CN102749612B - 一种相关干涉仪的快速测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通信信号处理技术，特别是涉及一种相关干涉仪的快速测向方法。一种相关干涉仪的快速测向方法，包括如下步骤：1）首先根据测向用户所需的角度间隔计算0°～180°方位角和各仰角对应的多通道导向矢量，并以某通道为基准归一化处理后存储；2）接收多通道外部无线信号后，对各通道无线信号进行正交数字下变频处理，获得低中频复信号或零中频复信号；3）对得到的低中频复信号或零中频复信号，按导向矢量所用的基准通道进行归一化处理，再计算其与预存各来向导向矢量的相关系数，通过相关系数确定外部无线信号信号的来向。本发明快速测向方法在不改变阵列组成的情况下，通过较少计算即可获得空间信号的来向，算法步骤少，实现简单，而且具有较高的测向精度。

Description

一种相关干涉仪的快速测向方法

技术领域

本发明涉及一种通信信号处理技术，特别是涉及一种相关干涉仪的快速测向方法。

背景技术

无线电测向在军事和民用领域都有十分广泛的应用价值，在诸如雷达导航、声纳、移动通信等方面发挥着重要作用。干涉仪主要是通过测量天线阵列的各阵元间复数电压分布，从而计算出电波方向。该类算法具有处理时间短、技术成熟的优点，已大量地应用在辐射源的测向和定位中。

传统的相位干涉仪，直接利用电波在测向极限上形成的相位差来确定来波方向。测向速度快，实现简单。但由于阵列误差的存在，入射波的相位和幅度分布与估计值间易发生偏差，此时算法性能下降严重。

相关干涉仪是通过比较获取的入射波与预存的各方位、各频率来波对应的复数电压分布的相似性来得到入射波方向。由于采用了相关处理，弱化了阵列误差对于测向的影响，但大大增加了运算量。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提出一种相关干涉仪的快速测向方法，解决了传统的相关干涉仪测向中运算量大的问题。

本发明所采用的技术方案：

一种相关干涉仪的快速测向方法，包括如下步骤：

1）首先根据测向用户所需的角度间隔计算0°～180°方位角和各仰角对应的多通道导向矢量，并以某通道为基准归一化处理后存储；

2）接收多通道外部无线信号后，对各通道无线信号进行正交数字下变频处理，获得低中频复信号或零中频复信号；

3）对得到的低中频复信号或零中频复信号，按导向矢量所用的基准通道进行归一化处理，再计算其与预存各来向导向矢量的相关系数，通过相关系数确定外部无线信号信号的来向。

所述的相关干涉仪的快速测向方法，步骤1）及步骤3）中，按照如下原则，对多通道导向矢量和多通道复信号进行归一化处理：

1）选定基准通道，多通道导向矢量和多通道复信号的基准通道序号需一致；

2）采用基准通道数据复乘各通道数据实现归一化处理，即仅对数据的相位做归一化处理。

所述的相关干涉仪的快速测向方法，步骤3）中，归一化处理后的多通道导向矢量与多通道复信号的相关系数计算流程包括：

1）归一化导向矢量和归一化复信号对应通道数据的实部乘实部，虚部乘虚部；

2）各通道实部与实部乘积减去虚部与虚部乘积，再将各通道结果相加，求绝对值，计算结果记作当前外部无线信号与该导向矢量的相关系数a；

3）各通道实部与实部乘积加上虚部与虚部乘积，再将各通道结果相加，求绝对值，计算结果作为当前外部无线信号与该导向矢量的相关系数b。

所述的相关干涉仪的快速测向方法，步骤3）中，通过相关系数确定外部无线信号来向的流程包括：

1）比较复信号与各个导向矢量的相关系数（包括a和b）的大小，找出最大值，

2）如果最大的相关系数属于某导向矢量的相关系数a，则来向判断为该导向矢量所对应的方位角和仰角，

3）如果最大的相关系数属于某导向矢量的相关系数b，则来向的方位角判断为该导向矢量所对应的方位角加上180°，来向的仰角即为该导向矢量所对应的仰角。

本发明的有益效果：

1、本发明相关干涉仪的快速测向方法，在不改变阵列组成的情况下，通过较少计算即可获得空间信号的来向，在不明显降低相关精度的前提下，使整体乘法计算量减为原先的四分之一，而且具有较高的测向精度。本发明测向方法算法步骤少，实现简单，特别适合FPGA，GPU等并行计算芯片使用。

2、本发明相关干涉仪的快速测向方法，利用相关运算本身的性质，无需先验知识，不局限于信号类型、频段和测向阵列类型。对相关前对信号的各种预先处理不做任何限定。在具体实现时，考虑的是软件无线电结构。即射频采样，低中频或零中频处理。因此可应用于软件无线电与认知无线电系统，短波或超短波宽带接收系统中，适用范围广泛。

附图说明

图1：本发明的相关干涉仪测向方法的流程图；

图2：本发明相关干涉仪测向方法接收机结构示意图；

图3：本发明的快速测向模块结构示意图；

图4：本发明快速测向算法与传统相关测向算法性能比较示意图（均匀圆阵侧向均方误差随信号来向的曲线图）。

具体实施方式

实施例一：如图1所示，本发明相关干涉仪的快速测向方法，沿用传统相关干涉仪的基本结构，通过信号接收机中数字信号处理方法的改进，实现相关干涉仪的快速测向，其步骤包括：

步骤110、接收机开始工作前，首先进行初始化操作，根据测向用户所需的角度间隔计算0°～180°方位角和各仰角对应的多通道导向矢量，并以某通道为基准归一化处理后存储；

步骤120、对接收机接收的各通道无线信号通过正交数字下变频处理，再经整形滤波和加窗等预处理后，获得低中频复信号或零中频复信号；

步骤130、对得到的低中频复信号或零中频复信号，按导向矢量所用的基准通道进行归一化处理，再计算其与预存各来向导向矢量的相关系数，通过相关系数确定外部无线信号信号的来向。

实施例二：参见图1，本实施例的相关干涉仪的快速测向方法，与实施例一不同的是，在步骤110及步骤130中，按照如下原则，对多通道导向矢量和多通道复信号进行归一化处理：

1）多通道导向矢量和多通道复信号的基准通道序号需一致；

2）对各通道数据进行归一化处理，实际操作时，复数除法用乘法代替，各通道数据乘基准通道数据的共轭，即仅对数据的相位做归一化处理。

实施例三：参见图1，本实施例的相关干涉仪的快速测向方法，与实施例二不同的是，步骤130中，对归一化处理后的多通道导向矢量与多通道复信号的相关系数计算流程包括：1）归一化导向矢量和归一化复信号对应通道数据的实部乘实部，虚部乘虚部；2）各通道实部与实部乘积减去虚部与虚部乘积，再将各通道结果相加，求绝对值，计算结果记作当前外部无线信号与该导向矢量的相关系数a；3）各通道实部与实部乘积加上虚部与虚部乘积，再将各通道结果相加，求绝对值，计算结果作为当前外部无线信号与该导向矢量的相关系数b；

然后通过相关系数确定外部无线信号来向，流程包括：1）比较复信号与各个导向矢量的相关系数的大小（包括a和b），找出最大值，2）如果最大的相关系数属于某导向矢量的相关系数a，则来向判断为该导向矢量所对应的方位角和仰角，3）如果最大的相关系数属于某导向矢量的相关系数b，则来向的方位角判断为该导向矢量所对应的方位角加上180°，来向的仰角即为该导向矢量所对应的仰角。

实施例四：参见图2～图4，本实施例结合具体应用，进一步说明本发明相关干涉仪的快速测向方法。如图2所示，有N个接收天线。经各通道采样接收，按相同参数进行正交数字下变频操作，得低中频（或零中频）复信号（每通道分为I、Q两路）；之后进行各项预处理操作（如滑动加窗，预滤波等）；之后各通道信号进行通道归一化，即各通道信号数据除以相应时刻参考通道数据，实际操作复数除法用乘法代替，即各通道数据乘该通道数据的共轭，之后采用快速相关法测向，与相应频段预存的导向矢量匹配获得测向结果。

快速测向模块具体结构如图3所示。各通道信号匹配对应通道的预存导向矢量。在一次快速相关处理中，步骤如下：

步骤（a）通道归一化操作。在t=0时，用各通道数据乘以参考通道数据（此处以第一通道为参考通道），设有N个通道，用I_n、Q_n表示多通道数据，则归一化操作可表示如下：

之后的相关操作中，信号数据保持不变。

步骤（b）快速相关操作。在t=1～K时，导向矢量数据依次取不同来向数据。各时刻都用信号的I路数据乘导向矢量的I路数据，信号的Q路数据乘导

I_n=I_n×I₁-Q_n×Q₁

Q_n=I_n×Q₁-Q_n×I₁    n＝1…N

向矢量的Q路数据。假设用I′_in表示t=i时刻第n通道的导向矢量I路数据，用Q′_in表示t=i时刻第n通道的导向矢量Q路数据。

I路乘积减去Q路乘积，各路的运算结果相加，之和取模为t=i时刻的相关系数Ra(i)，所以0°～180°方位角对应的相关系数Ra计算公式为：

Ra(i)＝I₁×I′_i1-Q₁×Q′_i1

       +I₂×I′_i2-Q₂×Q′_i2

       +······

       +I_N×I′_iN-Q_N×Q′_iN      i＝1…T

I路乘积加上Q路乘积，各路的运算结果相加，之和取模为t=i时刻的相关系数Rb(i)，所以180°～360°方位角对应的相关系数Rb计算公式为：

Rb(i)＝I₁×I′_i1-Q₁×Q′_i1

       +I₂×I′_i2-Q₂×Q′_i2

       +······

       +I_N×I′_iN-Q_N×Q′_iN         i＝1…T

步骤（c）搜索来向操作。比较各相关系数，取最大值，其对应的导向矢量的方位即为当前信号方位。

设θ(i)为t=i导向矢量对应的信号来向，则真实来向θ计算公式为：

θ＝(θ(i)|max(Ra(i),Rb(i)))

图4为仿真实验对本发明方法与传统相关干涉仪方法性能比较；仿真取调频FM信号，10阵元圆阵，阵列半径与信号波长之比为2，导向矢量方位角从0～180°以0.5°为间隔。阵列各通道间的相位误差为15°，幅度误差为3dB。仿真了测向结果均方误差，随信噪比的变化趋势。

从图中结果可以看出，快速相关方法测向精度较传统方法具有较高精度。两者变化率相同，低信噪比下仍能完成信号测向。

Claims (2)

1.一种相关干涉仪的快速测向方法，其特征是：包括如下步骤：

1）首先根据测向用户所需的角度间隔计算0°～180°方位角和各仰角对应的多通道导向矢量，并以某通道为基准归一化处理后存储；

2）接收多通道外部无线信号后，对各通道无线信号进行正交数字下变频处理，获得低中频复信号或零中频复信号；

3）对得到的低中频复信号或零中频复信号，按导向矢量所用的基准通道进行归一化处理，再计算其与预存各来向导向矢量的相关系数，通过相关系数确定外部无线信号的来向，归一化处理后的多通道导向矢量与多通道复信号的相关系数计算流程包括：

3.1）归一化导向矢量和归一化复信号对应通道数据的实部乘实部，虚部乘虚部；

3.2）各通道实部与实部乘积减去虚部与虚部乘积，再将各通道结果相加，求绝对值，计算结果作为当前外部无线信号与该导向矢量的相关系数a；

3.3）各通道实部与实部乘积加上虚部与虚部乘积，再将各通道结果相加，求绝对值，计算结果作为当前外部无线信号与该导向矢量的相关系数b。

2.根据权利要求1所述的相关干涉仪的快速测向方法，其特征是：步骤3）中，通过相关系数确定外部无线信号来向的流程包括：

1）比较多通道复信号与各个导向矢量的相关系数的大小，找出最大值；

2）如果最大的相关系数属于某导向矢量的相关系数a，则来向判断为该导向矢量所对应的方位角和仰角；

3）如果最大的相关系数属于某导向矢量的相关系数b，则来向的方位角判断为该导向矢量所对应的方位角加上180°，来向的仰角即为该导向矢量所对应的仰角。 

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