CN103236885A - 一种超宽带无频率色散的doa估计方法及其装置 - Google Patents
一种超宽带无频率色散的doa估计方法及其装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103236885A CN103236885A CN2013100875973A CN201310087597A CN103236885A CN 103236885 A CN103236885 A CN 103236885A CN 2013100875973 A CN2013100875973 A CN 2013100875973A CN 201310087597 A CN201310087597 A CN 201310087597A CN 103236885 A CN103236885 A CN 103236885A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- frequency
- signal
- time delay
- time
- doa
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000001934 delay Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 6
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000005070 sampling Methods 0.000 abstract description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 206010044565 Tremor Diseases 0.000 description 1
- 239000003637 basic solution Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005562 fading Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
本发明公开了一种超宽带无频率色散的DOA估计装置，其特征在于：包括天线阵列和真延时空间变换信号处理单元，所述天线阵列用于接收来波信号并将其传送给真延时空间变换信号处理单元，对于特定的空间方位角，真延时空间变换信号处理单元将天线阵列中各阵元的采样波形进行延时相加，再对得到的波形进行脉冲压缩，并记录脉冲压缩后得到的波形的峰值；对空间方位角进行扫描，得到空间方位角和峰值的关系曲线，根据曲线的极值确定来波方向。本发明还公开了一种实现超宽带无频率色散的DOA估计方法。本发明克服传统宽带情形下DOA估计的信号展宽、频率色散等问题。
Description
技术领域
本发明属于天线阵列信号处理领域，具体涉及一种超宽带无频率色散的DOA估计方法及其装置，是一种利用真延时补偿波程差的超宽带目标定位方法及装置。
背景技术
基于阵列天线的信号处理方法被广泛地应用于雷达、通信、声纳、地震探测等领域。其中，电磁波信号波达方向(DOA: Direction of Arrival)估计问题一直是重要研究方向之一，为此产生了多种算法，其中较经典的是多重信号分类法MUSIC(Multiple Signal Classification)和基于旋转不变技术分类法ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)。之后，国内外众多学者在此基础上又提出了许多改进方法，如root-MUSIC、TLS-ESPRIT等，这些方法具有良好的分辨率和相对较小的计算量。但是这些方法大都是局限于窄带的DOA处理方法，并在信号模型中都假设噪声是白噪声，信号是平稳信号且信号之间是互不相关的。当这些假设其中之一不满足时，传统方法因没有充分利用信号本身蕴含的一些非空域特征，因而其估计性会迅速下降。因此，很有必要研究一些能有效地利用一套覆盖宽频段并且不受接收信号限制的阵列天线去处理该频段内所有的信号测向问题的方法。
超宽带(UWB)技术是一种不用载波而采用时间间隔纳秒级的脉冲进行通信的新型的无线通信技术，它通过对具有极抖上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽。超宽带技术具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点，解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题。故，将此应用于相控阵雷达中，将有效改善其传输性能，并且对应产生新的DOA处理算法。
对于窄带相控阵雷达，通过补偿接收电磁波在阵元之间引入的波程差就能达到其入射角上的功率最大值，通过扫描空间全范围得到该最大值，对应的角度即为入射角。但是宽带相控阵雷达信号频谱宽，若用中心频率最佳相位补偿波程差，由于不同的频率分量同样的波程差产生的相位色散是不一样的，因此会在接受波的频率高端和低端造成很大的补偿误差，形成频率上的色散现象。另外，根据空间采样理论，阵元间距都不能超过接收信号频点对应的半波长，否则会出现测量角度的模糊，为了不出现相位模糊现象，需要用接收电磁波的最高频率对应的半波长来设计阵元间距，这样做的结果是在信号低频处天线有效孔径小，估算性能低。一个新的思路是用时间补偿代替相位补偿。基本的解决方法是考虑在各阵元上引入各自时间延时来达到接收角方向同相相加，功率最大。现在有方法是采用延时线，但是价格昂贵，性能较差，且延时只能为离散值。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种超宽带无频率色散的DOA估计方法及其装置，克服传统宽带情形下DOA估计的信号展宽、频率色散等问题。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的第一种技术方案为一种超宽带无频率色散的DOA估计装置，包括天线阵列和真延时空间变换信号处理单元，所述天线阵列用于接收来波信号并将其传送给真延时空间变换信号处理单元，对于特定的空间方位角（简称“方位角”），真延时空间变换信号处理单元将天线阵列中各阵元的采样波形进行延时相加，再对得到的波形进行脉冲压缩，并记录脉冲压缩后得到的波形的峰值；对空间方位角进行扫描，得到空间方位角和峰值的关系曲线，根据曲线的极值确定来波方向。
进一步的，所述天线阵列包括多个直线型排列的阵元。
进一步的，所述阵元等间隔排列。
进一步的，所述真延时空间变换信号处理单元对接收的来波信号进行采样；各个空间角度射入的电磁波到达各个阵列阵元的时间可能有所偏差，通过真延时的时间补偿方法对接收信号进行时间对齐；所述真延时空间变换信号处理单元计算出每个角度对应的各个阵元的对齐时间常数，在每个角度上分别对齐相加，最终得到多个输出。
本发明采用的第二种技术方案为实现超宽带无频率色散的DOA估计方法，包括以下步骤：
(1)对于射入的电磁波信号的空间角度，计算出各阵元相对于参考阵元的时间延时；
(2)真延时的时间补偿：根据傅里叶变换的性质，以频域的相位补偿实现时域的延时补偿：若信号的时域延时 
，傅立叶变换后在频域表现为附加相位
，其中f为信号的频率，信号的时域延时在频域表现为一个随频率线性变化的附加相位，即一个固定的群延时；运用上述真延时进行各阵元接收信号的时间对齐，达到相位同步，并求和，再对得到的波形进行脉冲压缩，并记录脉冲压缩后得到的波形的峰值；
(3)确定波达方向：重复步骤（1）和步骤（2），在整个空间进行方位角的扫描，获得角度-峰值的关系曲线，根据曲线的极值确定来波方向，由此进行DOA方向估计。
有益效果：本发明采用的时间延时方法为真延时，以频域的相位补偿来实现时域的精确延时。根据傅立叶变换的时移特性，若信号的时域延时
，傅立叶变换后在频域表现为附加相位
，也就是说，信号的时域延时
在频域表现为一个随频率线性变化的附加相位，即一个固定的群延时。本发明能够达到真正意义上的时域延时，不仅可以实现整数个采样周期的延时，还能实现分数个采样周期的延时，延时准确。并且对输入信号无特定要求，因而，能有效地处理超宽带信号的来波方向估计。
附图说明
图1为本发明的超宽带无频率色散的DOA估计装置结构示意图；
图2为本发明采用的直线型均匀阵元示意图；
图3为本发明的真延时信号变换器的对应一个角度的基本处理单元示意图，可以采用任意个覆盖全空间。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提供了一种超宽带无频率色散的DOA估计装置，该装置的阵元采用直线型的均匀线阵排列，共R个。每个阵元独立接收来自空间任意方向的电磁波信号并将其传送给真延时空间变换信号处理单元，下面简称为“真延时空间变换器”。真延时空间变换器对输入的模拟信号以频率
进行采样，得到R组数字信号。各个空间角度射入的电磁波到达各个阵元的时间可能有所偏差，通过真延时的时间补偿方法对接收信号进行时间对齐。将
空间角分为M等分，即存在M个离散的来波方向，M越大角度分辨越高。真延时空间变换器计算出每个角度对应的各个阵元的对齐时间常数，在每个角度上分别对齐相加，最终得到M个输出。比较输出量得出来波角度，即为DOA方向估计。
本发明超宽带无频率色散的DOA估计方法步骤如下：(1)、对于特定的空间角度，计算出各阵元相对于参考阵元的时间延时；(2)、运用真延时进行各阵元接收信号的时间对齐，达到相位同步并求和，并对求和结果进行脉冲压缩，并记录脉冲压缩后得到的波形的峰值；(3)、重复第一步和第二步，对空间方位角进行扫描，得到空间方位角和峰值的关系曲线，根据曲线的极值确定来波方向，由此进行DOA方向估计。
图1是实现本发明方法的装置图，其中的天线接收单元采用的直线型均匀阵列模型可参照图2，真延时空间变换器的具体实现流程可参照图3。
参照图1，本发明装置首先通过阵列天线接收空间各方向的来波信号，信号经真延时空间变换器处理后输出为M个方向的延时相加信号，通过比较得出来波方向。
参照图2，本发明装置采用直线型均匀阵列模型，在水平x方向均匀排列R个接收阵元，阵元间距为d。每个阵元独立接收空间传播过来的电磁波信号，若信号
从一与x正方向成
的角度射入整个接收单元，那么相邻两阵元间的波程差为。将阵元1设为参考阵元，则各个阵元接收到的信号相对于阵元1信号延时
，其中k=1、2、3……，
为基本延时单元，根据图示可解得：
其中
为光速。
设阵列中两个阵元接收的信号分别为
和
，信号长度为N，
相对于
延时了
，其中M为延时的整数部分，m为延时的分数部分。采样到的数据长度为
，
的后M+1个数据和
的前M+1个数据中都没有信号，只有噪声。两者分别通过前后补零变成新的离散序列、
。
根据本发明采用的真延时方法，以基带信号为例，给出数字信号的群延时因子。对于近似带限信号，如果采样频率较高，使得采样后混迭可以忽略，那么数字信号的延时补偿可以采用与处理模拟信号同样的方法，只是补偿因子变为离散值，即存在一补偿因子使得下式成立：
若采集到的数据长度L为奇数，则：
若数据长度L为偶数，则：
其中，
。
对于本发明采用的图2所示的阵列模型，上述的延时D用
代入即得到每个阵元相对于参考阵元的延时：
若L为奇数，则：
若L为偶数，则：
其中k=1、2、3……，
。
本发明采用的真延时方法能将数字信号进行分数个采样周期的时间延时，没有延时步长的问题，延时精确。
参照图3，对于空间
方向，各阵元独立接收电磁波，真延时信号变换器在一段时间内对每个阵元送过来的信号进行采样率为
的采样并将其转换为长度为L的并行序列，这样的并行序列有R个。对这R个序列分别进行离散傅里叶变换，再根据图2对应的步骤计算出的每个阵元相对于参考阵元的延时时间
进行阵列信号时域补偿，将这R个序列补偿至相位对齐后进行相加。最后对相加后的数据进行离散傅里叶反变换得到补偿后的信号总和。若信号不是来自于
方向，那么此时计算出的结果削减了原信号频谱的峰值，会造成频率上的展宽和色散。因此，对该信号进行脉冲压缩及取峰值，再扫描得到方位角和峰值的关系曲线后，即能在
方向取到该曲线的极值，利用此对来波方向进行估计。
本发明方法及其装置简单实用，具有如下优点：
1、真延时信号变换器实际上是空间各个方向来波信号的线性全通滤波器，采用真延时的方法在时域对数字信号进行时间补偿，不受数字信号步长的影响，能同时进行整数和分数延时，精确度高；
2、除阵列部分，其余部分硬件参与不多，成本低；
3、根据入射方向计算时延，即能进行时间补偿，方法简单灵活；
4、应用广泛，有阵列参与的各个领域均可使用，该方法及其装置对波形无要求，可进一步解决各种宽带及超宽带下的波达方向估计问题，应用前景广阔。
Claims (5)
1.一种超宽带无频率色散的DOA估计装置，其特征在于：包括天线阵列和真延时空间变换信号处理单元，所述天线阵列用于接收来波信号并将其传送给真延时空间变换信号处理单元，对于特定的空间方位角，真延时空间变换信号处理单元将天线阵列中各阵元的采样波形进行延时相加，再对得到的波形进行脉冲压缩，并记录脉冲压缩后得到的波形的峰值；对空间方位角进行扫描，得到空间方位角和峰值的关系曲线，根据曲线的极值确定来波方向。
2.根据权利要求1所述超宽带无频率色散的DOA估计装置，其特征在于：所述天线阵列包括多个直线型排列的阵元。
3.根据权利要求2所述超宽带无频率色散的DOA估计装置，其特征在于：所述阵元等间隔排列。
4.根据权利要求2所述超宽带无频率色散的DOA估计装置，其特征在于：所述真延时空间变换信号处理单元对接收的来波信号进行采样；各个空间角度射入的电磁波到达各个阵列阵元的时间可能有所偏差，通过真延时的时间补偿方法对接收信号进行时间对齐；所述真延时空间变换信号处理单元计算出每个角度对应的各个阵元的对齐时间常数，在每个角度上分别对齐相加，最终得到多个输出。
5.一种利用如权利要求1所述装置实现超宽带无频率色散的DOA估计方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)对于射入的电磁波信号的空间角度，计算出各阵元相对于参考阵元的时间延时；
(2)真延时的时间补偿：根据傅里叶变换的性质，以频域的相位补偿实现时域的延时补偿：若信号的时域延时 
，傅立叶变换后在频域表现为附加相位
，其中f为信号的频率，信号的时域延时
在频域表现为一个随频率线性变化的附加相位；运用上述真延时进行各阵元接收信号的时间对齐，达到相位同步，并求和，再对得到的波形进行脉冲压缩，并记录脉冲压缩后得到的波形的峰值；
(3)确定波达方向：重复步骤（1）和步骤（2），在整个空间进行方位角的扫描，获得角度-峰值的关系曲线，根据曲线的极值确定来波方向，由此进行DOA方向估计。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2013100875973A CN103236885A (zh) | 2013-03-19 | 2013-03-19 | 一种超宽带无频率色散的doa估计方法及其装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2013100875973A CN103236885A (zh) | 2013-03-19 | 2013-03-19 | 一种超宽带无频率色散的doa估计方法及其装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103236885A true CN103236885A (zh) | 2013-08-07 |
Family
ID=48884905
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2013100875973A Pending CN103236885A (zh) | 2013-03-19 | 2013-03-19 | 一种超宽带无频率色散的doa估计方法及其装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103236885A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103558584A (zh) * | 2013-10-12 | 2014-02-05 | 中国科学院电子学研究所 | 一种波达方向的检测方法及装置 |
| CN107947844A (zh) * | 2017-11-27 | 2018-04-20 | 中国舰船研究设计中心 | 阵列天线的宽带信号生成方法及生成装置 |
| CN109683159A (zh) * | 2018-12-25 | 2019-04-26 | 上海匀羿电磁科技有限公司 | 一种车载断面扫描超宽带雷达及定向方法 |
| CN112202462A (zh) * | 2020-10-15 | 2021-01-08 | Oppo广东移动通信有限公司 | 时延补偿方法、装置、电子设备及存储介质 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1444413A (zh) * | 2002-03-12 | 2003-09-24 | 松下电器产业株式会社 | 自适应天线基站装置 |
| US20040061645A1 (en) * | 2002-09-27 | 2004-04-01 | Seo Jae Hyun | Digital broadcasting service receiver for improving reception ability by switched beam-forming |
| US20050195103A1 (en) * | 2004-01-13 | 2005-09-08 | Davis Dennis W. | Phased arrays exploiting geometry phase and methods of creating such arrays |
| CN1696734A (zh) * | 2004-05-13 | 2005-11-16 | 三菱电机株式会社 | 到达时差和到达角的确定 |
| US20100315292A1 (en) * | 2009-06-12 | 2010-12-16 | Samsung Electronics, Co., Ltd. | Direction of arrival estimation apparatus and method thereof |
-
2013
- 2013-03-19 CN CN2013100875973A patent/CN103236885A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1444413A (zh) * | 2002-03-12 | 2003-09-24 | 松下电器产业株式会社 | 自适应天线基站装置 |
| US20040061645A1 (en) * | 2002-09-27 | 2004-04-01 | Seo Jae Hyun | Digital broadcasting service receiver for improving reception ability by switched beam-forming |
| US20050195103A1 (en) * | 2004-01-13 | 2005-09-08 | Davis Dennis W. | Phased arrays exploiting geometry phase and methods of creating such arrays |
| CN1696734A (zh) * | 2004-05-13 | 2005-11-16 | 三菱电机株式会社 | 到达时差和到达角的确定 |
| US20100315292A1 (en) * | 2009-06-12 | 2010-12-16 | Samsung Electronics, Co., Ltd. | Direction of arrival estimation apparatus and method thereof |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103558584A (zh) * | 2013-10-12 | 2014-02-05 | 中国科学院电子学研究所 | 一种波达方向的检测方法及装置 |
| CN103558584B (zh) * | 2013-10-12 | 2016-08-17 | 中国科学院电子学研究所 | 一种波达方向的检测方法及装置 |
| CN107947844A (zh) * | 2017-11-27 | 2018-04-20 | 中国舰船研究设计中心 | 阵列天线的宽带信号生成方法及生成装置 |
| CN107947844B (zh) * | 2017-11-27 | 2020-10-30 | 中国舰船研究设计中心 | 阵列天线的宽带信号生成方法及生成装置 |
| CN109683159A (zh) * | 2018-12-25 | 2019-04-26 | 上海匀羿电磁科技有限公司 | 一种车载断面扫描超宽带雷达及定向方法 |
| CN112202462A (zh) * | 2020-10-15 | 2021-01-08 | Oppo广东移动通信有限公司 | 时延补偿方法、装置、电子设备及存储介质 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111044971B (zh) | 一种二维干涉仪测向系统 | |
| CN102680962B (zh) | 宽带认知被动雷达系统架构设计方法 | |
| CN106526589B (zh) | 一种基于涡旋电磁波的雷达目标二维成像方法 | |
| CN108414966B (zh) | 一种基于时间调制的宽带线性调频信号测向系统及方法 | |
| CN104931948B (zh) | 基于普通波束扫描的fda雷达的一种接收方案的改进方法 | |
| CN103226190A (zh) | 一种基于真延时的宽带相控阵波束形成方法 | |
| CN102055512B (zh) | 天线组阵中基于循环自相关的信号相位差估计装置与方法 | |
| CN109471086A (zh) | 基于多采样快拍和集阵列信号离散傅里叶变换的互质mimo雷达波达方向估计方法 | |
| CN103592647A (zh) | 阵列三维sar数据获取方法 | |
| CN106526532A (zh) | 一种基于四维天线阵的多普勒测向装置 | |
| CN107329127B (zh) | 一种用于雷达系统dbf功能检测的相位线性分析方法及系统 | |
| CN112505622B (zh) | 一种高精度单基站室内定位方法 | |
| CN103236885A (zh) | 一种超宽带无频率色散的doa估计方法及其装置 | |
| Zhu et al. | A type of M 2-transmitter N 2-receiver MIMO radar array and 3D imaging theory | |
| CN104155647A (zh) | 基于机扫米波阵列雷达的估计目标方位角的方法 | |
| Chen et al. | The applications and future of synthetic impulse and aperture radar | |
| CN104868946B (zh) | 自适应加权的子阵级混合mimo‑相控阵系统的干扰抑制方法 | |
| Sheng et al. | Angular superresolution for phased antenna array by phase weighting | |
| CN107219498B (zh) | 基于mml-pmht的多基站单频网无源协同定位方法 | |
| CN111934737B (zh) | 一种宽带数字阵列的时延补偿方法 | |
| CN108880648A (zh) | 基于微波光子阵列的超宽带信号频率估计方法 | |
| Lagunas et al. | UWB joint TOA and DOA estimation | |
| Chen et al. | Compressed sensing-based DOA and DOD estimation in bistatic co-prime MIMO arrays | |
| CN113671477B (zh) | 一种基于图信号处理的雷达目标距离估计方法 | |
| Rui et al. | 3.52-GHz MIMO radio channel sounder |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C05 | Deemed withdrawal (patent law before 1993) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130807 |