CN110297214A - 多互质阵列协同室内辐射源定位装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多互质阵列协同室内辐射源定位装置，该装置包括使用多互质阵和通用软件无线电外设（Universal Software Radio Peripheral,USRP）测量并收集当前室内信号的数据采集模块，对采集到的信号进行处理并得到信源位置的数据处理模块，以及显示所处环境频谱信息和定位信息的显示模块。本发明还公开了使用多互质阵列协同室内辐射源定位的方法，该方法使用多个互质阵分别进行角度估计，然后利用几何特性找出各角度延长线的交点，该交点即为辐射源的位置。本发明通过布置多阵列天线实时获取室内信源分布情况，通过使用互质阵列提升估计精度，具有良好的推广前景。

Description

多互质阵列协同室内辐射源定位装置和方法

技术领域

本发明属于无线电信号发现与定位技术领域，具体为空间谱估计领域，尤其涉及一种多互质阵列协同室内辐射源定位装置和方法。

背景技术

在各类重要会议、大型纪念活动、大规模统一考试等场合，无线电安保工作的重要性日益凸显。及时发现并定位异常无线电信号，直观展示一定区域内辐射源分布情况，将对保障活动的顺利进行以及确保办公环境保密性等起到重要作用。

阵列信号处理作为现代信号处理的重要分支之一，在无线通信、雷达等许多领域有着极为广泛的应用。阵列信号处理的主要内容是将多个天线按特定位置放置于空间不同位置组成天线阵列，通过对阵列接收信号的一系列处理来抑制干扰噪声和不感兴趣的信息，同时提取信号的有用特征信息。常见的均匀线阵天线布局方式仅能获得一维角度估计，不能实现信源的二维空间定位，且阵列的空间自由度较低、阵元间相互影响较强，估计精度受限。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种多互质阵列协同室内辐射源定位装置和方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

多互质阵列协同室内辐射源定位装置，其特征在于，包括如下模块：

数据采集模块：所述数据采集模块通过在室内布置阵列天线和USRP测量并收集当前室内信号，所述阵列天线组成多互质阵列结构，阵列天线的输出端与USRP的输入端连接，阵列天线对室内信号进行时域采样并将采样得到的信号传输给USRP；

数据处理模块：所述数据处理模块的输入端与USRP的输出端通信连接，获得当前室内环境的采样信号，并对采样信号进行处理，获得当前室内辐射源的位置估计；

显示模块：所述显示模块的输入端与数据处理模块的输出端通信连接，在电脑端或手机端显示当前室内环境的频谱信息以及辐射源定位信息。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述多互质阵列结构由两个阵元数分别为2M和N的均匀线阵组成，阵元间距分别为Nλ/2和Mλ/2，其中，M和N为互质数且M＜N，λ为载波波长；两个均匀线阵仅在原点处有一个阵元重合，阵元总数为2M+N-1。

此外，本发明还提出了采用上述多互质阵列协同室内辐射源定位装置的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：分别使用多互质阵列结构的阵列天线接收信号，得到多个阵列接收信号矩阵；

步骤2：根据多个阵列接收信号矩阵，分别计算多个接收信号的协方差矩阵；

步骤3：将协方差矩阵向量化处理，将获得的向量按相位进行排序并删除冗余元素，截取连续阵元部分，得到连续虚拟阵列接收信号；

步骤4：对连续虚拟阵列接收信号使用空间平滑算法，获得空间平滑协方差矩阵；

步骤5：对空间平滑协方差矩阵使用DOA估计算法，获得各个互质阵列的角度估计结果；

步骤6：利用几何特性，找出各角度延长线的交点，交点位置即为室内辐射源位置的估计结果。

进一步地，步骤1具体如下：

在室内建立平面坐标系，假设室内存在位于(x_s，y_s)的辐射源，来自该辐射源的信号分别入射到多个互质阵列上，对于任一互质阵列来说，信号到达角为θ，阵列接收信号表示为

X＝as+N

其中，s＝[s(1)，s(2)，…，s(L)]为入射到互质阵列的信号向量，L为快拍数，s(l)为互质阵列对信号的第l次采样结果，l＝1，2，…，L；N为阵列的加性高斯白噪声，均值为零，方差为阵列的方向向量表示为

其中，d₀＝λ/2，d＝{d₁，d₂，…，d_T}为互质阵列的阵元位置集合，T为互质阵列的总阵元数。

进一步地，步骤2、步骤3具体如下：

接收信号X的协方差矩阵由计算得到，将进行向量化处理得到

其中，看作一个长虚拟阵列的方向向量，为信号功率，I为单位矩阵，上标H表示共轭转置；

由于互质阵列的虚拟阵列由一段连续的均匀线阵和一些不连续的阵元组成，均匀线阵的范围为[-(MN+M-1)d₀，(MN+M-1)d₀]，即虚拟阵列的中间2M(N+1)-1个阵元是连续分布的，所以删除中重复的元素，并截取连续阵元部分，得到连续虚拟阵列接收信号

其中，b＝[b₁，b₂，…，b_P]^T为连续虚拟阵列的方向向量，P＝2M(N+1)-1为连续虚拟阵元总数，向量仅有中间的元素即第(P+1)/2个元素为1，其余元素均为零。

进一步地，步骤4具体如下：

将连续虚拟阵列划分为(P+1)/2个相互重叠的子阵列，每一个子阵列均包含(P+1)/2个阵元；其中，第i个子阵的阵元位置为

{(-i+1+n)d₀，n＝0，1，…，(P-1)/2}

其接收信号为z的第(P+1)/2+1-i行至P+1-i行，记为z_i，并构造协方差矩阵

将全部(P+1)/2个子阵的协方差矩阵求和并计算均值，得到空间平滑协方差矩阵

进一步地，步骤5具体如下：

采用MUSIC算法来获得DOA估计，根据噪声子空间与信号子空间正交的特性，MUSIC算法的空间谱构造为

其中，E_n为对R_s进行特征分解后得到的噪声子空间，为假设信号到达角为时虚拟阵列的方向向量；改变的值，在空域内进行搜索，当谱函数的分母趋于0，即空间谱函数达到一个峰值时，噪声向量与信号向量正交，此时的角度即为信号到达角。

进一步地，步骤6具体如下：

两个互质阵列的角度估计结果分别为和两个互质阵列的间距为R；辐射源的位置即为两个互质阵列角度估计延长线的交点，通过计算可得，辐射源的位置估计为其中

本发明的有益效果是：

1、通过布置阵列天线实时获取室内信源分布情况；

2、使用互质阵列，获得更高的空间自由度，削弱了阵元间的相互影响；

3、该方法能够获得很好的角度估计性能，具有良好的推广前景。

附图说明

图1是本发明所提供的多互质阵列协同室内辐射源定位装置系统结构图。

图2是本发明所使用的互质阵列结构图。

图3是多互质阵列协同定位方法的示意图。

图4a、4b是不同快拍数下的辐射源定位性能对比图。

图5a、5b是不同阵元数下的辐射源定位性能对比图。

图6a、6b是不同阵列间距下的辐射源定位性能对比图。

图7a、7b是不同算法实现辐射源定位的性能对比图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

一、系统结构

如图1所示的多互质阵列协同室内辐射源定位装置，包括数据采集模块、数据处理模块和显示模块。其中，数据采集模块通过在室内布置阵列天线和USRP测量并收集当前室内信号，阵列天线组成多互质阵列结构，其输出端分别与USRP的输入端连接，阵列天线对室内信号进行时域采样并将采样得到的信号传输给USRP。数据处理模块的输入端与数据采集模块中USRP的输出端通信连接，获得当前室内环境的采样信号，并对采样信号进行处理，获得当前室内辐射源的位置估计。显示模块的输入端与数据处理模块的输出端通信连接，在电脑端或手机端显示当前室内环境的频谱信息以及辐射源定位信息。

二、数据模型

图2所示为本发明使用的互质阵列结构，该结构由两个阵元数分别为2M和N的均匀线阵组成，阵元间距分别为Nλ/2和Mλ/2，其中，M和N为互质数且M＜N，λ为载波波长；两个均匀线阵仅在原点处有一个阵元重合，阵元总数为2M+N-1。

在室内建立平面坐标系，假设室内存在位于(x_s，y_s)的辐射源，来自该辐射源的信号分别入射到多个互质阵列上。由于对各互质阵列的处理方法相同，下面仅以一个互质阵列为例。对于该互质阵列来说，信号到达角θ，阵列接收信号可表示为

X＝as+N

其中，s＝[s(1)，s(2)，…，s(L)]为入射到两个互质阵列的信号向量，L为快拍数，s(l)为互质阵列对信号的第l次采样结果，l＝1，2，…，L；N为阵列的加性高斯白噪声，均值为零、方差为阵列的方向向量可表示为

其中，d₀＝λ/2，d＝{d₁，d₂，…，d_T}为互质阵列的阵元位置集合，T为互质阵列的总阵元数。

三、角度估计方法

1、虚拟化

首先，求互质线阵接收信号X的协方差矩阵。实际工程中，由于信号采样都是在有限快拍数下进行，接收信号的协方差矩阵由计算得到。将进行向量化处理得到

其中，可看作一个长虚拟阵列的方向向量，为信号功率，I为单位矩阵，上标H表示共轭转置。

由于互质阵列的虚拟阵列由一段连续的均匀线阵和一些不连续的阵元组成，可以证明，均匀线阵的范围为[-(MN+M-1)d₀，(MN+M-1)d₀]，即虚拟阵列的中间2M(N+1)-1个阵元是连续分布的。由于空间平滑算法通常要求阵列为均匀线阵，所以我们删除中重复的元素，并截取连续阵元部分，得到由连续虚拟阵列接收到的信号

其中，b＝[b₁，b₂，…，b_P]^T为连续虚拟阵列的方向向量，P＝2M(N+1)-1为连续虚拟阵元总数，向量仅有中间的元素(即第(P+1)/2个元素)为1，其余元素均为零。接下来我们对连续虚拟阵列的接收信号z使用空间平滑算法。

2、空间平滑算法

将连续虚拟阵列划分为(P+1)/2个相互重叠的子阵列，每一个子阵列均包含(P+1)/2个阵元。其中，第i个子阵的阵元位置为

{(-i+1+n)d₀，n＝0，1，…，(P-1)/2}

其接收信号为z的第(P+1)/2+1-i行至P+1-i行，记为z_i，并构造协方差矩阵

将全部(P+1)/2个子阵的协方差矩阵求和并计算均值，得到空间平滑协方差矩阵

由于经过空间平滑处理的矩阵R_s与基于经典子空间类算法的信号协方差矩阵具有相同的形式，故可通过对R_s使用经典的MUSIC、ESPRIT等算法来获得DOA估计。以MUSIC算法为例，根据噪声子空间与信号子空间正交的特性，MUSIC算法的空间谱可构造为

其中，E_n为对R_s进行特征分解后得到的噪声子空间，为假设信号到达角为时虚拟阵列的方向向量。改变的值，在空域内进行搜索，当谱函数的分母趋于0，即空间谱函数达到一个峰值时，噪声向量与信号向量正交，此时的角度即为信号到达角。

3、协同定位

不失一般性，此处我们使用两个互质阵列分别进行角度估计，估计结果分别为和两个互质阵列的间距为R，如图3所示。辐射源的位置即为两个互质阵列角度估计延长线的交点。通过计算可得，辐射源的位置估计为其中

图4a、4b是不同快拍数下的辐射源定位性能对比图，此时互质阵的阵元数为M＝3，N＝4，辐射源实际位置为(30，30)，阵列间距为R＝60。从图中可以看出，估计误差随信噪比的增加呈下降趋势，同时快拍数越大意味着更精准的协方差矩阵，因此算法性能随着快拍数的增加而提升。

图5a、5b是不同阵元数下的辐射源定位性能对比图，此时辐射源实际位置为(40，30)，阵列间距为R＝50，快拍数为L＝500。从图中可以看出，阵元数的增加有助于算法性能的提升。

图6a、6b是不同阵列间距下的辐射源定位性能对比图，此时辐射源实际位置为(30，30)，互质阵的阵元数为M＝3，N＝4，快拍数为L＝500。从图中可以看出，随着两组天线之间间距的增大，定位精度会有所提升。

图7a、7b是不同算法实现辐射源定位的性能对比图，此时互质阵的阵元数为M＝3，N＝4，辐射源实际位置为(30，30)，阵列间距为R＝60，快拍数为L＝500。从图中可以看出，三种算法均具有较高的定位精度。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.多互质阵列协同室内辐射源定位装置，其特征在于，包括如下模块：

数据采集模块：所述数据采集模块通过在室内布置阵列天线和USRP测量并收集当前室内信号，所述阵列天线组成多互质阵列结构，阵列天线的输出端与USRP的输入端连接，阵列天线对室内信号进行时域采样并将采样得到的信号传输给USRP；

数据处理模块：所述数据处理模块的输入端与USRP的输出端通信连接，获得当前室内环境的采样信号，并对采样信号进行处理，获得当前室内辐射源的位置估计；

显示模块：所述显示模块的输入端与数据处理模块的输出端通信连接，在电脑端或手机端显示当前室内环境的频谱信息以及辐射源定位信息。

2.如权利要求1所述的多互质阵列协同室内辐射源定位装置，其特征在于：所述多互质阵列结构由两个阵元数分别为2M和N的均匀线阵组成，阵元间距分别为Nλ/2和Mλ/2，其中，M和N为互质数且M＜N，λ为载波波长；两个均匀线阵仅在原点处有一个阵元重合，阵元总数为2M+N-1。

3.采用如权利要求2所述的多互质阵列协同室内辐射源定位装置的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：分别使用多互质阵列结构的阵列天线接收信号，得到多个阵列接收信号矩阵；

步骤2：根据多个阵列接收信号矩阵，分别计算多个接收信号的协方差矩阵；

步骤3：将协方差矩阵向量化处理，将获得的向量按相位进行排序并删除冗余元素，截取连续阵元部分，得到连续虚拟阵列接收信号；

步骤4：对连续虚拟阵列接收信号使用空间平滑算法，获得空间平滑协方差矩阵；

步骤5：对空间平滑协方差矩阵使用DOA估计算法，获得各个互质阵列的角度估计结果；

步骤6：利用几何特性，找出各角度延长线的交点，交点位置即为室内辐射源位置的估计结果。

4.如权利要求3所述的多互质阵列协同室内辐射源定位装置的定位方法，其特征在于：步骤1具体如下：

在室内建立平面坐标系，假设室内存在位于(x_s，y_s)的辐射源，来自该辐射源的信号分别入射到多个互质阵列上，对于任一互质阵列来说，信号到达角为θ，阵列接收信号表示为

X＝as+N

其中，s＝[s(1)，s(2)，…，s(L)]为入射到互质阵列的信号向量，L为快拍数，s(l)为互质阵列对信号的第l次采样结果，l＝1，2，…，L；N为阵列的加性高斯白噪声，均值为零，方差为阵列的方向向量表示为

其中，d₀＝λ/2，d＝{d₁，d₂，…，d_T}为互质阵列的阵元位置集合，厂为互质阵列的总阵元数。

5.如权利要求4所述的多互质阵列协同室内辐射源定位装置的定位方法，其特征在于：步骤2、步骤3具体如下：

接收信号X的协方差矩阵由计算得到，将进行向量化处理得到

其中，看作一个长虚拟阵列的方向向量，为信号功率，I为单位矩阵，上标H表示共轭转置；

由于互质阵列的虚拟阵列由一段连续的均匀线阵和一些不连续的阵元组成，均匀线阵的范围为[-(MN+M-1)d₀，(MN+M-1)d₀]，即虚拟阵列的中间2M(N+1)-1个阵元是连续分布的，所以删除中重复的元素，并截取连续阵元部分，得到连续虚拟阵列接收信号

其中，b＝[b₁，b₂，…，b_P]^T为连续虚拟阵列的方向向量，P＝2M(N+1)-1为连续虚拟阵元总数，向量仅有中间的元素即第(P+1)/2个元素为1，其余元素均为零。

6.如权利要求5所述的多互质阵列协同室内辐射源定位装置的定位方法，其特征在于：步骤4具体如下：

将连续虚拟阵列划分为(P+1)/2个相互重叠的子阵列，每一个子阵列均包含(P+1)/2个阵元；其中，第i个子阵的阵元位置为

{(-i+1+n)d₀，n＝0，1，…，(P-1)/2}

其接收信号为z的第(P+1)/2+1-i行至P+1-i行，记为z_i，并构造协方差矩阵

将全部(P+1)/2个子阵的协方差矩阵求和并计算均值，得到空间平滑协方差矩阵

7.如权利要求6所述的多互质阵列协同室内辐射源定位装置的定位方法，其特征在于：步骤5具体如下：

采用MUSIC算法来获得DOA估计，根据噪声子空间与信号子空间正交的特性，MUSIC算法的空间谱构造为

其中，E_n为对R_s进行特征分解后得到的噪声子空间，为假设信号到达角为时虚拟阵列的方向向量；改变的值，在空域内进行搜索，当谱函数的分母趋于0，即空间谱函数达到一个峰值时，噪声向量与信号向量正交，此时的角度即为信号到达角。

8.如权利要求7所述的多互质阵列协同室内辐射源定位装置的定位方法，其特征在于：步骤6具体如下：

两个互质阵列的角度估计结果分别为和两个互质阵列的间距为R；辐射源的位置即为两个互质阵列角度估计延长线的交点，通过计算可得，辐射源的位置估计为其中