CN112833853A - 一种极低频透地电磁信号源测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极低频透地电磁信号源测向方法，以被动接收极低频透地电磁信号的方式对信号源进行定位，不主动发射电场信号，隐蔽性高；作用距离远。本发明可远距离对信号源进行测向定位；事先存储查询矩阵，实际探测时直接调用矩阵，可实现快速测向。

Description

一种极低频透地电磁信号源测向方法

技术领域

本发明属于极低频透地电磁信号源的测向技术领域，具体涉及一种极低频透地电磁信号源测向方法，适合用于在大面积的搜索区域快速确定极低频信号源(如极低频透地电磁通信发射设备、水下航行目标等)的方位。

背景技术

极低频透地电磁波的波长长，传播损耗低，传播距离远，因此特别适用于低带宽信号的远距离传输。目前，已有部分国家利用极低频透地电磁波进行远距离的通信。对于基于极低频透地电磁波的通信信号，确定信号源的方位具有重要的军事意义。

此外，船只和水下航行目标在航行时将产生轴频电场。轴频电场的部分能量渗透至水底，然后以极低频透地电磁波的形式向远处传播。因此，如果能够接收该极低频透地电磁信号并确定信号源的方位，则可以实现船只和水下航行目标的远距离定位。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种极低频透地电磁信号源测向方法，该方法以被动接收极低频透地电磁信号的方式，通过解算多个通道电磁信号的时延或相位，实现对信号源的快速测向。

一种透地电磁信号源测向方法，包括如下步骤：

步骤1、部署探测阵：

将0#电场传感器为公共电场传感器，多个电场传感器在0#公共电场传感器的周围呈放射状分布；记i#电场传感器的经纬度为Pt_i＝(lat_i,lon_i)，i＝1,2，...,n；

步骤2、计算查询矩阵：

根据各个电场传感器位置Pt_i，生成“信号源方位-信号时延”查询矩阵C：该查询矩阵C为M行N列，其中

为方向分辨率；查询矩阵C中第i行第j列元素

表示信号源方位为

时，通道k相对于通道l的信号时延，其中，k＝1,2，...,n；l＝1,2，...,n；k≠l；

记

为：以Pt_i为起点，方位为

的，且距Pt_i距离为R的位置经纬度；d(Pt_i,Pt_j)为点Pt_i和点Pt_j的距离；v为电场的传播速度，则

为：

步骤3、采集电场信号：

分别采集0#电场传感器与各个独立电场传感器之间的电压，获得n个通道的电场信号；

步骤4、检测信号：

对每个通道的电场信号利用FFT进行频谱分析，如果频率曲线上某频率点f_h的幅值满足设定条件，则判断存在频率为f_h的电磁信号；

步骤5、计算相位差：

计算n个通道中任意两两通道之间在频率为f_h的相位差p_ij，获得维数为n*(n-1)/2的相位差向量P；

步骤6、计算发射源方位α：

其中，

为查询矩阵C的第i行,

为P和

的相关系数。

较佳的，所述电场传感器布置在地下或者水下。

较佳的，方向分辨率

根据需求调整，取为

较佳的，所述步骤4中，所述设定条件为：

threshold为设定阈值；f_h-1、f_h-2、f_h+1和f_h+2分别表示频点f_h的前一个、前两个、后一个以及后两个频点的幅值。

较佳的，所述步骤4中，阈值threshold取值范围为(1.5,20)。

较佳的，所述步骤4中，FFT分析时，时间窗口长度为T取为10至50秒。

本发明具有如下有益效果：

本发明的一种极低频透地电磁信号源测向方法，以被动接收极低频透地电磁信号的方式对信号源进行定位，不主动发射电场信号，隐蔽性高；作用距离远。本发明可远距离对信号源进行测向定位；事先存储查询矩阵，实际探测时直接调用矩阵，可实现快速测向。

附图说明

图1是极低频透地电磁信号探测阵示意图；

图2为实施例中获得的3个通道的极低频透地电场信号时域曲线。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

(1)部署探测阵：

利用如图1所示的极低频透地电磁信号探测阵，对电磁信号进行探测。其中，0#电场传感器为公共电场传感器，1#—n#电场传感器为独立电场传感器，在0#公共电场传感器的周围呈放射状分布；记i#电场传感器的经纬度为Pt_i＝(lat_i,lon_i)，i＝1,2，...,n。

(2)计算查询矩阵：

根据极低频透地电磁信号探测阵中各个电场传感器位置Pt_i，生成“信号源方位-信号时延”查询矩阵C。该查询矩阵C为M行N列，其中

为方向分辨率，可根据实际需求设定，一般可设为

即方向分辨率为0.1°。查询矩阵C中第i行第j列元素

表示信号源方位为

时，通道k相对于通道l的信号时延(k＝1,2，...,n；l＝1,2，...,n；k≠l)，其中，

则查询矩阵C中第i行元素即为所有通道中两两通道之间的信号时延。记

为：以Pt_i为起点，方位为

的，且距Pt_i距离为R的位置经纬度；d(Pt_i,Pt_j)为点Pt_i和点Pt_j的距离；v为低频透地电场波的传播速度，则

为：

(3)采集电场信号：

利用电压放大采集模块0#电场传感器和各个独立电场传感器之间的电压，采样频率为Fs，获得n个通道的极低频透地电场信号(s₁,s₂,…,s_n)；

(4)检测信号：

对每个通道的极低频透地电场信号s_i，利用FFT进行频谱分析，FFT时间窗口长度为T，一般可取为10至50秒。如某频率点f_h的幅值|f_h|满足：

f_h-1、f_h-2、f_h+1和f_h+2分别表示频点f_h的前一个、前两个、后一个以及后两个频点的幅值。

则判断存在频率为f_h的极低频透地电磁信号，其中，threshold为阈值，取值范围为(1.5,20)。

(5)计算相位差：

计算通道i和通道j在频率为f_h的相位差p_ij，获得维数为n*(n-1)/2的相位差向量P＝[p₁₂,p₁₃,…,p_1n,p₂₃,p₂₄,…,p_2n,…]；

(6)计算发射源方位：

其中，

为查询矩阵C的第i行,

为P和

的相关系数；

表示将查询矩阵C的各行与相位差向量P求相关系数，相关系数最大一行与

相乘即为发射源的方位。

实施例：

(1)部署探测阵：

部署4个电场传感器，其中一个公共电场传感器，记为0#电场传感器；1—3#电场传感器为独立电场传感器。记i#电场传感器的经纬度为Pt_i＝(lat_i,lon_i)，如下表所示。

电场传感器	纬度(°)	经度(°)
			0#	18.6214	107.5513
1#	18.6313	107.5533
			2#	18.6189	107.5415
3#	18.6135	107.5601

(2)计算查询矩阵：

本实施例中，n＝4，若设定

则“信号源方位-信号时延”查询矩阵C为360行6列。将R取为10000，则可得：

以i＝1为例，计算通道k＝1相对于通道l＝2的信号时延，取v＝31622,根据经纬度可计算出

此时对应于

则

同理可计算出任意

可得如下查询矩阵C：

-0.0451598301	-0.0637596314	-0.0185998012
			-0.0458345501	-0.0634113865	-0.0175768364
-0.0464936911	-0.0630429590	-0.0165492679
			-0.0471370568	-0.0626544125	-0.0155173557
-0.0477644576	-0.0622458177	-0.0144813600
			…	…	…
-0.0437644727	-0.0643953567	-0.0206308840
			-0.0444697344	-0.0640876377	-0.0196179033

(3)采集电场信号：

本实施例中，采样频率Fs设为1024，获得3个通道的极低频透地电场信号(s₁,s₂,s₃)。例如某时刻时域曲线如图2所示。

(1)检测信号：

对每个通道的极低频透地电场信号s_i，利用FFT进行频谱分析。本实施例中FFT时间窗口长度为T取为16秒。对于本实施例的信号s₁，可得下表：

threshold取2，则其中频率1.625满足：

此时，判断存在频率为f_j＝1.625的极低频透地电磁信号。

(5)计算相位差：

计算通道i和通道j在频率为f_j＝1.625的相位差p_ij，获得维数为3的相位差向量P＝[p₁₂,p₁₃,p₂₃]。本实施例中，P＝[-2.9015019834，-2.8287106114，0.0727913720]

(6)计算发射源方位：

对任意i，计算

本实施例中，可得如下结果：

其中，极大值在i＝12时取得，因此信号源方位为：

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种透地电磁信号源测向方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、部署探测阵：

将0#电场传感器为公共电场传感器，多个电场传感器在0#公共电场传感器的周围呈放射状分布；记i#电场传感器的经纬度为Pt_i＝(lat_i,lon_i)，i＝1,2，...,n；

步骤2、计算查询矩阵：

根据各个电场传感器位置Pt_i，生成“信号源方位-信号时延”查询矩阵C：该查询矩阵C为M行N列，其中

为方向分辨率；查询矩阵C中第i行第j列元素

表示信号源方位为

时，通道k相对于通道l的信号时延，其中，k＝1,2，...,n；l＝1,2，...,n；k≠l；

记

为：以Pt_i为起点，方位为

的，且距Pt_i距离为R的位置经纬度；d(Pt_i,Pt_j)为点Pt_i和点Pt_j的距离；v为电场的传播速度，则

为：

步骤3、采集电场信号：

分别采集0#电场传感器与各个独立电场传感器之间的电压，获得n个通道的电场信号；

步骤4、检测信号：

对每个通道的电场信号利用FFT进行频谱分析，如果频率曲线上某频率点f_h的幅值满足设定条件，则判断存在频率为f_h的电磁信号；

步骤5、计算相位差：

计算n个通道中任意两两通道之间在频率为f_h的相位差p_ij，获得维数为n*(n-1)/2的相位差向量P；

步骤6、计算发射源方位α：

其中，

为查询矩阵C的第i行,

为P和

的相关系数。

2.如权利要求1所述的一种透地电磁信号源测向方法，其特征在于，所述电场传感器布置在地下或者水下。

3.如权利要求1所述的一种透地电磁信号源测向方法，其特征在于，方向分辨率

根据需求调整，取为

4.如权利要求1所述的一种透地电磁信号源测向方法，其特征在于，所述步骤4中，所述设定条件为：

threshold为设定阈值；f_h-1、f_h-2、f_h+1和f_h+2分别表示频点f_h的前一个、前两个、后一个以及后两个频点的幅值。

5.如权利要求1所述的一种透地电磁信号源测向方法，其特征在于，所述步骤4中，阈值threshold取值范围为(1.5,20)。

6.如权利要求1所述的一种透地电磁信号源测向方法，其特征在于，所述步骤4中，FFT分析时，时间窗口长度为T取为10至50秒。

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