CN108226851B

CN108226851B - 用于测向的方法和测向器

Info

Publication number: CN108226851B
Application number: CN201711326712.2A
Authority: CN
Inventors: 莫里茨·施泰因; 克里斯托夫·迈耶
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2037-12-13
Also published as: EP3339874A1; CN108226851A; US10830861B2; US20180172795A1; EP3339874B1

Abstract

本发明描述了一种用于测向的方法，其中对输入信号进行扫描和分析。输入信号的方位值及其质量通过使用传统的测向方法确定。通过使用多波检测器单元根据输入信号生成协方差矩阵。减小协方差矩阵的维数以获得减小的协方差矩阵。确定减小的协方差矩阵的特征值。然后，使用通过使用传统测向方法确定的特征值和质量来确定是否检测到多于一个的信号、单个信号或者没有信号。此外，描述了测向器。

Description

用于测向的方法和测向器

技术领域

本发明涉及一种测向方法以及测向器。

背景技术

测向是测向器接收到的输入信号方向的测量。通常，无线电或其他电磁波可以通过测向器来检测。通常，现有技术中已知两种用于测向的方法。

这些方法之一已知为传统测向，另一种已知为高分辨率测向或超分辨率测向(SRDF)。这两种方法在其所获得的信息中彼此区分，因为传统的测向方法只能检测单个事件信号，而高分辨率测向方法提供了关于同时被测向器检测到的输入信号的信号发射器的数量的附加信息。因此，高分辨率测向允许分离时间相关的同信道信号并定位它们的信号源，特别是参数方位角和仰角。

这个附加信息是通过评估步骤收集的，其中输入信号被用于计算相关矩阵。该相关矩阵的特征值通过使用QR分解或其他方法来获得，以检测同信道信号的存在。为了评估信号发射器的数量，确定同信道信号的相关程度，其中考虑了空间和时间相关性。

通常，当一个信号发射器的发射信号被其他物体反射时，可以发生相干的同信道干扰，而当不同的信号发射器被同时使用时，发生非相干的同信道干扰。因此，有必要将非相干同信道干扰与相干同信道干扰分离，以评估信号发射器的数量。分离这些同信道干扰的适当过程是已知的。例如，在EP 1 584 943B1中描述了高分辨率测向或超分辨率测向方法。

然而，高分辨率测向非常复杂，因为它需要高计算能力、时间和大的芯片表面。因此，高分辨率测向方法也是昂贵的。

此外，传统测向方法提供关于方位值及其质量的信息。然而，由传统测向方法确定的质量值可能是错误的。由于传统测向方法只能检测单个输入信号，所以不同的信号，特别是相干和/或非相干的同信道干扰可能会影响质量值的确定处理。

因此，需要不太复杂的技术来收集关于输入信号的数量的信息，从而可以决定所确定的质量值是否可靠。

发明内容

本发明提供了一种用于测向的方法，其中扫描输入信号。分析输入信号。通过使用传统的测向方法确定输入信号的方位值及其质量。通过使用多波检测器单元根据输入信号生成协方差矩阵。减小协方差矩阵的维数以获得减小的协方差矩阵。确定了减小的协方差矩阵的特征值。使用通过使用传统测向方法确定的特征值和质量来进一步确定是否检测到多于一个信号、单个信号或者没有信号。

本发明进一步提供一种测向器，其包括用于接收输入信号的多个天线元件、多波检测器单元和用于分析输入信号的处理单元。处理单元被配置为通过使用传统的测向方法来确定输入信号的方位值及其质量。多波检测器单元被配置为根据输入信号生成协方差矩阵，减小协方差矩阵的维数以获得减小的协方差矩阵并确定减小的协方差矩阵的特征值。测向器被配置为使用通过使用传统测向方法确定的特征值和质量来确定是否检测到多于一个信号、单个信号或者没有信号。

本发明基于以下发现：通过另外使用用于估计输入信号的数量(特别是不同信号发射器的数量)的多波检测器单元，改进了用于测向的传统方法，例如相关干涉仪测向方法。通过确定减小的协方差矩阵的特征值来组合用于测向和估计输入信号的数量的传统方法，以确定是否检测到多于一个的信号、单个信号或者没有信号。因此，可以在不使用计算密集的高分辨率方法的情况下检测多个信号。

一般而言，传统的测向方法是仅可以检测单个事件信号的测向方法。

协方差矩阵的维数的减小降低了确定减小的协方差矩阵的特征值所需的计算机能力。协方差矩阵，特别是其确定的特征值仅被用于估计信号的数量，因此，由于通过使用传统测向方法确定的质量被另外用作用于确定信号的数量的输入参数，因此减小的协方差矩阵足以用于分析目的。因此，与用于分解高维协方差矩阵(诸如5×5或更高维矩阵)的数学方法相比，用于分解协方差矩阵的数学方法更简单。因此，可以减小分解目的所需的计算机能力。另外，由于协方差矩阵的维数将减小的事实，可以使用由测向器接收的更少数量的采样来生成协方差矩阵。

传统的测向方法提供关于方位值及其质量的信息。质量可以通过传统测向方法的所谓的质量度量来提供，其可以以已知的方式获得，例如通过使用根据Watson-Watt的测向方法。因此，根据本发明的质量度量相对于用于测向的传统方法的质量度量被放大，因为通过使用传统的测向方法确定的方位值的质量被用作用于确定是否接收到多于一个的信号、单个信号或没有信号。通过使用传统测向方法确定的质量可以适当地改进估计步骤。因此，多波检测器单元使用减小的协方差矩阵的特征值以及由用于估计输入信号的数量的传统测向方法确定的质量来特别地确定是否接收到多于一个的信号、单个信号或者没有信号。例如在https://bergundtalfunk.wordpress.com/2013/04/06/peilverfahren-nach-watson-watt/上，确定方位质量(度量)是本领域普通技术人员已知的。

通常，由于提供了不同信号的数量的估计，所以关于传统的测向方法收集更多的信息，而相对于高分辨率或超分辨率的测向方法减小了测向方法的复杂度。使用所生成的协方差矩阵仅部分地用于估计信号的数量就足够了，因为使用传统测向方法所确定的质量被用作附加的输入参数，使得通过仅使用生成的协方差矩阵的一部分和质量两者估计的数量用于确定是否接收到多于一个的信号、单个信号或者没有信号。

根据一个方面，在传统测向方法并行执行时估计信号的数量。因此，可以在使用测向器时基本上同时获得参数，特别是方位值、其质量以及检测到的信号的估计数量。因此，实时提供与参数有关的信息。而且，传统的测向方法不是仅仅在已经检测到单个信号或者没有信号的情况下才用于随后确定信号的数量。通过使用这些参数，特别是接收到的信号的质量和估计的数量，可以确定是否接收到多于一个的信号、单个信号或者没有信号。

根据另一个方面，扫描频率范围，该频率范围被细分成不同的信道，特别是其中为每个信道确定方位值及其质量。因此，由测向器扫描的整个频率范围被细分成分配给某些信道的不同子范围。由每个天线元件接收的信号的频率范围(特别是以类似的方式)被细分成用于每个天线元件的相应的信道。此外，质量度量提供每个信道的信息，特别是频率范围的每个子范围的信息，其中信息包括方位值及其质量。

此外，可以为每个信道确定信道分配。对于分配给某个信道的每个子范围，还完成是否接收到多于一个的信号、单个信号或者没有信号的确定步骤。因此，所获得的信息还包括关于每个信道的信号数量的信息，特别是是否提供多于一个的信号、单个信号或者没有信号。这个信息被称为信道分配。

根据某个实施例，为由多于一个的信号自动分配并且在确定步骤之后分配的每个信道执行高分辨率测向方法。不需要手动输入，使得测向器自动启动对于可能包括多于一个的信号的信道的高分辨率测向方法。测向器的用户只需要开始测向过程，其中测向器扫描并分析输入信号。因此，分别为每个信道确定方位值、其质量以及信道分配。之后，通过使用高分辨率测向方法仅详细地分析某些信道，以准确地确定信号的数量。因此，测量时间可以明显减少，因为仅相关的信道经受高分辨率或超分辨率测向方法以确定分配给这些信道的信号的确切数量。

通常，频率范围可以是宽带频率范围，和/或不同的信道可以是窄带的。因此，由于宽带频率范围被细分为与几个频率子范围相关的不同窄带信道，所以该方法以及测向器可以应用于宽带应用。

根据另一个方面，通过使用输入信号的电平阈值来选择某些信道。确保仅信道被用于包括具有一定电平的信号的分析目的。例如，随机噪声不考虑分析的目的。对于所选信道仅获得方位值及其质量以及信道分配，从而减少处理时间。

信道可以通过使用电平阈值自动或手动选择。

根据某个方面，信道通过傅立叶变换，特别是快速傅立叶变换获得。因此，每个天线元件接收的信号经由某个傅里叶变换算法被细分成窄带傅立叶变换信道。这些数据由测向器(特别是其处理单元)进一步处理。

方位值可以包括输入信号的方位角和仰角。因此，至少水平和正交角由方位值提供。

根据另一个方面，质量具有在1％和100％之间的值。质量来源于在天线元件处测量的复合电压。通常，质量度量提供关于方位值的确定的信息，特别是关于确定方位角和仰角的正确性的信息。换句话说，质量表示方位角和仰角的确定值是正确的概率。

特别地，特别在图形用户界面上显示方位值、质量和/或信道分配。因此，由于相关信息被显示并且易于访问，所以不够资格的用户也能够操作测向器。可以单独为每个信道显示信息，特别是方位值、质量和/或信道分配，使得用户可以选择感兴趣的信道。而且，可以同时显示所有信道或多个信道。

另外，当已经(自动地)执行高分辨率测向方法使得已经确定确切数量时，可以显示每个信道的信号的确切数量。这些信息也可以被提供用于显示目的。

此外，减小的协方差矩阵的维数可以是3×3。由于协方差矩阵仅用于估计信号的数量，所以可以使用3×3矩阵来确定特征值，而不是通常用于确定特征值的5×5或更高维的协方差矩阵。使用通过使用传统测向方法确定的估计数量和质量来完成确定。与5×5或更高维矩阵的分解相比，3×3矩阵的分解更容易。因此，可以应用更简单并且需要更少计算能力的数学方法。

通常，多波检测器单元可以使用减小的协方差矩阵以及由用于测向的传统方法确定的质量以确定是否接收到多于一个的信号、单个信号或者没有信号，特别是对于分配给扫描的整个频率范围的子范围的每个不同的信道。

特别地，根据减小的协方差矩阵获得的特征值和方位值的质量被用来高精度地确定信道分配。因此，确保在使用方位值的质量作为附加输入参数时，信道分配具有更高的概率。因此，可以防止由于同信道信号引起的不正确的方位值被认为是正确的。

根据某个实施例，多波检测器单元可以是处理单元的一部分。因此，处理单元自身(特别是单独地对于每个信道)估计接收到的信号的数量。

此外，测向器可以被配置为将频率范围扫描并且细分成不同的信道，特别是其中测向器被配置为确定每个信道的信道分配。因此，测向器(特别是其处理单元)可以确定特别是单独地对于每个信道是否接收到多于一个的信号、单个信号或者没有信号。测向处理的估计步骤可以由测向器自身执行。分配给扫描的整个宽带频率范围的窄带子范围的不同信道可以通过使用应用于接收到的输入信号的傅立叶变换算法来获得。

根据另一个方面，测向器包括显示器，该显示器被配置为特别是对于每个信道显示关于方位值、其质量和/或信道分配的信息。因此，处理单元可以生成将信息提供给测向器的用户的图形用户界面(GUI)，使得用户可以容易地选择感兴趣的信道来收集相应的信息。此外，所有信道或多个信道可以同时显示。

测向器可以被配置为对于由多于一个的信号分配的每个信道自动执行高分辨率测向方法。因此，仅这些可能具有多于一个的信号的信道才通过高分辨率测向方法进行检查，使得测量和分析时间减少，因为仅某些信道被适当地检查。

可以在图形用户界面中显示由高分辨率测向方法确定的信号的确切数量。

特别地，测向器被配置为执行如上所述的测向方法。上面关于该方法描述的特征和优点也以类似的方式应用于测向器。

附图说明

现在将参照附图中示出的优选实施例来描述本发明。在附图中，

-图1示意性地示出了根据本发明的测向器，

-图2示出了表示根据本发明的方法的流程图，以及

-图3示出了表示图2的流程图中所示的估计处理的概览。

具体实施方式

在图1中，示意性地示出了测向器10，其包括具有多个天线元件14的天线系统12。在所示的实施例中，天线系统12包括三个天线元件14，其是宽带天线元件。然而，天线系统12也可以包括多于三个(例如十个)的天线元件14。

测向器10被用于确定发出由测向器10(特别是经由天线系统12)接收的信号的信号发射器的位置。

另外，测向器10包括显示器16和连接到显示器16的处理单元18，该处理单元18用于控制在显示器16上显示的信息。通常，处理单元18产生显示在显示器上的图形用户界面，其中图形用户界面的内容由处理单元18本身确定。

处理单元18也连接到天线系统12，使得所接收的数据(例如通过传统的测向方法)可以由处理单元18处理和分析。

在所示的实施例中，处理单元18包括用于分析目的多波检测器单元20，如稍后将描述的。或者，多波检测器单元20可以与处理单元18分离地形成，使得多波检测器单元20也连接到用于收集所接收到的数据的天线系统12。

此外，测向器10包括控制单元22，该控制单元22用于控制测向器10，特别是自动的内部处理。

通常，测向器10扫描可以是可以由不同的信号发射器发射的输入信号的宽带频率范围的整个频率范围。输入信号单独地由每个天线元件14接收。宽带频率范围被细分成不同的频率子范围，其中每个子范围被分配给某个信道。这对于每个天线元件14各自完成，使得每个天线元件14被分配给某些信道。

信道可以通过傅立叶变换算法，特别是快速傅立叶变换算法来导出，使得这些信道可以被称为傅立叶信道或FFT信道。

参考图2，详细描述了用于测向的方法。

由处理单元18接收到的数据涉及已经由天线元件14接收到的输入信号。这些数据被称为测向器10的原始数据，其对应于不同天线元件14的复合电压。

然后，选择某些详细分析的信道。例如，由电平限值自动选择这些信道，使得仅分配给随机噪声的信道被排除在分析目的之外。被认为是随机噪声的信号的电平太低而不能成为想要的信号。例如，信噪比(SNR)用于提供电平阈值。

或者，信道由测向器10的用户手动选择。

然后分析所选信道的输入信号，特别是原始数据，使得通过传统测向方法(例如通过使用相关干涉仪测向方法)确定方位值(θ)及其质量(Q)。

通常，方位值(θ)可以包括方位角和仰角，其中质量(Q)指示方位角和仰角的确定值是正确的概率。因此，质量(Q)可以具有在1％和100％之间的值。

与传统测向方法并行地，原始数据由多波检测器单元20处理，其中通过获得的原始数据生成协方差矩阵。减小协方差矩阵的维数以获得可以容易处理的减小的协方差矩阵，例如3×3的协方差矩阵。然后，为所有所选的信道确定减小的协方差矩阵的特征值。

随着协方差矩阵的维数减小，特别是减小到3×3矩阵，可以将简单的数学方法应用于协方差矩阵的矩阵分解。因此，相对于高分辨率测向方法，所需的计算能力降低。

此外，因为其维数将会减小，所以可以使用由天线系统12接收的更少数量的样本来生成协方差矩阵。

减小的协方差矩阵的特征值仅用于估计每个信道的信号数量。因此，仅部分地使用协方差矩阵，特别是减小的协方差矩阵就足够了。

使用确定的特征值以及通过传统测向方法确定的质量(Q)以确定所选的每个信道的信道分配(F)。因此，可以确定是否为所选的每个信道提供多于一个的信号、单个信号或者没有信号。

如图2所示，传统的测向方法和减小的协方差矩阵的特征值的确定并行地进行，特别是同时进行。因此，参数是实时获得的。

通常，每个信道的信道分配(F)通过使用多个波检测器单元和另外确定的质量(Q)来确定。例如，阶数估计器用于确定(特别是每个信道)是否提供多于一个的信号、单个信号或者没有信号，其中阶数估计器可以基于“最小描述长度”原理(MDL原理)。

通常，对于根据由M个天线元件14接收的输入信号所生成的减小的协方差矩阵所获得的M*个特征值，可以确定M*-1个不同的信号。

如果接收到N个不同的信号，其中N≥M*，则通过仅使用所确定的特征值来正确确定信道分配(F)的概率将减小。然而，由于另外使用由传统测向方法(特别是相关干涉仪测向方法)确定的质量(Q)，所以信道分配(F)的概率明显提高。

在图3中，示出了表示图2的流程图中所示的确定步骤的概览。

当多波检测器单元20估计由于根据减小的协方差矩阵确定的特征值而将多于一个的信号分配给某个信道时，则该估计被认为是正确的(F＝2)。

当多波检测器单元20由于根据减小的协方差矩阵确定的特征值而估计精确地将单个信号分配给某个信道时，则另外考虑确定的质量(Q)，其中确定的质量(Q)与质量的预定限制值(Q_lim)相比较。质量的限制值被选择为使得等于或高于质量的限制值的质量值对应于单个信号。如果满足条件(Q≥Q_lim)，则将单个信号分配给该信道(F＝1)，否则将多于一个的信号分配给该信道(F＝2)。如有必要，可以适当修正预估的信道分配。

当多波检测器单元20由于根据减小的协方差矩阵确定的特征值而估计没有信号被分配给某个信道时，则另外考虑所确定的质量(Q)，其中比较所确定的质量(Q)与预定的质量限值(Q_lim)。如果满足上述条件，则将多于一个的信号分配给该信道(F＝2)，否则没有信号分配给该信道(F＝0)。如有必要，可以适当修正预估的信道分配。

因此，通过另外使用根据减小的协方差矩阵和质量确定的特征值，可以容易地确定某个信道是否包括多于一个的信号、单个信号或者没有信号。

因此，获得与输入信号相关的信息，该输入信号涉及方位值(θ)(例如入射信号的入射角，特别是方位角和仰角)、其质量(Q)和为每个信道各自的信道分配(F)。该信息可以显示在测向器的显示器上，特别是显示在图形用户界面(GUI)上。处理单元18控制图形用户界面被适当地显示。

此外，收集的信息(特别是信道分配(F))可以用于自动测向处理。

这意味着对于具有大于1的估计信道分配(F)的每个信道开始高分辨率测向处理，特别是其中高分辨率测向处理自动地开始，并且在图2和图3中所示的处理之后。为此目的，确定的信道分配(F)被引导到控制单元22，使得对于专用信道(请参考图2)(特别是具有多于一个的信号的信道分配的那些)启动高分辨率测向处理。

因此，高分辨率测向处理以有效的方式执行，这是因为仅根据信道分配(F＝2)的感兴趣的这些信道可以随后通过高分辨率测向处理来扫描。

因此，确保没有信号或者仅具有单个信号的信道不会暴露于耗时的高分辨率测向处理，这又减少了测量时间并提高了效率。

图1中所示的测向器(10)被配置成执行图2和3中所示的方法以及随后自动地对于感兴趣的信道执行高分辨率测向处理。

一般来说，由于仅一部分协方差矩阵被用于确定特征值，所以相对于高分辨率测向方法，执行根据本发明的用于测向的方法所需的计算能力被降低。用于确定特征值的协方差矩阵的减小的维度还确保可以应用不太复杂且需要较低计算能力的数学方法。

因此，与传统的测向方法或高分辨率测向方法相比，可以以高精确度且以非常经济的方式容易地确定(特别是每个信道的)信号的数量。此外，由于与使用高分辨率测向方法的测向器相比不需要高计算能力，所以可以以划算的方式形成测向器本身。

Claims

1.一种测向方法，包括以下步骤：

a)扫描输入信号，

b)分析所述输入信号，

c)通过使用传统的测向方法确定所述输入信号的方位值及其质量，

d)通过使用多波检测器单元(20)根据所述输入信号生成协方差矩阵，

e)减小所述协方差矩阵的维数以获得减小的协方差矩阵，

f)确定所述减小的协方差矩阵的特征值，和

g)使用通过使用所述传统测向方法确定的特征值和质量，确定是否检测到多于一个信号、单个信号或者没有信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在并行执行所述传统测向方法时估计信号的数量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，扫描频率范围，该频率范围被细分成不同的信道，其中为每个信道确定方位值及其质量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，为每个信道确定信道分配。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，为由多于一个的信号自动分配并且在所述确定步骤之后分配的每个信道执行高分辨率测向方法。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方位值包括所述输入信号的方位角和仰角。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述质量具有在1％与100％之间的值。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方位值、所述质量和/或所述信道分配被显示在图形用户界面上。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述减小的协方差矩阵的维度是3×3。

10.一种测向器(10)，其包括用于接收输入信号的多个天线元件(14)、多波检测器单元(20)和用于分析所述输入信号的处理单元(18)，其中所述处理单元(18)被配置为通过使用传统的测向方法来确定所述输入信号的方位值及其质量，其中所述多波检测器单元(20)被配置为根据所述输入信号生成协方差矩阵，以减小所述协方差矩阵的维度从而获得减小的协方差矩阵并确定所述减小的协方差矩阵的特征值，并且其中所述测向器(10)被配置为使用通过使用所述传统的测向方法确定的特征值和质量来确定是否检测到多于一个信号、单个信号或者没有信号。

11.根据权利要求10所述的测向器(10)，其特征在于，所述多波检测器单元(20)是所述处理单元(18)的一部分。

12.根据权利要求10或11所述的测向器(10)，其特征在于，所述测向器(10)被配置为扫描频率并将频率范围细分成不同的信道，其中所述测向器(10)被配置为确定每个信道的信道分配。

13.根据权利要求10所述的测向器(10)，其特征在于，所述测向器(10)包括显示器(16)，所述显示器(16)被配置为显示关于每个信道的方位值、其质量和/或信道分配的信息。

14.根据权利要求10所述的测向器(10)，其特征在于，所述测向器(10)被配置为为由多于一个信号分配的每个信道自动执行高分辨率测向方法。

15.根据权利要求10所述的测向器(10)，其特征在于，所述测向器(10)被配置为执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。