CN108051772B - 幅相联合测量来波方位信息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种幅相联合测量来波方位信息的方法，利用本发明可以有效减小相位差测量精度对于天线阵尺寸的依赖关系并能够有效缩小天线阵尺寸。本发明通过下述技术方案予以实现：在无线电测向场景中，无线电测向系统采用多个阵元的测向天线形成多通道捕获目标来波辐射信号的测向天线阵列，无线电测向设备通过射频开关控制射频信道选择输入的天线信号或者标校信号，通过射频信道对信号进行模拟变频、滤波、放大输出到处理模块；处理模块将获取的空间来波幅度和相位差信息进行关联得到来波特征向量，根据实时接收的信号频率选择样本库样本，用实时计算的关联向量与样本库样本数据进行欧式距离运算，确定距离极值，获取来波信号方位。

Description

幅相联合测量来波方位信息的方法

技术领域

本发明涉及一种航海、航空、目标探测和频谱监测，可在无线电频谱监测等方面对来波目标产生的电磁辐射信号进行观测，经综合处理，获取信号幅度和相位差并使之关联，从而获得来波目标方位的方法。更具体地说，是针对空间目标辐射的电磁信号，基于幅度和相位差关联信息并利用样本库与之相关进行测向的方法即幅相联合测量来波方位信息的方法。

背景技术

随着无线电频谱资源的广泛应用和无线电通信的日益普及，为了有序和可靠地利用有限的频谱资源，以及确保无线电通信的畅通，无线电监测和无线电测向已经必不可少，其地位和作用还会与时俱进。无线电测向是依据电磁波传播特性，使用仪器设备测定无线电波来波方向的过程。主要是通过接收天线测量辐射源辐射的电磁波到达角来确定辐射源的方向。无线电测向的目的是测量无线电波辐射源的方向，其实质是测量到达电磁波的波阵面的法线方向相对于参考方向(正北)之间的夹角。来波方位测量是无线电侦测的主要技术目标。按照从不同天线体系上所产生的感应电动势中提取目标无线电方位信息的不同处理方法，亦即按提取来波到达方位信息方法的不同，可形成：相位测向、幅度测向、时差测向等方法。目前对来波方位测量的主要方式有比幅体制，时间差体制，沃森瓦特体制，空间谱体制，干涉仪体制等，各种方法各有优劣。幅度比较式测向体制是依据电波在行进中，利用测向天线阵或测向天线的方向特性，对不同方向来波接收信号幅度的不同，测定来波方向。到达时间差测向体制依据电波在行进中，通过测量电波到达测向天线阵各个测向天线单元时间上的差别，确定电波到来的方向。它类似于比相式测向，但是这里测量的参数是时间差，而不是相位差。该测向体制要求被测信号具有确定的调制方式，到达时间差测向体制的特点：测向准确度高，灵敏度高，测向速度快，极化误差不敏感，没有间距误差，测向场地环境要求低，但是抗干扰性能不好，载波必须有确定的调制，目前应用尚不普及。沃特森-瓦特测向机实际上也是属于幅度比较式的测向体制，但是它在测向时不是采用直接或间接旋转天线方向图，而是采用计算求解或显示反正切值。该体制测向天线属于小基础，测向灵敏度和抗波前失真受到限制，多信道体制系统复杂；双信道接收机实现幅度、相位一致，有一定技术难度。空间谱估计测向，可以实现高测向灵敏度和高测向准确度，其测向准确度要比传统测向体制高得多，即使信噪比下降至0db，仍然能够满意地工作(而传统测向体制，信噪比通常需要20db)；测向场地环境要求不高，可以实现天线阵元方向特性选择及阵元位置选择的灵活性。以上空间谱估计测向的优点，正是传统测向方法长期以来存在的疑难问题。空间谱估测向，尚在研究试验阶段，在这个系统中，要求具备宽带测向天线，要求各个天线阵元之间和多信道接收机之间，电性能具有一致性，此外还需要简捷高精度的计算方法和高性能的运算处理器，以便解决实用化问题。干涉仪测向体制是依据电波在行进中，从不同方向来的电波到达测向天线阵时，在空间上各测向天线单元接收的相位不同，因而相互间的相位差也不同，通过测定来波相位和相位差，即可确定来波方向。为了能够单值地确定电磁波来波的方向，干涉仪测向在工作时，至少需要在空间架设三付分立的测向天线，干涉仪测向是在±180度范围内单值地测量相位，当天线间距比较小时，相位差的分辨能力受到限制，天线间距大于0.5个波长时，会引起相位模糊，工程实现中常采用长，短基线结合的方式，长基线提高测向精度，短基线解除相位模糊，其天线阵列布阵方式灵活，通过实测数据与样本库数据的相关运算可以快速获得来波目标方位，干涉仪测向是当代比较好的测向体制。但传统的相关干涉仪测向受天线基线即天线尺寸与来波信号的波长影响较大，特别在100M频率以下的频段，为了得到较高的测向精度，往往将天线阵布置的较大，大型的天线就需要合适的平台去适应，但在现代无线电应用场景往往提倡小型且轻便，这就需要在天线尽量小的情况下去获得高精度的来波目标方位。

发明内容

本发明的目的是针对小型化的特殊背景以及传统相关干涉仪测向存在的缺陷，提供一种能够使天线小型化，测向误差小，采用幅相结合体制的测向方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种幅相联合测量来波方位信息的方法，具有如下技术特征：在无线电测向场景中，无线电测向系统采用多个阵元的测向天线形成多通道捕获目标来波辐射信号的测向天线阵列，测向天线把空中传播的电磁波能量感应连同幅度、相位、到达时间等信息转换为交流电信号，馈送给无线电测向设备，无线电测向设备通过射频开关控制射频信道选择输入的天线信号或者标校信号，通过射频信道对信号进行模拟变频、滤波、放大输出到处理模块；处理模块将接收信道输出的模拟信号进行模数AD采样和数字变频，对来波信号进行频谱计算和相位差计算，提供各路信号的幅度信息和相位差信息；处理模块先根据标校源发射的标校信号，获取需要测向频率集上的幅度和相位差信息并保存，然后通过射频开关切换至多通道测向天线接收天线辐射信号，将获取空间来波的幅度和相位差信息对比标校信息进行标校，去除前端信道带入的幅度和相位不一致性，将标校后的信号按照幅度最大值对应的通道为参考对幅度和相位差进行关联，获取来波特征向量，按照信号频率选择样本库样本数据与之进行欧式距离计算，确定距离极值，根据距离极值应用内插算法对来波方位进行精测量，获取来波信号方位。获取样本库时采用标准信号源连接发射天线作为辐射源，将测向天线阵列布置在360°转台上，利用转台转动测向天线，处理模块在0～360°不同的方位获取辐射源辐射信号的幅度和相位差，分别按照N路通道(N＝1…M,M为天线阵元数)为参考形成来波特征向量，按照测向天线的转动方位和信号频率对这些特征向量进行存储形成样本库。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

测向天线阵小型化。本发明针对测向系统对来波目标方位进行测量的需求，通过多个阵元的测向天线形成天线阵列对空间辐射的无线电信号进行接收，通过对应的多通道接收信道对射频信号进行变频、滤波、放大到处理模块，处理模块将接收到的模拟信号进行AD采样和数字变频，在FPGA内完成数字信道化预处理和FFT运算，输出信号的频谱和相位差信息，处理模块对幅度和相位差进行关联形成关联信息向量，与样本库数据进行相关运算，再通过内插获得来波的方位信息。相比于传统相关干涉仪单纯的使用相位差进行相关运算，本发明可以有效的减小相位差测量精度对于天线阵尺寸的依赖关系，使得天线阵尺寸有效的得到缩小，提高天线阵的应用需求。

测向误差小。本发明采用无线电测向设备通过射频开关控制射频信道输入的天线信号或者标校信号，通过射频信道对信号进行模拟变频、滤波、放大输出到处理模块，获取来波信号幅度和相位差进行测量，以信号幅度和相位差联合的测向方式，使得各路天线阵元接收到的信号幅度信息被充分利用，弱化相位差信息对测向精度的影响，克服传统相关干涉仪测向体制获取相位差信息的精确度受到天线尺寸制约的缺点，对比之下，在相同的天线尺寸下，本发明能够测量的来波方位精确度远高于传统相关干涉仪测向，经过仿真和实物测试，特别在100MHz频率以下的频段，幅相结合体制的测向方法相比较与传统相关干涉仪测向能够提高5°左右的测向精度。

附图说明

为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图给出最佳实施案例，从而使本发明的细节和优点变得更为明显。

图1是本发明无线电测向设备的电路原理示意图。

图2是本发明无线电测向设备采用幅相联合测向场景示意图。

图3是本发明无线电测向设备的幅相联合测向流程图。

图4是本发明无线电测向设备在不同来波频率下测量来波方位信息结果分布示意图。

具体实施方式

参阅图1。无线电测向设备包括：相连射频开关的测向天线，射频开关通过射频通道连接处理模块，相连在射频开关与处理模块之间的标校源模块，射频开关选择测向天线接收的是空间辐射信号或者标校源模块发送的标校信号，通过射频信道将射频信号或标校信号送入处理模块，处理模块根据来波信号的频谱特征设置门限获取信号在数字频谱中的序号，获取信号对应的幅度和相位差，频谱和相位差信息经过多次积累取平均或最大值，平均运算时利于信息的平滑，减小虚警或漏警，获取最大值时利于对突发信号进行侦测。

处理模块对标校后各通道的幅度进行比较获取最大幅度，以最大幅度对应的通道为参考使用幅度和相位差信息形成信息向量，按频率选择样本库与之进行欧式距离计算，获取距离极值。

处理模块利用实时获取的信息向量与样本库中同频率下不同方位的向量进行欧式距离计算获得结果，在极值点附近选取欧式距离结果进行内插，获取来波的精确方位。

处理模块对频谱计算时，对多个同时过门限的信号频谱点所计算出的来波方位进行聚类计算，得到唯一的来波方位。

根据本发明，在无线电测向场景中，无线电测向系统采用多个阵元的测向天线形成多通道捕获目标来波辐射信号的测向天线阵列，测向天线把空中传播的电磁波能量感应连同幅度、相位、到达时间等信息转换为交流电信号，馈送给无线电测向设备，无线电测向设备通过射频开关控制射频信道选择输入的是测向天线接收的空间辐射信号或者标校源模块发射的标校信号，通过射频信道对信号进行模拟变频、滤波、放大输出到处理模块；处理模块将接收信道输出的模拟信号进行模数AD采样和数字变频，对来波信号进行频谱计算和相位差计算，提供各路信号的幅度信息和相位差信息；处理模块先根据标校源模块发射的标校信号，获取需要测向频率集上的幅度和相位差信息并保存，然后通过射频开关切换至多通道测向天线接收天线辐射信号，将获取空间来波的幅度和相位差信息对比标校信息进行标校，去除前端信道带入的幅度和相位不一致性，将标校后的信号按照幅度最大值对应的通道为参考对幅度和相位差进行关联，获取来波特征向量，按照信号频率选择样本库样本数据与之进行欧式距离计算，确定距离极值，根据距离极值应用内插算法对来波方位进行精测量，获取来波信号方位。

处理模块根据来波信号的频谱特征设置门限获取信号在数字频谱中的序号，获取信号对应的幅度和相位差，频谱和相位差信息经过多次积累取平均或最大值，平均运算时利于信息的平滑，减小虚警或漏警，获取最大值时利于对突发信号进行侦测。

处理模块对标校后各通道的幅度进行比较获取最大幅度，以最大幅度对应的通道为参考使用幅度和相位差信息形成信息向量，按频率选择样本库与之进行欧式距离计算，获取距离极值。

处理模块利用实时获取的信息向量与样本库中同频率下不同方位的向量进行欧式距离计算获得结果，在极值点附近选取欧式距离结果进行内插，获取来波的精确方位。

处理模块对频谱计算时多个同时过门限信号频谱点计算出的来波方位进行聚类计算，得到唯一的来波方位。

获取样本库时，采用标准信号源连接发射天线作为辐射源，将测向天线阵列布置在360°转台上，利用转台转动测向天线，处理模块在0～360°的不同方位获取辐射源辐射信号的幅度和相位差，以测向天线的转动方位和信号频率，分别按照N＝1…M，M为天线阵元数的N路射频通道为参考通道形成的来波特征向量，对这些特征向量进行存储形成样本库。

参阅图2。在无线电测向场景中，无线电测向设备测量辐射源来波方向时，目标位置s_B＝[x_B，y_B]，目标辐射源信号s(t)从远场到达无线电测向设备的测向天线，无线电测向设备在s₀＝[x₀，y₀]位置处，以测向天线的第一个接收天线为参考阵元，获取目标辐射信号来波幅度和相位差，并进行方位测量，获取来波方位角θ，在第i个接收天线阵元接收信号相对于参考阵元的延迟时间τ_i(θ)，获得第i个阵元的输出信号

x_i(t)＝A_i*s(t-τ_i(θ)) (1)

式中：A为来波信号到达接收天线的幅度，t为测向天线接收信号时刻，τ是由来波方位在不同天线阵元引起的时延，i为接收天线阵元，i＝1…M，M为天线阵元数。

处理模块实际AD采样后，得到的幅度和相位差分别为A_i，θ_1i；

θ_1i＝θ(i)-θ(1) (2)

当无线电测向设备将射频开关切换至标校源模块的标校通道时，无线电测向设备以测向天线第一路通道为参考通道，对每一路通道接收的幅度信息与参考通道相比对，得到标校相位差p_1i和标校幅度a_1i，即有

P_1i＝P₁-P_i (3)

i＝2、3…M，M为天线阵元数，将实时测得的相位差和幅度信息与标校相位差和幅度信息进行比对，得到标校后的相位差Trans_θ(1i)和幅度信息Trans_Amp(1i)；

Trans_θ(1i)＝θ_1i-p_1i (6)

处理设备根据幅度和相位信息形成幅相向量vect_real(i)和vect_imag(i)：

vect_real(i)＝Trans_Amp(1i)*cos(Trans_θ(1i)) (7)

vect_imag(i)＝Trans_Amp(1i)*sin(Trans_θ(1i)) (8)

测向需要先建立样本库，按照(7)、(8)式形成关联向量的方法，无线电测向设备形成幅相向量时，分别以M个天线阵元为参考阵元依次旋转，将得到幅相关联向量简写为Vr_iM和VI_iM得到无线电测向系统某个方位的原始样本集

按辐射信号频率间隔(试验中取1MHz)和方位间隔(试验中取4°)进行样本集的建立，得到频率范围内所有方位的向量样本，无线电测向设备对辐射源入射信号实际测得的样本为

表示无线电测向设备对实际入射的来波信号通过处理模块处理后形成的特征向量，

分别对ψ_i做最小欧式距离计算，获得来波的入射方位角最小值E_i

上式∑为对i求和，上标T为求矩阵转置。

处理模块对最小欧式距离计算的方位值进行二次插值计算，计算出最小欧式距离为E_{idx_min}，插值方位

插值起始方位θ₀＝idx_min*4 (11)

来波方位θ＝θ₀+θ_x (12)

idx_min为最小欧式距离对应的方位值。

参阅图3。第一步，无线电测向设备中的处理模块根据关注的信号频率集控制标校源发送标校信号，同时将射频开关切换至标校源模块的标校通道，标校信号通过射频信道进行模拟变频、滤波、放大输出到处理模块，处理模块将接收标校信道输出的N路模拟信号进行AD采样和数字信号预处理、下变频，进行相位差提取和幅度提取，通过处理模块中的数据校正模块将输出的幅度和相位差信息进行保存。

第二步，处理模块将射频开关切换至测向天线通道，测向天线阵列通过各个天线阵元接收空间辐射无线电信号，各天线阵元接收的信号进入对应的射频接收通道，同样经过模拟变频、滤波、放大输出到处理模块，处理模块将空间信号采样并进行频谱和相位差计算，获得实时的幅度和相位差信息。

第三步，处理模块将获取的实时幅度和相位差信息与保存在数据校正模块中的标校幅度和相位差信息，在数据校正模块中进行标校，去除射频信道带入的通道不一致性，获得标校后的幅度和相位差信息，分别以M个通道为参考按照公式(7)、(8)对标校后的幅度和相位差信息进行关联，形成关联的信息向量，按照发射信号的频率和发射信号相对于测向天线不同的方位进行信息向量的排列存储，形成样本库。

第四步，处理模块将获取的实时幅度和相位差信息与数据校正模块保存的标校幅度和相位差信息在数据校正模块中进行标校，去除射频信道带入的通道不一致性，获得标校后的幅度和相位差信息，搜索幅度最大值，以幅度最大值对应的通道为参考按照公式(7)、(8)对标校后的幅度和相位差信息进行关联，形成关联的信息向量，根据信号频率选取样本库样本信息向量，按照样本库中不同的方位下取出的样本信息向量与实时计算的关联信息向量进行欧式距离计算，获取欧式距离极值。

第五步，处理模块获取欧式距离极值后，在极值点附近选取合适的欧式距离，按照公式(10)、(11)、(12)进行插值计算，获取来波方位的准确测量值。

参阅图4。在幅相关联信息向量样本库建立后，通过对来波实时信号幅度和相位差关联与样本库进行比对测向时，可以大大缩小天线尺寸，同时提高测向准确度，图4反应的是处理设备在不同来波频率(f₁<f₂<f₃<…<f_N-1,)测量来波方位信息结果分布示意图，传统干涉仪测向结果曲线反应处理设备采用传统干涉仪测向方法测量来波方位信息的结果偏差会随着来波频率的增高而减小，幅相联合测量结果曲线反应处理机设备采用幅相联合测量来波方位信息的方法其测量结果相比于传统干涉仪测向有了明显提高，且因为其波长受测向天线尺寸的依赖关系较小，因此，其测向结果曲线变化相对平缓。经过试验测试，在相同天线尺寸下，采用幅相联合测量来波方位信息的方法相比较于传统相关干涉仪测向，其测向精度大大提高，特别在100MHz频率以下的频段，幅相结合体制的测向方法相比较于传统相关干涉仪测向能够提高5°左右的测向精度。

以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，上述实例所描述的仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，比如可以选择不同的天线阵列方式，如线阵，L阵，十字阵等；可以在不同频段进行测向，如短波，超短波或者微波频段均可采用此方法进行测向；可以结合具体的工程项目选用不同的处理平台进行幅度、相位差及关联运算。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权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种幅相联合测量来波方位信息的方法，具有如下技术特征：在无线电测向场景中，无线电测向系统采用多个阵元的测向天线形成多通道捕获目标来波辐射信号的测向天线阵列，测向天线把空中传播的电磁波能量感应连同幅度、相位、到达时间信息转换为交流电信号，馈送给无线电测向设备，无线电测向设备通过射频开关控制射频信道选择输入的天线信号或者标校信号，通过射频信道对信号进行模拟变频、滤波、放大输出到处理模块；处理模块将接收信道输出的模拟信号进行AD采样和数字变频，对来波信号进行频谱计算和相位差计算，AD采样后，得到幅度A_i和相位差；根据提供的各路信号的幅度信息和相位差信息和标校源发射的标校信号，获取需要测向频率集上的幅度和相位差信息并保存；然后通过射频开关切换至多通道测向天线接收天线辐射信号，将获取空间来波的幅度和相位差信息对比标校信息进行标校，无线电测向设备将射频开关切换至标校源模块的标校通道，以测向天线第一路通道为参考通道，对每一路通道接收的幅度信息与参考通道相比对，得到标校相位差p_1i和标校幅度a_1i，去除前端信道带入的幅度和相位不一致性，将标校后的信号按照幅度最大值对应的通道为参考对幅度和相位差进行关联，获取来波特征向量，利用来波标校后的幅度信息A，相位差信息ψ，按照Vr＝A*cos(ψ)，VI＝A*sin(ψ)的方法进行幅度和相位差关联；按照信号频率选择样本库样本数据与之进行欧式距离计算，确定距离极值，根据距离极值应用内插算法对来波方位进行精测量，获取来波信号方位；无线电测向设备形成幅相向量时，分别以M个天线阵元为参考阵元依次旋转，将得到幅相关联向量简写为Vr_i和VI_i得到无线电测向系统某个方位的原始样本集

按辐射信号频率间隔和方位间隔进行样本集的建立，得到频率范围内所有方位的向量样本，无线电测向设备对辐射源入射信号实际测得的样本为

表示无线电测向设备对实际入射的来波信号通过处理模块处理后形成的特征向量，

分别对ψ_i做最小欧式距离计算，获得来波的入射方位角最小值E_i，

式中，i＝1…M，∑为对i求和，上标T为求矩阵转置。

2.如权利要求1所述的幅相联合测量来波方位信息的方法，其特征在于：无线电测向设备包括：相连射频开关的测向天线，射频开关通过射频通道连接处理模块，相连在射频开关与处理模块之间的标校源模块，射频开关选择测向天线接收的是空间辐射信号或者标校源模块发送的标校信号，通过射频信道将射频信号或标校信号送入处理模块。

3.如权利要求2所述的幅相联合测量来波方位信息的方法，其特征在于：处理模块根据来波信号的频谱特征设置门限获取信号在数字频谱中的序号，获取信号对应的幅度和相位差，频谱和相位差信息经过多次积累取平均或最大值，对标校后各通道的幅度进行比较获取最大幅度，以最大幅度对应的通道为参考使用幅度和相位差信息形成信息向量，按频率选择样本库与之进行欧式距离计算，获取距离极值；处理模块利用实时获取的信息向量与样本库中同频率下不同方位的向量进行欧式距离计算获得结果，在极值点附近选取欧式距离结果进行内插，获取来波的精确方位。

4.如权利要求3所述的幅相联合测量来波方位信息的方法，其特征在于：处理模块对频谱计算时，对多个同时过门限信号的频谱点来波方位进行聚类计算，得到唯一的来波方位。

5.如权利要求4所述的幅相联合测量来波方位信息的方法，其特征在于：获取样本库时，采用标准信号源连接发射天线作为辐射源，将测向天线阵列布置在360°转台上，利用转台转动测向天线，处理模块在0～360°的不同方位获取辐射源辐射信号的幅度和相位差，以测向天线的转动方位和信号频率，分别按照M路射频通道为参考通道形成来波特征向量，对这些特征向量进行存储形成样本库。

6.如权利要求5所述的幅相联合测量来波方位信息的方法，其特征在于在无线电测向场景中，无线电测向设备测量辐射源来波方向时，目标位置s_B＝[x_B,y_B],目标辐射源信号s(t)从远场到达无线电测向设备的测向天线，无线电测向设备在s₀＝[x₀,y₀]位置处，以测向天线的第一接收天线阵元为参考阵元，获取目标辐射信号来波幅度和相位差，并进行方位测量，获取来波方位角θ，在第i个接收天线阵元接收信号相对于参考阵元的延迟时间τ_i(θ)，获得第i个阵元的输出信号x_i(t)＝A_i*s(t-τ_i(θ))

式中：A_i为来波信号到达接收天线的幅度，t为测向天线接收信号时刻，τ_i(θ)是由来波方位在不同天线阵元引起的时延，i为接收天线阵元，i＝1…M，M为天线阵元数。

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