CN116819428A - 一种联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法，属于无源测向技术领域。本发明在频域信号测向的同时确定信号所处的频域位置，将不同频段信号进行分离后测向，从而在测向信号中降低信号带宽之外的噪声影响、降低不同频段信号间测向的相互影响，并将方位、信号带宽、信号起始频率这三维参数估计简化为一维方位估计问题。本发明能够对同一天线阵列波束内低信噪比信号进行高精度、高分辨的测向。

Description

一种联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法

技术领域

本发明属于无源测向技术领域，具体涉及一种联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法。

背景技术

利用天线阵列接收的信号向量对信号进行测向的技术在电子侦察领域具有重要的意义，不仅可以用于确定辐射源的直达波来波方向，还可以用于确定反射辐射源信号的目标回波的来波方向。

在宽频段信号侦测测向设备中，接收信号包含未知频段的干扰信号、多功能雷达不同频段的直达波信号、目标回波信号等。接收信号各个成分波形未知、频段未知、且被噪声掩盖，难以获得信号的时宽带宽积增益；同时接收信号在频域上随机分布在设备接收机覆盖的频段内，且接收信号带宽远小于设备接收机带宽，因此在未知接收信号频域快拍的频域位置时，测向处理在频域失去引导，使得在测向中引入了信号带宽外的噪声，导致测向性能恶化。

因此，针对低信噪比信号测向处理在频域失去引导的情况，有必要在频域信号测向的同时确定频域快拍的频域位置，从而在测向信号中降低信号带宽之外的噪声影响，提高低信噪比信号测向精度，恢复信号测向功能。

在对频域信号测向的同时确定频域快拍所处的频域位置和带宽涉及方位、起始频率和信号带宽这三维参数估计，使得测向算法的复杂度急剧增加。为此，还需要解决这种联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法的算法复杂度高的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提供一种联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法，以解决联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法的算法复杂度高的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法，该方法包括如下步骤：

S1、设置接收站天线阵列的天线个数、频域快拍检测对应的信号频域采样个数、频域快拍检测向量、来波方位的个数及来波方位集合、来波方位集合中来波方位对应的方向向量、由方向向量组成的方向矩阵以及天线阵列接收的频域信号快拍数，存储天线阵列接收的信号矩阵；

S2、利用频域快拍检测向量按天线个数构成频域滤波矩阵，对天线阵列接收信号矩阵进行频域滤波，得到频域滤波矩阵对应频段的信号矩阵；

S3、利用频域滤波后的信号矩阵，计算频域滤波后的信号矩阵的自相关矩阵，并利用来波方位集合中来波方位集合对应的方向向量与自相关矩阵，确定频域滤波后的信号中每个来波方位对应的功率；

S4、由所有频段中每个来波方位的功率峰值位置，确定联合频域快拍检测的测向结果。

(三)有益效果

本发明提出一种联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法，本发明的有益效果是：在频域信号测向的同时确定信号所处的频域位置，将不同频段信号进行分离后测向，从而在测向信号中降低信号带宽之外的噪声影响、降低不同频段信号间测向的相互影响，并将方位、信号带宽、信号起始频率这三维参数估计简化为一维方位估计问题。因此，本发明一种联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法能够对同一天线阵列波束内低信噪比信号进行高精度、高分辨的测向。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

针对以上问题，本发明提出一种联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法，该方法包括如下步骤：

S1、设置接收站天线阵列的天线个数、频域快拍检测对应的信号频域采样个数、频域快拍检测向量、来波方位的个数及来波方位集合、来波方位集合中来波方位对应的方向向量、由方向向量组成的方向矩阵以及天线阵列接收的频域信号快拍数，存储天线阵列接收的信号矩阵。

S2、利用频域快拍检测向量按天线个数构成频域滤波矩阵，对天线阵列接收信号矩阵进行频域滤波，得到频域滤波矩阵对应频段的信号矩阵；

S3、利用频域滤波后的信号矩阵，计算频域滤波后的信号矩阵的自相关矩阵，并利用来波方位集合中来波方位集合对应的方向向量与自相关矩阵，确定频域滤波后的信号中每个来波方位对应的功率；

S4、由所有频段中每个来波方位的功率峰值位置，确定联合频域快拍检测的测向结果。

本发明的技术方案具体是：

一种联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法，包含以下步骤：

S1、设置首先设置接收站天线阵列的天线个数M、频域快拍检测带宽对应的信号频域采样个数B、天线阵列接收的频域信号快拍数N、频域快拍检测向量为1×N维向量h：

由h构成对M个天线接收频域信号的滤波矩阵H:

其中H为M×N维矩阵。g_n(H)表示对矩阵H的每列元素位置右移n位、并对右移n位后H空出的左边n列元素的值都置为零之后得到的M×N维矩阵，n＝1,2,…,N-B。

来波方位的个数为K，来波方位集合来波方位集合中来波方位对应的M×1维方向向量为/>k＝1,2,...,K，由方向向量/>组成的方向矩阵为M×K维矩阵A：

存储天线阵列接收的频域信号矩阵为M×N矩阵X；

S2、利用频域快拍检测向量构成的滤波矩阵H，对频域信号矩阵X进行滤波，确定滤波矩阵g_n(H)对应的频段中频域信号矩阵Y_n：

Y_n＝g_n(H)⊙X

其中，⊙为矩阵对应元素相乘；

S3、利用确定滤波矩阵g_n(H)对应的频段中频域信号矩阵Y_n，计算自相关矩阵R_n：

利用自相关矩阵R_n和波方位集合中的每个来波方位对应的方向向量矩阵中的方向向量确定来波方位集合/>中每个来波方位对应的功率u(k)：

其中，k＝1,2,...,K。

S4、由来波方位集合中的所有来波方位对应的功率的峰值位置，确定联合频域快拍检测的测向结果为某一来波方位集合中的来波方位其中：

即来波方位集合中的所有来波方位对应的功率集合{u(1),u(2),...,u(K)}中的最大值/>对应的序号。

实施例1：

下面结合实施例对本发明的实用性进行说明。

在本例子中，设置接收站为天线阵列为均匀线阵，天线个数为M＝8、接收机带宽为100MHz，采样频率为200MHz。需要测向的信号有3个，第一个信号为时宽10us、带宽10MHz、中心频率30.47MHz的线性调频信号，来波方向为20.87°；第二个信号为时宽10us、带宽10MHz、中心频率30.47MHz的线性调频信号，来波方向为43.66°；第三个信号为时宽10us、带宽10MHz、中心频率55.32MHz的线性调频信号，来波方向为49.17°。其中第一个信号与第二个信号的中心频率相同，因此第一个信号和第二个信号在频域会有混叠；由于天线阵列的波束宽度约为12°，来波方向为43.66°和49.17°的两个信号来波方向间隔小于12°，因此第二个信号和第三个信号在空域存在混叠；设置三个信号的信噪比均为-12dB。

频域快拍检测带宽对应的信号采样个数B＝2000、天线阵列接收的信号快拍数N＝200000、频域快拍检测向量为1×N维向量h：

来波方位的个数为K＝1201，来波方位集合(单位：度)；存储来波方位集合中来波方位/>对应的8×1维方向向量为/>k＝1,2,...,1201，由方向向量/>组成的方向矩阵为8×1201维矩阵/>存储天线阵列接收的信号矩阵为8×200000矩阵X。

利用所有频域信号的波束形成测向方法，对这三个信号测向，测向误差分别为3.87°、4.24°、和1.27°。利用本发明方法，对这三个信号测向，测向误差分别为0.37°、0.84°和0.13°；与利用所有频域信号的波束形成测向方法相比，本发明方法的测向误差分别降低了90.44％，80.19％和89.76％，达到了联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法提高频域重叠的弱信号测向精度和对同一波束内弱信号高精度、高分辨测向的目的。

本发明的有益效果是：在频域信号测向的同时确定信号所处的频域位置，将不同频段信号进行分离后测向，从而在测向信号中降低信号带宽之外的噪声影响、降低不同频段信号间测向的相互影响，并将方位、信号带宽、信号起始频率这三维参数估计简化为一维方位估计问题。因此，本发明一种联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法对同一天线阵列波束内低信噪比信号进行高精度、高分辨的测向。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、设置接收站天线阵列的天线个数、频域快拍检测对应的信号频域采样个数、频域快拍检测向量、来波方位的个数及来波方位集合、来波方位集合中来波方位对应的方向向量、由方向向量组成的方向矩阵以及天线阵列接收的频域信号快拍数，存储天线阵列接收的信号矩阵；

S2、利用频域快拍检测向量按天线个数构成频域滤波矩阵，对天线阵列接收信号矩阵进行频域滤波，得到频域滤波矩阵对应频段的信号矩阵；

S3、利用频域滤波后的信号矩阵，计算频域滤波后的信号矩阵的自相关矩阵，并利用来波方位集合中来波方位集合对应的方向向量与自相关矩阵，确定频域滤波后的信号中每个来波方位对应的功率；

S4、由所有频段中每个来波方位的功率峰值位置，确定联合频域快拍检测的测向结果。

2.如权利要求1所述的联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

设置首先设置接收站天线阵列的天线个数M、频域快拍检测带宽对应的信号频域采样个数B、天线阵列接收的频域信号快拍数N、频域快拍检测向量为1×N维向量h：

来波方位的个数为K，来波方位集合来波方位集合中来波方位/>对应的M×1维方向向量为/>由方向向量/>组成的方向矩阵为M×K维矩阵A：

存储天线阵列接收的频域信号矩阵为M×N矩阵X。

3.如权利要求2所述的联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法，其特征在于，设置接收站为天线阵列为均匀线阵，天线个数为M＝8、接收机带宽为100MHz，采样频率为200MHz。

4.如权利要求2所述的联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法，其特征在于，频域快拍检测带宽对应的信号采样个数B＝2000、天线阵列接收的信号快拍数N＝200000、频域快拍检测向量为1×N维向量h：

5.如权利要求2所述的联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法，其特征在于，来波方位的个数为K＝1201，来波方位集合度；存储来波方位集合中来波方位/>对应的8×1维方向向量为/>由方向向量/>组成的方向矩阵为8×1201维矩阵/>

6.如权利要求2所述的联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法，其特征在于，存储天线阵列接收的信号矩阵为8×200000矩阵X。

7.如权利要求1-6任一项所述的联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法，其特征在于，所述步骤S2中，利用频域快拍检测向量按天线个数构成频域滤波矩阵包括：

由h构成对M个天线接收频域信号的滤波矩阵H:

其中H为M×N维矩阵，g_n(H)表示对矩阵H的每列元素位置右移n位、并对右移n位后H空出的左边n列元素的值都置为零之后得到的M×N维矩阵，n＝1,2,…,N-B。

8.如权利要求7所述的联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法，其特征在于，所述步骤S2中，对天线阵列接收信号矩阵进行频域滤波，得到频域滤波矩阵对应频段的信号矩阵包括：

利用频域快拍检测向量构成的滤波矩阵H，对频域信号矩阵X进行滤波，确定滤波矩阵g_n(H)对应的频段中频域信号矩阵Y_n：

Y_n＝g_n(H)⊙X

其中，⊙为矩阵对应元素相乘。

9.如权利要求8所述的联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

利用确定滤波矩阵g_n(H)对应的频段中频域信号矩阵Y_n，计算自相关矩阵R_n：

利用自相关矩阵R_n和波方位集合中的每个来波方位对应的方向向量矩阵中的方向向量确定来波方位集合/>中每个来波方位对应的功率u(k)：

其中，k＝1,2,...,K。

10.如权利要求9所述的联合频域快拍检测的低信噪比信号测向方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

由来波方位集合中的所有来波方位对应的功率的峰值位置，确定联合频域快拍检测的测向结果为某一来波方位集合中的来波方位其中：

即来波方位集合中的所有来波方位对应的功率集合{u(1),u(2),...,u(K)}中的最大值/>对应的序号。