CN116973834A - 一种强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法，属于无线电测向技术领域。本发明针对测向设备因附近存在强干扰导致对弱信号难以可靠测向的问题，对天线阵列不同时刻、不同方向的快拍信号进行协同波束形成，利用协同波束形成置信度，实现强干扰下对弱信号测向的目的。本发明可用于测向设备与附近的用频设备工作于相同的时域、频域的场合，可为无线电干扰源监测提供更宽频段、更大范围、更连续的测向信息。

Description

一种强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法

技术领域

本发明属于无线电测向技术领域，涉及一种强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法，具体涉及一种对天线阵列不同时刻、不同方向的快拍信号进行协同波束形成，利用协同波束形成置信度进行测向的方法。

背景技术

无线电信号的来波方向是无线电频谱信息中的重要参数，对合法的频谱资源使用者、无意的无线电干扰源、非法的频谱资源占用者以及战场环境中的无线电装备的监测与定位具有重要意义。目前，已有很多估计无线电信号来波方向的方法，特别是常规波束形成、卡彭(Capon)波束形成等基于方位功率轮廓的空间谱测向方法，在测向设备上得到了广泛的应用。

测向站的测向设备在开放的无线电信号环境中工作时，各种无线电信号在同一时域、频域混叠，使得距离测向站较远的用频设备的来波信号淹没在距离测向站较近的用频设备的来波信号和噪声中，导致基于方位功率轮廓的空间谱测向方法对距离测向站较远的用频设备的来波信号测向性能恶化、测向功能失效。因此，为了提高测向站适应复杂无线电信号环境的能力、对弱信号的测向能力、扩大测向站有效覆盖的地理范围，在无线电测向技术领域出现了引入方位功率轮廓之外的空间谱特征进行测向的一些方法。

多信号分类(MUSIC)方法是一种典型的伪空间谱测向方法，就不是直接利用方位功率轮廓信息进行测向，而是利用阵列快拍数据中信号来波方向向量与阵列快拍数据所在信号空间对应的正交子空间之间的正交关系进行来波方向估计。但是，这类伪空间谱测向方法的测向性能依赖利用阵列快拍数据估计信号空间、正交子空间的精度，适用于高信噪比的场合，对信噪比较低、附近方向存在强干扰的信号而言，依然存在难以可靠测向的问题。

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强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法，以解决测向设备因附近存在强干扰导致对弱信号难以可靠测向的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法，该方法包括如下步骤：

S1、首先设置测向设备的天线个数、搜索的方向个数、搜索的方向集合、与搜索的方向集合对应的方向向量集合，测向设备的所有天线每次采集的阵列快拍信号的快拍数；

S2、其次确定测向设备的所有天线在时刻1采集的阵列快拍信号组成的矩阵、在与时刻1不同的时刻2采集的阵列快拍信号组成的矩阵；

S3、然后对应搜索的方向集合中的方向，确定时刻1的波束形成器的输入和权向量、时刻2的波束形成器的输入和权向量；

S4、接着对应搜索的方向集合中的方向，确定时刻1的波束形成器的输出、时刻2的波束形成器的输出，进而确定协同波束形成置信度；

S5、最后，由协同波束形成置信度集合中的最大值对应的搜索方向确定强干扰下基于协同波束形成置信度的测向结果。

(三)有益效果

本发明提出一种强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法，本发明的有益效果是：使用本发明提出的一种强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法，可在时刻1的阵列快拍信号中同时、同频混叠了来自一个来波方向的强干扰信号和另一个来波方向的弱信号，并且弱信号功率小于噪声功率，时刻2的阵列快拍信号中存在与弱信号波形相同的信号，这些信号的来波方向都未知的情况下，对时刻1的阵列快拍信号和时刻2的阵列快拍信号进行协同波束形成，由协同波束形成置信度即可确定弱信号的来波方向。因此，本发明可用于测向设备与附近的用频设备工作于相同的时域、频域的场合，可为无线电干扰源监测提供更宽频段、更大范围、更连续的测向信息。

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。

本发明针对测向设备因附近存在强干扰导致对弱信号难以可靠测向的问题，对天线阵列不同时刻、不同方向的快拍信号进行协同波束形成，利用协同波束形成置信度，实现强干扰下对弱信号测向的目的。

本发明的技术方案为：

一种强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法，该方法包括如下步骤：

S1、首先设置测向设备的天线个数、搜索的方向个数、搜索的方向集合、与搜索的方向集合对应的方向向量集合，测向设备的所有天线每次采集的阵列快拍信号的快拍数；

S2、其次确定测向设备的所有天线在时刻1采集的阵列快拍信号组成的矩阵、在与时刻1不同的时刻2采集的阵列快拍信号组成的矩阵；

S3、然后对应搜索的方向集合中的方向，确定时刻1的波束形成器的输入和权向量、时刻2的波束形成器的输入和权向量；

S4、接着对应搜索的方向集合中的方向，确定时刻1的波束形成器的输出、时刻2的波束形成器的输出，进而确定协同波束形成置信度；

S5、最后，由协同波束形成置信度集合中的最大值对应的搜索方向确定强干扰下基于协同波束形成置信度的测向结果。

本发明具体包括以下步骤：

S1、设置测向设备的天线个数为M、搜索的方向个数为N、搜索方向为θ_n，搜索的方向集合为{θ₁，θ₂，...，θ_N}、与搜索方向θ_n对应的方向向量为a(θ_n)，n＝1，2，...，N，所有方向向量组成的集合为{a(θ₁)，a(θ₂)，......，a(θ_N)}，测向设备的所有天线每次采集的阵列快拍信号的快拍数为L；

S2、确定测向设备的所有天线在时刻1采集的阵列快拍信号，组成M×L阶矩阵X；在与时刻1不同的时刻2采集的阵列快拍信号，组成M×L阶矩阵Y；

S3、对应搜索的方向集合中的搜索方向θ_n，确定时刻1的波束形成器的输入为X，权向量为

其中，w₀(θ_n)＝(XX^H)^-1a(θ_n)，^H表示向量或矩阵的共轭转置，^-1表示矩阵的逆，n＝1，2，...，N；

对应搜索的方向集合中的搜索方向θ_n，确定时刻2的波束形成器的输入为Y，权向量为

w₂(θ_n)＝(XY^H)^-1w₁(θ_n)

S4、对应搜索的方向集合中的搜索方向θ_n，确定时刻1的波束形成器的输出为

时刻2的波束形成器的输出为

对应搜索的方向集合中的搜索方向θ_n，确定协同波束形成置信度为

其中，|| ||为向量的范数，n＝1，2，...，N；

S5、确定协同波束形成置信度的集合{g(θ₁)，g(θ₂)，...，g(θ_N)}中的最大值对应的搜索方向为强干扰下基于协同波束形成置信度的测向结果。

实施例1：

在本例中，设置测向设备天线个数M＝8、搜索的方向个数N＝181和搜索的方向集合{-90，-89，...，89，90}度、与搜索的方向集合一一对应的方向向量组成的集合为{a(-90)，a(-89)，......，a(89)，a(90)}，采集阵列快拍信号的快拍数L＝32，64，...，4096，本例中L＝4096。在测向设备与附近用频设备同时、同频工作的情况下，相对于测向设备，在测向设备的所有天线在时刻1采集的阵列快拍信号中，附近用频设备的信号来波方向为30.76度，信噪比为30dB，弱信号的来波方向为20.68度，信噪比为-5dB；在测向设备的所有天线在时刻2采集的阵列快拍信号中，与弱信号具有相同波形的信号来波方向为10.29度，信噪比为10dB。

利用常规波束形成、卡彭(Capon)波束形成等测向方法，只能准确的确定测向设备附近的用频设备的信号来波方向，弱信号来波方向的测向均方根误差较大，都超过9度；而采用本发明方法，弱信号来波方向的测向均方根误差为0.32度，实现了测向设备与附近的用频设备工作于相同的时域、频域的情况下对弱信号测向的目的。

本发明的有益效果是：使用本发明提出的一种强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法，可在时刻1的阵列快拍信号中同时、同频混叠了来自一个来波方向的强干扰信号和另一个来波方向的弱信号，并且弱信号功率小于噪声功率，时刻2的阵列快拍信号中存在与弱信号波形相同的信号，这些信号的来波方向都未知的情况下，对时刻1的阵列快拍信号和时刻2的阵列快拍信号进行协同波束形成，由协同波束形成置信度即可确定弱信号的来波方向。因此，本发明可用于测向设备与附近的用频设备工作于相同的时域、频域的场合，可为无线电干扰源监测提供更宽频段、更大范围、更连续的测向信息。

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)

1.一种强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、首先设置测向设备的天线个数、搜索的方向个数、搜索的方向集合、与搜索的方向集合对应的方向向量集合，测向设备的所有天线每次采集的阵列快拍信号的快拍数；

S2、其次确定测向设备的所有天线在时刻1采集的阵列快拍信号组成的矩阵、在与时刻1不同的时刻2采集的阵列快拍信号组成的矩阵；

S3、然后对应搜索的方向集合中的方向，确定时刻1的波束形成器的输入和权向量、时刻2的波束形成器的输入和权向量；

S4、接着对应搜索的方向集合中的方向，确定时刻1的波束形成器的输出、时刻2的波束形成器的输出，进而确定协同波束形成置信度；

S5、最后，由协同波束形成置信度集合中的最大值对应的搜索方向确定强干扰下基于协同波束形成置信度的测向结果。

2.如权利要求1所述的强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：设置测向设备的天线个数为M、搜索的方向个数为N、搜索方向为θ_n，搜索的方向集合为{θ₁,θ₂,…,θ_N}、与搜索方向θ_n对应的方向向量为a(θ_n)，n＝1,2,…,N，所有方向向量组成的集合为{α(θ₁),a(θ₂),……,a(θ_N)}，测向设备的所有天线每次采集的阵列快拍信号的快拍数为L。

3.如权利要求2所述的强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法，其特征在于，所述步骤S1中，搜索的方向个数N＝181和搜索的方向集合{-90,-89,…,89,90}度、与搜索的方向集合一一对应的方向向量组成的集合为{a(-90),a(-89),……,a(89),a(90)}。

4.如权利要求2所述的强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法，其特征在于，所述步骤S1中，采集阵列快拍信号的快拍数L＝32,64,…,4096。

5.如权利要求2所述的强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：确定测向设备的所有天线在时刻1采集的阵列快拍信号，组成M×L阶矩阵X；在与时刻1不同的时刻2采集的阵列快拍信号，组成M×L阶矩阵Y。

6.如权利要求5所述的强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法，其特征在于，所述步骤S3中，确定时刻1的波束形成器的输入和权向量具体包括：

对应搜索的方向集合中的搜索方向θ_n，确定时刻1的波束形成器的输入为X，权向量为

其中，w₀(θ_n)＝(XX^H)^-1a(θ_n)，^H表示向量或矩阵的共轭转置，^-1表示矩阵的逆，n＝1,2,…,N。

7.如权利要求6所述的强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法，其特征在于，所述步骤S3中，确定时刻2的波束形成器的输入和权向量具体包括：

对应搜索的方向集合中的搜索方向θ_n，确定时刻2的波束形成器的输入为Y，权向量为

w₂(θ_n)＝(XY^H)^-1w₁(θ_n)。

8.如权利要求7所述的强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法，其特征在于，所述步骤S4中，对应搜索的方向集合中的方向，确定时刻1的波束形成器的输出、时刻2的波束形成器的输出具体包括：

对应搜索的方向集合中的搜索方向θ_n，确定时刻1的波束形成器的输出为

时刻2的波束形成器的输出为

9.如权利要求8所述的强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法，其特征在于，所述步骤S4中，确定协同波束形成置信度具体包括：

对应搜索的方向集合中的搜索方向θ_n，确定协同波束形成置信度为

其中，|| ||为向量的范数，n＝1,2,…,N。

10.如权利要求9所述的强干扰下基于协同波束形成置信度的测向方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：确定协同波束形成置信度的集合{g(θ₁),g(θ₂),…,g(θ_N)}中的最大值对应的搜索方向为强干扰下基于协同波束形成置信度的测向结果。