CN108919174A - 非规则天线阵列结构的短波无线电测向系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种非规则天线阵列结构的短波无线电测向系统和方法。该系统包括：非规则天线阵列和测向接收机，非规则天线阵列包括M个天线单元，部署于三维空间内任意位置，接收到达信号，并将M个天线单元接收的到达信号传输到测向接收机进行处理，测向接收机的信号采样模块得到向量形式的非规则天线阵列信号，传递给空间谱计算处理模块，通过所述非规则天线阵列信号获取噪声子空间基向量，再对于给定的方位角θ和俯仰角φ，构造出非规则转动向量，并进行角度搜索，获得到达信号的方位角和俯仰角估值结果。本发明提出适用于非规则天线阵列的改进空间谱算法，允许天线阵列任意部署；并考虑了不同天线单元高度，改善算法性能。

Description

非规则天线阵列结构的短波无线电测向系统和方法

技术领域

本发明涉及无线电监测技术领域，尤其涉及一种非规则天线阵列结构的 短波无线电测向系统和方法。

背景技术

针对短波无线电信号的测向和定位是无线电监测的重要内容，具有重要 的民用和军用价值。随着海洋资源日益重要，对短波信号监测变得十分重要 和紧迫。

现有的短波无线电测向技术均利用天线阵列实现对来波信号方位的测 定。根据所采用的技术体制不同，可以将现有无线电测向技术可分为两类： 传统无线电测向和空间谱测向：传统无线电测和和空间谱测向。

传统无线电测向系统利用天线的方向性实现对到达信号方向的测量。常 用的方向性天线包括：环天线、艾德考克(Adcock)天线、乌兰韦伯尔天线 等；常用的测向方法包括：最小信号测量、最大信号测量、相位比较测量 等。

空间谱测向采用均匀天线阵列获取接收信号，并使用子空间信号处理算 法对接收到的信号进行数学处理，从而极大改善无线电测向的分辨率和测向 精度。同时，空间谱测向技术还具有同频多向的能力，能够对同一频点处的 不同来波信号进行测定。

现有的无线电测向技术，不管是使用传统的测向方法还是采用了空间谱 的测向方法，都是基于部署在同一平面内的规则天线阵列结构的，它要求各 个天线单元必须按照规则的几何结构(如圆形，L型等)布置在同一个平面 中。这就对天线阵列的部署场地提出了严格的要求。实际系统中，短波测向 阵列一般部署在周边空旷、地势平坦的标准测向场地中。山地、丘陵等复杂 地形条件下，由于不满足部署天线阵列的场地要求，所以无法部署短波无线 电测向系统，限制了短波无线电测向系统的监测范围。

因此，有必要设计一种采用非规则天线阵列结构的短波无线电测向系统 和方法，解决短波测向场地受限的问题，扩大短波无线电测向系统的监测范 围。

发明内容

本发明的实施例提供了一种非规则天线阵列结构的短波无线电测向系统 和方法，以解决上述背景技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明的实施例的一方面，提供了一种非规则天线阵列结构的短波无线 电测向系统。

本发明的实施例提供的一种非规则天线阵列结构的短波无线电测向系 统，其特征在于，该系统包括：非规则天线阵列和测向接收机，所述测向接 收机与所述非规则天线阵列线缆连接；

所述的非规则天线阵列，包括：M个天线单元，所述天线单元分别部署于 给定的三维空间内任意位置，用于接收无线电的到达信号，并将M个所述天线 单元接收的到达信号分别传输到所述测向接收机；

所述的测向接收机包括：控制器、信号采样模块和空间谱计算处理模 块，所述控制器控制所述信号采样模块和所述空间谱计算处理模块之间的信 号传输，所述信号采样模块用于接收所述天线单元传输的到达信号，对到达 信号采样处理，得到向量形式的非规则天线阵列信号，然后将所述非规则天 线阵列信号传递给所述空间谱计算处理模块进行处理，所述空间谱计算处理 模块用于通过所述非规则天线阵列信号获取噪声子空间基向量，再对于给定 的方位角θ和俯仰角φ，构造出非规则转动向量，并进行角度搜索，获得到达信 号的方位角和俯仰角估值结果。

优选地，所述M个天线单元的位置采取非规则部署，根据具体的场地条件 进行确定，所述M个天线单元部署的场地包括但不限于：山地、丘陵；

所述非规则天线阵列，是M个所述天线单元形成的阵列结构，根据部署场 地的地形条件随机形成，不具有规则的几何形状。

优选地，各所述天线单元之间存在二维平面内的距离差，以及第三个维 度中的高度差。

优选地，所述空间谱计算处理模块包括：噪声子空间计算子模块、非规 则转动向量构造子模块和角度搜索子模块；

所述的噪声子空间计算子模块，用于对所述非规则天线阵列信号的空域 协方差矩阵进行定义，并求解出所述空域协方差矩阵的估计值，再将所述空 域协方差矩阵估计值的特征值进行分解，求解出噪声子空间基向量；

所述的非规则转动向量构造子模块，用于对于给定的方位角θ和俯仰角φ， 构造非规则转动向量，所述非规则转动向量为一个M×1的列向量；

所述的角度搜索子模块，用于当所述到达信号的方位角为θ₀、俯仰角为φ₀时，将对应的非规则转动向量处于信号空间中，并将所述非规则转动向量在 给定的到达角范围内进行搜索，对代价函数进行最大化的优化，求解出所述 到达信号的方位角和俯仰角估值结果。

本发明的实施例的另一方面，提供了一种非规则天线阵列结构的短波无 线电测向方法。

本发明的实施例提供的一种非规则天线阵列结构的短波无线电测向方 法，其特征在于，该方法包括：

利用所述信号采样模块处理所述天线单元传输的到达信号，得到采样处 理后的非规则天线阵列信号；

利用所述控制器控制所述信号采样模块，将采样后的非规则天线阵列信 号传递给所述空间谱计算处理模块，所述噪声子空间计算子模块计算出非规 则天线阵列信号的空域协方差矩阵，并得到噪声子空间基向量；

所述非规则转动向量构造子模块，对于给定的方位角θ和俯仰角φ，构造出 非规则转动向量；

所述角度搜索子模块，基于所述噪声子空间基向量，对所述非规则转动 向量进行角度搜索，获得到达信号的方位角和俯仰角估值。

优选地，所述的利用信号采样模块处理所述天线单元传输的到达信号， 得到采样处理后的非规则天线阵列信号，包括：

利用所述信号采样模块将M个所述天线单元传输的到达信号形成非规则天 线阵列信号，并对所述非规则天线阵列信号进行采样处理；

在所述非规则天线阵列信号中，设第m个天线单元的位置坐标为 (x_m，y_m，z_m)，选定第1个天线单元上的信号相位为参考相位，当到达信号的方位 角和俯仰角分别为θ₀、φ₀时，将所述非规则天线阵列信号中第m个天线单元上 的接收信号表示为：

其中，λ表示到达信号的波长，s(t)表示发射信号的复基带表示形式；

以时间间隔T为周期对所述非规则天线阵列信号进行采样处理，将采样的 所述非规则天线阵列信号中第m个天线单元上的接收信号表示为：

并将采样后的所述非规则天线阵列信号中第m个天线单元上的接收信号表 示成向量形式为：

优选地，所述的利用控制器控制所述信号采样模块，将采样后的非规则 天线阵列信号传递给所述空间谱计算处理模块，所述噪声子空间计算子模块 计算出非规则天线阵列信号的空域协方差矩阵，并得到噪声子空间基向量， 包括：

在所述空间谱计算处理模块中，首先利用噪声子空间计算子模块获取到 非规则天线阵列信号的空域协方差矩阵；

将所述空域协方差矩阵定义为：

R＝E(r[n]r^H[n])， (4)

其中，E(·)表示对接收到的复基带信号取统计平均；

实际中，所述空域协方差矩阵的估计值通过以下时间平均方法获得：

其中，N表示时域采样点的个数；

则所述空域协方差矩阵的特征值分解为：

其中，∑_D表示D×D维的特征值矩阵，D表示信号维度，U_D表示M×D次酉 矩阵，代表信号子空间向量，V_M-D是一个M×(M-D)维次酉矩阵，表示由M- D个基向量构成的噪声子空间基向量，并且与U_D正交。

优选地，所述的非规则转动向量构造子模块，对于给定的方位角θ和俯仰 角φ，构造出非规则转动向量，包括：

对于给定的方位角θ和俯仰角φ，利用所述非规则转动向量构造子模块，构 造一个M×1的非规则转动向量为：

其中，第m个元素表示为：

其中，非规则转动向量中的坐标值(x_m，y_m，z_m)取任意值，与非规则天线阵 列在实际部署时的情况相适应，z_m/λ_sinφ反映高度坐标的影响。

优选地，所述的角度搜索子模块，基于所述噪声子空间基向量，对所述 非规则转动向量进行角度搜索，获得到达信号的方位角和俯仰角估值，包 括：

当所述到达信号的方位角为θ₀，俯仰角为φ₀时，利用所述角度搜索子模 块，将对应的非规则转动向量a(θ₀，φ₀)处于信号子空间U_D中，而所述非规则转 动向量a(θ₀，φ₀)与所述噪声子空间基向量相互正交，则有：

再将所述非规则转动向量a(θ₀，φ₀)在给定的到达角范围内搜索，对如下代价 函数进行最大化的优化：

获得所述到达信号的方位角和俯仰角估值结果。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提出了 一种非规则天线阵列结构的短波无线电测向系统和方法，该系统包括：非规 则天线阵列和测向接收机，非规则天线阵列包括M个天线单元，部署于三维空 间内任意位置，接收到达信号，并将M个天线单元接收的到达信号传输到测向 接收机进行处理，测向接收机的信号采样模块得到向量形式的非规则天线阵 列信号，传递给空间谱计算处理模块，通过所述非规则天线阵列信号获取噪 声子空间基向量，再对于给定的方位角θ和俯仰角φ，构造出非规则转动向量， 并进行角度搜索，获得到达信号的方位角和俯仰角估值结果。本发明采用非 规则天线阵列部署，可根据具体的地形情况对天线单元进行选址，相比于传 统的均匀平面天线阵列，降低了对场地的要求，拓展了短波测向场地的覆盖 范围。本发明提出的适用于非规则天线阵列的改进空间谱算法，允许天线阵 列任意部署，而不像传统算法那样要求天线阵列必须均匀部署；同时，改进 的信号子空间处理还将不同天线单元的高度考虑进算法中，有效改善了算法 的性能。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的 描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发 明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的 前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种非规则天线阵列结构的短波无线电测向系 统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种非规则天线阵列结构的短波无线电测向系 统的非规则天线阵列结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种非规则天线阵列结构的短波无线电测向方 法的处理流程图；

图4为本发明实施例提供的一种非规则天线阵列结构的短波无线电测向系 统的到达信号示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出， 其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功 能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发 明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式 “一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解 的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步 骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、 整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被 “连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或 者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无 线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项 的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语 (包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一 般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该 被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一 样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例 做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明实施例提供了一种非规则天线阵列结构的短波无线电测向系统和 方法，降低了部署天线阵列的场地要求，增大了短波无线电测向系统的监测 范围。

本发明实施例的一方面，提供了一种非规则天线阵列结构的短波无线电 测向系统。

本发明实施例提供的一种非规则天线阵列结构的短波无线电测向系统的 示意图如图1所示，该系统包括：非规则天线阵列和测向接收机，测向接收机 与所述非规则天线阵列线缆连接。

该系统各板块的具体内容如下：

(1)非规则天线阵列

非规则天线阵列，包括：M个天线单元，所述天线单元分别部署于给定的 三维空间内任意位置，用于接收无线电的到达信号，并将M个所述天线单元接 收的到达信号分别传输到所述测向接收机。

每个天线单元接收到的到达信号为无线电信号。

在所述的非规则天线阵列中，各所述天线单元的位置采取非规则部署， 根据具体的场地条件进行确定，所述天线单元部署的场地包括但不限于：山 地、丘陵。

所述非规则天线阵列是M个所述天线单元形成的阵列结构，根据部署场地 的地形条件随机形成，不具有规则的几何形状。

如图2所示，在非规则天线阵列中，各所述天线单元之间存在二维平面内 的距离差，以及第三个维度中的高度差。

(2)测向接收机

测向接收机包括：控制器、信号采样模块和空间谱计算处理模块，控制 器分别连接信号采样模块和空间谱计算处理模块。

A、控制器

控制器，用于控制信号采样模块和空间谱计算处理模块之间的信号传输 过程。

B、信号采样模块

信号采样模块用于接收所述天线单元传输的到达信号，对到达信号采样 处理，得到向量形式的非规则天线阵列信号，然后将所述非规则天线阵列信 号传递给所述空间谱计算处理模块进行处理。

C、空间谱计算处理模块

空间谱计算处理模块，用于通过非规则天线阵列信号获取噪声子空间基 向量，再对于给定的方位角θ和俯仰角φ，构造出非规则转动向量，并进行角度 搜索，获得到达信号的方位角和俯仰角估值结果。

空间谱计算处理模块包括：噪声子空间计算子模块、非规则转动向量构 造子模块和角度搜索子模块。

噪声子空间计算子模块，用于对所述非规则天线阵列信号的空域协方差 矩阵进行定义，并求解出所述空域协方差矩阵的估计值，再将所述空域协方 差矩阵估计值的特征值进行分解，得出噪声子空间基向量。

非规则转动向量构造子模块，用于对于给定的方位角θ和俯仰角φ，构造非 规则转动向量，所述非规则转动向量为一个M×1的列向量。

角度搜索子模块，用于当所述到达信号的方位角为θ₀、俯仰角为φ₀时，将 对应的非规则转动向量处于信号空间中，并将所述非规则转动向量在给定的 到达角范围内搜索，对代价函数进行最大化的优化，获得所述到达信号的方 位角和俯仰角估值结果。

本发明实施例的另一方面，提供了一种非规则天线阵列结构的短波无线 电测向方法。

如图3所示为本发明实施例提供的一种非规则天线阵列结构的短波无线电 测向方法的处理流程图，该方法具体步骤如下：

S310：利用信号采样模块处理天线单元传输的到达信号，得到采样处理 后的非规则天线阵列信号。

利用所述信号采样模块将M个所述天线单元传输的到达信号形成非规则天 线阵列信号，并对所述非规则天线阵列信号进行采样处理。

在非规则天线阵列信号中，设第m个天线单元的位置坐标为(x_m，y_m，z_m)，选 定第1个天线单元上的信号相位为参考相位，当到达信号的方位角和俯仰角分 别为θ₀、φ₀时，将非规则天线阵列信号中第m个天线单元上的接收信号表示 为：

其中，λ表示到达信号的波长，s(t)表示发射信号的复基带表示形式。

以时间间隔T为周期对非规则天线阵列信号进行采样处理，将采样的所述 非规则天线阵列信号中第m个天线单元上的接收信号表示为：

并将采样后的所述非规则天线阵列信号中第m个天线单元上的接收信号表 示成向量形式为：

S320：利用控制器控制信号采样模块，将采样后的非规则天线阵列信号 传递给空间谱计算处理模块，噪声子空间计算子模块计算出非规则天线阵列 信号的空域协方差矩阵，并得到噪声子空间基向量。

在空间谱计算处理模块中，首先获取到所述非规则天线阵列信号的空域 协方差矩阵。

将所述空域协方差矩阵定义为：

R＝E(r[n]r^H[n]) (4)

其中，E(·)表示对接收到的复基带信号取统计平均。

实际中，所述空域协方差矩阵的估计值通过以下时间平均方法获得：

其中，N表示时域采样点的个数。

则所述空域协方差矩阵的特征值分解为：

其中，∑_D表示D×D维的特征值矩阵，D表示信号维度，U_D表示M×D次酉 矩阵，代表信号子空间向量，V_M-D是一个M×(M-D)维次酉矩阵，表示由M- D个基向量构成的噪声子空间基向量，并且与U_D正交。

S330：非规则转动向量构造子模块，对于给定的方位角θ和俯仰角φ，构 造出非规则转动向量。

对于给定的方位角θ和俯仰角φ，构造一个M×1的非规则转动向量为：

其中，第m个元素表示为：

其中，非规则转动向量中的坐标值(x_m，y_m，z_m)取任意值，与非规则天线阵 列在实际部署时的情况相适应，z_m/λsinφ反映高度坐标的影响。

S340：角度搜索子模块，基于噪声子空间基向量，对非规则转动向量进 行角度搜索，获得到达信号的方位角和俯仰角估值。

当所述到达信号的方位角为θ₀，俯仰角为φ₀时，利用所述角度搜索子模 块，将对应的非规则转动向量a(θ₀，φ₀)处于信号子空间U_D中，而所述非规则转 动向量a(θ₀，φ₀)与所述噪声子空间基向量相互正交，则有：

再将所述非规则转动向量a(θ₀，φ₀)在给定的到达角范围内搜索，对如下代价 函数进行最大化的优化：

获得到达信号的方位角和俯仰角估值结果。

实施例二

该实施例提供了一种非规则天线阵列结构的短波无线电测向系统和方 法，该系统的整体结构示意图如图1所示，该系统通过非规则天线阵列对采集 到达信号，并将到达信号传输到空间谱计算处理模块进行处理。

根据具体的地形条件，本实施例提出的非规则天线阵列可以在给定的三 维空间内任意部署，如图2所示。实际实施中，天线单元的位置选择可以根据 具体的场地条件确定，实现非规则部署。因此，本实施例提出的非规则天线 阵列，其阵列结构不再由设计人员指定，而是根据部署场地的地形条件随机 形成。

该实施例提供的非规则天线阵列结构的短波无线电测向方法，对现有的 空间谱算法进行改进。

现有的空间谱测向方法中，由于所采用的天线阵列为均匀平面阵列，所 以使用的子空间信号处理算法只考虑了二维平面阵列的情况。本实施例中提 出的非规则天线阵列结构将根据具体的地形条件进行部署，所以不同天线单 元间不仅存在二维平面内的距离差，还在第三个维度中存在高度差。这种情 况下，传统的子空间信号处理算法不再适用，本实施例提出了一种改进空间 谱算法，该方法可以将高度差带来的影响考虑进算法中，与非规则天线阵列 搭配使用。

如图3所示，假设xy平面表示与地表平行的水平面，z轴表示高度方向。 监测接收机中共有M根天线，第m根天线的位置坐标为(x_m，y_m，z_m)。如果选定1 号天线上的信号相位为参考相位，那么，当到达信号的方位角和俯仰角分别 θ₀、φ₀时，第m根天线上的接收信号可以表示为：

其中，表示无线电信号的波长，s(t)表示发射信号的复基带表示形式。

当以时间间隔T为周期对到达信号进行采样后，采样的接收信号可以表示 为：

采样后的接收信号可以写成向量形式为：

改进的空间谱算法包括以下三步：

第一步，获取噪声子空间基向量

为了得到噪声子空间基向量，首先要得到接收信号的空域协方差矩 阵。空域协方差矩阵定义为R＝E(r[n]r^H[n])，其中E(·)表示对接收到的复基带信 号取统计平均。实际中，协方差矩阵的估计值可以通过时间平均方法获得：

其中N表示时域采样点的个数。

空域协方差矩阵的特征值分解可以表示为：

其中，∑_D表示D×D维的特征值矩阵，D表示信号维度；U_D表示M×D次酉 矩阵，代表信号子空间向量；V_M-D是一个M×(M-D)维次酉矩阵，并且与U_D正交，其M-D个基向量构成了所求的噪声子空间基向量。

第二步，构造非规则转动向量

对于给定的方位角θ和俯仰角φ，非规则转动向量为一个M×1的列向量：

其中，第m个元素表示为：

与传统规则阵列中的子空间算法相比，非规则转向量中的坐标值 (x_m，y_m，z_m)可以取任意值，适合非规则天线阵列在实际部署时的情况；同时， 非规则转向量中还通过z_m/λsinφ这项考虑了高度坐标的影响，从而较传统方法 显著改善性能。

第三步，角度搜索

当到达信号的方位角为θ₀，俯仰角为φ₀时，对应的非规则转动向量a(θ₀，φ₀) 处于信号空间中，所以应有：

这样，通过给定的到达角范围内搜索，以最大化如下代价函数：

即获得到达信号的方位角和俯仰角估值。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

(1)从技术角度，利用本发明提出的非规则天线阵列测向系统，可以有 效降低短波测向系统的场地限制，为短波测向系统在山地、丘陵等复杂地形 条件下的部署提供技术支撑，拓展短波测向系统的覆盖范围。

(2)从经济角度，短波非规则天线阵列测向系统可以在山地、丘陵等复 杂地形条件下部署，相对于平原地区的土地，测向场地的土地使用成本大大 降低，有效节约了短波测向系统的建设成本。

(3)从效率角度，山地、丘陵等复杂地形条件经济效益较低，经济开发 利用潜力不大，因此土地使用权较平原地区更容易取得，提高了短波测向系 统的建设效率。

综上所述，本发明实施例通过提出了一种非规则天线阵列结构的短波无 线电测向系统和方法，该系统包括：非规则天线阵列和测向接收机，非规则 天线阵列包括M个天线单元，部署于三维空间内任意位置，接收到达信号，并 将M个天线单元接收的到达信号传输到测向接收机进行处理，测向接收机的信 号采样模块得到向量形式的非规则天线阵列信号，传递给空间谱计算处理模 块，通过所述非规则天线阵列信号获取噪声子空间基向量，再对于给定的方 位角θ和俯仰角φ，构造出非规则转动向量，并进行角度搜索，获得到达信号的 方位角和俯仰角估值结果。本发明采用非规则天线阵列部署，大大降低了对 场地的要求，拓展了短波测向场地的覆盖范围；提出了适用于非规则天线阵 列的改进空间谱算法，允许天线阵列任意部署，还将不同天线单元的高度将 考虑进算法中，有效改善了算法的性能。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中 的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同 相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同 之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例， 所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描 述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元 可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可 以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案 的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并 实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可 轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明 的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种非规则天线阵列结构的短波无线电测向系统，其特征在于，该系统包括：非规则天线阵列和测向接收机，所述测向接收机与所述非规则天线阵列线缆连接；

所述的非规则天线阵列，包括：M个天线单元，所述天线单元分别部署于给定的三维空间内任意位置，用于接收无线电的到达信号，并将M个所述天线单元接收的到达信号分别传输到所述测向接收机；

所述的测向接收机包括：控制器、信号采样模块和空间谱计算处理模块，所述控制器控制所述信号采样模块和所述空间谱计算处理模块之间的信号传输，所述信号采样模块用于接收所述天线单元传输的到达信号，对到达信号采样处理，得到向量形式的非规则天线阵列信号，然后将所述非规则天线阵列信号传递给所述空间谱计算处理模块进行处理，所述空间谱计算处理模块用于通过所述非规则天线阵列信号获取噪声子空间基向量，再对于给定的方位角θ和俯仰角φ，构造出非规则转动向量，并进行角度搜索，获得到达信号的方位角和俯仰角估值结果。

2.根据权利要求1所述的非规则天线阵列结构的短波无线电测向系统，其特征在于，所述M个天线单元的位置采取非规则部署，根据具体的场地条件进行确定，所述M个天线单元部署的场地包括但不限于：山地、丘陵；

所述非规则天线阵列，是M个所述天线单元形成的阵列结构，根据部署场地的地形条件随机形成，不具有规则的几何形状。

3.根据权利要求2所述的非规则天线阵列结构的短波无线电测向系统，其特征在于，各所述天线单元之间存在二维平面内的距离差，以及第三个维度中的高度差。

4.根据权利要求1所述的非规则天线阵列结构的短波无线电测向系统，其特征在于，所述空间谱计算处理模块包括：噪声子空间计算子模块、非规则转动向量构造子模块和角度搜索子模块；

所述的噪声子空间计算子模块，用于对所述非规则天线阵列信号的空域协方差矩阵进行定义，并求解出所述空域协方差矩阵的估计值，再将所述空域协方差矩阵估计值的特征值进行分解，求解出噪声子空间基向量；

所述的非规则转动向量构造子模块，用于对于给定的方位角θ和俯仰角φ，构造非规则转动向量，所述非规则转动向量为一个M×1的列向量；

所述的角度搜索子模块，用于当所述到达信号的方位角为θ₀、俯仰角为φ₀时，将对应的非规则转动向量处于信号空间中，并将所述非规则转动向量在给定的到达角范围内进行搜索，对代价函数进行最大化的优化，求解出所述到达信号的方位角和俯仰角估值结果。

5.一种非规则天线阵列结构的短波无线电测向方法，应用于权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，该方法包括：

利用所述信号采样模块处理所述天线单元传输的到达信号，得到采样处理后的非规则天线阵列信号；

利用所述控制器控制所述信号采样模块，将采样后的非规则天线阵列信号传递给所述空间谱计算处理模块，所述噪声子空间计算子模块计算出非规则天线阵列信号的空域协方差矩阵，并得到噪声子空间基向量；

所述非规则转动向量构造子模块，对于给定的方位角θ和俯仰角φ，构造出非规则转动向量；

所述角度搜索子模块，基于所述噪声子空间基向量，对所述非规则转动向量进行角度搜索，获得到达信号的方位角和俯仰角估值。

6.根据权利要求5所述的非规则天线阵列结构的短波无线电测向方法，其特征在于，所述的利用信号采样模块处理所述天线单元传输的到达信号，得到采样处理后的非规则天线阵列信号，包括：

利用所述信号采样模块将M个所述天线单元传输的到达信号形成非规则天线阵列信号，并对所述非规则天线阵列信号进行采样处理；

在所述非规则天线阵列信号中，设第m个天线单元的位置坐标为(x_m，y_m，z_m)，选定第1个天线单元上的信号相位为参考相位，当到达信号的方位角和俯仰角分别为θ₀、φ₀时，将所述非规则天线阵列信号中第m个天线单元上的接收信号表示为：

其中，λ表示到达信号的波长，s(t)表示发射信号的复基带表示形式；

以时间间隔T为周期对所述非规则天线阵列信号进行采样处理，将采样的所述非规则天线阵列信号中第m个天线单元上的接收信号表示为：

并将采样后的所述非规则天线阵列信号中第m个天线单元上的接收信号表示成向量形式为：

7.根据权利要求5所述的非规则天线阵列结构的短波无线电测向方法，其特征在于，所述的利用控制器控制所述信号采样模块，将采样后的非规则天线阵列信号传递给所述空间谱计算处理模块，所述噪声子空间计算子模块计算出非规则天线阵列信号的空域协方差矩阵，并得到噪声子空间基向量，包括：

在所述空间谱计算处理模块中，首先利用噪声子空间计算子模块获取到非规则天线阵列信号的空域协方差矩阵；

将所述空域协方差矩阵定义为：

R＝E(r[n]r^H[n])， (4)

其中，E(·)表示对接收到的复基带信号取统计平均；

实际中，所述空域协方差矩阵的估计值通过以下时间平均方法获得：

其中，N表示时域采样点的个数；

则所述空域协方差矩阵的特征值分解为：

其中，∑_D表示D×D维的特征值矩阵，D表示信号维度，U_D表示M×D次酉矩阵，代表信号子空间向量，V_M-D是一个M×(M-D)维次酉矩阵，表示由M-D个基向量构成的噪声子空间基向量，并且与U_D正交。

8.根据权利要求5所述的非规则天线阵列结构的短波无线电测向方法，其特征在于，所述的非规则转动向量构造子模块，对于给定的方位角θ和俯仰角φ，构造出非规则转动向量，包括：

对于给定的方位角θ和俯仰角φ，利用所述非规则转动向量构造子模块，构造一个M×1的非规则转动向量为：

其中，第m个元素表示为：

其中，非规则转动向量中的坐标值(x_m，y_m，z_m)取任意值，与非规则天线阵列在实际部署时的情况相适应，z_m/λsinφ反映高度坐标的影响。

9.根据权利要求5所述的非规则天线阵列结构的短波无线电测向方法，其特征在于，所述的角度搜索子模块，基于所述噪声子空间基向量，对所述非规则转动向量进行角度搜索，获得到达信号的方位角和俯仰角估值，包括：

当所述到达信号的方位角为θ₀，俯仰角为φ₀时，利用所述角度搜索子模块，将对应的非规则转动向量a(θ₀，φ₀)处于信号子空间U_D中，而所述非规则转动向量a(θ₀，φ₀)与所述噪声子空间基向量相互正交，则有：

再将所述非规则转动向量a(θ₀，φ₀)在给定的到达角范围内搜索，对如下代价函数进行最大化的优化：

获得所述到达信号的方位角和俯仰角估值结果。