CN116973835B - 一种多信号混叠的伪空间谱累积测向方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多信号混叠的伪空间谱累积测向方法，属于无线电测向领域。本发明针对时域、频域多信号混叠背景下，弱信号被噪声和非连续的强信号淹没，导致利用空间谱功率累积的测向方法难以对弱信号测向的问题，利用测向设备的天线阵列接收信号的伪空间谱特征进行累积，实现非连续信号、非平稳信号背景下对弱信号进行测向的目的。本发明可以由伪空间谱累积特征组成的集合中的最大值对应的搜索方向确定弱信号测向结果，适用于非连续强信号、非平稳强信号背景下对弱信号进行测向的场合。

Description

一种多信号混叠的伪空间谱累积测向方法
技术领域
本发明属于无线电测向领域，涉及一种多信号混叠的伪空间谱累积测向方法，尤其涉及一种多信号混叠和非连续信号情况下利用伪空间谱进行累积的弱信号测向方法。
背景技术
在日益复杂的电磁频谱空间，对我方通信、雷达等用频设备、合法用频设备形成干扰的对方无线电信号、非法用频信号越来越多、越来越常见，对无线电信号测向设备在时域、频域多信号混叠情况下的测向功能、性能要求也越来越高。由于测向设备的天线数、天线增益、测向阵列孔径受限，与我方用频设备、合法用频设备接收的对方无线电信号、非法用频信号相比，测向设备接收的信号往往是弱信号。此外，在利用外辐射源进行目标测向的场合，目标回波信号淹没在噪声和强干扰信号中，测向设备接收的信号也是弱信号。
对弱信号测向一直是无线电信号测向和被动目标探测技术领域的难题，提高测向设备的测向天线接收增益、测向阵列接收信号处理增益虽然可以改善弱信号测向能力，但是受到测向设备所在的场地、测向设备硬件成本等因素的制约，并且费效比较大。
在测向设备现有的硬件条件下，利用先进的天线阵列信号处理技术提高对弱信号的测向能力是一种更高效的技术途径，目前已有许多基于空间谱功率积累的弱信号测向方法。例如，通过增加阵列接收信号的快拍数，可以提高阵列接收信号自相关矩阵的估计精度，从而改善常规波形成、最小方差无失真响应、多信号分类等方法对弱信号测向的精度。但是，在非连续信号、非平稳信号背景下，增加阵列接收信号的快拍数可能导致总的信号个数大于天线阵列的天线个数，特别是利用空间谱功率积累的弱信号测向方法，在积累弱信号功率的同时，空间噪声和强信号的功率也会积累，导致弱信号仍然会淹没在强信号和噪声的背景中。
为此，针对日益复杂的电磁频谱空间对无线电信号测向设备在时域、频域多信号混叠情况下的测向需求，有必要在非连续信号、非平稳信号背景下发展一种对弱信号特征进行积累，同时抑制噪声和其它信号特征的测向方法。
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多信号混叠的伪空间谱累积测向方法，以解决时域、频域多信号混叠背景下，弱信号被噪声和非连续的强信号淹没，导致利用空间谱功率累积的测向方法难以对弱信号测向的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种多信号混叠的伪空间谱累积测向方法，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，测向设备对弱信号测向的累积次数，测向设备的所有天线在每次测向时采集的阵列快拍信号的快拍数；
S2、其次确定每次测向设备的所有天线采集的阵列快拍信号，并分别确定阵列快拍信号的样本自相关矩阵；
S3、然后对每次测向时采集的阵列快拍信号的样本自相关矩阵进行奇异值分解，确定最小奇异值对应的奇异向量；
S4、接着对应搜索的方向集合中的搜索方向，将每次测向时采集的阵列快拍信号的样本自相关矩阵的最小奇异值对应的奇异向量累积在一起，进而确定伪空间谱累积特征；
S5、最后确定由伪空间谱累积特征组成的集合中的最大值对应的搜索方向为多信号混叠的伪空间谱累积测向结果。
(三)有益效果
本发明提出一种多信号混叠的伪空间谱累积测向方法，本发明的有益效果是：在每次常规波束形成、最小方差无失真响应、多信号分类等测向方法都难以确定弱信号的来波方向，并且即使将常规波束形成、最小方差无失真响应、多信号分类等测向方法多次测向时确定的空间谱累积在一起也难以确定弱信号的来波方向时，使用本发明提出的一种多信号混叠的伪空间谱累积测向方法，可以由伪空间谱累积特征组成的集合中的最大值对应的搜索方向确定弱信号测向结果，适用于非连续强信号、非平稳强信号背景下对弱信号进行测向的场合。
附图说明
图1为CBF空间谱结果图；
图2为CBF空间谱累积结果图；
图3为MVDR空间谱结果图；
图4为MVDR空间谱累积结果图；
图5为MUSIC伪空间谱结果图；
图6为MUSIC伪空间谱累积结果图；
图7为本发明的非连续信号背景下弱信号伪空间谱特征累积结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明针对时域、频域多信号混叠背景下，弱信号被噪声和非连续的强信号淹没，导致利用空间谱功率累积的测向方法难以对弱信号测向的问题，利用测向设备的天线阵列接收信号的伪空间谱特征进行累积，实现非连续信号、非平稳信号背景下对弱信号进行测向的目的。
本发明的技术方案为：
一种多信号混叠的伪空间谱累积测向方法，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，测向设备对弱信号测向的累积次数，测向设备的所有天线在每次测向时采集的阵列快拍信号的快拍数；
S2、其次确定每次测向设备的所有天线采集的阵列快拍信号，并分别确定阵列快拍信号的样本自相关矩阵；
S3、然后对每次测向时采集的阵列快拍信号的样本自相关矩阵进行奇异值分解，确定最小奇异值对应的奇异向量；
S4、接着对应搜索的方向集合中的搜索方向，将每次测向时采集的阵列快拍信号的样本自相关矩阵的最小奇异值对应的奇异向量累积在一起，进而确定伪空间谱累积特征；
S5、最后确定由伪空间谱累积特征组成的集合中的最大值对应的搜索方向为多信号混叠的伪空间谱累积测向结果。
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θn，搜索的方向集合为{θ1,θ2,…,θN}、与搜索方向θn对应的方向向量为α(θn)，n＝1,2,…,N，所有方向向量组成的集合为{a(θ1),a(θ2),……,a(θN)}，测向设备对弱信号测向的累积次数为P，测向设备的所有天线在第p次测向时采集的阵列快拍信号的快拍数为L，p＝1,2,…,P；
S2、确定P次测向时测向设备的所有天线采集的阵列快拍信号，第p次测向时采集的阵列快拍信号为M×L阶矩阵X(p)，p＝1,2,…,P；由P次测向时测向设备的所有天线采集的阵列快拍信号，分别确定P次测向时测向设备的所有天线采集的阵列快拍信号的样本自相关矩阵，第p次测向时采集的阵列快拍信号的样本自相关矩阵Rp为：
Rp＝X(p)XH(p)
其中，H为矩阵的共轭转置；
S3、对第p次测向时采集的阵列快拍信号的样本自相关矩阵Rp进行奇异值分解，确定最小奇异值对应的奇异向量为uM(p)，p＝1,2,…,P；
S4、对应搜索的方向集合中的搜索方向θn，将由第p次测向时采集的阵列快拍信号的样本自相关矩阵Rp的最小奇异值对应的奇异向量uM(p)累积在一起，确定P个时刻的伪空间谱累积特征为：
其中，| |表示绝对值，n＝1,2,…,N；
S5、确定伪空间谱累积特征组成的集合{g(θ1),g(θ2),…,g(θN)}中的最大值对应的搜索方向为多信号混叠的伪空间谱累积测向结果。
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)}，测向设备对弱信号测向的累积次数P＝10，测向设备的所有天线在每次测向时采集的阵列快拍信号的快拍数L＝32,64,…,4096，本例中L＝32。在第1～10次测向采集的阵列快拍信号中，非连续、非平稳强信号的来波方向分别为(58.8813，-24.5551)度、(-62.8739、-52.9652)度、(35.9848，-32.7991)度、(-55.3187，-69.8114)度、(21.6315，-32.4926)度、(61.2979，-74.2440)度、(63.4301，65.0451)度、(15.7117，-7.6549)度、(11.6455，-48.7339)度、(34.4285，-19.5833)度，信噪比都为40dB，弱信号的来波方向为0.7760度，信噪比为-10dB。
如图1-7所示，利用常规波束形成、最小方差无失真响应、多信号分类等测向方法，从每次测向时确定的空间谱的峰值位置中，只能较准确的确定其中2个强信号的来波方向，难以确定弱信号的来波方向；即使将10次测向时确定的空间谱累积在一起，也只能较准确的确定总共10个强信号的来波方向，难以确定弱信号的来波方向。而采用本发明方法，由伪空间谱累积特征组成的集合中的最大值对应的搜索方向确定多信号混叠的伪空间谱累积测向结果，确定的弱信号来波方向的测向误差为0.1760度，实现了非连续强信号、非平稳强信号背景下对弱信号进行测向的目的。
本发明的有益效果是：在每次常规波束形成、最小方差无失真响应、多信号分类等测向方法都难以确定弱信号的来波方向，并且即使将常规波束形成、最小方差无失真响应、多信号分类等测向方法多次测向时确定的空间谱累积在一起也难以确定弱信号的来波方向时，使用本发明提出的一种多信号混叠的伪空间谱累积测向方法，可以由伪空间谱累积特征组成的集合中的最大值对应的搜索方向确定弱信号测向结果，适用于非连续强信号、非平稳强信号背景下对弱信号进行测向的场合。
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 (4)

1.一种多信号混叠的伪空间谱累积测向方法，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，测向设备对弱信号测向的累积次数，测向设备的所有天线在每次测向时采集的阵列快拍信号的快拍数；
S2、其次确定每次测向设备的所有天线采集的阵列快拍信号，并分别确定阵列快拍信号的样本自相关矩阵；
S3、然后对每次测向时采集的阵列快拍信号的样本自相关矩阵进行奇异值分解，确定最小奇异值对应的奇异向量；
S4、接着对应搜索的方向集合中的搜索方向，将每次测向时采集的阵列快拍信号的样本自相关矩阵的最小奇异值对应的奇异向量累积在一起，进而确定伪空间谱累积特征；
S5、最后确定由伪空间谱累积特征组成的集合中的最大值对应的搜索方向为多信号混叠的伪空间谱累积测向结果；
其中，
所述步骤S1中，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θn，搜索的方向集合为{θ1，θ2，…，θN}、与搜索方向θn对应的方向向量为a(θn)，n＝1,2,…,N，所有方向向量组成的集合为{a(θ1),a(θ2),……,a(θN)}；
所述步骤S1中，测向设备对弱信号测向的累积次数为P，测向设备的所有天线在第p次测向时采集的阵列快拍信号的快拍数为L，p＝1,2,…,P；
所述步骤S2中，确定每次测向设备的所有天线采集的阵列快拍信号具体包括：
确定P次测向时测向设备的所有天线采集的阵列快拍信号，第p次测向时采集的阵列快拍信号为M×L阶矩阵X(p)，p＝1,2,…,P；
所述步骤S2中，确定阵列快拍信号的样本自相关矩阵具体包括：由P次测向时测向设备的所有天线采集的阵列快拍信号，分别确定P次测向时测向设备的所有天线采集的阵列快拍信号的样本自相关矩阵，第p次测向时采集的阵列快拍信号的样本自相关矩阵Rp为：
Rp＝X(p)XH(p)
其中，H为矩阵的共轭转置；
所述步骤S3具体包括：对第p次测向时采集的阵列快拍信号的样本自相关矩阵Rp进行奇异值分解，确定最小奇异值对应的奇异向量为uM(p)，p＝1,2,…,P；
所述步骤S4具体包括：对应搜索的方向集合中的搜索方向θn，将由第p次测向时采集的阵列快拍信号的样本自相关矩阵Rp的最小奇异值对应的奇异向量uM(p)累积在一起，确定P个时刻的伪空间谱累积特征为：
其中，||表示绝对值，n＝1,2,…,N。
2.如权利要求1所述的多信号混叠的伪空间谱累积测向方法，其特征在于，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)}。
3.如权利要求1所述的多信号混叠的伪空间谱累积测向方法，其特征在于，测向设备的所有天线在每次测向时采集的阵列快拍信号的快拍数L＝32,64,…,4096。
4.如权利要求1所述的多信号混叠的伪空间谱累积测向方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：确定伪空间谱累积特征组成的集合{g(θ1),g(θ2),…,g(θN)}中的最大值对应的搜索方向为多信号混叠的伪空间谱累积测向结果。
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