CN109298391A - 一种固定场所信源定位系统、方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取固定场所频谱态势的系统，包括用于对测定场所当前环境的频谱数据进行时域采样获得各位置频谱信号的无线电监测模块、将频谱信号进行处理得到信源位置的频谱态势测控模块和用于显示测定场所当前环境的频谱态势分布图的显示模块。本发明还公开了应用上述系统获取信源位置的方法及进行异常信号定位的方法。本发明提供的一种固定场所信源定位系统、方法及应用的优点在于：通过设置阵列天线能够实时获取固定场所内的信源分布情况，确保及时发现异常信源并进行准确定位；提高了保障信息安全的能力，具有良好的推广前景。

Description

一种固定场所信源定位系统、方法及应用

技术领域

本发明涉及无线电信号发现与定位技术领域，尤其涉及一种固定场所信源定位系统、方法及应用。

背景技术

随着信息传播技术和设备的发展，对信息安全的保障工作产生了巨大的挑战，对于考场、重大会议的会场以及监狱等需要进行信息管控的场所，目前主要依靠安检设备来进行信息管控，但是随着技术的发展，有些信息收发设备是能够躲过安检设备的，因此仅通过入场的检查已经不能满足信息安全的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够获取固定场所内信源分布情况的系统以及该系统的定位方法和应用方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种固定场所信源定位系统，包括无线电监测模块、频谱态势测控模块和显示模块；

所述无线电监测模块用于对测定场所当前环境的频谱数据进行时域采样获得各位置的频谱信号，并将获得的频谱信号及位置信息传送至频谱态势测控模块；

所述频谱态势测控模块将获得的频谱信号进行处理得到该测定场所内的所有信源的位置；

所述显示模块的信号输入端与频谱态势测控模块的信号输出端通信连接，所述频谱显示模块能够显示测定场所当前环境所有信源位置。

优选地，将测定场所进行二维网格划分，所述无线电监测模块包括设置于网格节点处的阵列天线和USRP；所述阵列天线的信号输出端分别与USRP的信号输入端连接，USRP的信号输出端与频谱态势测控模块的信号输入端通信连接，所述阵列天线对其所在位置的频谱信号进行时域采样并将频谱信号和所在位置传输给USRP。

优选地，所述显示模块是网页、电脑软件或手机APP中的至少一种。

本发明还提供了所述固定场所信源定位系统进行定位的方法，包括以下步骤：

步骤1：采集测定场所内各位置的频谱信号；

步骤2：利用各位置频谱信号计算测定场所内信源位置；

步骤3：通过显示模块显示测定场所内信源位置。

优选地，步骤2所述的定位算法如下：

假设含有M个阵列天线的固定场所内有K个发出频谱信号的信源，且K＜M，则接收信号为：

x(t)＝As(t)+e(t) (1)

上式中，s(t)为在一定参考节点测量的K×1维源信号矢量；e(t)是高斯白噪声；A为M×K维方向矩阵；

其中，θ_k是DOA估计值，a(θ_k)是方向矢量，假设辐射源数目小于阵列天线数目，且辐射方向均不相同，即具有列满秩，源信号和噪声均独立的高斯分布，且

其中，δt,s表示冲激函数，t，s均代表采样时刻；

接收数据向量的协方差矩阵为

设R_xx的各特征根为λ_i，而λ_i的算术根记为

令Φ＝diag(σ₁,σ₂,…,_r)，则特征分解为

R_xx＝EΦE^H (6)

其中，E为酉矩阵；

协方差分解为信号子空间和噪声子空间：

其中Φ_s＝diag(λ₁,λ₂,…,λ_K)，Φ_N＝diag(λ_K+1,λ_K+2,…,λ_M)可得

从而得到

其中R_s为源信号矢量s(t)的协方差矩阵，故为满秩矩阵，即R_s可逆，故可知：

A^H(θ)E_N＝0 (10)

可知方向矩阵和噪声子空间具有正交性

由正交关系，可得谱函数

根据上面的式子，通过改变θ，使上式达到波峰，从而进行DOA估计。

本发明还提供了应用所述固定场所信源定位系统发现异常信号的方法，包括以下步骤：

步骤I：以初始时刻的信源位置作为静态信源图像；

步骤II：以时域采样获得的频谱信号获得实时信源图像；

步骤III：在显示模块上分别显示静态信源图像和实时信源图像，通过比对确定该测定场所内的信源变化情况。

本发明提供的一种固定场所信源定位系统、方法及应用的优点在于：通过设置阵列天线能够实时获取固定场所内的信源分布情况，确保及时发现异常信源并进行准确定位；提高了保障信息安全的能力，具有良好的推广前景。

附图说明

图1是本发明的实施例所提供的固定场所信源定位系统结构图；

图2是不同算法实现异常信号定位的性能对比图；

图3是不同快拍数下的异常信号定位性能对比图；

图4是不同数量阵列天线的异常信号定位性能对比图；

图5是相同数量阵列天线不同分组的异常信号定位性能对比图；

图6是相同数量阵列天线不同间距的异常信号定位性能对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种固定场所信源定位系统，包括无线电监测模块、频谱态势测控模块和显示模块；所述无线电监测模块用于对测定场所当前环境的频谱数据进行时域采样获得各位置的频谱信号，并将获得的频谱信号及位置信息传送至频谱态势测控模块；所述频谱态势测控模块将获得的频谱信号进行处理得到该场所内的所有信源的位置；所述显示模块的信号输入端与频谱态势测控模块的信号输出端通信连接，所述频谱显示模块能够显示测定场所当前环境的所有信源位置。

所述无线电监测模块包括阵列天线和USRP，将测定场所人工划分为二维网格，在网格节点处布置阵列天线，所述阵列天线的信号输出端分别与USRP的信号输入端通信连接，USRP的信号输出端与频谱态势测控模块的信号输入端通信连接，所述阵列天线对其所在位置的频谱信号进行时域采样并将频谱信号和所在位置传输给USRP。

所述频谱态势测控模块调用USRP采集到的频谱信号及位置信号，并对频谱信号及位置信号进行处理得到测定场所内的信源位置。

所述显示模块可以采用网页、电脑软件、手机APP等方式来呈现信源位置；其具体实现方式为本领域常规技术，此处不再赘述。

使用上述系统获取固定场所信源的方法包括以下步骤：

步骤1：采集测定场所内各位置的频谱信号；

步骤2：利用各位置频谱信号计算测定场所内信源位置；

本申请采用MUSIC算法对信源进行定位，具体为：假设含有M个阵列天线的固定场所内有K个发出频谱信号的信源，且K＜M，则接收信号为：

x(t)＝As(t)+e(t) (1)

上式中，s(t)为在一定参考节点测量的K×1维源信号矢量；e(t)是高斯白噪声；A为M×K维方向矩阵；

其中，θ_k是DOA估计值，a(θ_k)是方向矢量，假设辐射源数目小于阵列天线数目，且辐射方向均不相同，即具有列满秩，源信号和噪声均独立的高斯分布，且

其中，δt,s表示冲激函数；

接收数据向量的协方差矩阵为

设R_xx的各特征根为λ_i，而λ_i的算术根记为

令Φ＝diag(σ₁,σ₂,…,σ_r)，则特征分解为

R_xx＝EΦE^H (6)

其中，E为酉矩阵；

协方差分解为信号子空间和噪声子空间：

其中Φ_s＝diag(λ₁,λ₂,…,λ_K)，Φ_N＝diag(λ_K+1,λ_K+₂,…,λ_M)可得

从而得到

其中R_s为源信号矢量s(t)的协方差矩阵，故为满秩矩阵，即R_s可逆，故可知：

A^H(θ)E_N＝0 (10)

可知方向矩阵和噪声子空间具有正交性

由正交关系，可得谱函数

根据上面的式子，通过改变θ，使上式达到波峰，从而进行DOA估计。从而能够获得该场所内信源的位置，便于精确定位。

需要注意的是，使用本发明提供的MUSIC算法进行定位时，并不需要测定场所的每个节点处均设置阵列天线，只要保证阵列天线的数量大于信源的数量既能满足使用需求，从而在部分阵列天线无法工作时，依然能够保证整个系统的正常运行。

步骤3：通过显示模块显示测定场所内信源位置。

本发明还提供了使用上述信源定位系统发现异常信号的方法，包括以下步骤：

步骤I：以初始时刻的信源位置作为静态信源图像；

步骤II：以时域采样获得的频谱信号获得实时信源图像；

步骤III：在显示模块上分别显示静态信源图像和实时信源图像，通过比对确定该测定场所内的信源变化情况。

从而能够实时监测该测定场所内的信源变化情况，当出现异常信源时，及时找到信源位置，保障信息安全。

图2中进行了几种不同算法之间的性能对比，本次仿真两组天线的位置分别为(0,0)，(0,3)。辐射源的位置为(20,20)。

从图2中我们可以看出，随着信噪比的提升，我们的定位精度能够得到明显的提升。在一定的信噪比条件下，以上三种算法之中，ESPRIT定位精度和另外两种相比，要稍微差一些。

图3研究了不同的不同快拍数下MUSIC算法的定位性能，本次实验两组阵列天线的位置是(0,0)，(0,3)，辐射源的位置为(20,20)。

从图3中很容易看到，在一定信噪比条件下，随着快拍数的增加，该算法的定位精度会得到进一步的提升。

图4研究了阵元数对辐射源定位精度的影响，本次实验辐射源的位置为(20,20)，两组阵列天线的位置(0,0)，(0,3)。快拍数L＝500。

从图4中可以看到，在一定信噪比条件下，随着阵列天线数目的增加，辐射源的定位性能会得到不错的改善，但这对一些特殊的环境，比如无人机，可能由于本身载重有限，单架无人机不能装载过多的天线，接下来进行了如下实验。

图5研究了总的阵列天线数目一定的条件下，不同的布置对辐射源定位精度的影响；本次实验研究了总的阵列天线数为12时，分别分成2组(每组含有6个沿X轴排列的阵列天线，两组阵列天线的中心位置分别为(0,0)，(0,3))，3组(每组4个沿X轴排列的阵列天线，三组阵列天线的中心位置分别为(0,0)，(0,3)，(0,6))，4组(每组3个沿X轴排列的阵列天线，四组阵列天线的中心位置分别为(0,0)，(0,3)，(0,6)，(0,9))；辐射源的位置为(20,20)，快拍数L＝500。

从图5中我们可以知道，在阵元数目一定时，分成4组时定位性能最好。

图6研究了两组天线之间的间距对辐射源定位性能的影响。本次实验辐射源位置为(5,20)，快拍数L＝500。R＝3m时两组天线位置为(0,0)，(0,3)，R＝6m时两组天线位置为(0,0)，(0,6)，R＝9m时两组天线位置为(0,0)，(0,9)。从图中可以看出，在不影响阵列天线对信号的接收情况下，即在一定信噪比条件下，随着两组天线之间间距的增大，我们的定位精度会有一定的提升。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，在不脱离本发明的精神和原则的前提下，本领域普通技术人员对本发明所做的任何修改、等同替换、改进等，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种固定场所信源定位系统，其特征在于：包括无线电监测模块、频谱态势测控模块和显示模块；

所述无线电监测模块用于对测定场所当前环境的频谱数据进行时域采样获得各位置的频谱信号，并将获得的频谱信号及位置信息传送至频谱态势测控模块；

所述频谱态势测控模块将获得的频谱信号进行处理得到该测定场所内的所有信源的位置；

所述显示模块的信号输入端与频谱态势测控模块的信号输出端通信连接，所述频谱显示模块能够显示测定场所当前环境所有信源位置。

2.根据权利要求1所述的一种固定场所信源定位系统，其特征在于：将测定场所进行二维网格划分，所述无线电监测模块包括设置于网格节点处的阵列天线和USRP；所述阵列天线的信号输出端分别与USRP的信号输入端连接，USRP的信号输出端与频谱态势测控模块的信号输入端通信连接，所述阵列天线对其所在位置的频谱信号进行时域采样并将频谱信号和所在位置传输给USRP。

3.根据权利要求2所述的一种固定场所信源定位系统，其特征在于：所述显示模块是网页、电脑软件或手机APP中的至少一种。

4.一种使用权利要求1-3任一项所述的固定场所信源定位系统进行定位的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：采集测定场所内各位置的频谱信号；

步骤2：利用各位置频谱信号计算测定场所内信源位置；

步骤3：通过显示模块显示测定场所内信源位置。

5.根据权利要求4所述的一种固定场所信源定位方法，其特征在于：步骤2所述的定位算法如下：

假设含有M个阵列天线的固定场所内有K个发出频谱信号的信源，且K＜M，则接收信号为：

x(t)＝As(t)+e(t) (1)

上式中，s(t)为在一定参考节点测量的K×1维源信号矢量；e(t)是高斯白噪声；A为M×K维方向矩阵；

其中，θ_k是DOA估计值，a(θ_k)是方向矢量，假设辐射源数目小于阵列天线数目，且辐射方向均不相同，即具有列满秩，源信号和噪声均独立的高斯分布，且

其中，δ_t,s表示冲激函数，t，s均代表采样时刻；

接收数据向量的协方差矩阵为

设R_xx的各特征根为λ_i，而λ_i的算术根记为

令Φ＝diag(σ₁,σ₂,…,σ_r)，则特征分解为

R_xx＝EΦE^H (6)

其中，E为酉矩阵；

协方差分解为信号子空间和噪声子空间：

其中Φ_s＝diag(λ₁,λ₂,…,λ_K)，Φ_N＝diag(λ_K+1,λ_K+2,…,λ_M)可得

从而得到

其中R_s为源信号矢量s(t)的协方差矩阵，故为满秩矩阵，即R_s可逆，故可知：

A^H(θ)E_N＝0 (10)

可知方向矩阵和噪声子空间具有正交性

由正交关系，可得谱函数

根据上面的式子，通过改变θ，使上式达到波峰，从而进行DOA估计。

6.应用权利要求1-3任一项所述的固定场所信源定位系统发现异常信号的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤I：以初始时刻的信源位置作为静态信源图像；

步骤II：以时域采样获得的频谱信号获得实时信源图像；

步骤III：在显示模块上分别显示静态信源图像和实时信源图像，通过比对确定该测定场所内的信源变化情况。