CN111948603B - 三维近场源信号高精度定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种三维近场源信号高精度定位方法，先以信号源为远场源，通过建立代价函数得出近场源和远场源方位角的关系，然后利用MUSIC算法估计远场源的方位角，从而得到近场源的方位角估计结果；然后根据俯仰角、距离和相位差的关系，选取阵元间距离小于λ/2的两组阵元的短基线相位差，粗略估计俯仰角和距离；最后选取阵元间距离大于λ/2的两组阵元的长基线相位差，通过计算模糊度进一步提高估计精度，得到俯仰角和距离的精确估计结果。将传统的三维搜索降到二维，减小计算的复杂度的同时提高实时性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种无线通信领域的技术，具体是一种基于MUSIC算法和相位干涉仪的三维近场源信号高精度定位方法。
背景技术
信源定位在移动通信、雷达、声纳和电子侦察等领域有广泛应用。根据信源与信号接收阵列距离的远近，将信源定位分为远场波达方向估计和近场源定位。现有解决近场源定位问题的技术包括三维MUSIC方法估计近场源的方位角、仰角和距离，该方法通过多维搜索的方式估计参数，计算量非常大；还有利用阵列结构特点和四阶累积量的性质，将近场源参数估计问题转化为远场问题，提出近场ESPRIT方法，高阶累积量具有计算量大的缺点。另外还有通过最大似然法估计近场源的二维或三维参数，虽然具有估计精度较高的优点，但是算法复杂。
发明内容
本发明针对现有技术对近场源信号估计精度不高以及计算量大以及干涉仪测向算法中常见的相位模糊问题，提出一种三维近场源信号高精度定位方法，将传统的三维搜索降到二维，减小计算的复杂度的同时提高实时性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种三维近场源信号高精度定位方法，先以信号源为远场源，通过建立代价函数得出近场源和远场源的方位角的关系，然后利用MUSIC算法估计远场源的方位角，从而得到近场源的方位角估计结果；然后根据俯仰角、距离和相位差的关系，选取阵元间距离小于λ/2的两组阵元的短基线相位差，粗略估计俯仰角和距离；最后选取阵元间距离大于λ/2的两组阵元的长基线相位差，通过计算模糊数进一步提高估计精度，得到俯仰角和距离的精确估计结果。
所述的阵元，采用16阵元的均匀圆形阵(UCA)，由逆时针方向阵元编号依次为0-15，中心参考阵元指向阵元0是x轴方向，中心参考阵元指向阵元4是y轴方向，中心参考阵元指向垂直于x0y平面的正上方是z轴方向。
本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：用于接收来自近场辐射源的信号的16阵元均匀圆阵、用于对接收到的信号进行采样的信号采样单元、用于测定阵元间的相位差的鉴相器单元和用于根据以上的信号和相位差来测定信源的方位角、俯仰角和距离的处理器单元。
技术效果
本发明整体解决现有技术对信源进行定位时多只适用于远场信号源，当目标处于近场域时，方法不再适用；适用于三维近场信号源定位的方法中，多基于三维空间的谱峰搜索或者高阶累积量，算法复杂，实际应用中实时性差。
本发明基于MUSIC算法和干涉仪系统的联合算法，从信源的三维参数估计结果和定位结果上来看，相对于传统的三维MUSIC算法，估计精度高；从算法复杂度上看，本方法只需要二维的谱峰搜索和一些代数运算，相比于需要三维谱峰搜索的方法简单，运算耗时少。
附图说明
图1为实施例阵列结构图；
图2为实施例流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种三维近场源信号高精度定位方法，包括以下步骤：
步骤A，估计方位角：以信号源为远场源，得到有关近场信号源与远场信号源的关系式，通过MUSIC算法估计出远场信号源的方位角，从而得到待估计近场信号源的方位角θ，具体包括如下步骤：
步骤A-1，以信号源为远场信号源；
步骤A-2，信号源到达第k个阵元与到达中心参考阵元的时间差为：
其中：c0为光速，R为UCA的半径，/>和/>为在远场源假设情况下的入射角，M为阵元个数，此处为16，k是阵元编号，取值范围是0-15。
步骤A-3，建立代价函数：
其中c0为光速；R为UCA的半径；/>和/>为在远场源以情况下的入射角；M为阵元个数，此处为16；k是阵元编号，取值范围是0-15；r是实际近场源与参考阵元间的距离，θ为近场源的方位角，/>为近场源的俯仰角；/>为近场源与第k个阵元间的距离。
步骤A-4，远场源信号的入射角估计结果使步骤A-3中的代价函数最小，由此推导出近场源的实际方位角和远场源的方位角的关系为
步骤A-5，构建信号模型：由于本实施例采用的阵列为16阵元的UCA，信噪比为5dB，快拍数N为256，信号频率f为3500Mhz，数目为1个，相邻阵元的距离为三分之一个波长，故第k个阵元的导向矢量为：其中：/>分别为信号源相对于中心参考阵元的距离、方位角和俯仰角，即待估计的三个参数，rk为信号源到第k个阵元的距离/>信号模型生成为X1＝awgn(X，snr，′measured′)，其中：X＝A*S，A为导向矢量矩阵，S为噪声矩阵，snr为信噪比，’Measured’为将噪声以snr的信噪比加到信号中。
步骤A-6，计算X1的协方差矩阵：Rxx＝X1*X1T/N，其中：X1为含噪声的信号；N是采样数，然后对协方差矩阵作特征值分解，按照特征值排序，取M-1个较小的特征值对应的特征向量作为噪声子空间EN；
步骤A-7，计算空间谱函数：其中：/>是远场源的方位角和俯仰角，/>为信号子空间的导向矢量，EN为噪声空间。
步骤A-8，搜索空间谱函数的谱峰，得到远场信号源的方位角，以此作为待估计近场信号源方位角θ的估计结果
步骤B，估计粗略俯仰角和距离：选用阵列中阵元间距离小于λ/2的两组阵元，即阵元0和1、0和15两组作为短基线，利用鉴相器得到两组真实相位差，由近场源到不同阵元的距离差推导出俯仰角、距离两个待估计参数与不同阵元相位差之间的关系，进而解出俯仰角和距离r的粗略估计结果，具体包括如下步骤：
步骤B-1，相邻阵元间的距离为λ/3，采用阵元0和1、15和0作为两组短基线，用鉴相器得到这两组短基线的相位差分别为φ1和φ2。由于阵元间距离小于λ/2，所以测量得到的相位差没有相位模糊。
步骤B-2，由信号源到第k个阵元的距离rk得到信号源到阵元0、1和15的距离分别为：
其中：r为近场源与中心参考阵元的距离，R为阵列的半径，/>为近场源的俯仰角，/>为步骤A中近场信号源方位角θ的估计结果。
步骤B-3，阵元0和阵元1、阵元15和阵元0之间的相位差分别为：
其中：f为信号频率；r0,r1,r15为近场源与阵元0、1、15的距离；c0为光速。
步骤B-4，由φ1'＝φ1，φ2'＝φ2，得到r和的估计结果。但由于干涉仪方法中，基线长度越短，测角精度越低，所以目前r和/>只是一个粗略的估计结果。
步骤C，估计精确俯仰角和距离：选用阵列中阵元间距离大于λ/2的两组阵元，即阵元0和8、0和7两组作为长基线，利用鉴相器得到两组相位差，通过解模糊度k的范围，遍历所有k的可能取值，选取和短基线估计值最相近的估计结果作为最终的俯仰角和距离估计结果，具体包括如下步骤：
步骤C-1，采用阵元0和8、0和7作为两组长基线，用鉴相器得到这两组长基线的相位差分别为φ3和φ4。由于阵元间距离大于λ/2，所以测量得到的相位差和实际相位差存在2kπ(k∈N)的差值，k代表模糊度。
步骤C-2，信号源到第k个阵元的距离rk由菲涅尔近似简化为：
其中：/>
R是均匀圆阵的半径；r是近场源与中心参考阵元的距离。
步骤C-3，与步骤B-2和B-3类似，得到阵元0和阵元8、阵元7和阵元0之间的实际相位差分别为φ3'-2k1π∈[-π,π]，φ4'-2k2π∈[-π,π]，其中：k1和k2分别为两组长基线的模糊度，k1和k2不一定相等。
步骤C-4，基于上述步骤推导出两个模糊度的取值范围为：
其中：R为均匀圆阵的半径；r为近场源与中心参考阵元的距离；λ为信号波长；k1,k2为模糊数。
步骤C-5，由于近场源信号的距离其中：D为阵列尺寸，即均匀圆阵的直径；λ为信号波长，从而求出k1和k2的取值范围。
步骤C-6，遍历k1和k2的所有值，得到多组长基线的相位差，重复步骤B，得到多组和r的估计结果，选取和步骤B中的估计结果最接近的那组作为/>和r的精确估计结果。
本实施例中的计算公式不考虑非视距传播的影响和干扰。
如图1所示，本实施例具体阵列采用16阵元的均匀圆形阵(UCA)，由逆时针方向阵元编号依次为0-15，中心参考阵元指向阵元0是x轴方向，中心参考阵元指向阵元4是y轴方向，中心参考阵元指向垂直于x0y平面的正上方是z轴方向。信号频率选取3500MHz，波长为0.0857m，相邻阵元间距选为三分之一波长，约为0.0286m，圆阵的半径R为0.0733m，阵列孔径D为0.1466m，信噪比为5dB，快拍数为256。
方位角的取值范围为[0°，360°]，俯仰角的取值范围为[0°，90°]。近场源处在菲涅尔域中，根据菲涅尔域的范围求得距离的范围约为[0.12m，0.5m]。相邻阵元间的距离为λ/3，选取阵元0和1、0和15作为两组短基线。不相邻阵元间距离大于λ/2，选取阵元0和8、0和7作为两组长基线。
选取多组方位角、俯仰角和距离的不同组合，分别得到步骤B用短基线组合估计的结果和步骤C用长基线组合估计的最终结果，并与传统的3-D MUSIC算法的估计结果比较。对比结果如下表所示：。
由上述表格中的结果看到，所提出的算法在步骤B结束后已经能达到精度高于传统3D-MUSIC方法的估计结果和定位结果，经过步骤C后最终结果的精度达到进一步提升。除此以外，所提出算法不需要进行空间谱的三维搜索，而仅需要二维搜索，在一定程度上减小计算复杂度，提高实时性。
综上，与现有技术相比，本方法从信源的三维参数估计结果和定位结果上来看，相对于传统的三维MUSIC算法，估计精度高，并且长基线方法比短基线方法的性能得到进一步提升；从算法复杂度上看，本方法只需要二维的谱峰搜索和一些代数运算，相比于需要三维谱峰搜索的方法简单，运算耗时少。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (5)
1.一种三维近场源信号高精度定位方法，其特征在于，以信号源为远场源，通过建立代价函数得出近场源和远场源方位角的关系，然后利用MUSIC算法估计远场源的方位角，从而得到近场源的方位角估计结果；然后根据俯仰角、距离和相位差的关系，选取阵元间距离小于λ/2的两组阵元的短基线相位差，粗略估计俯仰角和距离；最后选取阵元间距离大于λ/2的两组阵元的长基线相位差，通过计算模糊度进一步提高估计精度，得到俯仰角和距离的精确估计结果；
所述的阵元，采用16阵元的均匀圆形阵，由逆时针方向阵元编号依次为0-15，中心参考阵元指向阵元0是x轴方向，中心参考阵元指向阵元4是y轴方向，中心参考阵元指向垂直于x0y平面的正上方是z轴方向；
所述的定位方法具体包括：
步骤A、估计方位角：以信号源为远场源，得到有关近场信号源与远场信号源的关系式，通过MUSIC算法估计出远场信号源的方位角，从而得到待估计近场信号源的方位角θ；
步骤B、估计粗略俯仰角和距离：选用阵列中阵元间距离小于λ/2的两组阵元，即阵元0和1、0和15两组作为短基线，利用鉴相器得到两组真实相位差，由近场源到不同阵元的距离差推导出俯仰角、距离两个待估计参数与不同阵元相位差之间的关系，进而解出俯仰角和距离r的粗略估计结果；
步骤C、估计精确俯仰角和距离：选用阵列中阵元间距离大于λ/2的两组阵元，即阵元0和8、0和7两组作为长基线，利用鉴相器得到两组相位差，通过解模糊度k的范围，遍历所有k的可能取值，选取和短基线估计值最相近的估计结果作为最终的俯仰角和距离估计结果。
2.根据权利要求1所述的三维近场源信号高精度定位方法，其特征是，所述的步骤A，具体包括：
步骤A-1，以信号源为远场信号源；
步骤A-2，信号源到达第k个阵元与到达中心参考阵元的时间差为：
其中：c0为光速，R为UCA的半径，/>和/>为在远场源假设情况下的入射角，M为阵元个数，k是阵元编号；
步骤A-3，建立代价函数：
其中c0为光速；R为UCA的半径；/>和/>为在远场源假设情况下的入射角；M为阵元个数，此处为16；k是阵元编号，取值范围是0-15；r是实际近场源与参考阵元间的距离，θ为近场源的方位角，为近场源的俯仰角；/>为近场源与第k个阵元间的距离；
步骤A-4，远场源信号的入射角估计结果使步骤A-3中的代价函数最小，由此推导出近场源的实际方位角和远场源的方位角的关系为
步骤A-5，构建信号模型：由于采用的阵列为16阵元的UCA，信噪比为5dB，快拍数N为256，信号频率f为3500Mhz，数目为1个，相邻阵元的距离为三分之一个波长，故第k个阵元的导向矢量为：其中：r，θ，/>分别为信号源相对于中心参考阵元的距离、方位角和俯仰角，即待估计的三个参数，rk为信号源到第k个阵元的距离/>信号模型生成为X1＝awgn(X，snr，′measured′)，其中：X＝A*S，A为导向矢量矩阵，S为噪声矩阵，snr为信噪比，’Measured’为将噪声以snr的信噪比加到信号中；
步骤A-6，计算X1的协方差矩阵：Rxx＝X1*X1T/N，其中：X1为含噪声的信号；N是采样数，然后对协方差矩阵作特征值分解，按照特征值排序，取M-1个较小的特征值对应的特征向量作为噪声子空间EN；
步骤A-7，计算空间谱函数：其中：/>是远场源的方位角和俯仰角，/>为信号子空间的导向矢量，EN为噪声空间；
步骤A-8，搜索空间谱函数的谱峰，得到远场信号源的方位角，以此作为待估计近场信号源方位角θ的估计结果
3.根据权利要求1所述的三维近场源信号高精度定位方法，其特征是，所述的步骤B，具体包括：
步骤B-1，相邻阵元间的距离为λ/3，采用阵元0和1、15和0作为两组短基线，用鉴相器得到这两组短基线的相位差分别为φ1和φ2；由于阵元间距离小于λ/2，所以测量得到的相位差不存在相位模糊；
步骤B-2，由信号源到第k个阵元的距离rk得到信号源到阵元0、1和15的距离分别为： 其中：r为近场源与中心参考阵元的距离，R为阵列的半径，/>为近场源的俯仰角，/>为步骤A中近场信号源方位角θ的估计结果；
步骤B-3，阵元0和阵元1、阵元15和阵元0之间的相位差分别为：
其中：f为信号频率；r0,r1,r15为近场源与阵元0、1、15的距离；c0为光速；
步骤B-4，由φ1'＝φ1，φ2'＝φ2，得到r和的估计结果；但由于干涉仪方法中，基线长度越短，测角精度越低，所以目前r和/>只是一个粗略的估计结果。
4.根据权利要求3所述的三维近场源信号高精度定位方法，其特征是，所述的步骤C，具体包括：
步骤C-1，采用阵元0和8、7和0作为两组长基线，用鉴相器得到这两组长基线的相位差分别为φ3和φ4；由于阵元间距离大于λ/2，所以测量得到的相位差和实际相位差存在2kπ的差值，k代表模糊度，k∈N；
步骤C-2，信号源到第k个阵元的距离rk由菲涅尔近似简化为：
其中：/>R是均匀圆阵的半径；r是近场源与中心参考阵元的距离；
步骤C-3，与步骤B-2和B-3类似，得到阵元0和阵元8、阵元7和阵元0之间的实际相位差分别为φ3'-2k1π∈[-π,π]，φ4'-2k2π∈[-π,π]，其中：k1和k2分别为两组长基线的模糊度，k1和k2不一定相等；
步骤C-4，基于上述步骤推导出两个模糊度的取值范围为：
其中：R为均匀圆阵的半径；r为近场源与中心参考阵元的距离；λ为信号波长；k1,k2为模糊数；
步骤C-5，由于近场源信号的距离其中：D为阵列尺寸，即均匀圆阵的半径；λ为信号波长，从而求出k1和k2的取值范围；
步骤C-6，遍历k1和k2的所有值，得到多组长基线的相位差，并相应计算得到多组和r的估计结果，最后选取和步骤B中的估计结果最接近的那组作为/>和r的精确估计结果。
5.一种实现权利要求1-4中任一所述的方法的三维近场源信号高精度定位系统，其特征在于，包括：用于接收来自近场辐射源的信号的16阵元的均匀圆阵、用于对接收到的信号进行采样的信号采样单元、用于测定阵元间的相位差的鉴相器单元和用于根据以上的信号和相位差来测定信源的方位角、俯仰角和距离的处理器单元。
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| CN111948603A (zh) | 2020-11-17 |
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