CN104749555B - 一种组合相位差测向和空间谱测向的测向定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合相位差测向和空间谱测向的测向定位系统，针对N元均匀圆阵接收的射频信号进行测向定位，其中N≥5、且N为奇数，选取圆阵中两个平行基线组，获得N‑1个阵元对，每个阵元对对应一个鉴相器；第n个阵元接收到的射频信号，由第n个接收信道接收，经第n个模数转换器进入信噪比估计器进行信噪比估计；信噪比估计器引出N个输出端；每个输出端产生分支一和分支二，输出端每次连接其中一个分支，其中分支一连接至空间谱波束合成器，分支二连接至该射频信号所在阵元对对应的鉴相器；鉴相器的输出端连接至空间相位干涉仪。该系统能够将两种不兼容的方法组合使用，在同一个平台上实现高精度的复合测向定位。

Description

一种组合相位差测向和空间谱测向的测向定位系统

技术领域

本发明属于星载、机载和导弹导引头等测向领域，具体涉及一种将相位差测向和空间谱测向组合使用的测向定位系统。

背景技术

在星载、机载和导弹导引头等测向领域，通一般具有两种方法可用于测向，相位差干涉仪测向和空间谱测向。

相位干涉仪广泛应用于星载、机载和导弹导引头等测向领域，可以实现对空间辐射源无源探测和定位，这种体制的优点是在高信噪比条件下，定位精度较高，定位时间较短，它的缺点是在低信噪比条件下，定位精度很差，定位时间很长，不能满足战场对重点目标的侦察需要。

相对于相位干涉仪体制，空间谱测向在低信噪比条件下仍然具有好的测向定位精度和较短的定位时间，对复杂电磁环境的适应能力更强，尤其是单站星载电子侦察载荷常常只能接收到目标辐射源的旁瓣信号，所以信噪比较低，更加适合于阵列测向体制的使用，但是这种体制的缺点是计算复杂度较高，对实时性要求较高的应用背景来说，对载荷架构的设计提出了很高要求。

目前两种不同的测向定位体制并不兼容，分别在各自平台上使用，由于两种方法各有优缺点，却不能互补，因此在进行测向定位时，现有技术成本高、功耗稿，也不够灵活，不能满足“快响”等战术应用背景下应对复杂电磁环境的能力

若能够在同一平台上整合两种测向方案，则在复杂的电磁环境下，利用各自优势，实现高精度测向定位。这种复合测向定位体制具有非常广泛的应用前景。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种组合相位差测向和空间谱测向的测向定位系统，能够将两种不兼容的方法组合使用，在同一个平台上实现高精度的复合测向定位。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：该系统包括N元均匀圆阵、N个接收通道、N个模数转换器、一个信噪比估计器、N-1个鉴相器以及一个空间谱波束合成器和一个空间相位干涉仪。

该系统针对N元均匀圆阵接收的射频信号进行测向定位，其中N≥5、且N为奇数，该N元均匀圆阵两两阵元之间连接形成基线，以两两之间相互平行的基线组成平行基线组，其中一个平行基线组包括(N-1)/2条基线，选取两个平行基线组，获得N-1条基线，对应N-1个阵元对，每个阵元对对应一个鉴相器。

对于第n个阵元接收到的射频信号，由第n个接收信道进行接收，然后进入第n个模数转换器进行模数转换，然后进入信噪比估计器。

信噪比估计器中采用如下方法对于每一个射频信号进行信噪比估计，具体方法如下：对于第n个阵元，其对应的信号特征值为α_n，同时对于整个N元均匀圆阵，其噪声特征值具有N-1个，分别为β₁,β₂,…,β_N-1，则该第n个阵元对应的模数转换后的射频信号的信噪比为其中Λ_N＝diag{β₁,β₂,…,β_N-1}是由N-1个噪声特征值构成的对角阵，tr(Λ_N)表示矩阵Λ_N的迹。

由信噪比估计器引出N个射频信号输出端；每个射频信号输出端产生分支一和分支二，射频信号输出端每次连接其中一个分支，其中分支一连接至空间谱波束合成器，分支二连接至该射频信号所在阵元对对应的鉴相器。

鉴相器的输出端连接至空间相位干涉仪。

进一步地，每个射频信号输出端通过双工器连接分支一或者分支二；双工器由信噪比估计器控制连接至分支一或者分支二，当一个射频信号的信噪比估计值高于-4dB时，双工器连接分支二，否则双工器连接分支一。

有益效果：

1、本发明所提供的测向定位系统，能够将两种不兼容的方法组合使用，由于两种不同测向定位体制在不同信噪比下，测向分辨力差别很大，因此本系统通过信噪比的比较，当信噪比小于-4dB时，空间谱测向精度高于相位差干涉仪方法，当信噪比高于-4dB时，两者差别不明显，但是前者平均测向定位时间高于后者，基于这样的实际情况，首先信噪比估计，当被估计信噪比小于-4dB时，选择空间谱测向方法，当信噪比高于-4dB时，选择相位差干涉仪方法；实现了在同一个平台上实现高精度的复合测向定位。

2、在电子侦察等非合作环境中，实际上并没有信号类型、调制类型等任何关于信号参数的先验知识，在这类应用中，不仅雷达发射信号的调制类型、信号类型等参数未知，而且接收数据也是被污染过的数据，因此在电子侦察系统中要求信噪比估计方法具有普适性。本发明提出一种盲信噪比估计方法---基于特征值分解的盲信噪比估计方法，不依赖于任何信号参数，具有较大的使用价值。

附图说明

图1—本发明相位差测向和空间谱测向组合测向定位系统硬件架构图；

图2—相位差干涉仪测向误差和空间谱测向误差比较，其中图2-(a)：相位差干涉仪测向误差；图2-(b)：空间谱测向误差；

图3—接收阵列以及平行基线示意图；

图4—信噪比估计均值随快拍数变化；

图5—信噪比估计标准差随快拍数变化。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

为了方便说明本发明的实施方式，下面以七元均匀圆阵为例进行说明，该圆阵如图3所示。假设信号载频f₀＝2GHz，圆阵基线半径r＝0.5m，通道间相位误差在15°范围内均匀分布，快拍数200，采样频率为f＝4f₀，远场一个信号方位角为50°，俯仰角为55°，分别做100次蒙特卡洛仿真，图2是两种不同定位体制使用同一平台的测向误差仿真结果。

从上述结果来看，两种不同方案的测向误差和信号信噪比关系很大，空间谱测向对低信噪比信号的适应性更强，测向误差小，但是计算复杂，而相位干涉仪测向计算简洁，对低信噪比信号测向误差大。这种差异性触发了一种想法，在同一平台上整合不同测向方案，在复杂的电磁环境下，利用各自优势，实现高精度测向定位，也就是在基带信号处理部分，首先要对信号的信噪比进行估计，然后根据信噪比和应用需求选择不同的测向定位方案。这种复合测向定位体制具有非常广泛的应用前景。

因此本发明提供了一种如图1所示的组合相位差测向和空间谱测向的测向定位系统；该系统包括N元均匀圆阵、N个接收通道、N个模数转换器、一个信噪比估计器、N-1个鉴相器以及一个空间谱波束合成器和一个空间相位干涉仪。

该系统针对N元均匀圆阵接收到的射频信号进行测向定位，其中N≥5、且N为奇数，该N元均匀圆阵两两阵元之间连接形成基线，以两两之间相互平行的基线组成平行基线组，其中一个平行基线组包括(N-1)/2条基线，选取两个平行基线组，获得N-1条基线，对应N-1个阵元对，每个阵元对对应一个鉴相器；

对于一个阵元发出的射频信号，由一个接收信道进行接收，然后进入一个模数转换器进行模数转换，然后进入信噪比估计器。

信噪比估计器中对于每一个射频信号进行信噪比估计，信噪比估计方法可分为两类，一类方法是基于已知数据，如最大似然估计方法，这类方法精度较高，主要针对通信信号等合作信号的信噪比估计；另一类是盲估计方法，如SSME方法、M2M4方法、SNV方法以及SVR方法等，这些盲方法都存在一些限制，如SSME方法只能进行实高斯白噪声信道下BPSK调制时的信噪比估计，需要对接收信号的各种参数有较多的先验知识。在缺乏先验知识情况下，往往会有较大估计偏差。

在电子侦察等非合作环境中，实际上并没有信号类型、调制类型等任何关于信号参数的先验知识，在这类应用中，不仅雷达发射信号的调制类型、信号类型等参数未知，而且接收数据也是被污染过的数据，因此在电子侦察系统中要求信噪比估计方法具有普适性。本发明提出一种盲信噪比估计方法---基于特征值分解的盲信噪比估计方法，不依赖于任何信号参数，具有较大的使用价值。

假设天线阵列接收到的信号为X＝As+W，它的协方差矩阵为R_XXH＝E[XX^H]＝AR_SA^T+σ²I，对协方差矩阵进行特征值分解后得到，R_XXH＝U_SΛ_SU_S ^H+U_NΛ_NU_N ^H，其中Λ_S＝diag{α₁}＝α₁是由1个信号特征值构成的数，Λ_N＝diag{β₁,β₂,…,β_N-1}是由N-1个噪声特征值构成的对角阵。上述符号意义见前面有关公式详细说明。则被估计信号的信噪比为

上式中，tr(·)表示矩阵的迹。

由信噪比估计器引出N个射频信号输出端；每个射频信号输出端产生分支一和分支二，射频信号输出端每次连接其中一个分支，其中分支一连接至空间谱波束合成器，分支二连接至该射频信号所在阵元对对应的鉴相器。

鉴相器的输出端连接至空间相位干涉仪。

上述每个射频信号输出端通过双工器连接分支一或者分支二；双工器由信噪比估计器控制连接至分支一或者分支二，当一个射频信号的信噪比估计值高于-4dB时，双工器连接分支二，否则双工器连接分支一。

取常规脉冲信号一个脉宽内的连续信号作为测试数据，七单元均匀圆阵排列，圆阵半径0.5m，信号载频2GHz，不考虑天线阵列的安装位置误差(即阵列流形误差)，进行100次蒙特卡洛仿真，结果取平均值和标准差，见图4、5所示。

随着快拍数的增加，信号协方差阵的估计越来越接近真实值，估计值的方差越来越小，因此实际应用中快拍数尽可能取多；另外，在低信噪比情况下(-10～-2dB)，信号信噪比估计接近无偏估计，此时偏差较小，方差估计随着快拍数增加而显著降低，因为信号子空间的维数固定(一维)，在高信噪比条件下(-2～10dB)，信号协方差矩阵的估计方差较小，同时噪声功率的估计方差也较小，所以估计方差可以达到最小,但是偏差较明显，是有偏估计,不能用于接收信号的信噪比估计。

从图2中可以看出，两种不同测向定位体制在不同信噪比下，测向分辨力差别很大，对于俯仰角来说，当信噪比小于-4dB时，空间谱测向精度高于相位差干涉仪方法，当信噪比高于-4dB时，两者差别不明显，但是前者平均测向定位时间高于后者，基于这样的实际情况，首先进行信噪比估计，当被估计信噪比小于-4dB时，选择空间谱测向方法，当信噪比高于-4dB时，选择相位差干涉仪方法；对于方位角来说，当信噪比在-10dB-10dB范围内变化时，空间谱测向精度都明显高于相位差干涉仪测向精度。对测向精度要求不高和对实时性要求不高的场合，选择相位差干涉仪体制；对测向精度要求很高的应用场合，而又具备强大的计算能力，则选择空间谱测向体制更加合适。因为两种不同测向体制使用同一个平台，所以选择更加灵活，ADC输出端分别接入鉴相器和空间二维谱搜索模块之前，各自加一个数控双工器，由信号处理模块根据信号估计的信噪比，选择不同的测向体制，这种方案没有额外的软硬件开销，使用非常方便，实现两种方案的优选互补。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种组合相位差测向和空间谱测向的测向定位系统，其特征在于，该系统包括N元均匀圆阵、N个接收通道、N个模数转换器、一个信噪比估计器、N-1个鉴相器以及一个空间谱波束合成器和一个空间相位干涉仪；

该系统针对所述N元均匀圆阵接收的射频信号进行测向定位，其中N≥5、且N为奇数，该N元均匀圆阵两两阵元之间连接形成基线，以两两之间相互平行的基线组成平行基线组，其中一个平行基线组包括(N-1)/2条基线，选取两个平行基线组，获得N-1条基线，对应N-1个阵元对，每个阵元对对应一个鉴相器；

对于第n个阵元接收到的射频信号，由第n个接收信道进行接收，然后进入第n个模数转换器进行模数转换，然后进入所述信噪比估计器；

所述信噪比估计器中采用如下方法对于每一个射频信号进行信噪比估计，具体方法如下：对于第n个阵元，其对应的信号特征值为α_n，同时对于整个N元均匀圆阵，其噪声特征值具有N-1个，分别为β₁,β₂,…,β_N-1，则该第n个阵元对应的模数转换后的射频信号的信噪比估值为其中Λ_N＝diag{β₁,β₂,…,β_N-1}是由N-1个噪声特征值构成的对角阵，tr(Λ_N)表示矩阵Λ_N的迹；

由所述信噪比估计器引出N个射频信号输出端；每个射频信号输出端产生分支一和分支二，射频信号输出端每次连接其中一个分支，其中分支一连接至所述空间谱波束合成器，分支二连接至该射频信号所在阵元对对应的鉴相器；

鉴相器的输出端连接至空间相位干涉仪。

2.如权利要求1所述的组合相位差测向和空间谱测向的测向定位系统，其特征在于，所述每个射频信号输出端通过双工器连接分支一或者分支二；双工器由所述信噪比估计器控制连接至分支一或者分支二，当一个射频信号的信噪比估计值高于-4dB时，双工器连接分支二，否则双工器连接分支一。