CN110837074A - 一种基于数字波束形成的多同频信源相位干涉仪测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子对抗技术领域，具体涉及一种基于数字波束形成的多同频信源相位干涉仪测向方法。本发明是在多信源测向过程中，阵列接收信源辐射信号后，进行数字波束形成，使得辐射信号从其来波方向对应的波束主瓣宽度内入射，而其他来波方向的信号只能在波束的副瓣入射，此时在有信号入射的波束上通过相位干涉仪方法准确测得信源来波方向。本发明通过对天线阵列接收信号进行数字波束形成实现了空域滤波，将不同来波方向的同频信源进行了分离，并通过相位干涉仪测向实现了对多同频信源来波方向测定，解决了多信源条件下的相位干涉仪测向问题。

Description

一种基于数字波束形成的多同频信源相位干涉仪测向方法

技术领域

本发明属于电子对抗技术领域，具体涉及一种基于数字波束形成的多同频信源相位干涉仪测向方法。

背景技术

测向技术在诸多领域有着重要的地位，特别是在电子对抗领域，实现在复杂干扰环境下及时准确地测定目标信源方向一直是人们积极研究的课题。常见的相位干涉仪测向方法利用信源辐射信号在多个不同位置的接收阵元上入射形成的相位差来确定信源的方向，该方法具有数据处理时间短、技术成熟的优点，被大量地应用在辐射源的测向和定位中。

数字波束形成技术是在阵列天线和信号处理基础上发展起来的一项新技术，已广泛应用于天线技术领域。它的基本思想是通过对天线阵元接收数据进行加权处理以控制天线阵的方向函数，使天线阵方向图在主瓣方向产生高增益窄波束，在副瓣方向产生较深的零陷，因此只有波束指向对应来波方向上的辐射信号会从波束主瓣方向进入，且接收信号的来波方向角度范围限制在天线的主瓣波束宽度内，其他接收波束都只受到副瓣方向干扰，降低了雷达的受干扰空域范围，进而提高了雷达的抗干扰能力。

目前常见的基于数字波束形成的测向方法是多波束比幅法测向，其思路是先利用数字波束形成在期望方向产生高增益的波束，然后根据预先设置的门限对不同波束接收信号的幅值进行比较，确定信号的来波方向。在一定条件下，该方法能够实现多信源来波方向的测向，但是该方法由于只对干扰方向上的辐射信号进行过滤，期望方向上的噪声依然可以在波束主瓣宽度内进入，且由于噪声对信号强度的影响程度要大于对信号相位的影响，因此在大信噪比条件下比幅法测向精度劣于相位干涉仪测向。

相位干涉仪测向需要对不同位置阵元接收的信号做频域或者时域上的互相关求解相位差来估计来波方向，但是在复杂电子对抗环境下，存在多个不同方向的同频信源辐射与目标信号不相干信号时，各阵元接收信号之间的相位差不再是由目标信号来波方向和噪声因素决定，而是由包括干扰信号在内的多个辐射信号来波方向和噪声因素综合影响的结果，因此相位干涉仪测向方法无法区分空域中多个不同方向上的辐射信源，仅能对单辐射信源的来波方向进行测量，抗干扰能力差。

目前，对相位干涉仪测向的研究大部分围绕基线设计和改善相位解模糊算法来提升测向的速度或者精确度，还尚未见到关于多信源条件下相位干涉仪测向研究的公开报道，因此这是一个值得研究的方向。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种结合数字波束形成和相位干涉仪测向两种技术来对空域中多同频信源进行测向的方法。

本发明采用的技术方案是：

一种结合数字波束形成和相位干涉仪测向两种技术来实现对空域中多同频信源测向的方法，所述的是在多信源测向过程中，阵列接收信源辐射信号后，进行数字波束形成，使得辐射信号从其来波方向对应的波束主瓣宽度内入射，而其他来波方向的信号只能在波束的副瓣入射，此时在有信号入射的波束上通过相位干涉仪方法准确测得信源来波方向。

首先对均匀线性天线阵列接收多同频窄带远场信号过程进行数学描述：

有N个频率为f₀的同频窄带远场辐射信号在含有M个接收阵元的均匀线性天线阵列上入射，阵元间距为d，阵列接收到信号的快拍数为L，将辐射信号列成行矩阵形式，可表示为：

其中s_i(t),i＝1,2,…,N表示第i个窄带远场信号。

记θ_i,i＝1,2,…,N为第i个信号来波方向角度，定义为天线阵列法线在平面内顺时针旋转θ_i角度即可与信号来波方向平行，θ_i角度范围为ω₀＝2πf₀，d_m,m＝1,2,…M表示阵列上第m个阵元相对于参考阵元的距离。

根据天线阵列参数、辐射信号频率、辐射信号来波方向，可以构建空间阵列的M×N维流型矩阵(导向矢量阵)A，A的数学形式为：

A＝[a₁,a₂,…,a_N]

其中a_i的具体形式为：

其中c表示光速。

考虑噪声因素影响，用M×L维矩阵N(t)表示M个阵元接收到的噪声，记M个阵元接收的数据为X(t)，X(t)的矢量形式为：

X(t)＝AS(t)+N(t)

用x_m(t),m＝1,2,…,M表示第m个阵元接收的数据，X(t)表示成行矩阵形式为：

线性天线阵列接收到信号后，首先进行数字波束形成，实现对空域的滤波处理，数字波束形成算法流程如图1所示，具体步骤如下：

S1、基于信息论中MDL准则对线性天线阵列接收信号X(t)进行信源数估计，得到信源个数估计值为Q。

S2、取X(t)的前M-1行元素，得到天线阵列中前M-1个阵元接收到的数据X′(t)。

S3、生成K个指向不同的波束(K≥Q)，波束指向与线性阵列法线的夹角范围为(-π/2，π/2)，用δ_k,k＝1,2,…,K，δ_k∈(-π/2，π/2)表示第k个波束的指向与线性天线阵列法线的夹角，构造用于常规数字波束形成的空域滤波器矩阵W。

S4、利用公式Y(t)＝W^HX(t)，把每个阵元接收到的数据进行幅度和相位加权，计算得到常规波束形成后所有波束的输出Y(t)，其中“(·)^H”表示对矩阵取共轭转置。

用y_k(t),k＝1,2,…,K表示第k个波束的输出，Y(t)写成行矩阵形式为：

S5、利用Y(t)对每个波束上的输出数据进行功率检测，得到每个波束的接收功率值P＝(P₁,P₂,…,P_K)。

S6、根据步骤S1中的信源估计值Q和步骤S5中每个波束的接收功率值P，令生成的K个波束中接收功率排在前Q个对应指向的波束的幅度加权值为1，其他K-Q个波束的幅度加权值为0，构造得到波束幅度加权矢量

其中“(·)^T”表示矩阵的转置。

S7、取空域滤波器矩阵W的前M-1行元素得到矩阵W′，利用公式Y′(t)＝(W′)^HX′(t)，计算得到对前M-1个阵元接收信号进行常规波束形成后的输出Y′(t)。

S8、根据波束幅度加权矢量将Y(t)、Y′(t)两者中每个波束的输出数据进行幅度加权处理，并剔除幅度加权值为0对应波束的输出数据，分别得到Y_Q(t)、Y′_Q(t)，同时得到保留下来的波束的指向为

步骤S1～S8根据信源数估计信息完成了数字波束形成，得到了利用阵列中所有M个阵元进行波束形成的输出Y_Q(t)和前M-1个阵元进行波束形成后的输出Y′_Q(t)。接着就是利用数字波束形成得到的Y_Q(t)和Y′_Q(t)两组数据进行相位干涉仪测向，计算得到Q个辐射信源的来波方向。相位法干涉仪测向算法流程图如图2所示，具体步骤如下：

S9、对Y_Q(t)和Y′_Q(t)做互相关后得到在

每一行数据进行时域鉴相，得到Y_Q(t)和Y′_Q(t)在Q个波束上的相位差估计值(γ₁,γ₂,…,γ_Q)。

S10、利用相位差估计值(γ₁,γ₂,…,γ_Q)计算得到Q个信源的来波方向估计值

计算如下公式如下：

进一步的，针对步骤S3的具体做法为：

空域滤波器矩阵W由幅度加权矢量W_A和相位加权矢量W_P组成，W写成矢量形式为：

W＝W_A·W_P

“·”表示矩阵点乘。

构造幅度加权矢量W_A：本方案利用阵列信号处理中最常用的切比雪夫窗进行幅度加权。w_A(k),k＝1,2,…,K为切比雪夫窗函数，幅度加权矢量W_A数学形式为：

相位加权矢量W_P数学形式为：

W_P＝[w₁,w₂,…,w_M]^T

其中w_m,m＝1,2,…,M表示M个阵元中第m个阵元接收到各波束指向对应方向信号的相移矢量，其数学形式为

进一步的，针对步骤S8的具体做法为：

S81、对Y_Q(t)和Y′_Q(t)做互相关，

“conj”表示取共轭。表示成行矩阵形式为：

S82、对

每一行数据进行时域累积鉴相，得到

每一行数据的相角，作为Y′_Q(t)和Y_Q(t)在Q个波束上的相位差估计值(γ₁,γ₂,…,γ_Q)，其数学计算公式为：

“angle”表示取相角函数，“angle”数学形式为：

其中a和b均为实数。

本发明的有益效果是：通过对天线阵列接收信号进行数字波束形成实现了空域滤波，将不同来波方向的同频信源进行了分离，并通过相位干涉仪测向实现了对多同频信源来波方向测定，解决了多信源条件下的相位干涉仪测向问题。同时，本发明提出的测向方法还具有极佳的抗噪声、抗干扰效果，提升了在复杂干扰环境下对目标信源测向的准确性和精度。

附图说明

图1为数字波束形成算法流程；

图2为相位干涉仪测向算法流程；

图3为多信源测向角度分布直方图；

图4为噪声调频干扰信号、线性调频雷达信号、噪声调相干扰信号来波方向测量角度分布直方图；

图5为测向角度RMSE随线性调频雷达信号来波方向变化曲线图；

图6为不同信噪比下测向角度RMSE随线性调频雷达信号来波方向变化曲线图；

图7为不同信干比下测向角度RMSE随线性调频雷达信号来波方向变化曲线图。

具体实施方式

本发明利用matlab软件对上述多同频信源相位干涉仪测向算法方案进行验证，为简化起见，对算法模型作如下假设：

1.线性均匀天线阵列中各阵元之间间距固定无误差；

2.辐射信源位于与线性天线阵列平行的平面中；

3.辐射信源相对于天线阵列的位置固定不变。

利用一个一维均匀线性天线阵列对3个频率相同的窄带辐射信源进行测向，阵列中含有40个等间距的天线阵元，阵元间距为辐射信号半波长，3个辐射信源的发射信号的体制分别为线性调频雷达信号、噪声调频干扰信号、噪声调相干扰信号。

多信源测向效果：

考虑环境中高斯噪声影响，信噪比(SNR)为0dB，阵列接收到三种辐射信号的功率相同，即线性调频雷达信号与干扰信号的功率之比(SJR)为0dB。3束辐射信号来波方向分别为50度、48度、52度，在(-60°，60°)指向范围内形成25个等角度间距的数字波束，2000次Monte Carlo仿真后得到多信源测向效果：

如图3所示，多信源测向角度成三簇分布，簇与簇之间有明显区隔，三簇的中心位置分别在48度、50度、52度附近，基本与3束辐射信号来波方向吻合。图3表明利用数字波束形成实现了对不同来波方向的同频辐射信源的分离。

为更直观的展现算法的测向效果，得到三种辐射信源发出信号来波方向测量角度分布如图4所示，测向角度大体以真实来波方向为中心成呈正态分布，各辐射信号来波方向测向角度分布均集中在对应信源真实来波方向附近。图4结果证明，本方法可以同时较为精确地测得3个辐射信源的来波方向。

测向方法的测量精度效果：

将噪声调频干扰信号、噪声调相干扰信号的来波方向分别设置为-30度、30度，信噪比(SNR)为0dB，信干比为(SJR)为0dB，线性调频雷达信号的来波方向在-59度～59度范围以1度增量进行变化，500次Monte Carlo仿真计算雷达信号在该来波方向角度时的测向角度均方误差(RMSE)，得到测向角度均方误差(RMSE)随线性调频雷达信号来波方向变化曲线，如图5所示，在有干扰信号情况下，雷达信号的来波方向在-59度～59度范围的测向角度均方误差均在0.7以内，在远离干扰信号来波方向5度以上时，其测向的均方误差低于0.2，图5证明本测向方法即使在存在干扰、存在噪声情况下，测向精度仍然极佳。

测向方法抗噪声、抗干扰效果：

固定信干比为0dB，噪声调频干扰信号、噪声调相干扰信号的来波方向分别设置为-30度、30度，500次Monte Carlo仿真后得到不同信噪比下测向角度均方误差随线性调频雷达信号来波方向变化的曲线，如图6所示，可以看出随着信噪比降低，在各来波方向上的测向角度误差上升，但即使在信噪比为-10dB、信干比为0dB时，各来波方向上的测向角度测向均方误差依然在1.6以内，在远离干扰信号来波方向5度以上时，其测向的均方误差低于1，图6结果证明本测向方法具有较强的抗噪声能力。

固定信噪比为0dB，噪声调频干扰信号、噪声调相干扰信号的来波方向分别设置为-30度、30度，500次Monte Carlo仿真后得到不同信干比下测向角度均方误差随线性调频雷达信号来波方向变化的曲线，如图7所示，可以看出随着信噪干降低，在各来波方向上的测向角度误差上升，但即使在信噪比为-10dB、信干比为0dB时，各来波方向上的测向角度测向均方误差依然在1.2以内，在远离干扰信号来波方向5度以上时，其测向的均方误差低于0.6，图7结果证明本测向方法具有较强的抗干扰能力。

综上，基于数字波束形成的多信源相位干涉仪测向方法能实现对多同频信源的测向，即使在存在多个强度较高的同频干扰信源和恶劣信噪比条件下，依然具有非常好的测向准确性和测向精度，具有极强的抗噪声、抗干扰能力。

Claims (3)

1.一种基于数字波束形成的多同频信源相位干涉仪测向方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于信息论MDL准则对线性天线阵列接收信号X(t)进行信源数估计，得到信源个数估计值为Q；

S2、取X(t)的前M-1行元素，得到天线阵列中前M-1个阵元接收到的数据X′(t)，M为天线阵列的阵元数；

S3、生成K个指向不同的波束，K≥Q，波束指向与线性阵列法线的夹角范围为(-π/2，π/2)，用δ_k表示第k个波束的指向与线性天线阵列法线的夹角，构造用于数字波束形成的空域滤波器矩阵W，k＝1,2,…,K，δ_k∈(-π/2，π/2)；

S4、利用公式Y(t)＝W^HX(t)，把每个阵元接收到的数据进行幅度和相位加权，计算得到波束形成后所有波束上的输出Y(t)，定义y_k(t)表示第k个波束的输出，Y(t)写成行矩阵形式为：

S5、利用Y(t)对每个波束上的输出数据进行功率检测，得到每个波束的接收功率值P＝(P₁,P₂,…,P_K)；

S6、根据步骤S1中的信源估计值Q和步骤S5中每个波束的接收功率值P，令生成的K个波束中接收功率排在前Q个对应指向的波束的幅度加权值为1，其他K-Q个波束的幅度加权值为0，构造得到波束幅度加权矢量

S7、取空域滤波器矩阵W的前M-1行元素得到矩阵W′，利用公式Y′(t)＝(W′)^HX′(t)，计算得到对前M-1个阵元接收信号进行波束形成后的输出Y′(t)；

S8、根据波束幅度加权矢量

将Y(t)、Y′(t)两者中每个波束的输出数据进行幅度加权处理，并剔除幅度加权值为0对应波束的输出数据，分别得到Y_Q(t)、Y′_Q(t)，同时得到保留下来的波束的指向为

S9、对Y_Q(t)和Y′_Q(t)做互相关后得到

在

每一行数据进行时域鉴相，得到Y_Q(t)和Y′_Q(t)在Q个波束上的相位差估计值(γ₁,γ₂,…,γ_Q)；

S10、利用相位差估计值(γ₁,γ₂,…,γ_Q)计算得到Q个信源的来波方向估计值

计算如下公式如下：

2.根据权利要求1所述的一种基于数字波束形成的多同频信源相位干涉仪测向方法，其特征在于，所述步骤S3的具体方法为：

空域滤波器矩阵W由幅度加权矢量W_A和相位加权矢量W_P组成，W写成矢量形式为：

W＝W_A·W_P

其中“·”表示矩阵点乘；

幅度加权矢量W_A利用切比雪夫窗进行幅度加权，令w_A(k)为切比雪夫窗函数，k＝1,2,…,K，幅度加权矢量W_A数学形式为：

相位加权矢量W_P数学形式为：

W_P＝[w₁,w₂,…,w_m…,w_M]^T

其中w_m表示M个阵元中第m个阵元接收到各波束指向对应方向信号的相移矢量，m＝1,2,…,M，其数学形式为：

其中ω₀＝2πf₀，f₀为同频信源频率，c表示光速。

3.根据权利要求2所述的一种基于数字波束形成的多同频信源相位干涉仪测向方法，其特征在于，所述步骤S8的具体方法为：

S81、对Y_Q(t)和Y′_Q(t)做互相关，

“conj”表示取共轭，

表示成行矩阵形式为：

S82、对

每一行数据进行时域累积鉴相，得到

每一行数据的相角，作为Y′_Q(t)和Y_Q(t)在Q个波束上的相位差估计值(γ₁,γ₂,…,γ_Q)，其数学计算公式为：

其中，L为阵列接收到信号的快拍数为，“angle”表示取相角函数，“angle”数学形式为：

其中a和b均为实数，i表示虚数。

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