CN111650553B - 基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统、装置、方法、计算机存储介质和波达信号接收模块，其中信号处理系统包括：阵列天线、电子开关阵列、信号接收机和信号处理装置；阵列天线包括第一天线阵元至第L天线阵元，以及参考天线阵元；信号接收机包括第一接收机和第二接收机，第一接收机与参考天线阵元固定连接；第二接收机通过电子开关阵列与第一天线阵元至第L天线阵元连接；信号处理装置用于基于采样的参考天线阵元接收的波达信号以及分时段依次采样的第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号进行二阶统计量计算，利用计算的二阶统计量构建二阶统计量向量，再基于构建的二阶统计量向量进行波达方向估计得到信源波达角。

Description

基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统和方法

技术领域

本发明涉及阵列信号处理领域，尤其涉及基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统、装置、方法、计算机存储介质和波达信号接收模块。

背景技术

阵列信号处理的一个基本问题是空间信号DOA(Direction Of Arrival，波达方向)估计问题，在雷达、声纳、无线电天文、卫星通信、移动通信、智能交通等领域内有着广泛的应用。在谱估计中，利用阵列天线进行DOA估计的方法主要有谱分析法、最大似然法、熵谱分析法及特征值分解法等。所有算法本质是通过目标信号到达阵列天线阵元之间的时间差或者相位差关系实现的。

在目前的DOA估计算法中，按照接收机系统结构的不同，分为两类。一类基于单接收机系统结构，另一类基于多接收机系统结构。

在基于单接收机的系统结构中，只有一个接收机，其分时与每个阵列天线阵元的输出相连，然后将所有分时得到的输出结果按照天线阵元位置重新排列一并输出，通过DOA算法实现信号到达角的估计。这种系统的优点是硬件成本比较低，其缺点是要求各个分时段发射源信号相同。对于被动信号的定位应用中，由于发射信号不可控，所以单接收机系统结构是没法使用的。另外，此种系统由于单个接收机在各个天线阵元之间来回切换，增加了实时接收、解调、解码实际基带数据帧的难度。

在基于多接收机的系统结构中，又包含两个子类，其中一个子类是阵列天线的阵元与接收机一一对应，接收机需要接收、处理全部阵元输出的数据，因此，接收机的数量与天线阵元数量相等。由于系统接收机的数量等于天线阵元的数量，在天线阵元数量需要比较大的应用场合，接收机的数量也相应增大。这样，一方面，系统成本增大，且接收机的总功耗将显著增大，另一方面，如何保证各个接收机之间的匹配，将是极大的挑战。另外一个子类是接收机的数量比阵列天线阵元数少。这种系统，利用时分复用的接收机结构，阵列天线不是直接与接收机相连，而是通过一个程控交换电子开关矩阵与接收机相连。然后，通过子阵列合成法计算出主阵列等效协方差矩阵。此种系统的优点是，既降低系统复杂度和接收机功耗，又使得天线阵元资源得到充分利用，扩大阵列天线的等效孔径，提高DOA估计的分辨率。其缺点是，所有接收机都与电子开关矩阵连接，参与子阵列合成，这样就不存在一个接收机与一个天线固定连接，继而影响基带数据帧的实时接收。另外，电子开关矩阵也使系统控制结构复杂，且子阵列合成处理反而增大了系统计算量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，一方面，针对现有多接收机系统的硬件成本高或者系统计算量大的缺陷，提出一种不需要计算协方差矩阵的基于二阶统计量的波达信号方向估计方法，另一方面，还能实时接收通信数据帧并进行上层通信协议处理；同时还提供了一种基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统、装置、方法、计算机存储介质和波达信号接收模块。

为了解决上述技术问题，本发明第一方面，提供了一种基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统，包括：阵列天线、电子开关阵列、信号接收机和信号处理装置；

所述阵列天线包括第一天线阵元至第L天线阵元，以及参考天线阵元；

所述信号接收机包括第一接收机和第二接收机，所述第一接收机与所述参考天线阵元固定连接，用于采样参考天线阵元接收的波达信号；所述第二接收机通过电子开关阵列与所述第一天线阵元至第L天线阵元连接，用于分时段依次采样第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号；

所述信号处理装置与所述电子开关阵列和信号接收机连接，用于控制所述电子开关阵列切换实现第二接收机与第一天线阵元至第L天线阵元的分时段连接，并基于采样的参考天线阵元接收的波达信号以及分时段依次采样的第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号进行二阶统计量计算，利用计算的二阶统计量构建二阶统计量向量，再基于构建的二阶统计量向量进行波达方向估计得到信源波达角。

在根据本发明所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统中，优选地，所述信号处理装置包括：

控制单元，用于控制所述电子开关阵列的节点通断状态，实现第二接收机与第一天线阵元至第L天线阵元的分时段连接；

二阶统计量计算单元，用于基于采样的参考天线阵元接收的波达信号以及分时段依次采样的第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号进行二阶统计量计算，并基于计算的二阶统计量构建二阶统计量向量；

空间特征估计单元，用于基于构建的二阶统计量进行波达方向估计得到信源波达角。

在根据本发明所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统中，优选地，所述信号处理装置还包括：上层通信协议处理单元，与所述第一接收机连接，用于通过所述第一接收机接收并处理通信数据帧。

在根据本发明所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统中，优选地，所述信号处理装置还包括：数据存储单元，用于存储计算的二阶统计量。

在根据本发明所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统中，优选地，所述控制单元发送信号依次控制：第一天线阵元至第L天线阵元全部关闭连接，用以采集参考天线阵元的N个快拍输出；依次将第一天线阵元至第L天线阵元分别与第二接收机连接，用以在第m天线阵元与第二接收机连接时：采集第m天线阵元的N个快拍输出，并同步采集第m天线阵元连接时参考天线阵元的N个快拍输出，m＝1,2,…,L。

在根据本发明所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统中，优选地，所述二阶统计量计算单元基于参考天线阵元的自相关二阶统计量，以及第一天线阵元至第L天线阵元分别与参考天线阵元的互相关二阶统计量构建二阶统计量向量。

本发明第二方面，提供了一种基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理装置，所述信号处理装置包括：

控制单元，用于控制电子开关阵列的节点通断状态，实现第二接收机与阵列天线中第一天线阵元至第L天线阵元的分时段连接；

二阶统计量计算单元，用于基于第一接收机采样的参考天线阵元接收的波达信号，以及第二接收机分时段依次采样的第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号进行二阶统计量计算，并基于计算的二阶统计量构建二阶统计量向量；

空间特征估计单元，用于基于构建的二阶统计量向量进行波达方向估计得到信源波达角。

在根据本发明所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理装置中，优选地，所述信号处理装置还包括：上层通信协议处理单元，用于通过所述第一接收机接收并处理通信数据帧。

在根据本发明所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理装置中，优选地，所述控制单元发送信号依次控制电子开关阵列的节点通断状态，使得：第一天线阵元至第L天线阵元全部关闭连接，用以采集参考天线阵元的N个快拍输出；依次将第一天线阵元至第L天线阵元分别与第二接收机连接，用以在第m天线阵元与第二接收机连接时：采集第m天线阵元的N个快拍输出，并同步采集第m天线阵元连接时参考天线阵元的N个快拍输出，m＝1,2,…,L。

在根据本发明所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理装置中，优选地，所述二阶统计量计算单元基于参考天线阵元的自相关二阶统计量，以及第一天线阵元至第L天线阵元分别与参考天线阵元的互相关二阶统计量构建二阶统计量向量。

本发明第三方面，提供了一种基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理方法，包括以下步骤：

第一接收机采样参考天线阵元接收的波达信号；第二接收机与第一天线阵元至第L天线阵元分时段连接，以分时段依次采样第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号；

基于采样的参考天线阵元接收的波达信号以及分时段依次采样的第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号进行二阶统计量计算，并基于计算的二阶统计量构建二阶统计量向量；

基于构建的二阶统计量向量进行波达方向估计得到信源波达角。

在根据本发明所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理方法中，优选地，所述方法还包括：获取与参考天线阵元连接的第一接收机接收的通信数据帧，并进行上层通信协议处理。

在根据本发明所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理方法中，优选地，该方法中依次控制：第一天线阵元至第L天线阵元全部关闭连接，并采集参考天线阵元的N个快拍输出；依次控制第一天线阵元至第L天线阵元分别与第二接收机连接，并在第m天线阵元与第二接收机连接时：采集第m天线阵元的N个快拍输出，并同步采集第m天线阵元连接时参考天线阵元的N个快拍输出，m＝1,2,…,L。

在根据本发明所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理方法中，优选地，所述二阶统计量计算基于参考天线阵元的自相关二阶统计量，以及第一天线阵元至第L天线阵元分别与参考天线阵元的互相关二阶统计量构建二阶统计量向量。

本发明第四方面，提供了另一种基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理装置，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个计算机程序，当所述一个或多个计算机程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如前任一所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理方法。

本发明第五方面，提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前任一所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理方法。

本发明第六方面，提供了一种波达信号接收模块，包括：阵列天线、电子开关阵列和信号接收机；所述阵列天线包括第一天线阵元至第L天线阵元，以及参考天线阵元；所述电子开关阵列具有L个节点；所述信号接收机包括第一接收机和第二接收机，所述第一接收机与所述参考天线阵元固定连接；所述第二接收机通过电子开关阵列与所述第一天线阵元至第L天线阵元连接，其中第一天线阵元至第L天线阵元中每个天线阵元通过电子开关阵列的一个节点连接至第二接收机。

实施本发明的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统、装置、方法、计算机存储介质和波达信号接收模块，具有以下有益效果：本发明采用了时分复用方式，其中一个接收机与参考天线阵元恒定连接，另一接收机则分时连接各个天线阵元，能够实现接收机数量少于阵列天线阵元数量条件下的DOA估计，并且充分利用全部阵列天线资源，使其等效孔径达到最大值，从而实现DOA超分辨率估计。

附图说明

图1为根据本发明优选实施例的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统的原理框图；

图2是根据本发明优选实施例的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统中阵列天线的天线阵元分布示意图；

图3为根据本发明优选实施例的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理方法的流程图；

图4a和图4b分别为根据本发明的单个信源和两个信源的蒙特卡洛仿真结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为根据本发明优选实施例的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统的原理框图。如图1所示，该实施例提供的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统包括：阵列天线100、电子开关阵列200、信号接收机300和信号处理装置400。

其中，阵列天线100包括第一天线阵元至第L天线阵元，以及参考天线阵元。如图1中，阵列天线100包括：参考天线阵元100-0，以及第一天线阵元100-1、第二天线阵元100-2、……、第L天线阵元100-L。也就是说，阵列天线100中一共包含数量为L+1个天线阵元。阵列天线100用于接收来自一个或者多个远场信源的波达信号，各阵元输出的波达信号复振幅具有不同的相位。本发明对阵列天线形式没有限制，既可以是均匀线阵，也可以是不均匀线阵，或者平面分布的阵列。该天线阵元数量可以由实际应用需求决定，如信源个数，角度分辨率，处理速度等。其中L为大于等于1的整数。当L等于1时，则回归到常规的阵元与接收机数量对应的接收机系统。因此，更优选地，L大于1，即阵列天线100至少包括三个天线阵元。

信号接收机300包括第一接收机310和第二接收机320，用于对波达信号进行处理后输出数字基带信号。该信号接收机可以放大或者衰减天线阵元输出的信号幅度，并进行自动增益控制处理，再进行解调、解码将波达信号转换为数字基带信号。其中第一接收机310与参考天线阵元100-0固定连接，用于采样参考天线阵元100-0接收的波达信号。也就是说，第一接收机310直接与阵列天线100的一个阵元恒定连接，第一接收机310在接收使能的时间段内，一直处于连续的接收状态，且不与阵列天线100中其他天线阵元连接。

第二接收机320通过电子开关阵列200与第一天线阵元至第L天线阵元连接，用于分时段依次采样第一天线阵元100-1至第L天线阵元100-L接收的波达信号。

电子开关阵列200中的每个电子开关有连接和断开两个工作状态。在任一个快拍取样时刻，电子开关阵列200在控制逻辑的控制下，使得阵列天线100的第一天线阵元100-1至第L天线阵元100-L中某一个天线阵元与第二接收机320相连。电子开关阵列200包括L个开关节点，用sw表示电子开关阵列，则有：

sw＝[k₁k₂…k_L] (1)

公式(1)阵列中k_i∈{0,1},(1≤i≤L)表示第i个节点连接状态，k_i＝0表示不连接；k_i＝1表示第二接收机与阵列天线100的第i天线阵元100-i相连，则该第i天线阵元100-i输出快拍数据输入到第二接收机320中。在sw中，或者全部k_i均为0，或者有且仅有一个k_i＝1，其他所有k_j＝0，i≠j，1≤i≤L，1≤j≤L。

信号处理装置400与电子开关阵列200和信号接收机300连接，用于控制电子开关阵列200切换实现第二接收机320与第一天线阵元100-1至第L天线阵元100-L的分时段连接，并基于采样的参考天线阵元100-0接收的波达信号以及分时段依次采样的第一天线阵元100-1至第L天线阵元100-L接收的波达信号进行二阶统计量计算，利用计算的二阶统计量构建二阶统计量向量，再基于构建的二阶统计量向量进行波达方向估计得到信源波达角。本发明基于二阶统计量向量进行DOA估计，可以不需要进行子阵列合成。

优选地，信号处理装置400至少包括：控制单元410、二阶统计量计算单元420和空间特征估计单元430。

其中控制单元410与电子开关阵列200连接，用于发送信号控制电子开关阵列200的节点通断状态，实现第一天线阵元100-1至第L天线阵元100-L的分时段连接。

二阶统计量计算单元420，用于基于采样的参考天线阵元100-0接收的波达信号以及分时段依次采样的第一天线阵元100-1至第L天线阵元100-L接收的波达信号进行二阶统计量计算，并基于计算的二阶统计量构建二阶统计量向量。优选地，二阶统计量计算单元420可以基于参考天线阵元的自相关二阶统计量，以及第一天线阵元至第L天线阵元分别与参考天线阵元的互相关二阶统计量构建二阶统计量向量。

空间特征估计单元430，用于基于构建的二阶统计量向量进行波达方向估计得到信源波达角。

本发明采用了时分复用的接收机结构，并且其中一个接收机与参考天线阵元恒定连接，另一接收机则分时选通各个天线阵元，能够实现接收机数量少于阵列天线阵元数量条件下的DOA估计，并且充分利用全部阵列天线资源，使其等效孔径达到最大值，从而实现尽可能高的DOA估计分辨率。

优选地，上述信号处理装置400还包括数据存储单元440，用于存储计算的二阶统计量。该数据存储单元440可以存储二阶统计量的数据运算中间结果和最终结果。控制单元410还用于实现对信号接收机300、数据存储单元440、二阶统计量计算单元420和空间特征估计单元430的控制。

更优选地，该信号处理装置400还包括：上层通信协议处理单元450，与第一接收机310连接，用于通过第一接收机310接收并处理通信数据帧。由于第一接收机310与参考天线单元100-0恒定连接，因此可以在在实现波达信号方向的超分辨率估计的同时，实现对实时通信数据帧的接收和处理。

下面对本发明的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统的原理进行详细说明。

不失一般性，假设阵列天线100为均匀线阵，相邻天线阵元间距

λ为信源发出的波达信号的中心波长；K个信源发出K个波达信号，第k个远场信源信号的复振幅为S_k(n)，第k个远场信源信号的方位角即第k个信源波达角为θ_k，各信源信号间互不相关；N(n)为加性高斯白噪声，均值为0，方差为σ²，各阵元上的噪声之间互不相关，且噪声与信源发出的波达信号之间互不相关。则参考天线阵元以及第m天线阵元在取样时刻n接收到的波达信号复振幅分别为

k＝1,2,…,K；m＝1,2,…,L。

y₀(n)为参考天线阵元100-0的第n个快拍输出。N₀(n)为参考天线阵元100-0的第n个快拍噪声输出。n＝1,2,…,N。N为采样次数。y_m(n)为第m天线阵元的第n个快拍输出，N_m(n)为第m天线阵元的第n个快拍噪声输出。全部L+1个阵元在取样时刻n输出的波达信号复振幅矢量为：

Y(n)^T＝[y₀(n),y₁(n),…,y_L(n)]+[N₀(n),N₁(n),…,N_L(n)] (4)

Y(n)^T对应于阵列天线在取样时刻n的输出快拍。

在本发明中阵列天线的参考天线阵元100-0是其他天线阵元如第一天线阵元100-1、第二天线阵元100-2、…、第L天线阵元100-L的参考天线。其分布如图2所示，其中θ为信源波达角。

定义方向矢量：

其中，θ_k为第k个信源波达角，d为相邻天线阵元间距，λ为信源发出的波达信号的中心波长。

定义方向矩阵：

令

N(n)＝[N₀(n),N₁(n),…,N_L(n)]^T

S(n)＝[S₀(n),S₁(n),…,S_K(n)]^T

Y(n)＝[y₀(n),y₁(n),…,y_L(n)]^T

则

Y(n)＝A(θ)S(n)+N(n) (6)

很显然，当波长和阵列天线的几何结构确定时，第k个信源的方向矢量a(θ_k)只与第k个信源波达角θ_k相关。

在本发明的系统中，快拍数据是在有限时间内获得，假定这段时间内，信源信号方向不发生变化，虽然空间信源信号的包络随时间变化，但通常认为它是一个平稳随机过程，其统计特性不随时间变化，假定阵列天线输出的二阶统计量，即天线阵元的二阶统计量向量YY为：

YY＝E{[y₀(n)][Y(n)]^H} (7)

将公式(6)代入公式(7)，可得：

当本发明满足以下条件：N(n)为加性高斯白噪声，均值为0，方差为σ²，则：

E{N(n)}＝0

E{N₀(n)N(n)^H}＝σ²[1,0₁,…,0_L]

E{N₀(n)[A(θ)S(n)]^H}＝[0₀，……，0_L+1]

由此可得：

可见，二阶统计量向量YY中包含全部的目标对象的角度信息。

因此，本发明可以通过计算二阶统计量向量来进行波达方向估计得到信源波达角。本发明的阵列天线由于有一个接收机固定在一个天线阵元上，因此不能按照常规方式分时计算出所有阵列天线阵元输出之间的快拍的二阶统计量。为此，本发明公开一种时分复用的方式计算DOA估计所需要的二阶统计量。

本发明的阵列天线的参考天线阵元100-0是所有其他天线阵元的参考天线阵元，控制单元410在一个周期内发送信号控制电子开关阵列200的控制逻辑，具体工作过程如下：

(1)第一天线阵元100-1至第L天线阵元100-L全部关闭连接，用以采集参考天线阵元100-0的N个快拍输出，例如第1个至第N个快拍输出y₀(1)，y₀(2)…，y₀(N)，N为采样次数。即在前N个快拍取样时刻，电子开关阵列200关闭所有节点，即k₁＝k₂＝…＝k_L＝0。此时参考天线阵元100-0的自相关二阶统计量：

式中y₀(n)为参考天线阵元100-0的第n个快拍输出。

(2)依次将第一天线阵元至第L天线阵元分别与第二接收机连接，用以在第m天线阵元与第二接收机连接时：采集第m天线阵元N个快拍输出，并同步采集第m天线阵元连接时参考天线阵元的N个快拍输出；m＝1,2,…,L。也就是说，在第二阶段，总有两个天线阵元与两个接收机分别相连。也即，在每个快拍取样时刻，总能接收到两个阵元输出的快拍数据。

具体地，在(N+1)至2*N拍快拍取样时刻，电子开关阵列k₁＝1，其他k_j＝0，j＝2,3,…,L,即，第一天线阵元100-1与第二接收机320相连，此时第一天线阵元100-1与参考天线阵元100-0的互相关二阶统计量：

式中y₀(n)为参考天线阵元100-0的第n个快拍输出，y₁(n)为第一天线阵元100-1的第n个快拍输出。

在(2*N+1)至3*N拍快拍取样时刻，电子开关阵列k₂＝1，其他k_j＝0，j＝1,3,…,L,即，第二天线阵元100-2与第二接收机320相连，此时第二天线阵元100-2与参考天线阵元100-0的互相关二阶统计量：

式中y₀(n)为参考天线阵元100-0的第n个快拍输出，y₂(n)为第二天线阵元100-2的第n个快拍输出。

依此类推，在(L*N+1)至((L+1)*N)拍快拍取样时刻，电子开关阵列k_L＝1，其他k_j＝0，j＝1,2,…,L-1,即，最后第L天线阵元100-L与第二接收机320相连，此时第L天线阵元100-L与参考天线阵元100-0的互相关二阶统计量：

y₀(n)为参考天线阵元100-0的第n个快拍输出，y_L(n)为第L天线阵元100-L的第n个快拍输出。

相应地，上述二阶统计量计算单元420可以通过以下方式构建二阶统计量向量：

1)计算天线阵元的二阶统计量：

其中

为参考天线阵元的自相关二阶统计量，y₀(n)为参考天线阵元的第n个快拍输出；/>

为第m天线阵元与参考天线阵元的互相关二阶统计量，m＝1,2,…,L，y_m(n)为第m天线阵元的第n个快拍输出。

2)构建天线阵元的二阶统计量向量：

其中，

为参考天线阵元的自相关二阶统计量，/>

分别为第一天线阵元至第L天线阵元与参考天线阵元的互相关二阶统计量。

空间特征估计单元430在获得天线阵元的二阶统计量向量YY后就可以基于公式(8)和(5)计算信源波达角。由于二阶统计量向量YY中包含全部的目标对象的角度信息。可以采用多种谱估计方法实现对目标对象的角度信息估计，如直接对二阶统计量向量YY采用FFT的直接谱估计法，也可以通过二阶统计量向量YY采用基于Toeplitz(托普利兹)重构协方差矩阵后采用经典的capon或music的算法实现对目标对象的角度信息估计。以下采用基于FFT的直接谱估计法算法说明。

虽然上述实施例中第二接收机的数量为一个，但并不构成对本发明中接收机数量的限制，该信号接收机中可以包括一个或者以上的第二接收机，共同实现对于第一天线阵元至第L天线阵元的分时段采样功能。该第二接收机的数量优选小于第一天线阵元至第L天线阵元的数量。

本发明还相应提供了一种基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理装置，即上述信号处理装置400。该信号处理装置400至少包括：控制单元410、二阶统计量计算单元420和空间特征估计单元430。

其中控制单元410用于发送信号控制电子开关阵列200的节点通断状态，实现第一天线阵元100-1至第L天线阵元100-L的分时段连接。同时控制单元410发送控制信号给信号接收机300的第一接收机310和第二接收机320，实现信号采样。

二阶统计量计算单元420，用于基于采样的参考天线阵元100-0接收的波达信号以及分时段依次采样的第一天线阵元100-1至第L天线阵元100-L接收的波达信号进行二阶统计量计算，并利用计算的二阶统计量构建二阶统计量向量。

空间特征估计单元430，用于基于构建的二阶统计量向量进行波达方向估计得到信源波达角。

优选地，上述信号处理装置400还包括数据存储单元440，用于存储计算的二阶统计量。控制单元410还用于实现对数据存储单元440、二阶统计量计算单元420和空间特征估计单元430的控制。

该基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理装置中各个模块的功能已经在前述系统实施例中进行了详细阐述，在此不再赘述。

本发明还相应提供了一种波达信号接收模块，其包括前述信号处理系统中的阵列天线100、电子开关阵列200和信号接收机300。其中阵列天线100包括第一天线阵元100-1至第L天线阵元100-L，以及参考天线阵元100-0。电子开关阵列200具有L个节点。信号接收机300包括第一接收机310和第二接收机320。其中第一接收机310与参考天线阵元100-0固定连接。第二接收机320通过电子开关阵列200与第一天线阵元100-1至第L天线阵元100-L连接，其中第一天线阵元100-1至第L天线阵元100-L中每个天线阵元通过电子开关阵列的一个节点连接至第二接收机320。

请参阅图3，为根据本发明优选实施例的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理方法的流程图。本发明的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理方法可以基于前述基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统实现。如图3所示，该实施例包括的信号处理方法包括：

步骤S1、第一接收机采样参考天线阵元接收的波达信号；第二接收机与第一天线阵元至第L天线阵元分时段连接，以分时段依次采样第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号。

步骤S2、基于采样的参考天线阵元接收的波达信号以及分时段依次采样的第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号进行二阶统计量计算，并利用计算的二阶统计量构建二阶统计量向量。优选地，该步骤中基于参考天线阵元的自相关二阶统计量，以及第一天线阵元至第L天线阵元分别与参考天线阵元的互相关二阶统计量构建二阶统计量向量。

步骤S3、基于构建的二阶统计量向量进行波达方向估计得到信源波达角。

优选地，上述步骤S1进一步包括以下过程：

(1)控制第一天线阵元至第L天线阵元全部关闭连接，并采集参考天线阵元的N个快拍输出。

(2)依次控制第一天线阵元至第L天线阵元分别与第二接收机连接，并在第m天线阵元与第二接收机连接时：采集第m天线阵元的N个快拍输出，并同步采集第m天线阵元连接时参考天线阵元的N个快拍输出，m＝1,2,…,L。

优选地，上述步骤S2通过以下步骤构建二阶统计量向量：

1)计算天线阵元的二阶统计量：

其中

为参考天线阵元的自相关二阶统计量，y₀(n)为参考天线阵元的第n个快拍输出；/>

为第m天线阵元与参考天线阵元的互相关二阶统计量，m＝1,2,…,L，y_m(n)为第m天线阵元的第n个快拍输出；

2)构建天线阵元的二阶统计量向量：

其中，

为参考天线阵元的自相关二阶统计量，/>

分别为第一天线阵元至第L天线阵元与参考天线阵元的互相关二阶统计量。

优选地，该方法还包括：获取与参考天线阵元连接的第一接收机接收的通信数据帧，并进行上层通信协议处理。

作为另一方面，本发明还提供了另一种基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理装置，该信号处理装置可包括：一个或多个处理器；以及，存储装置，用于存储一个或多个计算机程序；当所述一个或多个计算机程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明实施例的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理方法。

作为再一方面，本发明还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的信号处理装置中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个计算机程序，当上述一个或者多个计算机程序被一个该设备执行时，使得该设备执行上述基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理方法的流程。

本发明对上述基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统进行了仿真，其仿真结果如图4a和图4b所示。其中L＝15,即阵列天线100中包括16个天线阵元，将参考天线阵元常与第一接收机310相连，其它天线阵元则通过电子开关阵列200与第二接收机320相连，该阵列天线100为均匀线阵，即d＝λ/2。图4a为采用单个信源信号的500次蒙特卡洛仿真结果，该单个信源的信源波达角为40度。图4b为采用两个信源信号的500次蒙特卡洛仿真结果，两个信源的信源波达角分别为42度和-21度。如图4a和4b可以看到中可以看到，信源波达角估计结果准确性很高。

综上所述，本发明仅仅使用两个接收机可以接收任意数量的天线阵元的输出快拍数据，降低接收链路之间实现匹配的难度。本发明采用时分复用接收机的工作方式，一方面，提高了接收机的利用率，减少了接收机的数量，使系统的总功耗得到控制。另一方面，由于有一个接收机恒与一个天线阵元相连，满足了正常通信数据帧的接收要求，方便后级模块进行解调、解码及上层通信协议的处理。尤其是与常规的接收机在不同的阵列天线阵元间，来回切换的工作模式相比，这种常接收，非切换的工作模式，具有天然的能正确接收通信数据帧的优势。该工作模式避免了一些常规切换的工作模式可能导致的各种接收机可能遇到的接收信号不连续或者失真的问题。并且所有阵列天线的阵元都与接收机连接，使阵元资源得到充分利用，因而能够扩大阵列天线的等效孔径，提高DOA估计的分辨率。本发明的系统结构简单，计算复杂度低，成本低，易于工程实现，可应用在多个场合，包括雷达、卫星通信、多输入多输出(MIMO)移动通信、智能交通通信、地震信号检测、地下资源勘探，射电天文、声纳等系统。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统，其特征在于，包括：阵列天线、电子开关阵列、信号接收机和信号处理装置；

所述阵列天线包括第一天线阵元至第L天线阵元，以及参考天线阵元；

所述信号接收机包括第一接收机和第二接收机，所述第一接收机与所述参考天线阵元固定连接，用于采样参考天线阵元接收的波达信号；所述第二接收机通过电子开关阵列与所述第一天线阵元至第L天线阵元连接，用于分时段依次采样第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号；

所述信号处理装置与所述电子开关阵列和信号接收机连接，用于控制所述电子开关阵列切换实现第二接收机与第一天线阵元至第L天线阵元的分时段连接，并基于采样的参考天线阵元接收的波达信号以及分时段依次采样的第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号进行二阶统计量计算，利用计算的二阶统计量构建二阶统计量向量，再基于构建的二阶统计量向量进行波达方向估计得到信源波达角；

所述信号处理装置包括：

控制单元，用于控制所述电子开关阵列的节点通断状态，实现第二接收机与第一天线阵元至第L天线阵元的分时段连接；

二阶统计量计算单元，用于基于采样的参考天线阵元接收的波达信号以及分时段依次采样的第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号进行二阶统计量计算，并基于计算的二阶统计量构建二阶统计量向量；

空间特征估计单元，用于基于构建的二阶统计量向量进行波达方向估计得到信源波达角；

所述信号处理装置还包括：

上层通信协议处理单元，与所述第一接收机连接，用于通过所述第一接收机接收并处理通信数据帧；

所述控制单元发送信号依次控制：

第一天线阵元至第L天线阵元全部关闭连接，用以采集参考天线阵元的N个快拍输出；

依次将第一天线阵元至第L天线阵元分别与第二接收机连接，用以在第m天线阵元与第二接收机连接时：采集第m天线阵元的N个快拍输出，并同步采集第m天线阵元连接时参考天线阵元的N个快拍输出，m＝1,2,…,L；

所述二阶统计量计算单元基于参考天线阵元的自相关二阶统计量，以及第一天线阵元至第L天线阵元分别与参考天线阵元的互相关二阶统计量构建二阶统计量向量；

所述二阶统计量计算单元通过以下方式构建二阶统计量向量：

1)计算天线阵元的二阶统计量：

其中

为参考天线阵元的自相关二阶统计量，y₀(n)为参考天线阵元的第n个快拍输出；/>

为第m天线阵元与参考天线阵元的互相关二阶统计量，m＝1,2,…,L，y_m(n)为第m天线阵元的第n个快拍输出；

2)构建天线阵元的二阶统计量向量：

其中，

为参考天线阵元的自相关二阶统计量，/>

分别为第一天线阵元至第L天线阵元与参考天线阵元的互相关二阶统计量。

2.根据权利要求1所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统，其特征在于，所述信号处理装置还包括：

数据存储单元，用于存储计算的二阶统计量。

3.一种基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理装置，其特征在于，所述信号处理装置包括：

控制单元，用于控制电子开关阵列的节点通断状态，实现第二接收机与阵列天线中第一天线阵元至第L天线阵元的分时段连接；

二阶统计量计算单元，用于基于第一接收机采样的参考天线阵元接收的波达信号，以及第二接收机分时段依次采样的第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号进行二阶统计量计算，并基于计算的二阶统计量构建二阶统计量向量；

空间特征估计单元，用于基于构建的二阶统计量向量进行波达方向估计得到信源波达角；

所述信号处理装置还包括：

上层通信协议处理单元，用于通过所述第一接收机接收并处理通信数据帧；

所述控制单元发送信号依次控制电子开关阵列的节点通断状态，使得：

第一天线阵元至第L天线阵元全部关闭连接，用以采集参考天线阵元的N个快拍输出；

依次将第一天线阵元至第L天线阵元分别与第二接收机连接，用以在第m天线阵元与第二接收机连接时：采集第m天线阵元的N个快拍输出，并同步采集第m天线阵元连接时参考天线阵元的N个快拍输出，m＝1,2,…,L；

所述二阶统计量计算单元基于参考天线阵元的自相关二阶统计量，以及第一天线阵元至第L天线阵元分别与参考天线阵元的互相关二阶统计量构建二阶统计量向量；

所述二阶统计量计算单元通过以下方式构建二阶统计量向量：

1)计算天线阵元的二阶统计量：

其中

为参考天线阵元的自相关二阶统计量，y₀(n)为参考天线阵元的第n个快拍输出；/>

为第m天线阵元与参考天线阵元的互相关二阶统计量，m＝1,2,…,L，y_m(n)为第m天线阵元的第n个快拍输出；

2)构建天线阵元的二阶统计量向量：

其中，

为参考天线阵元的自相关二阶统计量，/>

分别为第一天线阵元至第L天线阵元与参考天线阵元的互相关二阶统计量。

4.一种基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理方法，其特征在于，包括：

第一接收机采样参考天线阵元接收的波达信号；第二接收机与第一天线阵元至第L天线阵元分时段连接，以分时段依次采样第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号；

基于采样的参考天线阵元接收的波达信号以及分时段依次采样的第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号进行二阶统计量计算，并基于计算的二阶统计量构建二阶统计量向量；

基于构建的二阶统计量向量进行波达方向估计得到信源波达角；

所述方法还包括：

获取与参考天线阵元连接的第一接收机接收的通信数据帧，并进行上层通信协议处理；

所述方法中依次控制：

第一天线阵元至第L天线阵元全部关闭连接，并采集参考天线阵元的N个快拍输出；

依次控制第一天线阵元至第L天线阵元分别与第二接收机连接，并在第m天线阵元与第二接收机连接时：采集第m天线阵元的N个快拍输出，并同步采集第m天线阵元连接时参考天线阵元的N个快拍输出，m＝1,2,…,L；

所述二阶统计量计算单元基于参考天线阵元的自相关二阶统计量，以及第一天线阵元至第L天线阵元分别与参考天线阵元的互相关二阶统计量构建二阶统计量向量；

所述二阶统计量计算包括：

1)计算天线阵元的二阶统计量：

其中

为参考天线阵元的自相关二阶统计量，y₀(n)为参考天线阵元的第n个快拍输出；/>

为第m天线阵元与参考天线阵元的互相关二阶统计量，m＝1,2,…,L，y_m(n)为第m天线阵元的第n个快拍输出；

2)构建天线阵元的二阶统计量向量：

其中，

为参考天线阵元的自相关二阶统计量，/>

分别为第一天线阵元至第L天线阵元与参考天线阵元的互相关二阶统计量。

5.一种基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理装置，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个计算机程序，

当所述一个或多个计算机程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求4所述的方法。

6.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求4所述的方法。

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