CN111413666A - 一种阵列测频测向联合接收机设计方法 - Google Patents

一种阵列测频测向联合接收机设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种阵列测频测向联合接收机设计方法，解决现有电子侦察系统侦测灵敏度低等问题。该方法在阵列接收体制下，通过空间与时间平滑方式获取短时间内的样本，同时采用自适应处理方式实现对目标的测频测向，能够同时求出信号的DOA和频率，并且由于联合了空间‑频率进行联合处理，与空间波束形成相比从提高了处理信号增益。此外，该方法能够在不需要预先获得信号准确频率的前提下获得DOA估计，并且在较低信噪比下能够获得比纯空域阵列信号处理好的测向性能。仿真试验结果验证了该方法的有效性。

Description

一种阵列测频测向联合接收机设计方法
技术领域
本发明属于雷达信号电子侦察领域，特别是涉及一种阵列测频测向联合接收机设计方法。
背景技术
由于战场电子环境日趋复杂，同时无源电子侦察对信号测向的要求也越来越高。宽带阵列测向是主要的电子侦察测向方法，阵列可以获取较干涉仪等传统测向高的灵敏度，在无源侦察预警领域有着广阔的应用。当前阵列测向设备的处理过程先在阵列形成空域高增益天线波束，然后通过后端数字信道化实现对目标信号的侦测，获取目标脉内、脉间，方向等信息。由于成本以及天线孔径限制，阵列的天线数目不能太多，同时空域的增益与数字信道化处理增益级联的关系。例如对于采用均匀线阵的电子侦察系统，整个系统灵敏度目前主要是采用天线增益加上后端接收机灵敏度的方式进行计算。其中天线增益主要由天线孔径决定、接收机灵敏度由后端信道处理带宽决定。特备是在一些小型侦察设备上，迫切需要能够提升系统侦察灵敏度的接收机。
空时自适应处理能力同时联合信号时间空间进行自适应处理，能够实现处理自由度的增加，对于典型N通道，M信道的阵列数字接收系统，采用空时自适应处理能够提升的信号增益
Figure BDA0002458980120000011
因而采用空时自适应处理特别适合目前在地面电子侦察系统中提高侦测灵敏度的要求，但由于通常空时处理计算量巨大，同时也无法获取足够样本抑制是限制空时自适应处理在电子侦察领域应用的前提。
发明内容
为解决现有电子侦察系统侦测灵敏度低等问题，特提出了一种阵列测频测向联合接收机设计方法，该接收机在阵列接收体制下，通过空间与时间平滑方式获取短时间内的样本，同时采用自适应处理方式实现对目标的测频测向，该方法能够同时求出信号的DOA和频率，并且由于联合了空间-频率进行联合处理，与空间波束形成相比从而提高了处理信号增益。此外，该方法能够在不需要预先获得信号准确频率的前提下获得DOA估计，并且在较低信噪比下能够获得比纯空域阵列信号处理好的测向性能。
本发明提供的一种阵列测频测向联合接收机设计方法包括按顺序进行的下列步骤：
1、将接收阵列信号数据截取一段X，排列成N行K列的数据矩阵，其中N为天线数目，K为信号时间快拍数目；
2、设定搜索第一个目标方向
Figure BDA0002458980120000021
根据采样频率设定搜索频率
Figure BDA0002458980120000022
其中目标方向与频率的搜索数目综合考虑测向精度来确定；
3、根据信号矩阵沿空域，时域和空时域的搜索相位差对矩阵X分别作空域、时域和空时域的两阵元(两脉冲)相消滤除,形成相消矩阵XS，XT和XST；
4、设置空域和时域滑动的子孔径分别为Nm和Km，其中对矩阵XS，XT和XST经前向和后向滑动，生成空时样本,总共样本数目为：
L＝2((N-Nm)(K-Km+1)+(N-Nm+1)(K-Km)+(N-Nm)(K-Km))；
5、按照生成的样本，估计空时联合处理协方差矩阵RX；
6、算出空时处理权向量，并对侦收数据进行处理，形成在
Figure BDA0002458980120000023
方向的目标测向结果。若在进行空时自适应处理后获得的信号DOA角度为θ0，则信号真实角度θi与θ0的关系为：
Figure BDA0002458980120000024
fi为信号频率，通过上式可以解算出θi的真实值；
7、设置第二个搜索方向，重复步骤2-6，直到对整个区域完成目标搜索；
8、截取下一段数据，重复2-7整个目标检测过程。
本发明公开了提出了一种阵列测频测向联合接收机设计方法，该接收机在阵列接收体制下，通过空间与时间平滑方式获取短时间内的样本，同时采用自适应处理方式实现对目标的测频测向，该方法能够同时求出信号的DOA和频率，并且由于联合了空间-频率进行联合处理，与空间波束形成相比从提高了处理信号增益。此外，该方法能够在不需要预先获得信号准确频率的前提下获得DOA估计，并且在较低信噪比下能够获得比纯空域阵列信号处理好的测向性能。
附图说明
图1阵列数字化接收机原理图，
图2信号到达方向估计结果，
图3信号两维检测结果，
图4传统纯空域处理。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明提供的阵列测频测向联合接收机设计方法进行详细说明：
1、阵列测频测向原理:
以均匀线性阵列作为接收机天线，各阵元同时采样的信号用矢量x(t)表示，以第一个阵元作为参考点，相邻阵元间距为d，假设一平面波以阵列法向夹角为θ方向传播到阵列上，通常在窄带条件下，若信号为s(t)，则接收的阵列信号可表示为：
Figure BDA0002458980120000031
λ为波长，a(θ)称为阵列导向矢量。若有P个信号分别从角度θ1,θ2…θP方向到达N元阵列上，N>P。则阵列接收的信号可以表示为：
Figure BDA0002458980120000032
N(t)为收机内部白噪声，由上述信号模型容易看到，N个阵元任何t时刻接收的信号矢量X(t)就是用P个信号的瞬时幅度值s1(t)ejωt，s2(t)ejωt,…,sP(t)ejωt
与P个信号导向矢量a(θ1),a(θ2),…,a(θP)
的线性组合；
若信号的频率为fd，采样频率为fs，则某一阵元在时间上的信号可以表示为：
xi(n)＝a(n)exp(j2nπfd/fs)+N(n),n＝1,2,3,...,M (3)
M为时间采样点数，通常由于电磁波在空气中的衰减较小，因而可以近似的将接收的信号在时间上看作是一个平稳的随机过程，采用时域平滑的方式来获取的样本可以近似的认为是满足独立同分布特性。
2、阵列测频测向数字化接收机设计
联合数字化接收的原理如图1所示，图中N个天线排列成均匀线阵，对各个天线接收的数据进行射频变换后经过数字采样，形成两维数据矩阵，将两维数据矩阵进行截取，按照每M个脉冲形成数据段，对每一数据段采用空时联合自适应处理的方法实施测向与测频的同时处理。处理完每一段数据后，将形成的检测结果进行时间融合，从而形成对全部时间内所有数据的信号侦测结果；
由于每一时间片段数据量较少，空时联合处理的基本思想就是在各个天线阵列接收通道的数据在域和时域分别前向，后向平滑来获得若干样本，以此估计信号的协方差矩阵来设计空时二维最优滤波器；
若目标信号的方向对应的空域相位为
Figure BDA0002458980120000041
时域的相位为
Figure BDA0002458980120000042
沿空时域方向的相位差为
Figure BDA0002458980120000043
根据信号矩阵沿空域，时域和空时域的相位差对矩阵X分别作空域、时域和空时域的两阵元(两脉冲)相消滤除信号后，可以得到如下三个矩阵：
Figure BDA0002458980120000044
Figure BDA0002458980120000045
Figure BDA0002458980120000046
XS，XT和XST分别为(N-1)×K维，N×(K-1)维和(N-1)×(K-1)维的数据矩阵。若假设空域和时域滑动的子孔径分别为Nm和Km，则矩阵XS，XT和XST经前向和后向滑动后可以得到的总样本数目为：
L＝2((N-Nm)(K-Km+1)+(N-Nm+1)(K-Km)+(N-Nm)(K-Km)) (7)
将这L个样本作为训练样本，记为Xl m,l＝1,2,...,L,
由这些训练样本估计的杂波协方差矩阵为：
Figure BDA0002458980120000047
式中Vec表示对一个矩阵进行如下操作：将矩阵的第二列放在第一列下面，第三列放在第二列下面，依此类推将矩阵变换成一列矢量自适应权按如下的优化问题提出
Figure BDA0002458980120000048
式中Sm为前Nm和Km个脉冲所构成的指向目标信号的空时联合导向矢量；
需要说明的是，在无源电子侦察，由于不知道信号的频率是多少，因而波长是未知的。常规的纯空域阵列信号处理需要预先获得信号频率，然后在进行信源DOA解算。对于空时自适应处理，由于具有时间维自由度，因而可以预先以某一预先设定的λ0来作为空域导向矢量对应的波长。进行空时两维自适应处理后，在获得信号频率之后通过解算来获取信号的真实DOA角度。
3、实验结果及分析：
仿真实验选取阵列天线数目为16，所测量信号的频段设定为0.6GHz至0.9GHz，选取天线间距为0.17米，预先设定的参考波长为0.37米。按照天线侦察范围为瞬时覆盖90度设计，在90度范围内仿真四个目标，四个目标均为脉冲重叠。四个信号进入天线口面的信噪比均为0dB.目标参数见表1：
表1信号参数列表
序号 信号类型 信号参数
1 单频信号 频率：0.74GHz，方向：30度
2 线性调频信号 频率：0.62GH，带宽：20MHz，方向：50度
3 单频信号 频率：0.83GH，方向：50度
4 单频信号 频率：0.74GH，方向：60度
数字采样频率为2.3GHz,四个信号脉宽为5us，则每个脉宽采样数据为11500，选取每个处理段的快拍数K为128，在快拍数内，可以近似认为目标均为点频信号，对于第二个信号，在128快拍内的带宽变化约为0.2MHz；
实际中选取子孔径Nm＝12,Km＝32,则整个样本数目为：2504，整个空时联合子孔径处理维数为384。则样本数目远大于2倍的系统处理维度。
图2和图3可以看出，经过两维空时联合处理后，整个信号的信噪比提升约为23dB,同时对于同方向不同频的两个信号(信号1，信号4)，同频不同方向(信号2，信号3)均能够实现有效分辨和检测。
从图4中可以看出，直接空域处理无法直接分辨同频信号，同时由于只利用了空间的自由度，在目标的增益提取上要明显小于联合空时处理。传统的阵列天线与后端的数字信道化增益为级联关系，本文方法的信噪比提升比较见表2
表2信号增益对比
序号 本文方法 现有接收机
信号增益 Nm*Km＝384 N+K＝44
可以看出，采用空时联合处理后，能够在天线阵元不变的条件下，提升近10dB的信号检测增益。

Claims (1)

1.一种阵列测频测向联合接收机设计方法，通过空间与时间平滑方式获取短时间内的样本，同时采用自适应处理方式实现对目标的测频测向，其特征在于：包括下列步骤：
(1)将接收阵列信号数据截取一段X排列成N行K列的数据矩阵，其中N为天线数目，K为信号时间快拍数目；
(2)设定搜索第一个目标方向
Figure FDA0002458980110000011
根据采样频率设定搜索频率
Figure FDA0002458980110000012
其中目标方向与频率的搜索数目综合考虑测向精度来确定；
(3)根据信号矩阵沿空域，时域和空时域的搜索相位差对矩阵X分别作空域、时域和空时域的两阵元相消滤除，形成相消矩阵XS，XT和XST；
(4)设置空域和时域滑动的子孔径分别为Nm和Km，其中对矩阵XS，XT和XST经前向和后向滑动，生成空时样本，总共样本数目为：
L＝2((N-Nm)(K-Km+1)+(N-Nm+1)(K-Km)+(N-Nm)(K-Km))；
(5)按照生成的样本，估计空时联合处理协方差矩阵RX；
(6)算出空时处理权向量，并对侦收数据进行处理，形成在
Figure FDA0002458980110000013
方向的目标测向结果。若在进行空时自适应处理后获得的信号DOA角度为θ0，则信号真实角度θi与θ0的关系为：
Figure FDA0002458980110000014
fi为信号频率，通过上式可以解算出θi的真实值；
(7)设置第二个搜索方向，重复步骤(2)-(6)，直到对整个区域完成目标搜索；
(8)截取下一段数据，重复步骤(2)-(7)过程。
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