CN107346009A - 一种宽带线性调频信号的波达方向估计方法 - Google Patents
一种宽带线性调频信号的波达方向估计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107346009A CN107346009A CN201710520036.6A CN201710520036A CN107346009A CN 107346009 A CN107346009 A CN 107346009A CN 201710520036 A CN201710520036 A CN 201710520036A CN 107346009 A CN107346009 A CN 107346009A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signal
- antenna
- frequency
- noise
- arrival
- 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.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 19
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 19
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 19
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 10
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 9
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 235000015170 shellfish Nutrition 0.000 claims description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 11
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000011514 reflex Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
- G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
- G01S3/14—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
- G01S3/46—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using antennas spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems
- G01S3/48—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using antennas spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems the waves arriving at the antennas being continuous or intermittent and the phase difference of signals derived therefrom being measured
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L27/00—Modulated-carrier systems
- H04L27/10—Frequency-modulated carrier systems, i.e. using frequency-shift keying
- H04L27/103—Chirp modulation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
本发明属于信号处理领域，具体涉及一种宽带线性调频信号的波达方向估计方法。本发明利用带通滤波器对不同反射体的信号进行分离，通过两个天线上信号相位差随时间的变化关系求解得到信号的波达方向，具有在宽带线性调频信号波达方向估计方法中天线数量要求少，运算简单，计算速度快等优点。
Description
技术领域
本发明属于信号处理领域，具体涉及一种宽带线性调频信号的波达方向估计方法。
技术背景
目标探测和定位是一个非常活跃的研究领域，在自动驾驶，心跳检测等领域都有着广泛的应用。线性调频连续波信号依靠其距离分辨力好，发射功率低，结构简单等特点，常常被应用在主动探测系统中。作为目标探测定位的一项关键技术，信号波达方向估计在线性调频连续波信号的处理过程中非常重要。
基于信号子空间分解的MUSIC算法是信号波达方向估计中最常用的算法，该方法对阵列信号的相关矩阵进行特征分解并将其划分为信号子空间与噪声子空间，利用信号子空间与噪声子空间之间的正交性质构造空间谱函数，对谱函数进行谱峰搜索，从而完成对信号波达方向的超分辨估计。但MUSIC算法所处理的信号必须是窄带平稳的，而线性调频信号往往是宽带，非平稳的，故MUSIC算法不能直接应用于宽带线性调频信号的波达方向估计。有研究者提出先对待处理的线性调频信号做分数阶傅里叶变化，再利用MUSIC算法进行波达方向估计。该方法比较好的解决了线性调频信号的非平稳特性带来的问题，理论上可以实现较高精度的波达方向估计。但基于MUSIC算法的波达方向估计算法均要求接收天线个数大于信号源的个数。在实际应用中时常无法满足这样的条件，从而使得该类方法的性能无法得到保障。另外，MUSIC算法的要求对接收信号的相关矩阵做特征分解，涉及较多的矩阵运算，当信号采样率较高，采样点数较多时运算速度较慢。
因此现有技术对宽带线性调频信号波达方向估计存在要求天线个数多，运算复杂度高，计算速度慢等缺点。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种天线数量要求少，运算简单，计算速度快的宽带线性调频信号波达方向估计方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是，一种宽带线性调频信号的波达方向估计方法，包括如下步骤：
步骤1、发射端发送线性调频信号，信号经多个反射体反射后被接收机的天线1和天线2接收，接收机引入的噪声为w(t)；
步骤2、将接收机接收信号与发射端发射信号混频后进行采样，采样间隔Ts，采样总点数M；
步骤3、对采样信号进行离散傅里叶变换后得到Sdown[k]，k为离散傅里叶变换的频点，0<k≤M，幅值A[k]＝|Sdown[k]|；
步骤4、设定门限A0对信号存在进行判决，门限A0满足方程其中，AT为发射信号幅度，σ2为噪声功率，μ为无噪声情况下的信号幅度，I0是修正的0阶贝塞尔函数；
步骤5，令k＝1，若A[k]＞A0，则频点k存在反射信号，将频点k的信号进行带通滤波分离出后取相位做差得到相位差随时间变化为
其中m为采样信号采样点，0<m≤M，τ1为反射信号到天线1的传播时间，ks为发射信号的调频斜率，c为信号传播速度，d为天线1与天线2的间距，v1[mTs]为天线1上采样信号取相位后的噪声，v2[mTs]为天线2上采样信号取相位后的噪声，θ为波达方向；转至步骤7；
步骤6、若A[k]＜A0，则频点k不存在反射信号，k＝k+1，转至步骤5；
步骤7，利用一般拟合法拟合得到相位差随时间变化关系ψ[mTs]的斜率kψ，计算波达方向得到频点k的信号波达方向；k＝k+1，转至步骤5；
步骤8，k＝M+1，波达方向估计结束。
步骤7采用的拟合方法为最小二乘法。
本发明的有益效果是，本发明利用带通滤波器对不同反射体的信号进行分离，通过两个天线上信号相位差随时间的变化关系求解得到信号的波达方向，具有宽带线性调频信号波达方向估计方法中天线数量要求少，运算简单，计算速度快等优点。
附图说明
图1为宽带线性调频信号的波达方向估计的系统模型图
图2为接收天线结构图
图3为反射体位置示意图
图4是宽带线性调频信号的波达方向估计方法程图
图5是单反射体波达方向估计性能仿真图
图6是不同带宽信号波达方向估计结果性能仿真图
图7是两个不同距离反射体信号波达方向估计性能仿真图
图8是五个不同距离反射体信号波达方向估计性能仿真图
图9是远场信号波达方向估计结果性能仿真图
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行进一步说明：
实施例1：
本实施采用单反射体，信号带宽为1.5GHz，信号的调频起始频率为5GHz，信号调频周期为2.5ms，接收端使用间距d＝0.04m的两根天线对信号进行接收，对信号的波达方向进行估计，接收天线的几何关系如图2所示。接收端的信噪比定义为SNR＝AR 2/σ0 2，其中，AR和分别是接收信号的幅度和接收端引入噪声的功率。在仿真实验中，用均方根误差(RMSE)描述波达方向估计的性能，其表达式为L是仿真的总次数，是波达方向的估计值，θ是波达方向的真实值。RMSE描述了估计值与真实值的平均偏差，反映了算法的性能。反射体位于在实施例中用到的信号反射体位置如图3所示。接收端信噪比从-30dB变化到30dB，变化间隔为5dB。以信噪比为0dB时的情况为例，实施步骤如下：
步骤1、发射端发送线性调频信号，信号经单个反射体反射后被接收机的天线1和天线2接收，反射体的位置为为，此时，波达方向的实际值为θ＝30°，
步骤2、将接收机接收信号与发射端发射信号混频后进行采样，信号采样率为14000Hz，采样总点数M为350点，设定接收端信噪比为0dB；
步骤3、对采样信号进行离散傅里叶变换后得到Sdown[k]，k为离散傅里叶变换的频点，0<k≤350，幅值A[k]＝|Sdown[k]|；
步骤4、设定门限A0对信号存在进行判决，根据方程求解得到A0，设定发射信号幅度AT＝μ＝1，信噪比为0dB时，σ2＝1，此时求解得到A0＝329
步骤5，k的初始值取为1，若A[k]＞A0，则频点k存在反射信号，将频点k的信号进行带通滤波分离出后，取信号相位并做差。
步骤6、若A[k]＜A0，则频点k不存在反射信号，k＝k+1，转至步骤5；
步骤7，用最小二乘法拟合得到相位差ψ[mTs]的斜率kψ，利用计算得到得到频点k的信号波达方向的估计k＝k+1，转至步骤5；
步骤8，k＝351时，波达方向估计结束。
步骤9，转至步骤2，并重复一百次，计算0dB信噪比条件下的RMSE。
计算得到，当且仅当k＝51时存在信号，kψ的值约为-253。改变接收端的信噪比大小并重复上述步骤，即可得到不同信噪比条件下波达方向的估计结果，并计算得到相应的RMSE。RMSE随信噪比的变化如图5所示。即使是在-30dB这样极低的信噪比条件下，对信号波达方向估计的均方误差仍小于2.5度，说明本发明的波达方向估计算法具有较好的性能。
实施例2：
本实施例验证了单反射体，不同信号带宽的条件下算法对信号波达方向估计的性能。反射体位于调频起始频率为5GHz，信号调频周期为2.5ms。仿真所使用的信号带宽分别是500MHz，1GHz，1.5GHz和2GHz。本实施例的实施步骤与实施例1相同，仅在信号带宽上有所区别。RMSE随信噪比的变化如图6所示。在不同信号带宽的条件下，本发明的波达方向估计算法均具有较好的性能。
实施例3：
本发明可以仅用两根接收天线对多个反射体信号的波达方向进行估计。为了验证本发明在多个反射体情况下的性能，在本实施例中，分三种情况对多个反射体的场景进行了仿真。
情况一：两个反射体，分别位于
情况二：五个反射体，分别位于[0,12]和
情况三：两个反射体，分别位于和
信号的调频起始频率为5GHz，调频周期为2.5ms，信号带宽为1.5GHz。本实施例的实施步骤与实施例1相同，仅在反射体数量上有所区别。
情况一RMSE随信噪比的变化如图7所示。从图中可以看出，本发明对于两个反射体波达方向的估计具有较高精度。、
情况二RMSE随信噪比的变化如图8所示，从图中可以看出，本发明对于多个反射体的波达方向估计也具有较好性能。
情况一和情况二均为反射体距离接收机非常近的情况，情况三则考虑了距离较远的两个反射体的波达方向估计问题。RMSE随信噪比的变化如图9所示，从图中可以看出，本发明在该种情况下仍具有较好性能。
Claims (2)
1.一种宽带线性调频信号的波达方向估计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、发射端发送线性调频信号，信号经多个反射体反射后被接收机的天线1和天线2接收，接收机引入的噪声为w(t)；
步骤2、将接收机接收信号与发射端发射信号混频后进行采样，采样间隔Ts，采样总点数M；
步骤3、对采样信号进行离散傅里叶变换后得到Sdown[k]，k为离散傅里叶变换的频点，0<k≤M，幅值A[k]＝|Sdown[k]|；
步骤4、设定门限A0对信号存在进行判决，门限A0满足方程其中，AT为发射信号幅度，σ2为噪声功率，μ为无噪声情况下的信号幅度，I0是修正的0阶贝塞尔函数；
步骤5，令k＝1，若A[k]＞A0，则频点k存在反射信号，将频点k的信号进行带通滤波分离出后取相位做差得到相位差随时间变化为
其中m为采样信号采样点，0<m≤M，τ1为反射信号到天线1的传播时间，ks为发射信号的调频斜率，c为信号传播速度，d为天线1与天线2的间距，v1[mTs]为天线1上采样信号取相位后的噪声，v2[mTs]为天线2上采样信号取相位后的噪声，θ为波达方向；转至步骤7；
步骤6、若A[k]＜A0，则频点k不存在反射信号，k＝k+1，转至步骤5；
步骤7，利用一般拟合法拟合得到相位差随时间变化关系ψ[mTs]的斜率kψ，计算波达方向得到频点k的信号波达方向；k＝k+1，转至步骤5；
步骤8，k＝M+1，波达方向估计结束。
2.如权利要求1所述的宽带线性调频信号的波达方向估计方法，其特征在于，所述步骤7采用的拟合方法为最小二乘法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710520036.6A CN107346009B (zh) | 2017-06-30 | 2017-06-30 | 一种宽带线性调频信号的波达方向估计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710520036.6A CN107346009B (zh) | 2017-06-30 | 2017-06-30 | 一种宽带线性调频信号的波达方向估计方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107346009A true CN107346009A (zh) | 2017-11-14 |
| CN107346009B CN107346009B (zh) | 2020-03-27 |
Family
ID=60256659
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710520036.6A Expired - Fee Related CN107346009B (zh) | 2017-06-30 | 2017-06-30 | 一种宽带线性调频信号的波达方向估计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107346009B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111948451A (zh) * | 2020-07-31 | 2020-11-17 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 一种基于互谱相位加权平均法的调频连续波信号测向方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015156847A3 (en) * | 2013-12-27 | 2015-12-03 | Massachusetts Institute Of Technology | Characterizing multipath delays in antenna array and synthetic aperture radar systems |
| CN106324558A (zh) * | 2016-08-30 | 2017-01-11 | 东北大学秦皇岛分校 | 基于互质阵列的宽带信号doa估计方法 |
| CN106772226A (zh) * | 2016-12-26 | 2017-05-31 | 西安电子科技大学 | 基于压缩感知时间调制阵列的doa估计方法 |
-
2017
- 2017-06-30 CN CN201710520036.6A patent/CN107346009B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015156847A3 (en) * | 2013-12-27 | 2015-12-03 | Massachusetts Institute Of Technology | Characterizing multipath delays in antenna array and synthetic aperture radar systems |
| CN106324558A (zh) * | 2016-08-30 | 2017-01-11 | 东北大学秦皇岛分校 | 基于互质阵列的宽带信号doa估计方法 |
| CN106772226A (zh) * | 2016-12-26 | 2017-05-31 | 西安电子科技大学 | 基于压缩感知时间调制阵列的doa估计方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| PENG LUO等: "DOA Estimation of Wideband LFM Signals for Nonuniform Linear Array", 《2010 3RD INTERNATIONAL CONGRESS ON IMAGE AND SIGNAL PROCESSING》 * |
| 罗蓬: "相干宽带线性调频信号的波达方向估计新方法", 《通信学报》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111948451A (zh) * | 2020-07-31 | 2020-11-17 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 一种基于互谱相位加权平均法的调频连续波信号测向方法 |
| CN111948451B (zh) * | 2020-07-31 | 2023-03-24 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 一种基于互谱相位加权平均法的调频连续波信号测向方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107346009B (zh) | 2020-03-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109471064B (zh) | 基于脉冲压缩技术的时间调制阵列测向系统 | |
| CN106646344B (zh) | 一种利用互质阵的波达方向估计方法 | |
| CN111736131B (zh) | 一种剔除一比特信号谐波虚假目标的方法及相关组件 | |
| CN108037494B (zh) | 一种脉冲噪声环境下的雷达目标参数估计方法 | |
| CN110133631B (zh) | 一种基于模糊函数的频控阵mimo雷达目标定位方法 | |
| CN103760529B (zh) | 一种无源探测高效级联空时自适应处理方法 | |
| CN103616679A (zh) | 基于差波束调制和波形分析的pd雷达测距测角方法 | |
| CN108132461B (zh) | 抑制调频连续波着陆雷达直流泄露的方法 | |
| CN107942314B (zh) | 基于lasso特征提取的多普勒穿墙雷达定位方法 | |
| CN101644760B (zh) | 一种适用于高分辨阵列的快速鲁棒的信源个数检测方法 | |
| CN110275158A (zh) | 基于贝叶斯压缩感知的宽带雷达回波信号参数估计方法 | |
| CN103226190A (zh) | 一种基于真延时的宽带相控阵波束形成方法 | |
| CN104007421A (zh) | 基于全变差和压缩感知的罗兰c被动雷达toa估计方法 | |
| CN110824414A (zh) | 一种到达角估计的装置及方法 | |
| CN110770598A (zh) | 微波雷达及其数据处理方法、无人机 | |
| CN111007487B (zh) | 一种基于时间反演的多基地雷达目标检测方法 | |
| CN106249229A (zh) | 基于PD雷达体制的Keystone变换空域及时域走动补偿方法 | |
| CN109061599B (zh) | 一种基于循环平稳和对称先验知识的stap方法 | |
| Lu et al. | MTD processing based on Keystone transform for LFMCW radar | |
| CN107346009A (zh) | 一种宽带线性调频信号的波达方向估计方法 | |
| CN106569182B (zh) | 基于最小熵的相位编码信号载频估计方法 | |
| CN112444786A (zh) | 获取参考噪声基底的方法及装置、目标检测方法、目标检测装置、雷达系统 | |
| CN104656062B (zh) | 无源双基地系统的双模式自适应直达波与杂波抑制方法 | |
| CN115436909A (zh) | 一种基于矩阵重构Root-MUSIC算法的FMCW雷达测距方法 | |
| KR102331907B1 (ko) | 거리와 각도 동시 추정을 위한 레이더 신호 처리 장치 및 그 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200327 |