CN102540138A - 一种多基线相位搜索式二维空间谱测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多基线相位搜索式二维空间谱测向方法。它以多基线相位干涉仪测向算法为基础，针对各基线相位差与来波方向到达角间的关系，构造空间谱函数，利用二维搜索的方法获得入射方向的角度进行测向。本发明提出了一种新颖的利用相位干涉仪法进行测向的方法，可以在各基线相位差未知的情况下直接通过构造空间谱函数进行二维搜索得到入射信号的方向。本发明是一种二维测向方法，能实现包括多源多径信号的入射方向的二维测量，有效避免由于各通道幅相误差而导致测向方法失灵的情况。

Description

一种多基线相位搜索式二维空间谱测向方法

技术领域

本发明涉及测向技术领域，具体涉及一种多基线相位搜索式二维空间谱测向方法，用于二维空间谱的到达角的估计。

背景技术

随着阵列信号处理技术的不断发展，无源定位技术对于测向算法的要求也越来越高。测向算法按其原理不同可分为比幅法测向、相位法测向、幅相结合法测向、时差测向、空间谱估计测向等。相位法测向中应用最广泛的是多基线相位干涉仪技术和多基线相关干涉仪技术，它们在电子对抗、辐射源定位等领域中已获得广泛应用。

相位法测向技术发展到如今已经形成许多成熟的方法，如文献1[谌丽，陈吴，肖先赐，“五元均匀圆阵干涉仪加权测向算法及解相位模糊的条件”，《电子对抗》，2004，(1)：8～12]提出的五元均匀圆阵干涉仪加权测向算法、文献2[陈旗，黄高明，宋士琼，“九元均匀圆阵干涉仪测向体制中圆阵的设计研究”，中国电子学会电子对抗分会第十四届学术年会论文集，2005，(1)：717～721]提出的九元均匀圆阵干涉仪测向体制中圆阵的设计问题等。现有的多基线相位干涉仪测向技术需要以适当方法求得任意两天线接收信号的相位差并对其解模糊，然后通过反三角函数运算得到信号入射角。当外部电磁环境恶劣而导致相位差计算误差较大或基线解模糊偏差较大时，会严重影响DOA估计的精度甚至出现方法失效的情况发生。此外，在非同频多源信号入射时，相位干涉仪测向算法必须改为相位谱(互相关谱)干涉仪算法才能避免算法失灵的情况。但在同频多源、多径信号同时出现时，上述各种方法均将失效。基于多重信号分类的空间谱估计(MUSIC)方法能应付此类情况，但计算量很大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多基线相位搜索式二维空间谱测向方法，该方法兼顾测向精度和可靠性、能够应对同频/非同频多源多径信号情况的测向。

本发明提供的一种多基线相位搜索式二维空间谱测向方法，首先构造阵列流型，然后计算各基线上两个天线接收信号的互相关，并对每根基线构造空间谱函数；最后构造多基线的总空间谱函数，并进行二维搜索，得到信号入射角。

本发明利用多条基线上的天线接收信号构造空间谱函数，然后在

平面上进行二维搜索，最终可以得到单信号、同频/非同频多信号的测向结果。本方法具有以下特点：

(1)方法简单，易于实现，不需要专门的相位解模糊过程，测向精度高；

(2)不受信号入射角分布区域局限，能够估计任意方向的信号到达角；

(3)受天线阵外部环境影响小，能够实现单信号、同频/非同频的多源多径信号的二维测向，克服了一般相位法测向技术无法处理同频多信号测向的问题。

本发明与其它方法比较，不需要专门的相位解模糊过程，算法极易实现；同时，由于直接利用接收信号快拍构造空间谱，不需要反三角函数运算来得到相位差和信号入射角，即使在相位差出现高误差的情况下也不会出现算法完全失效的情况。最重要的还在于，此算法能有效应对信源个数和环境因素的影响，在同频/非同频多源多径信号入射情况下仍可应用。

附图说明

图1是多基线相位搜索式空间谱测向方法的流程图；

图2是构造的第一种空间谱函数

的三维空间谱图；

图3是构造的第二种空间谱函数

的三维空间谱图。

具体实施方式

下面结合附图来阐述本发明的具体实施方式。

本发明方法对于单个入射信号或多源多径入射信号均利用各个天线接收到的信号直接构造基于相位搜索的二维空间谱函数，对来波信号进行二维波达方向估计，再通过使用多条基线上的多个天线的接收信号来构造不同的空间谱函数并求其公共解，从而解决相位模糊、低信噪比和多源多径等问题，以获得入射信号的到达角度。

如图1所示，本发明所公开的多基线相位搜索式二维空间谱测向方法，包括以下实施步骤：

(1)构造阵列流型

本发明对于天线阵列流型的要求如下：一方面要求天线之间的距离应与需接收信号的波长相近似(其中，最短基线的长度小于接收信号的半波长)；另一方面，天线阵中任意两个天线形成的基线不能全部平行。例如，由5个天线、8个天线、9个天线甚至更多天线构成的均匀圆阵，都非常适合作为本发明所用的天线阵列。

(2)计算各基线上两个天线接收采样得到的信号的互相关，并对每根基线构造空间谱函数；

对于单个入射信号s(n)的情况，第p个天线接收采样得到的复信号为：

式中，θ和

分别为信号入射方向的俯仰角和方位角，|s(n)|表示入射信号s(n)的等效复基带信号的模值，f₀和f_s分别为入射信号的中心频率和采样频率，表示第p个天线接收信号的初相位，是关于

的函数，n为采样点序号。

对于多源多径入射信号s_k(n)情况，第p个天线接收采样得到的复信号为：

其中，K为多源多径信号的个数，|s_k(n)|表示第k个多源多径入射信号s_k(n)的等效复基带信号的模值，

f₀和f_s分别为入射信号的中心频率和采样频率，

表示第p个天线接收到的第k个多源多径信号的初相位，n为接收采样获得数据的序号。

无论何种形式的信号入射，直接根据第p个、第q个天线实际接收到的复信号x_p(n)、x_q(n)的互相关值

以及由这两个天线的相对位置关系和信号入射方向而决定的理想相位差

的计算公式，构造以下形式的空间谱函数：

其中，“*”表示求复数的共扼运算，Im(·)表示求复数的虚部，|·|表示取绝对值。

的计算公式由以下方法得到：

首先选取阵列流型的中心作为坐标原点(以圆阵为例即圆心)，入射角为

中心频率为f₀(对应的波长为λ₀)的接收信号到达位于(a_p，b_p，c_p)处的第p个天线与到达坐标原点的时延差为：

其中，c为电磁波传播速度，τ_p为正值，表示信号到达该天线的时刻早于到达参考点的时刻，τ_p为负值则含义相反。由此可以确定天线阵中的第p个和第q个天线接收该信号所对应的相位差为：

${\mathrm{\Δ\ψ}}_{\mathrm{pq}}={2\mathrm{\πf}}_0{\mathrm{\Δ\τ}}_{\mathrm{pq}}=2\mathrm{\π}\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_0}({\mathrm{\τ}}_p-{\mathrm{\τ}}_q)$

将天线阵中各基线上的两个天线的实际坐标代入上式，即可推导出所需全部基线所对应的相位差

计算公式，它们是关于信号入射角

的函数。

由于可获得天线接收信号的大量采样数据，因而可以对上述空间谱函数进行N点(N为采样获得数据的个数)平滑处理，成为以下形式的函数：

平滑处理可以使DOA估计结果更为精确可靠，而计算复杂度仅略有增加。

(3)构造多基线的总空间谱函数，并进行二维搜索，得到信号入射角。

理论上通过对上述单个基线的空间谱函数

进行关于

的二维搜索，空间谱函数值最小时对应的

为求得的信号入射方向，即：

但实际上，在对上述空间谱函数进行二维搜索时，可能会出现若干极小值点，因而可能得到虚假入射方向。对此，可以通过构造多基线空间谱来消除虚假的结果。

(3.1)构造多基线总空间谱函数，其方法有二种：

第一种方法为：

分别用每条基线上的两个天线所接收采样得到的信号构造出一个二维空间谱函数

然后将这些空间谱函数相加组成多基线总空间谱函数：

其中，M为基线的个数。上述总空间谱函数取最小值时所对应的角度为每条基线的空间谱函数

同时都达到最小时对应的公共角度

该公共角度即为测得的信号入射角度，由此有效地消除了相位模糊和低信噪比情况下的虚假测量结果。

第二种方法为：

将第一种方法中的每条基线对应的空间谱函数

的倒数相加组成另一种多基线总空间谱函数：

上述总空间谱函数取最大值时所对应的角度

为每条基线的空间谱函数

同时都达到最大时对应的公共角度

该公共角度即为测得的信号入射角度，有效消除了相位模糊和低信噪比情况下的虚假测量结果。同时利用这种方法构造的多基线总空间谱函数可以使得二维搜索结果更加精确直观。

(3.2)进行二维搜索时，直接对所得到的二维的总空间谱函数

和

进行描点，并作出关于和

的三维空间谱图，如图2、图3所示。图2中谱谷处所对应的

和图3中谱峰处所对应的

即为所测得的信号入射方向(图中已用数字标出，单位为度)。若存在多个谱谷或者谱峰，则说明有多源信号入射或者单源信号的多径入射。下面简单介绍不同类型信号入射的空间谱图的特点：

对于单源信号，真实角度对应的空间谱函数的值理论上为0，实际上接近0，所以，空间谱函数对应的三维空间谱图的谱峰是很尖锐的那种，而噪声和多径等因素则会影响到三维空间谱图中普峰的尖锐度。

对于多源多径信号，由于噪声、多径以及信号源之间的互相影响，使得空间谱函数

只能在各信号入射方向上达到相对最小，即取得一个函数的极小值，对应在三维空间谱图上是一个较平滑的谱谷；对于空间谱函数

来说即在各信号入射方向

上达到相对最大，即取得一个函数的极大值，对应在三维空间谱图上是一个较平滑的谱峰，而每个信号源的功率和该信号源距离天线阵的距离会影响到三位空间谱图中谱峰的尖锐度。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种多基线相位搜索式二维空间谱测向方法，首先构造阵列流型，然后计算各基线上两个天线接收信号的互相关，并对每根基线构造空间谱函数；最后构造多基线的总空间谱函数，并进行二维搜索，得到信号入射角。

2.根据权利要求1所述的多基线相位搜索式二维空间谱测向方法，其特征在于：所述阵列流型要求天线之间的距离与需接收信号的波长相近似。

3.根据权利要求1所述的多基线相位搜索式二维空间谱测向方法，其特征在于：所述阵列流型中的天线构成均匀圆阵。

4.根据权利要求1、2或3所述的多基线相位搜索式二维空间谱测向方法，其特征在于：

每根基线按照下述方式构造空间谱函数：

其中，N为接收采样获得数据的个数，n为接收采样获得数据的序号，Im(·)表示求复数的虚部，表示相位差，x_p(n)、x_q(n)分别表示第p个、第q个天线实际接收采样得到的复信号，“*”表示求复数的共扼运算，e表示自然对数，j为虚数单位。

5.根据权利要求4所述的多基线相位搜索式二维空间谱测向方法，其特征在于，按照下述方式构造多基线的总空间谱函数

分别用每条基线上的两个天线所接收采样得到的信号构造出一个二维空间谱函数

然后将这些空间谱函数相加组成多基线的总空间谱函数。

6.根据权利要求4所述的多基线相位搜索式二维空间谱测向方法，其特征在于，按照下述方式构造多基线的总空间谱函数：

将每条基线对应的空间谱函数

的倒数相加组成另一种多基线总空间谱函数

7.根据权利要求5所述的多基线相位搜索式二维空间谱测向方法，其特征在于，所述二维搜索是指对所得到的二维的总空间谱函数

进行描点，并作出关于的三维空间谱图，确定该三维空间谱图中谱谷处所对应的入射角度

8.根据权利要求6所述的多基线相位搜索式二维空间谱测向方法，其特征在于，所述二维搜索是指对所得到的二维的总空间谱函数

进行描点，并作出关于

的三维空间谱图，确定该三维空间谱图中谱峰处所对应的入射角度

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