个同频多信道接收机。本发明通过研究空间谱估计测向技术，改进MUSIC测向算法，在不减少天线元的情况下，减少接收信道，同时保证测向性能不变，达到降低测向设备成本，提高设备可靠性的目的。

Description

三信道空间谱估计测向系统的测向方法
技术领域
本发明涉及一种空间谱估计测向系统，特别涉及一种三信道空间谱估计测向系统的测向方法。
背景技术
空间谱估计测向技术是一种不同于传统的振幅测向法和相位测向法的全新测向方法，它是近三十年在经典谱估计理论基础上发展起来的，是一种以多元天线阵结合现代数字信号处理技术为基础的新型测向技术。空间谱估计测向技术基本原理：整个空间谱估计测向设备由三部分组成，即测向天线阵、同频多信道接收机及测向算法处理器。测向天线阵接收空间电磁波，将转换的电信号送到多信道接收机，每个天线对应接一个信道，接收信道对信号同时进行采样，其样本既是时域样本，也是对信号进行空间采样的样本，即对各天线单元的输出同时进行的一次采样具有空间域特性，对位于不同位置的各天线单元输出同时采样的样本进行处理，利用信号的时域函数和功率谱密度函数的特性，就能得到它的空间谱。采用空间谱估计方法计算信号的空间频率，进而确定空间入射波相对于接收天线的传播方向。空间谱估计的一般方法是构造一个以信号方向为参数的“谱函数”，并使得在信号的到达方向上具有尖锐的峰值，这样在进行谱分析时，其峰值就指示了信号的方位角。空间谱估计测向具有高精度、高分辨率的特点，可以同时对多个同频信号测向。空间谱估计测向技术要求有多个天线元组成天线阵，且每个天线对应接一个接收信道，天线元个数决定测向性能，若天线元数为N，最大可测信号个数为N-1，因此天线元个数越多，可同时测得的信号个数越多，测向精度越高。
现有空间谱测向技术决定测向设备复杂、成本高，一般天线阵元数取8或9，同时需要相同数量的接收信道，这些信道不是简单的多接收机累加，要求本振同源的相干接收信道，且要求各信道幅度相位一致，这些要求大大增加了设备的成本，降低了可靠性，这些因素直接影响空间谱估计测向技术在实际工程中的推广应用。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种三信道空间谱估计测向系统的测向方法，该测向方法的设备结构简单，成本较低，可靠性较高，能有效解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：本发明的三信道空间谱估计测向系统的测向方法，包括测向天线阵、三个同频多信道接收机及测向算法处理器，所述测向天线阵为9元均匀圆阵，测向天线阵设有用于选择天线阵中不同天线元的天线选择开关；天线选择开关每次选择3副天线，其中1号天线每次必选，选择为129、138、147、156，其中每位数字代表所选天线号，四组天线轮流选取；测向接收机采用三通道，天线开关每次选的三副天线分别连接三个同频多信道接收机；
其具体方法为：
1）、测向天线阵接收空间电磁波，将电磁波信号转换为电信号送到同频多信道接收机；
2）、同频多信道接收机对电信号进行放大、滤波以及A/D转换后的数字信号送到测向算法处理器进行数学处理；
a．同频多信道接收机对信号进行采样以收集天线子集快拍数据；
b．利用快拍数据计算协方差矩阵；
c．对协方差矩阵特征分解，得到特征值和特征向量；
d．找出最小特征值，并得到其对应的噪声矩阵；
e．利用噪声矩阵和子天线阵方向向量得到子空间谱                                                
Figure 68020DEST_PATH_IMAGE002
；
f．求出所有子阵的子空间谱
Figure 922844DEST_PATH_IMAGE002
，并通过非线性运算得到总空间谱
Figure 827215DEST_PATH_IMAGE004
；
g．由公式N=H-int(D/P)得到信号个数N；
h．对总空间谱
Figure 409374DEST_PATH_IMAGE004
进行最大值搜索，得到N个信号的来波方向。
作为优选，所述同频多信道接收机包括接收信道放大器、接收信道滤波器和接收信道模数变换器。
作为优选，所述测向算法处理器包括数据预处理单元、并行数字信号处理单元和计算机处理单元，数据预处理单元和并行数字信号处理单元与计算机单元连接，数据预处理单元与同频多信道接收机连接。
作为优选，所述测向算法处理器的计算机处理单元还连接一显示处理设备。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过研究空间谱估计测向技术，改进MUSIC测向算法，在不减少天线元的情况下，减少接收信道，同时保证测向性能不变，达到降低测向设备成本，提高设备可靠性的目的。
 
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的测向算法处理器的处理流程图。
 
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1和图2，本发明的三信道空间谱估计测向系统的测向方法，包括测向天线阵、三个同频多信道接收机及测向算法处理器15，所述测向天线阵为9元均匀圆阵，测向天线阵设有用于选择天线阵中不同天线元的天线选择开关1；天线选择开关1每次选择3副天线，其中1号天线每次必选，选择为129、138、147、156，其中每位数字代表所选天线号，四组天线轮流选取；测向接收机采用三通道，天线开关每次选的三副天线分别连接三个同频多信道接收机；
其具体方法为：
1）、测向天线阵接收空间电磁波，将电磁波信号转换为电信号送到同频多信道接收机；
2）、同频多信道接收机对电信号进行放大、滤波以及A/D转换后的数字信号送到测向算法处理器15进行数学处理；
a．同频多信道接收机对信号进行采样以收集天线子集快拍数据；
b．利用快拍数据计算协方差矩阵；
c．对协方差矩阵特征分解，得到特征值和特征向量；
d．找出最小特征值，并得到其对应的噪声矩阵；
e．利用噪声矩阵和子天线阵方向向量得到子空间谱
Figure 348381DEST_PATH_IMAGE002
；
f．求出所有子阵的子空间谱
Figure 201110283449X100002DEST_PATH_IMAGE005
，并通过非线性运算得到总空间谱
Figure 423040DEST_PATH_IMAGE004
；
g．由公式N=H-int(D/P)得到信号个数N；
h．对总空间谱
Figure 814707DEST_PATH_IMAGE004
进行最大值搜索，得到N个信号的来波方向。
所述同频多信道接收机包括接收信道放大器12、接收信道滤波器13和接收信道模数变换器14。
所述测向算法处理器15包括数据预处理单元16、并行数字信号处理单元17和计算机处理单元18，数据预处理单元16和并行数字信号处理单元17与计算机单元18连接，数据预处理单元16与同频多信道接收机连接。
所述测向算法处理器15的计算机处理单元还连接一显示处理设备19。
测向天线阵为9元均匀圆阵，通过天线选择开关1每次选择3副天线，其中1号天线每次必选，选取为：129、138、147、156，其中每位数字代表所选天线号，四组天线轮流选取，测向接收机采用三通道，天线选择开关每次选的三副天线分别连接三个同频多信道接收机。通过数字信号处理得到三个天线的快拍数据，采用MUSIC算法，得到每组数据协方差矩阵的特征值、噪声向量组成的矩阵，并求得子阵空间谱
Figure 951291DEST_PATH_IMAGE002
，通过天线组扫描，得到四组子阵空间谱，通过对这四组子阵空间谱
Figure 865730DEST_PATH_IMAGE002
非线性运算，得到总的空间谱
Figure 201110283449X100002DEST_PATH_IMAGE006
，求得N个空间谱极大值对应的方位角，即得到N个天空信号的来波方向，其中信号个数，可由公式得到：N=H-int(D/P)，式中H为子天线集天线个数，D为最小特征值个数，P天线子集数。

Claims (4)

1.一种三信道空间谱估计测向系统的测向方法，其特征在于：包括测向天线阵、三个同频多信道接收机及测向算法处理器，所述测向天线阵为9元均匀圆阵，测向天线阵设有用于选择天线阵中不同天线元的天线选择开关；天线选择开关每次选择3副天线，其中1号天线每次必选，选择为129、138、147、156，其中每位数字代表所选天线号，四组天线轮流选取；测向接收机采用三通道，天线开关每次选的三副天线分别连接三个同频多信道接收机；
其具体方法为：
1）、测向天线阵接收空间电磁波，将电磁波信号转换为电信号送到同频多信道接收机；
2）、同频多信道接收机对电信号进行放大、滤波以及A/D转换后的数字信号送到测向算法处理器进行数学处理；
a．同频多信道接收机对信号进行采样以收集天线子集快拍数据；
b．利用快拍数据计算协方差矩阵；
c．对协方差矩阵特征分解，得到特征值和特征向量；
d．找出最小特征值，并得到其对应的噪声矩阵；
e．利用噪声矩阵和子天线阵方向向量得到子空间谱                                                ；
f．求出所有子阵的子空间谱
Figure 21256DEST_PATH_IMAGE002
，并通过非线性运算得到总空间谱
Figure 731592DEST_PATH_IMAGE004
；
g．由公式N=H-int(D/P)得到信号个数N；
h．对总空间谱
Figure 99120DEST_PATH_IMAGE004
进行最大值搜索，得到N个信号的来波方向。
2.根据权利要求1所述的三信道空间谱估计测向系统的测向方法，其特征在于：所述同频多信道接收机包括接收信道放大器、接收信道滤波器和接收信道模数变换器。
3.根据权利要求1所述的三信道空间谱估计测向系统的测向方法，其特征在于：所述测向算法处理器包括数据预处理单元、并行数字信号处理单元和计算机处理单元，数据预处理单元和并行数字信号处理单元与计算机单元连接，数据预处理单元与同频多信道接收机连接。
4.根据权利要求3所述的三信道空间谱估计测向系统的测向方法，其特征在于：所述测向算法处理器的计算机处理单元还连接一显示处理设备。
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