CN109738857A - 基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于阵列信号测向技术领域，具体涉及一种基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法及装置。本发明的有益效果是：本发明通过将角度、距离信息估计降维的方法，极大的减少了计算量，节省了计算时间，保证了信息的同步。本发明通过利用辅助公式先消掉距离参数，一维搜索空间谱估计角度信息，然后代入已求出的角度信息去求解距离信息，在节省了计算量的同时又保证了目标信息的正确性，有效的提高的目标信号估计的准确性。

Description

基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法及装置

技术领域

本发明属于阵列信号测向技术领域，具体涉及一种基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法及装置。

背景技术

利用阵列信号处理技术，实现多目标源信号参数估计，引起广泛关注。很多现存空间谱估计算法，例如MUSIC和ESPRIT算法，都是基于远场信号的前提假设。如果源信号移动到近场，此时电磁波波前不再能被视作平面波，而是看做球面波，对源信号的定位也应转化到对角度和距离的估计。传统的阵列是非极化或者单极化天线，对电磁波的极化特性不能完全接收。而极化天线在无线通信和雷达等应用中，比非极化天线在极化信息接收方面有更大优势。完全极化电磁波有稳定的极化状态，但在雷达等运用中，部分极化的信号也经常出现。与完全极化情况不同，部分极化信号的极化状态是时变的。

近年来，非圆信号，比如在通信系统中广泛使用的PAM和BPSK，对其测向引起了广泛关注。信号的非圆特性是指信号的统计特性不具有旋转不变性，在阵列信号处理问题中，即相当于信号的伪协方差矩阵不为零。在对信号波达方向(Direction Of Arrival，DOA)的估计问题中，合理地利用信号的非圆特性可以提高对DOA的估计性能。

自1998年J.Galy首次将非圆信号概念用于空间谱估计领域，提出了利用信号非圆特征的NC-MUSIC(Non-circular Multiple Signal Classification)方法以来，已有众多国内外学者针对NC-MUSIC进行了改进。然而多存在运算复杂度高、估计精度低的问题，本发明通过利用信号的极化以及非圆信息，解决以上问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法及装置，利用MUSIC的信号子空间算法，将角度和距离的联合二维搜算转换为两次一维谱峰搜索，从而降低运算复杂度，利用了信号的极化以及非圆信息，提高了估计精度。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法，具体包括以下步骤：

步骤一：各阵元天线接收目标信号，经过下变频后得到中频模拟信号，再对中频模拟信号进行1024点A/D采样，得到十路数字实信号；

步骤二：将步骤一中的数字实信号进行正交下变频、数字滤波，得到滤除噪声信号的数字复信号；

步骤三：将步骤二中的数字复信号进行FFT变换，得到校正系数，各路信号通过校正系数进行补偿，消除误差，从而得到幅度相位一致性信号；

步骤四：计算幅相误差校正后的协方差矩阵数据R_10*10，并对其进行进一步的一维角度解算，消去距离参数，仅留下角度参数的估计；

步骤五：利用空间谱估计算法，对步骤四的角度进行谱峰搜索，得到准确方位角信息；再将刚解算出的角度信息代入，由空间谱估计算法进行一维距离估算，求解出距离信息，完成目标信号的DOA信息估计。

进一步地，所述步骤一具体为：针对2M+1个线性均匀对称分布的阵列，得到十路数字实信号z₁(t)

其中，z_x,l(t)表示交叉偶极子在X极化方向接收的信号，z_y,t(t)表示交叉偶极子在Y极化方向接收的信号。

进一步地，所述步骤四中的计算协方差矩阵具体为：

矩阵元素R_xi,yj、R_xi,yj、R_yi,yj表达式分别如下：

根据上述公式计算协方差矩阵：

进一步地，所述步骤四中的一维角度解算具体为：

利用协方差矩阵，做特征分解可得

R＝Us∧_SUs^H+U_N∧_NU_N ^H

其中，N是信源数，∧_S是包含K个大特征值的对角矩阵，∧_N是包含剩余2N-K个小特征值的对角矩阵。Us是由K个大特征值对应的特征向量张成的2N×K信号子空间，U_N是由(2N-K)个小特征值对应的特征向量张成的2N×(2N-K)噪声子空间。

引入以下辅助定理公式来将原本的二维搜索降低到先角度搜索，再距离搜索：

其中，第k个近场信号到原点的角度θ_k，到原点的距离r_k，表征信号与其零相信号的相移的非圆参数ψ_k，表征电磁波极化状态的极化参数γ_k,η_k；导向矢量矩阵A的表达式如以下公式所示

A＝[Q₁,...,Q_K]

q_k＝[q_-L,k(θ_k,r_k),q_-L+1,k(θ_k,r_k),...,q_0,k(θ_k,r_k),q_1,k(θ_k,r_k),...,q_L,k(θ_k,r_k)]^T

c_k＝[cosθ_-L,k,cosθ_-L+1,k,...,cosθ_0,k,cosθ_1,k,...,cosθ_L,k]

A_e＝[A^T,(A^*Ψ^*)^T]^T，其中：

ψ是非圆信号对于其零相信号的相位绝对偏移，ψ的表达式如以下公式

是增广矩阵A_e的列向量；

选择矩阵

以上矩阵拓展之后为：

存在一个K×K的满秩矩阵G，满足Us＝A_eG；

结合辅助定理公式，可构造4M×4M的对角矩阵：

Φ(θ)＝diag{e^j2Mr,...e^j2(1-M)r,e^-j2Mr,...e^j2(M-1)r}，

其中，r的表达式如以下公式所示

r＝-2πdsinθ/λ

其中，d表示阵元间距，λ表示波长；

然后构造矩阵

当θ＝θ_k时，的第k列为0，说明矩阵是奇异矩阵，其中W是4M×K的绝对满秩矩阵，因此可推出以下的角度估计：

进一步地，所述步骤五的一维距离估算具体为：由信号子空间和噪声子空间的正交性可得出：

遍历距离参数r_k求解即可。

基于上述基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法，本发明还公开了一种基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计装置，包括天线模块、射频模块、测向模块以及电源板，

所述电源板与天线模块、射频模块、测向模块均连接，用于上述模块供电；

所述天线模块与射频模块连接，用于接收目标信号，并将信号传递给所述射频模块成为射频信号；

所述射频模块的输入端连接所述天线模块，用于将射频信号转化为模拟中频实信号；

所述测向模块的输入端连接所述射频模块，用于接收所述射频模块发送的模拟中频实信号并进行处理得到测向结果并进行输出。

进一步地，所述测向模块包括A/D采样模块、FPGA芯片和DSP芯片，所述A/D采样模块连接所述射频模块，用于接收模拟中频实信号并转化为数字中频实信号；所述FPGA芯片通过与所述DSP芯片连接，用于实现测向定位结果的输出。

进一步地，所述A/D采样模块包括五片模数转换A/D芯片。

进一步地，所述天线模块为五阵元交叉偶极子阵。

进一步地，所述模数转换A/D芯片为AD9650芯片，所述FPGA芯片为XC7K325T芯片，所述DSP芯片为TMS320C6678芯片。

本发明的有益效果是：本发明通过将角度、距离信息估计降维的方法，极大的减少了计算量，节省了计算时间，保证了信息的同步。本发明通过利用辅助公式先消掉距离参数，一维搜索空间谱估计角度信息，然后代入已求出的角度信息去求解距离信息，在节省了计算量的同时又保证了目标信息的正确性，有效的提高的目标信号估计的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例中的空间信号入射示意图；

图2为本发明具体实施例基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法的方法流程图；

图3为本发明具体实施例基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计装置的结构原理框图；

图4为图3中测向模块的结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

如图1-2所示，本发明所提供的基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法，具体包括以下步骤：

步骤一：各阵元天线接收目标信号，经过下变频后得到中频模拟信号，再对中频模拟信号进行1024点A/D采样，得到十路数字实信号。

步骤二：将步骤一中的信号进行正交下变频、数字滤波，得到滤除噪声信号的数字复信号。

步骤三：将步骤二中的复信号进行FFT变换，得到校正系数，各路信号通过校正系数进行补偿，消除误差，从而得到幅度相位一致性信号。

步骤四：计算幅相误差校正后的协方差矩阵数据R_10*10。并对其进行进一步的信号处理，消去距离参数，仅留下角度参数的估计。

步骤五：利用空间谱估计算法，对步骤四的角度进行谱峰搜索，得到准确方位角信息；再将刚解算出的角度信息代入，由空间谱估计算法，求解出距离信息，完成目标信号的DOA信息估计。

具体为：

a)阵列排布：本实施例设有2M+1个线性均匀对称分布的阵列，阵元间隔设置为入射波波长的四分之一，阵元编号从左至右依次从-M至M排序；

b)数据采集：对每一个交叉偶极子天线阵列依次进行深度为T的采样并得到多路数字实信号z₁(t)

其中，z_x,l(t)表示交叉偶极子在X极化方向接收的信号，z_y,t(t)表示交叉偶极子在Y极化方向接收的信号。

根据公式(2)、(3)、(4)计算协方差矩阵，矩阵元素R_xi,yj、R_xi,yj、R_yi,yj表达式分别如下：

按以下方式构造协方差矩阵

c)一维角度解算：利用b)中得到的协方差矩阵，做特征分解可得

R＝Us∧_SUs^H+U_N∧_NU_N ^H (5)

其中，N是信源数，∧_S是包含K个大特征值的对角矩阵，∧_N是包含剩余2N-K个小特征值的对角矩阵。Us是由K个大特征值对应的特征向量张成的2N×K信号子空间，U_N是由(2N-K)个小特征值对应的特征向量张成的2N×(2N-K)噪声子空间。

引入辅助定理公式(6)来将原本的二维搜索降低到先角度搜索，再距离搜索：

其中，第k个近场信号到原点的角度θ_k，到原点的距离r_k，表征信号与其零相信号的相移的非圆参数ψ_k，表征电磁波极化状态的极化参数γ_k,η_k。导向矢量矩阵A的表达式如公式(7)所示

A＝[Q₁,...,Q_K] (7)

q_k＝[q_-L,k(θ_k,r_k),q_-L+1,k(θ_k,r_k),...,q_0,k(θ_k,r_k),q_1,k(θ_k,r_k),...,q_L,k(θ_k,r_k)]^T

c_k＝[cosθ_-L,k,cosθ_-L+1,k,...,cosθ_0,k,cosθ_1,k,...,cosθ_L,k]

A_e＝[A^T,(A^*Ψ^*)^T]^T，其中：

ψ是非圆信号对于其零相信号的相位绝对偏移，ψ的表达式如公式(8)

是增广矩阵A_e的列向量。

选择矩阵

以上矩阵拓展之后为

存在一个K×K的满秩矩阵G，满足Us＝A_eG。

结合辅助定理，可构造4M×4M的对角矩阵

Φ(θ)＝diag{e^j2Mr,...e^j2(1-M)r,e^-j2Mr,...e^j2(M-1)r}，

其中，r的表达式如公式(9)所示

r＝-2πdsinθ/λ (9)

d表示阵元间距，λ表示波长。

然后构造矩阵

当θ＝θ_k时，的第k列为0，说明矩阵是奇异矩阵，其中W是4M×K的绝对满秩矩阵，因此可推出以下的角度估计：

辅助定理可将公式中的距离估计部分抵消掉，仅剩下角度估计。

d)一维距离估算：代入已估计出的角度，可解算出距离信息。

由信号子空间和噪声子空间的正交性可得出

即遍历距离参数r_k求解即可。

为实现上述方法，本发明还提出一种基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计装置，如附图中图3所示，该装置包括天线模块、射频模块、测向模块、电源板等。其中，测向模块包括五片模数转换A/D芯片、一片FPGA芯片、一片DSP芯片，如附图中图4所示。电源板给天线模块、射频模块、测向模块供电。天线模块为五阵元交叉偶极子阵，如附图中图1所示，接收目标信号，并将信号传递给射频模块。射频模块将射频信号转换为中频实信号，测向模块的A/D采样模块进行1024点A/D采样，得到数字中频实信号。然后在FPGA芯片中进行正交下变频与滤波处理，得到抑制噪声的数字复信号，并将这十路复信号传送给DSP芯片，进行1024点FFT变换，得到十路校正系数。FPGA芯片通过利用校正系数消除信号的幅度相位误差，并计算得到校正后的协方差矩阵。DSP芯片借助辅助公式，将距离参数消去，仅对角度信息进行一维空间谱估计。通过代入解算出方位角，再次利用空间谱估计算法求解角度信息。最后将方位角、距离信息传送给FPGA芯片,通过串口输出信号来向信息。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一：各阵元天线接收目标信号，经过下变频后得到中频模拟信号，再对中频模拟信号进行1024点A/D采样，得到十路数字实信号；

步骤二：将步骤一中的数字实信号进行正交下变频、数字滤波，得到滤除噪声信号的数字复信号；

步骤三：将步骤二中的数字复信号进行FFT变换，得到校正系数，各路信号通过校正系数进行补偿，消除误差，从而得到幅度相位一致性信号；

步骤四：计算幅相误差校正后的协方差矩阵数据R_10*10，并对其进行进一步的一维角度解算，消去距离参数，仅留下角度参数的估计；

步骤五：利用空间谱估计算法，对步骤四的角度进行谱峰搜索，得到准确方位角信息；再将刚解算出的角度信息代入，由空间谱估计算法进行一维距离估算，求解出距离信息，完成目标信号的DOA信息估计。

2.根据权利要求1所述的基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法，其特征在于：所述步骤一具体为：针对2M+1个线性均匀对称分布的阵列，得到十路数字实信号z₁(t)

其中，z_x,l(t)表示交叉偶极子在X极化方向接收的信号，z_y,t(t)表示交叉偶极子在Y极化方向接收的信号。

3.根据权利要求2所述的基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法及装置，其特征在于：所述步骤四中的计算协方差矩阵具体为：

矩阵元素R_xi,yj、R_xi,yj、R_yi,yj表达式分别如下：

根据上述公式计算协方差矩阵：

4.根据权利要求3所述的基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法及装置，其特征在于：所述步骤四中的一维角度解算具体为：

利用协方差矩阵，做特征分解可得

R＝Us∧_S Us^H+U_N∧_NU_N ^H

其中，N是信源数，∧_S是包含K个大特征值的对角矩阵，∧_N是包含剩余2N-K个小特征值的对角矩阵。Us是由K个大特征值对应的特征向量张成的2N×K信号子空间，U_N是由(2N-K)个小特征值对应的特征向量张成的2N×(2N-K)噪声子空间。

引入以下辅助定理公式来将原本的二维搜索降低到先角度搜索，再距离搜索：

其中，第k个近场信号到原点的角度θ_k，到原点的距离r_k，表征信号与其零相信号的相移的非圆参数ψ_k，表征电磁波极化状态的极化参数γ_k,η_k；导向矢量矩阵A的表达式如以下公式所示

A＝[Q₁,...,Q_K]

q_k＝[q_-L,k(θ_k,r_k),q_-L+1,k(θ_k,r_k),...,q_0,k(θ_k,r_k),q_1,k(θ_k,r_k),...,q_L,k(θ_k,r_k)]^T

c_k＝[cosθ_-L,k,cosθ_-L+1,k,...,cosθ_0,k,cosθ_1,k,...,cosθ_L,k]

A_e＝[A^T,(A^*Ψ^*)^T]^T，其中：

ψ是非圆信号对于其零相信号的相位绝对偏移，ψ的表达式如以下公式

是增广矩阵A_e的列向量；

选择矩阵

以上矩阵拓展之后为：

存在一个K×K的满秩矩阵G，满足Us＝A_eG；

结合辅助定理公式，可构造4M×4M的对角矩阵：

Φ(θ)＝diag{e^j2Mr,...e^j2(1-M)r,e^-j2Mr,...e^j2(M-1)r}，

其中，r的表达式如以下公式所示

r＝-2πdsinθ/λ

其中，d表示阵元间距，λ表示波长；

然后构造矩阵

当θ＝θ_k时，的第k列为0，说明矩阵是奇异矩阵，其中W是4M×K的绝对满秩矩阵，因此可推出以下的角度估计：

5.根据权利要求4所述的基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法，其特征在于：所述步骤五的一维距离估算具体为：由信号子空间和噪声子空间的正交性可得出：

遍历距离参数r_k求解即可。

6.一种实现上述权利要求1-5任一项所述的基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法的装置，其特征在于：包括天线模块、射频模块、测向模块以及电源板，

所述电源板与天线模块、射频模块、测向模块均连接，用于上述模块供电；

所述天线模块与射频模块连接，用于接收目标信号，并将信号传递给所述射频模块成为射频信号；

所述射频模块的输入端连接所述天线模块，用于将射频信号转化为模拟中频实信号；

所述测向模块的输入端连接所述射频模块，用于接收所述射频模块发送的模拟中频实信号并进行处理得到测向结果并进行输出。

7.根据权利要求6所述的实现基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法的装置，其特征在于：所述测向模块包括A/D采样模块、FPGA芯片和DSP芯片，所述A/D采样模块连接所述射频模块，用于接收模拟中频实信号并转化为数字中频实信号；所述FPGA芯片通过与所述DSP芯片连接，用于实现测向定位结果的输出。

8.根据权利要求7所述的实现基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法的装置，其特征在于：所述A/D采样模块包括五片模数转换A/D芯片。

9.根据权利要求8所述的实现基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法的装置，其特征在于：所述天线模块为五阵元交叉偶极子阵。

10.根据权利要求9所述的实现基于交叉偶极子阵列的非圆信号定位快速估计方法的装置，其特征在于：所述模数转换A/D芯片为AD9650芯片，所述FPGA芯片为XC7K325T芯片，所述DSP芯片为TMS320C6678芯片。