阅读说明：本技术 一种基于相控阵的单通道空间谱测向方法 (Single-channel spatial spectrum direction finding method based on phased array ) 是由 刘寅生 段洪涛 李景春 唱亮 孙浩 李蓉 范振雄 于 2020-04-27 设计创作，主要内容包括：本发明实施例提供了一种基于相控阵的单通道空间谱测向方法,包括若干个测向天线,以及与天线数量相同的模拟移相器,每根测向天线与一个模拟移相器相连,经每个模拟移相器输出的模拟信号,经过合路器合并后送入到ADC进行采样,采样后的结果送入到测向接收机中,具体包括以下步骤：S1、通过对多个预定方位角方向的扫描估计出空域协方差矩阵；S2、对空域协方差矩阵进行特征值分解,获取噪声空间基向量；S3、基于噪声空间基向量通过谱峰搜索,获得来波信号估计。本发明实施例提供了一种基于相控阵的单通道空间谱测向方法,进一步降低了系统的成本和设计复杂度,具有更广泛的应用范围。(The embodiment of the invention provides a single-channel spatial spectrum direction finding method based on a phased array, which comprises a plurality of direction finding antennas and analog phase shifters with the same number as the antennas, wherein each direction finding antenna is connected with one analog phase shifter, analog signals output by each analog phase shifter are combined by a combiner and then sent to an ADC for sampling, and the result after sampling is sent to a direction finding receiver, and the method specifically comprises the following steps: s1, estimating a spatial covariance matrix through scanning a plurality of preset azimuth directions; s2, performing eigenvalue decomposition on the space domain covariance matrix to obtain a noise space basis vector; and S3, obtaining an incoming wave signal estimation through spectrum peak searching based on the noise space basis vector. The embodiment of the invention provides a single-channel spatial spectrum direction finding method based on a phased array, further reduces the cost and the design complexity of a system, and has a wider application range.)

一种基于相控阵的单通道空间谱测向方法

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，尤其涉及一种基于相控阵的单通道空间谱测向方法。

背景技术

无线电测向系统是无线电监测系统的重要组成部分，在军用、民用领域都具有十分重要的应用。作为一种新型无线电测向系统，空间谱测向系统是一种新型的无线电信号测向系统，它不但具有较高的测向分辨率和灵敏度，还能够对同一频率上的多个信号进行测向，是无线电监测系统未来的发展方向。空间谱测向系统主要依靠子空间信号处理技术来实现高分辨率测向。在系统硬件上，这就要求测向接收机中必须配备与天线数相同的射频接收通道，并且要求各个射频接收通道能够对接收信号进行相干采样。这种硬件要求不但给空间谱测向系统的研制带来了挑战，也使得空间谱测向系统的成本大大升高，不利于这一先进技术的推广应用。

目前，空间谱测向系统主要有两种方案，第一种是多通道方法，第二种是基于扰动向量的单通道方法。

多通道方案要求硬件上每个通道都配有一个接收通道，能够将所有测向天线上的接收信号送入到测向接收内部。这种空间谱测向方案，对系统硬件提出了较高的要求：首先，接收通道数与天线数一致，当天线数较大时，测向系统中必须配备大量的接收通道，大大增加了系统的成本；其次，为了获得不同天线上的相位差，各个接收通道的采样时钟必须采用相干时钟源，并且保证各个通道的采样时钟在时间上是对齐的，因此需要配备专用的时钟信号系统，不但进一步增加了系统成本，也增加了硬件设计的复杂度；最后，当各个测向天线上的接收信号经过采样汇聚至测向接收机时，在测向接收机中形成海量数据流，给测向接收机内部的数据处理软件和硬件都带来了巨大的挑战。

基于扰动向量的单通道方案虽然可以有效避免多通道方案的缺点，但由于阵列权系数需要对各个天线支路的幅度进行调整，所以每个测向天线除了要配备一个模拟移相器外，还需要配备一个可变增益放大器用来调整该支路的权系数幅度。多个可变增益放大器的引入，不但增加了系统的成本，也使系统研制的难度进一步提高；同时，对于一些不具备可变增益放大器的相控阵系统，由于各个支路只有模拟移相器，无法调整各个支路的权系数幅度，所以基于扰动向量的方法也无法应用在这类相控阵系统中。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于相控阵的单通道空间谱测向方法，以克服现有技术的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于相控阵的单通道空间谱测向方法，包括若干个测向天线，以及与天线数量相同的模拟移相器，每根测向天线与一个模拟移相器相连，经每个模拟移相器输出的模拟信号，经过合路器合并后送入到ADC进行采样，采样后的结果送入到测向接收机中，具体包括以下步骤：

S1、通过对多个预定方位角方向的扫描估计出空域协方差矩阵；

S2、对所述空域协方差矩阵进行特征值分解，获取噪声空间基向量；

S3、基于所述噪声空间基向量通过谱峰搜索，获得来波信号估计。

优选地，所述S1包括：

假设Q个已知的方位角均匀地分布于(-90°，90°)范围内，记为由模拟移相器组成的波束形成器调整自己的波束轮流指向

若当前方位角为θ^(q)，导向向量为a(θ^(q))，所述测向接收机得到的接收信号为：

c_q[n]＝a^H(θ^(q))y[n] (1)

其中，H为共轭转置；

获取N个采样点，n＝0,1,…,N-1，计算出当前的平均功率为：

其中，R表示未知的空域协方差矩阵；

利用矩阵变换关系，式(2)可以重写为：

其中，r＝vec(R)，T为矩阵转置，考虑到有Q个已知的方位角，式(3)扩展为一个由Q个方程组成的方程组，即

Ar＝p (4)

其中，A＝(A₁，A₂，…，A_Q)^T，p＝(P₁，P₂，…，P_Q)^T，矩阵A为非满秩矩阵，采用对角加载的方法求解式(4)中的未知向量r，即

其中，I表示M²×M²的单位矩阵，σ²表示对角加载系数，在得到后，通过下式重构出空域协方差矩阵：

优选地，所述S2包括：

通过特征值分解获取噪声空间基向量：

其中，V表示噪声空间基向量。

优选地，所述S3包括：

通过搜索如下代价函数的峰值，来获得来波信号的方位角估计：

其中，a(θ)为M×1的阵列导向向量，它的第m个元素可以表示为：

式中，(x_m，y_m)表示第m根测向天线的位置坐标。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种基于相控阵的单通道空间谱测向方法，只需要对每个支路的权系数作相位调整就可以恢复出空域协方差矩阵。因此，各个测向天线支路只需要配备模拟移相器即可，无需配备可变增益放大器。相比于基于扰动向量的单通道测向系统，基于相控阵的单通道测向方案中，每个测向天线支路仅需配备模拟移相器，进一步降低了系统的成本和设计复杂度；同时，不管各个天线支路是否安装可变增益放大器，都可以应用本发明提出的方法获得空域协方差矩阵估计，因此本发明的方法具有更广泛的应用范围。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于相控阵的单通道空间谱测向方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种基于相控阵的单通道空间谱测向系统示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施提供了一种基于相控阵的单通道空间谱测向方法，如图1-2所示：包括若干个测向天线，以及与天线数量相同的模拟移相器，每根测向天线与一个模拟移相器相连，经每个模拟移相器输出的模拟信号，经过合路器合并后送入到ADC进行采样，采样后的结果送入到测向接收机中，具体包括以下步骤：

S1、通过对多个预定方位角方向的扫描估计出空域协方差矩阵，包括：

假设Q个已知的方位角均匀地分布于(-90°，90°)范围内，记为由模拟移相器组成的波束形成器调整自己的波束轮流指向

若当前方位角为θ^(q)，那么导向向量为a(θ^(q))，这时所得到的接收信号可以表示为

c_q[n]＝a^H(θ^(q))y[n] (1)

其中，H为共轭转置。

获取N个采样点，n＝0,1,…,N-1，可以计算出当前的平均功率为

其中，R表示未知的空域协方差矩阵。

利用矩阵变换关系，式(2)可以重写为

其中r＝vec(R)，T为矩阵转置。考虑到有Q个已知的方位角，式(3)可以扩展为一个由Q个方程组成的方程组，即

Ar＝p (4)

其中A＝(A₁，A₂，…，A_Q)^T，p＝(P₁，P₂，…，P_Q)^T。由于矩阵A为非满秩矩阵，可以采用对角加载的方法求解式(17)中的未知向量r，即

其中I表示M²×M²的单位矩阵，σ²表示对角加载系数。在得到后，可以通过下式重构出空域协方差矩阵

S2、对空域协方差矩阵进行特征值分解，获取噪声空间基向量，包括：通过特征值分解获取噪声空间基向量

其中，v表示噪声空间基向量。

S3、基于噪声空间基向量通过谱峰搜索，获得来波信号估计，包括：通过搜索如下代价函数的峰值，来获得来波信号的方位角估计

其中，a(θ)为M×1的阵列导向向量，它的第m个元素可以表示为

这里，(x_m，y_m)表示第m根测向天线的位置坐标。

综上所述，本发明实施例提供的一种基于相控阵的单通道空间谱测向方法，在单通道相控阵系统中，通过对多个预定方向的扫描估计出空域协方差矩阵，从而在单通道相控阵系统中实现空间谱测向方法。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。