CN113960524A - 一种少通道下调制信号的空间谱测向系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种少通道下调制信号的空间谱测向系统及方法，涉及信号领域，其步骤包括：通过天线阵元模块获取模拟信号，并将模拟信号传输至开关矩阵模块的输入口；通过开关矩阵模块对模拟信号进行提取，得到样本信号，并传输至射频接收模块；通过射频接收模块对样本信号进行滤波、变频与增益控制操作，得到中频信号，并传输至ADC采集模块；通过ADC采集模块采集中频信号，并输出至中频数字处理模块；通过中频数字处理模块对接收的中频信号进行空间谱运算，得到信号测向结果。本发明提出了一种少通道下调制信号的空间谱测向系统及方法，可显著改善了对调制信号和其他非平稳信号的测向能力。

Description

一种少通道下调制信号的空间谱测向系统及方法

技术领域

本发明涉及信号领域，具体是一种少通道下调制信号的空间谱测向系统及方法。

背景技术

无线电测向是依据电磁波传播特性，使用仪器设备测定无线电波来波方向的过程。测定“来波方向”，是指测向机所在地实在的电磁环境中电波达到的方向，无线电测向，通常的最终目的是要确定“辐射源的方向”和“辐射源的具体位置”。

在测试一个测向带宽内的多个信号时，需要采用空间谱测向方法。在各个天线阵元实时采集的情况下，空间谱测向接收机可以支持调制信号。

少通道(即，采集通道少于测向阵元数)的空间谱测向接收机，存在对各类调制信号(如AM、ASK调制)的分辨能力弱的问题。本发明借鉴了统计学中的大数定律，显著改善了对调制信号和其他非平稳信号的测向能力。

发明内容

鉴于上述技术缺点，本发明提供了一种少通道下调制信号的空间谱测向系统及方法。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种少通道下调制信号的空间谱测向系统，包括：

天线阵元模块，用于获取电磁波信号，并将电磁波信号转化为多路射频信号；

开关矩阵模块，用于对多路射频信号进行提取，得到样本信号；

射频接收模块，用于对样本信号进行滤波、变频与增益控制操作，得到中频信号；

ADC采集模块，用于采集中频信号；

中频数字处理模块，用于对接收的中频信号进行空间谱测向算法运算，得到信号测向结果；

所述天线阵元模块与所述开关矩阵模块连接；所述开关矩阵模块与所述射频接收模块连接；所述射频接收模块与所述ADC采集模块连接；所述ADC采集模块与所述中频数字处理模块连接。

作为优选的，还包括链路校准单元；所述链路校准单元用于对射频接收模块内的链路进行校准。

作为优选的，所述开关矩阵模块与中频数字处理模块内均预设有伪随机数序列发生器子模块，用于随机生成开关矩阵模块当前选择的连通状态。

作为优选的，所述空间谱测向算法具体为最大似然空间谱测向体制算法，其数学表达式如下：

A(θ)＝[a(θ₁) a(θ₂) … a(θ_D)]

L，θ₂...θ_D)＝tr(A(θ)(θ₁[(A^H(θ)A(θ))]^-1A^H(θ)R)

式中，{θ₁，θ₂...θ_D}为0～360°范围内的任意自变量，tr为矩阵求迹运算，R为计算得到的协方差矩阵。

一种少通道下调制信号的空间谱测向方法，应用于上述任意一项所述的一种少通道下调制信号的空间谱测向系统，包括如下步骤：

S1，通过天线阵元模块获取电磁波信号，将电磁波信号转化为多路射频信号，并传输至开关矩阵模块的输入口；

S2，通过开关矩阵模块对多路射频信号进行提取，得到样本信号，并传输至射频接收模块；

S3，通过射频接收模块对样本信号进行滤波、变频与增益控制操作，得到中频信号，并传输至ADC采集模块；

S4，通过ADC采集模块采集中频信号，并输出至中频数字处理模块；

S5，通过中频数字处理模块对接收的中频信号进行空间谱测向算法运算，得到信号测向结果。

作为优选的，步骤S5中所述的信号测向结果包括示向度。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种少通道下调制信号的空间谱测向系统及方法，可显著改善了对调制信号和其他非平稳信号的测向能力。

附图说明

图1为本发明提供的：测向系统原理框图；

图2为本发明提供的：中频处理模块原理框图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图1-2，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。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。

实施例

如图1、2所示，一种少通道下调制信号的空间谱测向方法，基于以下结构的硬件平台：包含测向的天线阵元、开关矩阵、射频接收机模块、ADC采集模块、中频数字处理系统、校准源模块、伪随机数发生器模块。

整个过程由射频模拟信号、中频模拟信号、AD数字信号、ADC转换成的IQ信号。

其中，开关矩阵的阵元接收信号输入口的数量高于开关矩阵的阵元接收信号输出口的数量。

其中，每个阵元会经过多组数据采集，并且阵元切换顺序是接近随机的。

其中，所使用的测向体制，包含但不限于：相关干涉测向体制、MUSIC/DML等测向体制。

校准源模块，用于对射频链路的校准；

天线阵元，用于同时多路接收空中电磁波信号，转化为多路射频信号；

开关矩阵，用于实现将天线阵的多路射频输出中，任意选择其中部分路射频信号，进行输出，即实现多输入、多输出；也可以实现校准源模块的输出，任意选择其中部分路射频信号，进行输出，用于链路校准；

伪随机数序列发生器模块，随机生成开关矩阵模块当前要选择的连通状态；

射频接收机模块，用于对开关矩阵输出的射频信号，进行变频、增益控制等操作，得到中频信号，内部一般均包括混频器、本振频率源、预选滤波器、中频滤波器、射频开关、放大器、可控衰减器等；

ADC采集模块，用于采集中频信号，提供给中频数字处理系统；

中频数字处理系统，用于对射频接收模块、ADC采集模块进行控制，并根据伪随机数序列发生器模块产生的状态，对开关矩阵进行控制；同时，用于对接收的中频信号进行空间谱运算，得到信号测向结果

具体包括以下步骤：

S11：系统通道校准，使得通道的相位、幅度得到校准，记录补偿量。

S12：明确开关矩阵允许输入输出开关切换的情况。

S13：伪随机数序列发生器模块初始化。

S14：根据当前时刻伪随机数发生器生成的值，配置开关矩阵，选择开关矩阵输入输出开关切换状态，采集对应阵元的数据。

S15：空中信号的处理，经过数字变频和希尔伯特变换等数字运算，得到样本IQ数据，再进一步得到瞬时的协方差元素值：

S16：多次重复S14～S15，得到多组开关切换的状态时的瞬时的协方差元素值。

S17：限制协方差元素值的幅度、相位在某个区间，当落入区间时，则保留，否则舍弃。

S18：将协方差矩阵中，相同位置的协方差元素值，取均值。

S19：补充采集部分没采集到的协方差元素值。

S20：得到完整的协方差矩阵。

S21：运用空间谱测向体制方法进行运算，输出测向结果，如示向度。

计算协方差矩阵过程的数学表达式如下：

协方差矩阵R为行、列数均为天线个数的方阵。协方差计数器矩阵C为行、列数均为天线个数的方阵。

a)在第T轮切换开关后采集信号:

1)只要第M号天线被采集(其中，M为任意天线序号)：

经过DDC运算后，采集该通道得到一个长度为K的复数数字信号序列{a_k}。求出当前1个瞬时的协方差矩阵元素值R_{MM_T}：

同时，取当前1个瞬时的协方差计数器矩阵元素值C_{MM_T}＝1。

反之，若第M号天线未被采集(其中，M为任意天线序号)：

取当前1个瞬时的协方差矩阵元素值R_{MM_T}＝0；

取当前1个瞬时的协方差计数器矩阵元素值C_{MM_T}＝0。

2)在第T轮切换开关后采集信号，只要第N、L号天线同时被采集(其中，N、L为任意天线序号)，

经过DDC运算及系统校准后，采集两个通道分别得到一个长度为K的复数数字信号序列{a_k}、{b_k}。求出当前1个瞬时的协方差元素值R_{NL_T}：

同时，取当前1个瞬时的协方差计数器矩阵元素值C_{NL_T}＝1。

反之，只要第N、L号天线未同时被采集(其中，N、L为任意天线序号)：

取当前1个瞬时的协方差矩阵元素值R_{NL_T}＝0；

取当前1个瞬时的协方差计数器矩阵元素值C_{NL_T}＝0。

b)得到最终协方差矩阵R，它第i行j列的元素为：

选择开关矩阵通道的方式为：

设开关矩阵输入通道个数M，输出通道个数N。这样，开关矩阵输入、输出通道选择的状态数为排列

通过伪随机数序列发生器，可随机产生区间

的自然数，每次每个值产生的概率均为

即离散型均匀分布，并且各次产生的值独立。这

种自然数和开关矩阵输入、输出通道选择的状态之间，形成一一对应关系。

这样，通过伪随机数序列发生器产生伪随机序列，来选择开关矩阵通道选择的状态。

以9阵元的2采集通道情况为例，设阵元序号1～9、采集通道序号1～2。方法的具体处理步骤如下：

S1：系统通道校准，使得通道的相位、幅度得到校准，补偿量分别为Δ_a、Δ_b。

S2：伪随机数序列发生器模块初始化，得到其取值空间为[1，72]的自然数(注：

)。

S3：根据当前时刻伪随机数发生器生成的值和开关矩阵输入、输出通道选择的状态之间的对应关系，选择对应天线阵元M号、N号，分别由采集通道1、采集通道2来采集。

S4：空中信号的处理，经过DDC运算后，采集通道1、2分别得到一个长度为K的复数数字信号序列{a_k}、{b_k}。求出当前3个瞬时的协方差元素值R_MM、R_MN、R_NN：

S5：多次重复S3～S4，得到多组不同M、N时的{R_MM、R_MN、R_NN}。

S6：限制{R_MM、R_MN、R_NN}的幅度、相位在某个区间，当落入区间时，则保留，否则舍弃。

S7：将全部M、N相同的协方差元素值，取均值。

S8：补充采集部分没采集到的R_MM、R_MN、R_NN：若完全没抽取到第1个元素为M的序列，则补充采集，得到协方差元素值R_MM；若完全没抽取到第2个元素为N的序列，则补充采集，得到协方差元素值R_NN；对部分没有抽到序列M、N，补充采集，得到协方差元素值R_MN。

S9：得到完整的协方差矩阵。

S10：运用空间谱测向体制算法进行运算，输出测向结果，如示向度。

以最大似然估计这种空间谱测向体制算法为例：

假设远场窄带信号个数D,在{θ₁,θ₂...θ_D}这组来波方向下，在对应已知的阵列流型矢量：

A(θ)＝[a(θ₁)a(θ₂)…a(θ_D)]

其中，{θ₁,θ₂...θ_D}为0～360°范围内的任意自变量。

最大似然代价函数为：

L(θ₁,θ₂...θ_N)＝tr(A(θ)[(A^H(θ)A(θ))]^-1A^H(θ)R)

其中，“tr”表示矩阵求迹运算。

通过同时搜索{θ₁,θ₂...θ_D}这些自变量在0～360°范围的D维定义域空间下，L(θ₁,θ₂...θ_D)值域的最大峰值

该峰值

对应的

就是D来波方向。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种少通道下调制信号的空间谱测向系统，其特征在于，包括：

天线阵元模块，用于获取电磁波信号，并将电磁波信号转化为多路射频信号；

开关矩阵模块，用于对多路射频信号进行提取，得到样本信号；

射频接收模块，用于对样本信号进行滤波、变频与增益控制操作，得到中频信号；

ADC采集模块，用于采集中频信号；

中频数字处理模块，用于对接收的中频信号进行空间谱测向算法运算，得到信号测向结果；

所述天线阵元模块与所述开关矩阵模块连接；所述开关矩阵模块与所述射频接收模块连接；所述射频接收模块与所述ADC采集模块连接；所述ADC采集模块与所述中频数字处理模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种少通道下调制信号的空间谱测向系统，其特征在于，还包括链路校准单元；所述链路校准单元用于对射频接收模块内的链路进行校准。

3.根据权利要求1所述的一种少通道下调制信号的空间谱测向系统，其特征在于，所述开关矩阵模块与中频数字处理模块内均预设有伪随机数序列发生器子模块，用于随机生成开关矩阵模块当前选择的连通状态。

4.根据权利要求1所述的一种少通道下调制信号的空间谱测向系统，其特征在于，所述空间谱测向算法具体为最大似然空间谱测向体制算法，其数学表达式如下：

A(θ)＝[a(θ₁) a(θ₂)…a(θ_D)]

L,θ₂...θ_D)＝tr(A(θ)(θ₁[(A^H(θ)A(θ))]^-1A^H(θ)R)

式中，{θ₁，θ₂...θ_D}为0～360°范围内的任意自变量，tr为矩阵求迹运算，R为计算得到的协方差矩阵。

5.一种少通道下调制信号的空间谱测向方法，其特征在于，应用于权利要求1-4任意一项所述的一种少通道下调制信号的空间谱测向系统，包括如下步骤：

S1，通过天线阵元模块获取电磁波信号，将电磁波信号转化为多路射频信号，并传输至开关矩阵模块的输入口；

S2，通过开关矩阵模块对多路射频信号进行提取，得到样本信号，并传输至射频接收模块；

S3，通过射频接收模块对样本信号进行滤波、变频与增益控制操作，得到中频信号，并传输至ADC采集模块；

S4，通过ADC采集模块采集中频信号，并输出至中频数字处理模块；

S5，通过中频数字处理模块对接收的中频信号进行空间谱测向算法运算，得到信号测向结果。

6.根据权利要求5所述的一种少通道下调制信号的空间谱测向方法，其特征在于，步骤S5中所述的信号测向结果包括示向度。

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