CN105008950A - 用于测向和方向不确定度确定的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

用于电磁信号的测向的测量装置包括用于接收电磁信号的天线元件和用于确定所述电磁信号的方向并显示电磁信号的所述方向的处理部件。所述处理部件还包括方向不确定度确定部件(322)，所述方向不确定度确定部件用于确定电磁信号的方向的方向不确定角度。所述处理部件被设置用于在显示部件上显示所述方向不确定角度。

Description

用于测向和方向不确定度确定的测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于电磁信号的测向和用于确定并显示方向不确定度的测量装置和测量方法。

背景技术

用于测向的传统的系统通常将输入的电磁信号的被检测到的方向显示为源自显示器的中心且指向该电磁信号来自的方向的线或箭头。然而，对于这样的测量装置的用户，不能确定所述测向的准确程度。特别是在多个电磁脉冲被检测到彼此相继不久源自密集的方向的情况下，由于用户不知道已知检测到的方向的准确程度，因此用户不清楚这些信号是来自单个信号源还是多个信号源是相关的。

例如，文献DE 10 2004 020 276 Al示出了这样的传统的测向装置和方法。然而，用户不能够容易确定接收信号的被测量的方向的可信程度。

发明内容

因此，本发明的目的是创造一种能够更准确地确定电磁信号所来自的方向并能够使用户区分不同的信号源的测量装置和测量方法。

所述目的通过针对所述测量装置的权利要求1的特征和针对所述测量方法的权利要求8的特征来解决。从属权利要求包括进一步的发展。

用于电磁信号的测向的本发明的测量装置包括用于接收所述电磁信号的天线元件和用于确定所述电磁信号的方向并显示所述电磁信号的方向的处理部件。所述处理部件还包括用于确定所述电磁信号的所述方向的方向不确定角度的方向不确定度确定部件。所述处理部件被设置用于在显示部件上显示所述方向不确定角度。因此，用户能容易区分密集的信号源方向是源自单个信号源还是源自不同的信号源。

有利地，所述处理部件被设置用于将电磁信号的方向在所述显示部件上显示为指向该电磁信号的方向的线或箭头，并用于将方向不确定角度在所述显示部件上显示为围绕指向该电磁信号的方向的所述线的区域或围绕所述箭头的两条方向不确定度边界线，或者显示为连接到指向该电磁信号的方向的所述线或箭头的形状。因此，用户可粗略地看出所述信号源方向大概位于的角域。

所述处理部件有利地包括方向数据库，所述方向数据库保存有将天线元件输出信号与电磁信号的方向关联的预存储数据。所述处理部件随后被设置用于通过在所述方向数据库中执行当前天线元件输出信号与预存储的天线元件输出信号的最接近匹配的搜索来确定所述电磁信号的方向。因此能够确定所述方向和所述方向不确定角度，其减小了计算能力。

有利地，使用搜索函数执行所述搜索，其中，所述搜索函数是χ²函数或最大似然函数或基于噪声密度。这种方式下，标准搜索函数可被使用以产生低的实施复杂度。

所述方向不确定度确定部件被有利地设置用于根据所述搜索函数确定所述方向不确定角度。更有利地，使用在所述电磁信号的方向的搜索函数的陡度。甚至更有利地，搜索函数的2个样本的角距被用来确定所述不确定角度，所述搜索函数的各个搜索函数值与所述电磁信号的方向的搜索函数值具有预设距离。因此能在无需附加的高计算成本的情况下确定所述不确定角度。

本发明的测量方法在于电磁信号的测向的目的。所述方法包括确定所述电磁信号的方向以及显示所述电磁信号的方向。所述方法还包括确定所述电磁信号的所述方向的方向不确定角度以及显示所述方向不确定角度。因此，用户能容易区分密集的信号源方向是源自单个信号源还是源自不同的信号源。

附图说明

现根据附图，仅作为示例进一步解释本发明的示例性实施方式，在附图中：

图1以框图示出本发明的测量装置的实施方式；

图2以框图示出本发明的测量装置的实施方式的第一细节；

图3示出本发明的测量装置的实施方式的第二细节；

图4示出本发明的测量装置的实施方式的第三细节；

图5示出将由本发明的测量装置的实施方式显示的显示内容；以及

图6示出本发明的测量方法的示例性实施方式的流程图。

具体实施方式

首先，图1至图5显示了本发明的测量装置的构造和功能。此后，由图6解释了本发明的测量方法的功能。不同附图中的相同实体和附图标记已被部分省略。

在图1中示出了本发明的测量装置1的实施方式。本发明的测量装置包括天线元件2和与天线元件2连接的处理部件3。电磁信号由所述天线元件2接收，并由所述处理部件3处理。所述处理部件3确定方向和方向不确定度，并显示它们。关于所述天线元件2的构造和功能，参考图2。关于处理部件3的构造和功能，参考图3至图5。由本发明的测量装置或本发明的测量方法检测的电磁信号例如是雷达脉冲或无线电传输。

图2示出图1的天线元件2的内部工作。所述天线元件2包括多个天线20-25，所述每个天线连接到复用部件26。所述复用部件26被设置用于将在全部可用的天线20-25中的多个天线连接到图1的处理部件3。所连接的天线的数量可预先指定或可由处理部件3设定。

例如，天线20、天线23和天线24通过复用部件26连接到图1的处理部件3。在这种情况下，获得接收角度γ。在该角度内，输入的电磁信号的方向可被确定。

在替选的实施方式中，可省略复用部件26。在这种情况下，天线元件2仅包括天线20-25。

所述天线元件2包括至少两个不同的天线20-25。替选地，存在至少五个不同的天线。替选地，存在至少十个不同的天线。

为了能够检测输入信号的方向，需要使用至少两个天线的信号。

在图3中示出图1的处理部件3的内部构造。所述处理部件3包括模拟处理部件30，将图1的天线元件2的信号提供给所述模拟处理部件30。此外，所述处理部件3包括连接到所述模拟处理部件30的模数转换器31。所述模数转换器31再连接到数字处理部件32，所述数字处理部件32连接到显示部件33。所述模拟处理部件30、数字处理部件32和显示部件33连接到控制部件34，所述控制部件34被设置用于控制这些部件。

替选地，所述测量装置1，更准确地所述处理部件3，不包括显示部件33。在这种情况下，所述数字处理部件32的结果(特别是方向和方向不确定度和可选择地方向质量)经例如局域网(local area network，LAN)的接口输出。可随后通过任意连接的装置使用、处理和显示这些结果。随后使用可被其他装置容易使用的预定义的格式输出所述结果。例如，使用格式“脉冲描述字”(pulse description word，PDW)。

来自天线元件2的信号被模拟处理部件30接收。这些信号包括图2的各个天线20-25的信号或通过使用复用部件26而当前连接到模拟处理部件30的这些天线中的某些天线的信号。替选地，图20的所有天线20-25的信号可被发送到模拟处理部件30。

待由模拟处理部件30接收的信号通过所述模拟处理部件30进行处理。例如，放大和功率确定可被执行。产生的信号被传送到使所述信号数字化的模数转换器31。数字化的信号被传送到执行数字处理的数字处理部件32。所述数字处理部件32执行所检测的电磁信号的方向的确定。此外，所述数字处理部件32确定所述电磁信号的方向的方向不确定角度。这些结果被传送到显示所述方向和所述方向的不确定角度的显示部件33。关于所述数字处理部件32的内部工作，参照图4。

在图4中示出了所述数字处理部件32的构造。图3的数字处理部件32包括方向检测部件320，所述方向检测部件320连接到图3的模数转换器31并连接到图3的显示部件33。此外，所述数字处理部件32包括连接到方向检测部件320的方向数据库321。另外，所述数字处理部件32包括也连接到方向确定部件320的方向不确定度确定部件322。另外，所述方向不确定度确定部件322还连接到图3的显示部件33。

所述方向数据库321保存将天线元件输出信号关联到接收的电磁信号的方向的预存储的数据。在所述方向数据库321内存储的参数例如是每个单独的天线的接收功率、由所述单独天线接收信号的时间、在所述单独的天线的信号的接收频率。这些参数针对每个预存储的信号源进行存储，由所述信号源沿方位角和仰角的方向、偏振和频率定义。

由于大量的参数，因此必须搜索非常大的数据量以确定哪个方向是针对当前接收的电磁信号的正确方向。因此，方向确定部件320和方向不确定度确定部件322有利地构造为现场可编程门阵列(FPGA)或多个并行工作的FPGA。

在通过方向确定部件320确定输入电磁信号的方向之后，方向不确定角度通过方向不确定度确定部件322来确定。为了确定所述方向不确定角度，再次使用用于确定方向的搜索函数。

所述搜索函数产生最小值，该最小值指示与方向数据库321内的方向的最接近匹配。所述方向不确定角度根据该最小值的区域中的所述搜索函数的陡度来确定。特别地，计算各个搜索函数值与所述电磁信号的方向的搜索函数值具有预设距离的搜索函数的2个样本的角距。

因此，所述方向不确定角度对于所述最小值的区域中的搜索函数的高陡度而言较低，而对于所述最小值的区域中的搜索函数的低陡度而言较高。

以下，详细描述基础数学。为了执行电磁信号的测向，电磁信号由之前所述的形成天线组的多个天线(例如，3个天线)进行采样。

在本发明的测量装置的制造期间，使用沿方位角和仰角限定的方向和限定的频率及偏振的所限定的电磁信号，对每个天线组进行初始测量。

V_ref,k(α,ε,f,π)＝A_ref,k(α,ε,f,π)exp(jφ_ref,k(α,ε,f,π))

被定义为针对方位角α、仰角ε、频率f和偏振π的电磁信号的各个电线k＝l...N所产生的测量的天线电压。出现下面的在元素k和l之间的振幅商和相位差：

$r_{ref,kl}(\mathrm{\α},\mathrm{\ϵ},f,\mathrm{\π})=\frac{A_{ref,k}(\mathrm{\α},\mathrm{\ϵ},f,\mathrm{\π})}{A_{ref,l}(\mathrm{\α},\mathrm{\ϵ},f,\mathrm{\π})}$

Δφ_ref,kl(α,ε,f,π)＝φ_ref,k(α,ε,f,π)-φ_ref,l(α,ε,f,π)

根据上述参考测量的M次重复，现可确定测量误差：

${\mathrm{\σ}}^2\left(r_{ref,kl}\right(\mathrm{\α},\mathrm{\ϵ},f,\mathrm{\π}\left)\right)=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\[r_{ref,kl,i}(\mathrm{\α},\mathrm{\ϵ},f,\mathrm{\π})\]}^2-{\[\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{r}_{ref,kl,i}(\mathrm{\α},\mathrm{\ϵ},f,\mathrm{\π})\]}^2$

${\mathrm{\σ}}^2\left({\mathrm{\Δ\φ}}_{ref,kl}\right(\mathrm{\α},\mathrm{\ϵ},f,\mathrm{\π}\left)\right)=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\[{\mathrm{\Δ\φ}}_{ref,kl,i}(\mathrm{\α},\mathrm{\ϵ},f,\mathrm{\π})\]}^2-{\[\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\mathrm{\Δ\φ}}_{ref,kl,i}(\mathrm{\α},\mathrm{\ϵ},f,\mathrm{\π})\]}^2$

但是，该测量误差不应与上述方向不确定角度混淆。

在执行这些初始参考测量之后，所述测量装置向用户推出。当执行信号的实际测向时，

V_mess,k,i＝A_mess,k,i exp(jφ_mess,k,i)

被定义为针对频率f、未知偏振和未知方向的电磁信号的单个电线k＝l...N的测量的天线电压。对电磁信号连续采样i＝1...M次。产生下列的振幅商和相位差：

$r_{mess,kl,i}=\frac{A_{mess,k,i}}{A_{messml,i}}$

Δφ_{mess，kl，i}＝φ_mess，k，i-φ_mess，l，i

根据M个信号样本，现可确定测量误差：

${\mathrm{\σ}}^2\left(r_{mess,kl}\right)=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\[r_{mess,kl,i}\]}^2{\[\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{r}_{mess,kl,i}\]}^2$

${\mathrm{\α}}^2\left({\mathrm{\Δ\φ}}_{mcss,kl}\right)=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\[{\mathrm{\Δ\φ}}_{mess,kl,i}\]}^2-{\[\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{\mathrm{\Δ\φ}}_{mess,kl,i}\]}^2$

如上解释的，这个测量误差不应与所述方向不确定角度混淆。但是它可被额外显示。例如，它可被显示为每个检测的方向的正确概率。

根据之前计算的值，现计算搜索函数。在这个示例中，使用χ²函数。替选地，还可使用最大似然函数或基于噪声密度的函数。

${\mathrm{\&chi;}}^2(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&epsiv;},\mathrm{\&pi;})=\underset{\underset{k<l}{k,l}}{\&Sigma;}\frac{{\&lsqb;r_{ref,kl}(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&epsiv;},f,\mathrm{\&pi;})-r_{mess,kl}\&rsqb;}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2\left(r_{ref,kl}\right(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&epsiv;},f,\mathrm{\&pi;}\left)\right)+{\mathrm{\&sigma;}}^2\left(r_{mess,kl}\right)}+\underset{\underset{k<l}{k,l}}{\&Sigma;}\frac{{\&lsqb;{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_{ref,kl}(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&epsiv;},f,\mathrm{\&pi;})-{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_{mess,kl}\&rsqb;}^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2\left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_{ref,kl}\right(\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&epsiv;},f,\mathrm{\&pi;}\left)\right)+{\mathrm{\&sigma;}}^2\left({\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_{mess,kl}\right)}$

现确定值(α₀，ε₀，π₀)，从而χ²(α₀，ε₀，π₀)得到最小化。测向质量可被计算为： $p=1-P(\frac{2}{2},\frac{{\mathrm{\&chi;}}^2({\mathrm{\&alpha;}}_0,{\mathrm{\&epsiv;}}_0,{\mathrm{\&pi;}}_0)}{2})$

其中，描述了正则不完全γ函数。

1σ-置信区间Δα和Δε通过数字求解下述公式来确定：

χ²(α₀+Δα，ε₀，π₀)＝χ²(α₀，ε₀，π₀)+1

χ²(α₀，ε₀+Δε，π₀)＝χ²(α₀，ε₀，π₀)+1

1σ-置信区间Δα和Δε对应于所述方向不确定角度。

在图5中示出将由图3的显示部件33显示的显示内容。显示部件33示出指示搜索区域的圆339。使用阴影或一系列线，所述圆339的一定区域可被描述为当前激活的搜索角度，所述搜索角度已通过由图2的复用部件26执行的天线选择而被选择。但是，出于简化附图的原因，此特征未在这里描述。

在所述圆339内示出了显示所述方向和所述方向不确定角度的大量替选的方式。实际上，通常这些替选方式中的仅一种替选方式将被同时使用。然而，这些替选方式还可被组合。第一方向通过使用箭头331进行示出，所述箭头331源自圆339的中心指向电磁信号被检测到的方向。所述箭头331的长度对应于显示的方向是正确的概率。该正确性的概率可从在检测的最小值的搜索函数的值所得出。例如，该概率可通过将所述搜索函数的这个值乘以权重参数来确定。

这里通过使用线332显示所述方向不确定角度，所述线332源自圆339的中心并在所述箭头331的旁边行进。所述线332与所述箭头331的距离指示所述方向不确定角度。

第二方向由线333示出，线333指向检测到的方向。在所述线333的周围，显示阴影区域334，阴影区域334指示所述方向不确定角度。代替使用阴影，不同的颜色或不同的图案也可用于指示所述方向不确定角度。此外，可通过使用随着与线333的距离缩短而降低亮度的阴影来示出检测的方向的概率。

此外，第三方向通过使用也源自圆339的中心的线335来描述。在所述线335的末端，示出描述所述方向不确定角度的圆336。所述圆336的大小指示所述方向不确定角度。以同样的方式，输入信号的第四方向通过使用线337和所述线的末端处的圆338来显示。相比较，由所述圆338指示的方向不确定角度远大于由所述圆336指示的方向不确定角度。

此外，所述线335、337的长度对应于单个检测的方向是正确的概率。假使这样的检测的方向不正确，是由于高噪声或反射而产生的。

替选地，所述线333、335、337和箭头331的长度还可与接收的信号功率或者接收的信号功率的倒数或者信号源的距离或者信号源的距离的倒数成比例。在另外的替选例中，所述线333、335、337和箭头331的所有长度相等。

在图6中示出了本发明的测量方法的实施方式。在第一步骤中，在全部数量的可用天线中的多个天线被选择用于处理。此步骤100是可选的步骤。至少2个天线必须用于能够检测输入信号的方向。同时使用更多的天线产生检测的更高准确性，但是显著增加了所需的处理功率。另外，通过选择使用的更多数量的天线，可实现如图2中所述的更大的搜索角度γ。

在第二步骤101中，执行测量。记录由采用的每个天线检测的信号。在第三步骤102中，根据接收的信号计算方向。为了执行这个方向计算，执行接收的信号与预存信号和对应方向的比较。为此，使用搜索函数。该搜索函数的最小值产生检测的方向。

在第四步骤103中，通过确定在检测的最小值的区域中的搜索函数的陡度来计算方向不确定度。根据这个陡度，计算所述方向不确定角度。在第五步骤105中，显示检测的方向和检测的方向不确定角度。关于实际处理，参考关于图2至图5的详细阐述。

本发明不限于特定类型的电磁信号。此外，本发明不限于特定数量的天线。示例性实施方式的特征可用在权利要求中要求保护的、在说明书中描述的或在附图中描绘的特征的任意组合中。

Claims (14)

1.一种用于电磁信号的测向的测量装置，包括天线元件(2)和处理部件(3)，所述天线元件(2)用于接收所述电磁信号，所述处理部件(3)用于：

-确定所述电磁信号的方向，以及

-显示所述电磁信号的方向，

其特征在于：

所述处理部件(3)包括方向不确定度确定部件(322)，所述方向不确定度确定部件用于确定所述电磁信号的方向的方向不确定角度，以及

所述处理部件(3)被设置用于在显示部件(33)上显示所述方向不确定角度。

2.根据权利要求1所述的测量装置，

其特征在于：

所述处理部件(3)被设置用于

-将所述电磁信号的方向在所述显示部件(33)上显示为指向所述电磁信号的方向的线(333、335、337)或箭头(331)，以及

-将所述方向不确定角度在所述显示部件上显示为围绕指向所述电磁信号的方向的所述线(333)的区域(334)或围绕指向所述电磁信号的方向的所述箭头(331)的两条方向不确定度边界线(332)，或者显示为连接到指向所述电磁信号的方向的所述线(335、337)或所述箭头的形状(336、338)。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置，

其特征在于：

所述处理部件包括方向数据库(321)，所述方向数据库保存将天线元件输出信号与电磁信号的方向关联的预存储数据，以及所述处理部件(3)被设置用于通过在所述方向数据库(321)中执行所述电磁信号引起的当前天线元件输出信号与预存储的天线元件输出信号的最接近匹配的搜索来确定所述电磁信号的方向。

4.根据权利要求3所述的测量装置，

其特征在于：

使用搜索函数执行所述搜索，以及所述搜索函数是χ²函数或最大似然函数或基于噪声密度。

5.根据权利要求4所述的测量装置，

其特征在于：

所述方向不确定度确定部件(322)被设置用于根据所述搜索函数确定所述方向不确定角度。

6.根据权利要求4或5所述的测量装置，

其特征在于：

所述方向不确定度确定部件(322)被设置用于通过确定在所述电磁信号的方向的所述搜索函数的陡度来根据所述搜索函数确定所述方向不确定角度。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的测量装置，

其特征在于：

所述方向不确定度确定部件(322)被设置用于通过确定所述搜索函数的2个样本的角距来根据所述搜索函数确定所述方向不确定角度，所述搜索函数的各个搜索函数值与所述电磁信号的方向的搜索函数值具有预设距离。

8.一种用于电磁信号的测向的测量方法，所述测量方法具有下面的步骤：

-确定所述电磁信号的方向，以及

-显示所述电磁信号的方向，

其特征在于：

所述方法还包括：

-确定所述电磁信号的方向的方向不确定角度，以及

-显示所述方向不确定角度。

9.根据权利要求8所述的测量方法，

其特征在于：

所述方法包括：

-将所述电磁信号的方向显示为指向所述电磁信号的方向的线(333、335、337)或箭头(331)，以及

-将所述方向不确定角度显示为围绕指向所述电磁信号的方向的所述线(333)的区域(334)或围绕指向所述电磁信号的方向的所述箭头(331)的两条方向不确定度边界线(332)，或者显示为连接到指向所述电磁信号的方向的所述线(335、337)或所述箭头的形状(336、338)。

10.根据权利要求8或9所述的测量方法，

其特征在于：

所述方法包括通过在方向数据库(321)中执行由所述电磁信号引起的当前天线元件输出信号与预存储数据的最接近匹配的搜索来确定所述电磁信号的方向，所述预存储数据将天线元件输出信号与电磁信号的方向关联。

11.根据权利要求10所述的测量方法，

其特征在于：

使用搜索函数执行所述搜索，并且所述搜索函数是χ²函数或最大似然函数或基于噪声密度。

12.根据权利要求11所述的测量方法，

其特征在于：

所述方法包括根据所述搜索函数确定所述方向不确定角度。

13.根据权利要求11或12所述的测量方法，

其特征在于：

所述方法包括通过确定在所述电磁信号的方向的所述搜索函数的陡度来根据所述搜索函数确定所述方向不确定角度。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的测量方法，

其特征在于：

所述方法包括通过确定所述搜索函数的2个样本的角距来根据所述搜索函数确定所述方向不确定角度，所述搜索函数的各个搜索函数值与所述电磁信号的方向的搜索函数值具有预设距离。