CN110412502A - 基于大规模天线阵列的波达角测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大规模天线阵列的波达角测量装置及方法，包括横向间隔设置的第一接收天线和第二接收天线、以及纵向间隔设置的第三接收天线和第四接收天线，第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线和第四接收天线均通过连接装置安装在导轨运动装置上；第一接收天线和第二接收天线均连接同一第一相位检测模块，第三接收天线和第四接收天线均连接同一第二相位检测模块，第一相位检测模块和第二相位检测模块的输出端连接有单片机；单片机还分别连接有导轨控制单元和上位机；本发明通过少量天线数量模拟大规模天线阵列，降低天线成本和计算复杂度。

Description

基于大规模天线阵列的波达角测量装置及方法

【技术领域】

本发明属于阵列天线技术领域，具体涉及一种基于大规模天线阵列的波达角测量装置及方法。

【背景技术】

无线通信系统发展非常迅速，得到了广泛的应用。第五代移动通信系统正在进入商用，相关的技术已经得到了广泛而深入的研究，而大规模天线阵列的测量是实际应用时候需要考虑的重要内容。波达角(DOA)估计就是利用天线阵列的这个特性进行方向估计。接收空间中不同方向的信号，并且利用估算方法进行快速准确的计算。现有的子空间谱估计技术利用信号到达不同天线的时间不同，导致天线接收到的信号的相位不同的特点进行来波方向的估计。

在近几十年中，人们已经对于波达角测定问题做了大量的研究，并提出了不少的方法，例如，ESPRIT(rotational variance technique)方法，MUSIC(multiple signalclassfication)方法，基于波束成形(beam-forming)的方法，基于WSF(weighted subspacefitting)的方法和基于最大似然估计(ML)的方法等。但是现有算法大多需要一维或者二维的谱搜索，有时还设置多维非线性优化，导致数据的处理复杂度比较高，难以实现实时的DOA估计。

对于大规模天线阵列系统来说，其天线数非常大，传统算法的复杂度是难以承受的。另一方面，现在虽然有基于传播算子的低复杂度算法，但是其估计精度较低，一般用于DOA预估或者对DOA估计精度要求不高的场景。

【发明内容】

本发明的目的是提供基于大规模天线阵列的波达角测量装置及方法，通过少量天线数量模拟大规模天线阵列，降低天线成本和计算复杂度。

本发明采用以下技术方案：基于大规模天线阵列的波达角测量装置，包括横向间隔设置的第一接收天线和第二接收天线、以及纵向间隔设置的第三接收天线和第四接收天线，第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线和第四接收天线均通过连接装置安装在导轨运动装置上；

第一接收天线和第二接收天线均连接同一第一相位检测模块，第三接收天线和第四接收天线均连接同一第二相位检测模块，第一相位检测模块和第二相位检测模块的输出端连接有单片机；单片机还分别连接有导轨控制单元和上位机；

单片机用于向导轨控制单元发送控制信息，以驱动连接装置带动第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线和第四接收天线在模拟大规模天线阵列范围内移动；还用于分别接收第一相位检测模块和第二相位检测模块发出的相位差信息，并发送至上位机，以供上位机计算待测信源的波达角。

进一步地，导轨运动装置包括横向同步带滑台和纵向同步带滑台，横向同步带滑台固定安装于纵向同步带滑台的滑块上，横向同步带滑台的滑块上固定安装连接装置。

进一步地，纵向同步带滑台固定安装于横向同步带滑台的滑块上，纵向同步带滑台的滑块上固定安装连接装置。

进一步地，连接装置为一连接板，连接板一面上分别设置有两横向接口和两个纵向接口，连接板的另一面固定安装在导轨运动装置上。

进一步地，导轨控制单元包括与单片机连接的步进电机驱动器，步进电机驱动器的两个输出端分别连接有两个步进电机，两个步进电机分别安装在横向同步带滑台和纵向同步带滑台的电机座上。

进一步地，第一接收天线和第二接收天线的间距、以及第三接收天线和第四接收天线之间的间距均λ/2，其中，λ为待测信源的波长。

本发明的另一个技术方案：基于大规模天线阵列的波达角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

单片机通过导轨控制单元控制导轨运动装置在模拟的大规模天线阵列范围内运动，进而使第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线和第四接收天线在模拟的大规模天线阵列范围内运动；其中，第一接收天线和第二接收天线横向间隔设置，第三接收天线和第四接收天线纵向间隔设置；

第一接收天线、第二接收天线在运动的同时将接收到信号的相位信息发送至第一相位检测模块；

第三接收天线和第四接收天线在运动的同时将接收到信号的相位信息发送至第二相位检测模块；

第一相位检测模块和第二相位检测模块根据接收到的相位信息分别得出横向相位差信息和纵向相位差信息，并通过单片机发送至上位机；

上位机根据横向相位差信息和纵向相位差信息进行计算，得出待测信源的波达角。

本发明的有益效果是：本发明通过在导轨运动装置上设置有天线阵列，并且通过导轨运动装置带动天线阵列在模拟的大规模天线阵列范围内平移，可以实现大规模天线阵列的模拟，进而通过该装置测量待测信源的横向相位信息和纵向相位信息，得到待测信源的波达角；本发明降低了大规模天线阵列的测量复杂度，大大减少了天线数量，进而计算复杂度更小，降低了软件编程的难度，大幅度提升硬件处理的速度，降低了测量成本。

【附图说明】

图1为本发明一个实施例中的整体结构连接示意图；

图2为本发明实施例中矩形栅格均匀平面阵的排布图；

图3为本发明一个实施例中的测量装置示意图；

图4为本发明一个实施例中的测量系统连接原理图；

图5为本发明一个实施例中一个信号源测量系统的结构示意图；

图6为本发明另一实施例种两个信号源测量系统的结构示意图；

图7为本发明实施例中具有一个信号源时的信源测量结构参考图；

图8为本发明实施例中具有两个信号源时的信源测量结构参考图；

图9为本发明实施例中AD8302模块的电压值转相位信息的曲线图；

图10为本发明实施例中AD8302模块的VPHS端的电压值转换为相位值的拟合曲线图；

图11为本发明实施例中AD8302模块的VPHS端的电压值转换为相位值的离散点对应的曲线图。

其中：1.第一天线；2.第二天线；3.第三天线；4.第四天线；5.导轨运动装置；6.第一相位比较模块；7.第二相位比较模块；8.单片机；9.电机驱动。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明实施例公开了一种基于大规模天线阵列的波达角测量装置，如图1所示，包括测量机构和运动机构两部分。测量机构包括横向间隔设置的第一接收天线1和第二接收天线2、以及纵向间隔设置的第三接收天线3和第四接收天线4。第一接收天线1和第二接收天线2反映了水平方向的波达角方向分量，第三接收天线3和第四接收天线4反映了竖直方向上的波达角方向分量。

第一接收天线1、第二接收天线2、第三接收天线3和第四接收天线4均通过连接装置安装在导轨运动装置5上，导轨运动装置5即属于运动装置。对于接收天线，可以选择很多种，如线天线、微带天线等常用天线都可实现，增加了本发明装置的实用性以及降低装置的成本。

第一接收天线1和第二接收天线2的信号数据输出端均通过馈线连接同一第一相位检测模块6，第三接收天线3和第四接收天线4的信号数据输出端均通过馈线连接同一第二相位检测模块7。利用的两根馈线长度必须一致，以确保信号经过馈线到达AD8302的相位变化保持相同，保证处理得来的波达角计算精确。第一相位检测模块6和第二相位检测模块7均由AD8302模块组成。第一相位检测模块6和第二相位检测模块7的输出端连接有单片机8，单片机8采用STM32单片机。单片机8还分别连接有导轨控制单元和上位机。

单片机8用于向导轨控制单元发送控制信息，以驱动连接装置带动第一接收天线1、第二接收天线2、第三接收天线3和第四接收天线4在模拟大规模天线阵列范围内移动；还用于分别接收第一相位检测模块6和第二相位检测模块7发出的相位差信息，并发送至上位机，以供上位机估计(即计算)待测信源的波达角。

上述的波达角测量装置，可以以第一接收天线1、第二接收天线2、第三接收天线3和第四接收天线4为天线阵列，并通过导轨运动装置带动该天线阵列顺次在所模拟的大规模天线阵列范围内平移，进而相当于通过大规模天线阵列中的每一个天线对信源的相对信息进行了测量，而且，在天线阵列移动的过程中，可以通过对导轨运动装置的运动进行设置，可以做到在大规模天线阵列范围内模拟足够更多的天线排布。例如，在一个大规模的天阵列中，其天线阵列为64*64，那么本发明的装置可以设置天线阵列移动32*32个位置，即实现了天线阵列64*64，本发明的装置也可以设置天线阵列移动64*64个位置，如此就相当于模拟了128*128的天线阵列。测量了信源的相位信息后通过相位信息进行计算，得出信源的波达角信息。

在本发明中，只需要有一组天线阵列即可，具体也可以采用3*3、4*4等天线阵列，天线阵列平移的范围即为模拟的大规模天线阵列，导轨运动装置也可以采用多种形式，如设置一个底板，并在底板上加装可运动或平移的小车等，只要可以实现带动天线阵列运动即可。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，导轨运动装置5包括横向同步带滑台和纵向同步带滑台，横向同步带滑台固定安装于纵向同步带滑台的滑块上，横向同步带滑台的滑块上固定安装连接装置。

在本发明的另一个实施例中，纵向同步带滑台固定安装于横向同步带滑台的滑块上，纵向同步带滑台的滑块上固定安装连接装置。

上述两种实施例中的导轨运动装置5均可实现天线阵列在模拟的大规模天线阵列中平移，并完全覆盖每个位置，大大减少了天线系统的复杂度。另外，由于天线阵列需要在平面内运动，可以操控其运动间距，即可提升了阵元密度，即天线密度。除了上述实施例的实现方式，也可以采用任何其他方式的导轨运动装置5，只需要实现在模拟的大规模天线阵列中每个位置均可覆盖即可。

本发明实施例中，连接装置为一连接板，连接板一面上分别设置有两横向接口和两个纵向接口，两个横向接口和两个纵向接口可以实现接收天线的安装，进而在其移动时，得到相邻两个天线之间的相位差。连接板的另一面固定安装在导轨运动装置5上。通过连接板可以使得各个接收天线固定更加牢固可靠，也可以制作出符合安装要求的固定架等。

本发明实施例中，导轨控制单元包括与单片机8连接的步进电机驱动器9，步进电机驱动器9的两个输出端分别连接有两个步进电机，两个步进电机分别安装在横向同步带滑台和纵向同步带滑台的电机座上。本实施例中通过高性能微控器stm32控制一个在xoy平面运动的联动轴从而带动天线阵列通过运动，模拟大规模的天线阵列，大大减少天线系统的复杂度，提升了阵元密度。

在本发明实施例中，为了减小接收天线带来的误差，第一接收天线1和第二接收天线2的间距、以及第三接收天线3和第四接收天线4之间的间距均λ/2，其中，λ为待测信源的波长。

本发明装置以降低大规模天线阵列的测量的复杂度，只需要四根天线，大大降低了天线数量，降低测量成本，计算复杂度小，在硬件实现上降低了软件编程的难度，大幅度提升硬件处理的速度。

本发明实施例中包括用于获取待测信号源信号的四根测量天线，四根天线分别连接相位检测模块，相位检测模块用于对测量天线获取的信号进行相位比较，获取其水平和垂直相位差并转换为电压值；相位检测模块的相位输出端连接单片机，单片机用于将获取的电压值转换为相位差，并传输给电脑，通过MATLAB构造阵列因子，进行DOA计算获得信号源的方位角和俯仰角；同时单片机与电机驱动连接，电机驱动与导轨运动装置连接，用于控制测量天线移动位置。本发明可以该降低大规模天线阵列的测量的复杂度，只需要四根天线，大大降低了天线数量，降低测量成本，计算复杂度小，在硬件实现上降低了软件编程的难度，大幅度提升硬件处理的速度。

本发明还公开了一种基于大规模天线阵列的波达角测量方法，包括以下步骤：

单片机8通过导轨控制单元控制导轨运动装置在模拟的大规模天线阵列范围内运动，进而使第一接收天线1、第二接收天线2、第三接收天线3和第四接收天线4在模拟的大规模天线阵列范围内运动。

第一接收天线1、第二接收天线2在运动的同时将接收到信号的相位信息发送至第一相位检测模块6。第三接收天线3和第四接收天线4在运动的同时将接收到信号的相位信息发送至第二相位检测模块7。如图4所示，第一相位检测模块6和第二相位检测模块7均由AD8302模块组成，如图9所示为AD8302模块中的电压值转相位信息的曲线图，如图10所示，为AD8302的VPHS端(即相位输出端)的电压值转换为相位值的拟合曲线，图11为AD8302的VPHS端(即相位输出端)的电压值转换为相位值的离散点对应的曲线，该离散点为实际测量的电压值和对应的角度值，通过以对离散点的拟合得到其公式拟合曲线和拟合公式。单片机采用STM32单片机，由AD8302采样后得到相位差所对应电压值输入至进入到单片机8，单片机8将电压值转换为相位差信息发送到上位机中。

第一相位检测模块6和第二相位检测模块7根据接收到的相位信息分别得出横向相位差信息和纵向相位差信息，并通过单片机8发送至上位机。上位机根据横向相位差信息和纵向相位差信息进行计算，得出待测信源的波达角，具体的可以采用MATLAB进行计算。

通过上述步骤，采用小型的2*2天线阵列，并通过导轨运动装置带动该天线阵列在一定范围内平移，可以模拟大规模天线阵列，进而获取所模拟的大规模天线阵列中每个天线位置的接收信源信号的相位信息，通过大量的相位信息，计算得出更加精确的信源的波达角。

实施例一

由stm32单片机控制横向同步带滑台和纵向同步带滑台上的滑块位于(x，y)位置，x＝0，...，M；y＝0，...，N，M、N表示正整数。

每次stm32单片机控制滑块运动的距离小于等于半个波长(带测量信源的波长)，获取其水平和垂直方向上的来波方向的相位差。

由stm32单片机ADC采样两个AD8302的VPHS端(即相位输出端)的电压值。

在单片机内，由公式y＝3.4959e^-7x³-9.6342e^-6x²-0.0027307x+1.6882进行电压和相位之间的转换，x代表由stm32单片机ADC采样两AD8302的VPHS端(即相位输出端)的电压值，y代表由stm32单片机将采集过来的电压值转换为的相位差(角度信息)，通过这个公式转换为上述的和θ_xy。

由stm32单片机将采集过来的电压值转换为相位差分别为和θ_xy，表示水平相位差，θ_xy表示垂直的相位差，x表示相对于天线阵列原点横向移动的单位数，y表示相对于天线阵列原点纵向移动的单位数。

全部扫描完后，得到矩阵和由矩阵D、E构造波达方向估计算法。

具体构造波达方向估计算方法如下(平面阵列因子)：

矩形栅格平面阵列是指阵列中的单元按照行列等间距排列在一个平面内，边界为矩形的阵列。矩形栅格均匀平面阵的排布如图2所示，假设该阵列分布在xoy平面，阵元(即天线)一共有M×N个。

此平面阵沿着x轴方向有M个阵元，且间距均为d_x；沿着y轴方共有N个阵元，阵元的间距均为d_y，(m，n)单元表示为第m行、第n列交叉栅格上的单元，其位置坐标用来表示，该位置上的阵列单元e_mn，第m,n个阵列单元的坐标位置为：

在远场区的辐射场表示为：

式中，I_mn为阵列单元e_mn上的激励电流幅度，为阵列单元e_mn上的激励电流相位，F_e(θ)为阵列单元e_mn的辐射函数，A为与单元形式有关的比例系数。

因此，阵列总辐射场计算为：

单元e_mn与e₀₀之间的波程差为：

r分别表示信号源与接收天线之间的距离，由于近似相等，因此平面阵列远场区：

定义矩形平面阵的阵因子为：

则辐射场的计算如下：

均匀平面阵的阵因子可以分解为x方向阵因子与y方向阵因子方向图的乘积：

这里对应φ₀+kd_x cosθsinφ，θ_xy对应φ_y0+kd_y sinφsinθ。

用此公式通过matlab进行计算处理数据，并进行DOA估计，得到待测信号源的波达角。

实施例二

单一信号源测量：M＝N＝8，移动间隔半个波长，采用单个源，源的频率为2.554GHz，天线采用套筒天线发送信号。通过本发明所提供的方法进行DOA估计，并在MATLAB绘制其实际测量结果，结果如图7所示，单一信号源方位角为160°，俯仰角为36°。在实验室测量并非理想环境，实验室中有金属物体存在反射，以及周围环境的电磁干扰，结果存在其他干扰信息。

实施例三

两个信号源测量：M＝N＝16，移动间隔半个波长，采用两个源，通过对实施例二中单个源利用功分器分开，作为两个源测量，源的频率为2.554GHz，同时天线采用套筒天线发送，两个天线分别采用6dB和10dB增益天线。通过本发明所提供的方法进行DOA估计，并在MATLAB绘制其实际测量结果，结果如图8所示，其中一个信号源的方位角为110°，俯仰角为12°，另一个信号源的方位角为210°，俯仰角12°。在实验室测量并非理想环境，实验室中有金属物体存在反射，以及周围环境的电磁干扰，结果存在其他干扰信息。

Claims (7)

1.基于大规模天线阵列的波达角测量装置，其特征在于，包括横向间隔设置的第一接收天线(1)和第二接收天线(2)、以及纵向间隔设置的第三接收天线(3)和第四接收天线(4)，所述第一接收天线(1)、第二接收天线(2)、第三接收天线(3)和第四接收天线(4)均通过连接装置安装在导轨运动装置(5)上；

所述第一接收天线(1)和第二接收天线(2)均连接同一第一相位检测模块(6)，所述第三接收天线(3)和第四接收天线(4)均连接同一第二相位检测模块(7)，所述第一相位检测模块(6)和第二相位检测模块(7)的输出端连接有单片机(8)；所述单片机(8)还分别连接有导轨控制单元和上位机；

所述单片机(8)用于向所述导轨控制单元发送控制信息，以驱动所述连接装置带动所述第一接收天线(1)、第二接收天线(2)、第三接收天线(3)和第四接收天线(4)在模拟大规模天线阵列范围内移动；还用于分别接收所述第一相位检测模块(6)和第二相位检测模块(7)发出的相位差信息，并发送至所述上位机，以供所述上位机计算待测信源的波达角。

2.如权利要求1所述的基于大规模天线阵列的波达角测量装置，其特征在于，所述导轨运动装置(5)包括横向同步带滑台和纵向同步带滑台，所述横向同步带滑台固定安装于所述纵向同步带滑台的滑块上，所述横向同步带滑台的滑块上固定安装所述连接装置。

3.如权利要求1所述的基于大规模天线阵列的波达角测量装置，其特征在于，所述纵向同步带滑台固定安装于所述横向同步带滑台的滑块上，所述纵向同步带滑台的滑块上固定安装所述连接装置。

4.如权利要求2或3所述的基于大规模天线阵列的波达角测量装置，其特征在于，所述连接装置为一连接板，所述连接板一面上分别设置有两横向接口和两个纵向接口，所述连接板的另一面固定安装在所述导轨运动装置(5)上。

5.如权利要求4所述的基于大规模天线阵列的波达角测量装置，其特征在于，所述导轨控制单元包括与所述单片机(8)连接的步进电机驱动器(9)，所述步进电机驱动器(9)的两个输出端分别连接有两个步进电机，两个所述步进电机分别安装在所述横向同步带滑台和纵向同步带滑台的电机座上。

6.如权利要求5所述的基于大规模天线阵列的波达角测量装置，其特征在于，所述第一接收天线(1)和第二接收天线(2)的间距、以及第三接收天线(3)和第四接收天线(4)之间的间距均λ/2，其中，λ为待测信源的波长。

7.基于大规模天线阵列的波达角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

单片机(8)通过导轨控制单元控制导轨运动装置在模拟的大规模天线阵列范围内运动，进而使第一接收天线(1)、第二接收天线(2)、第三接收天线(3)和第四接收天线(4)在模拟的大规模天线阵列范围内运动；其中，所述第一接收天线(1)和第二接收天线(2)横向间隔设置，所述第三接收天线(3)和第四接收天线(4)纵向间隔设置；

所述第一接收天线(1)、第二接收天线(2)在运动的同时将接收到信号的相位信息发送至第一相位检测模块(6)；

所述第三接收天线(3)和第四接收天线(4)在运动的同时将接收到信号的相位信息发送至第二相位检测模块(7)；

第一相位检测模块(6)和第二相位检测模块(7)根据接收到的相位信息分别得出横向相位差信息和纵向相位差信息，并通过所述单片机(8)发送至上位机；

所述上位机根据所述横向相位差信息和纵向相位差信息进行计算，得出待测信源的波达角。