一种近端多径条件下阵列测向精度的评估方法与流程

1.本发明涉及信号处理中的阵列测向领域，更为具体的，涉及一种近端多径条件下阵列测向精度的评估方法。


背景技术：

2.现有对多径效应影响测向精度的评估方法是远端多径效应影响测向精度评估方法。该类评估方法主要采用镜面反射原理建立多径传输模型，分析远端多径信号进入天线，造成天线阵元间接收信号的幅度差、相位差变化，推出幅度差、相位差变化公式，并根据交叉波束测向、干涉仪测向、圆阵相关法测向等推导出测向误差公式，将远端多径条件下的幅度差、相位差误差带入测向误差公式计算，分析评估远端多径效应的测向精度。
3.题目：多径效应引起的测向误差分析，唐益民，沈岚，许海龙；电子对抗，2005，101(2)，page(s)：15-20，该论文提到在远端多径信号条件下，根据交叉波束测向原理，推导多径信号引入的交叉波束测向误差公式，再计算多径条件下的测向精度。多路径效应对反辐射导弹被动雷达导引头性能的影响分析，任子西；战术导弹技术2009，(3)，page(s)：1-5；针对多径效应的测向误差分析，赵勇宽，周新建，樊永强，电子工程2011，(4)，page(s)：43-45，这两篇论文都提到了在远端多径信号条件下，根据多径位置关系，先推导多径引入的相位差误差，从而推导出多径条件下的测向误差影响公式，计算多径对测向精度的影响。
4.题目：多径效应对被动测向系统的影响分析，唐勇，钟都都，左乐，电子信息对抗技术2019，34(6)，page(s)：10-13，多径环境中被动雷达导引头测向性能分析，陈鑫，王浩丞，唐勇，符为，电子信息对抗技术2011，26(4)，page(s)：1-4，这两篇论文都提到了在远端多径信号条件下，针对干涉仪测向，构建远端多径模型，先计算多径信号带来的天线相位差误差，然后带入干涉仪公式计算多径情况下的测向角度，再根据理论值分析多径对测向精度的影响。
5.题目：多径效应对信号接收及方向测量的影响，毛虎，杨建波，邱宏坤，电讯技术2010，50(10)，page(s)：63-68，该论文提到在远端多径信号条件下，针对机载l阵相位干涉仪测向体制、圆阵相关法测向体制先推导出测向误差公式，再构建远端多径模型，针对干涉仪测向，将远端多径信号引起的相位差误差带入干涉仪测向误差公式；针对圆阵相关法测向，将远端多径引入的相关系数计算误差带入圆阵相关法测向误差公式。
6.题目：多径效应对测向误差的影响，谢飞，张忠臣，张鹏，李博章，电子测量技术2010，33(1)，page(s)：29-31，这篇论文通过无线电波在自由空间的传播理论，推导多径反射波引入的相位差变化，再推导多径对俯仰角度的影响公式。
7.由此可见，针对近端多径效应，现有解决方案中未能给出解决方案。实际上，通常在有近端多径效应影响的情况下，可以运用电磁仿真软件建模仿真多径效应对方向图的影响，再代入测向算法仿真测向精度。即先对天线建模仿真天线方向图，再对天线和反射物体建模仿真得到在近端多径情况下的天线方向图，然后求得近端多径效应对天线阵元间的幅度差、相位差的影响，最后根据干涉仪测向、圆阵相关法测向、阵列测向算法等计算近端多
径条件下的测向误差，但是这种方法存在建模复杂，耗时多，不能直观分析近端多径影响的问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种近端多径条件下阵列测向精度的评估方法，针对近端多径效应，根据天线阵列与近端强散射体的相对位置关系评估近端多径效应造成的测向误差，评估结果可指导测试环境、试验环境的具体优化改善，可定量支撑对阵列单元方向图的指标要求等。
9.本发明的目的是通过以下方案实现的：
10.一种近端多径条件下阵列测向精度的评估方法，包括：
11.步骤s1，按照阵列阵元空间布阵位置关系构建阵列流型；
12.步骤s2，设定单一信号入射波方向；
13.步骤s3，根据天线阵列与近端强散射体的相对位置关系确定反射系数、阵列近端多径信号路径、多径信号数量和多径信号角度；
14.步骤s4，描述多径信号的复矢量形式；
15.步骤s5，将多径信号的复矢量形式与入射信号矢量合成为复平面上的合成信号矢量形式；
16.步骤s6，将合成信号矢量形式代入阵列测向算法，仿真解算近端多径条件下的阵列测向角度，将该解算角度与入射波理论角度对比，快速评估近端多径效应造成的测向误差。
17.进一步地，所述按照阵列阵元空间布阵位置关系构建阵列流型包括如下两种构造方式：设定某频率f0信号，在暗室环境下，离散设置入射波空间角，获取接收阵列各阵元幅相参数；或设定某频率f0信号，离散设置入射波空间角，按照阵元布阵关系计算获得接收阵列各阵元幅相参数；其中，入射空间角(фi，θj)，i＝1，2，
…
，n；j＝1，2，
…
，n，фi为入射信号的方位角，θj为入射信号的俯仰角，i，j分别为入射信号角度的离散点，按照二维阵列遍列n
×
n个角度，n为正整数。
18.进一步地，所述设定单一信号入射波方向包括子步骤：设置一个远端方式入射信号的矢量表示为：u0(t)为阵元接收信号增益，为初相，ω0＝2πf0为入射信号的频率。
19.进一步地，根据天线阵列与近端强散射体的相对位置关系确定反射系数包括子步骤：确定分析天线阵列周围环境和物体表面粗糙程度，根据瑞利准则判断是否存在强反射体，根据经验值确定反射系数γ。
20.进一步地，根据天线阵列与近端强散射体的相对位置关系确定阵列近端多径信号路径、多径信号数量和多径信号角度包括子步骤：根据天线阵列与近端强散射体的相对位置关系、强散射体的特性，以及入射波的方向，按照镜面反射原理确定近端多径信号路径，分析多径信号的个数，按照空间几何方法计算近端多径信号角度(фk，θk)，k＝1，2，
…
，d，其中d为多径信号个数。
21.进一步地，所述描述多径信号的复矢量形式包括子步骤：设置多径信号的复矢量
形式为：式中，uk(t)＝γ
kgk
(ф，θ)，γk为反射波的反射系数，gk(ф，θ)为接收阵列天线单元方向图函数，为因反射物表面粗糙度导致间接路径的相位偏移。
22.进一步地，所述并与入射信号矢量合成为复平面上的合成信号矢量形式，包括如下子步骤：入射信号矢量与多径信号在复平面上的合成信号矢量表示为m，其中m为阵列的阵元个数，为第i个阵元接收第k(k＝0，1，2，
…
，d)个信号相对坐标原点的时差，其中(xi，yi，zi)为天线阵元的空间坐标；ni(t)为各阵元不相关的均值为0，方差为σ2的复高斯白噪声；接收阵列表达式为x(t)＝as(t) n(t)，其中x(t)＝[x1(t)x2(t)
…
xm(t)]
t
，s(t)＝[s0(t)s1(t)
…
sd(t)]
t
，n(t)＝[n1(t)n2(t)
…
nm(t)]
t
，a为m
×
(d 1)维空域阵列流型矩阵，a＝[a0(ω0)a1(ω0)
…ad
(ω0)]，阵列协方差矩阵为r
x
＝e(xxh)＝ar
sah
rn＝ar
sah
σ2i；xh为矩阵x的共轭转置矩阵，rs为信号协方差矩阵，rn为噪声协方差矩阵，i为m
×
m的单位矩阵。
[0023]
进一步地，所述代入阵列测向算法，仿真解算近端多径条件下的阵列测向角度，将该解算角度与入射波理论角度对比，快速评估近端多径效应造成的测向误差包括如下子步骤：按照阵列测向算法，将阵列接收合成信号矢量的协方差矩阵r
x
进行特征值分解得到m个特征值，构造噪声空间，计算空间谱函数，搜索空间谱函数的峰值，若谱峰过门限，其峰值位置就为近端多径效应条件下入射信号的doa估计值。
[0024]
进一步地，包括：
[0025]
步骤s7：l次重复步骤s6，得到doa估计值(ф
l
，θ
l
)，l＝1，2
…
l，按照测向误差评估方法求测向均方根误差，统计在近端多径效应条件下的doa估计值与入射波理论空间角度(фz，θz)的测向均方根误差和实现快速评估近端多径效应下的测向精度。
[0026]
进一步地，包括：步骤s8：设置不同频率f0，重复步骤s1至步骤s8，得到在近端多径效应下阵列不同频率的测向精度，判断近端多径对阵列不同频率的测向精度影响。
[0027]
本发明的有益效果是：
[0028]
本发明实施例在试验、测试现场分析阵列周围强散射体，根据天线阵列与近端强散射体的相对位置关系，将入射信号空间角、多径反射系数、多径信号空间角、阵元方向图函数等代入近端多径信号与入射信号的在复平面上的合成信号矢量形式表达式，再代入阵列测向算法，可以快速分析当前近端多径条件下的阵列测向误差，根据计算结果快速判断近端多径对测向精度的影响程度。
[0029]
本发明实施例通过设置不同的入射信号空间角、多径信号数量，反射系数、多径信
号角度、以及阵列单元的方向图函数等进行测向精度仿真分析，根据仿真结果可以定量的获得多径效应对测向精度的影响因素和程度。评估结果可指导对测试环境、试验环境的具体优化方案，可定量分析支撑对阵列单元方向图的指标要求。该方法具有评估快速性、直观性、实用性。
[0030]
本发明实施例不仅适用于近端强散射体产生多径信号下的阵列测向精度的评估，也可用于远端多径效应影响阵列测向精度的评估，该方法具有通用性。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]
图1为本发明实施例中入射波空间角定义示意图；
[0033]
图2为本发明实施例中阵列安装于飞机腹部挂飞时，按照天线阵列与近端强散射体的相对位置关系，来波s0在入射信号角度θ增大到一定程度时，机腹会产生较强的近端多径信号示意图。
具体实施方式
[0034]
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
[0035]
本发明实施例的附图包括图1、图2。下面根据附图1～图2，对本发明的技术构思、工作原理、功效和工作过程作进一步详细说明。
[0036]
本发明提供一种针对近端多径条件下阵列测向精度的快速评估方法，其技术构思在于：按照阵列阵元空间布阵位置关系构建阵列流型，设定单一信号入射波方向(ф，θ)，根据天线阵列与近端强散射体的相对位置关系，确定阵列近端多径信号路径，多径信号数量，反射系数、多径信号角度等，描述多径信号的复矢量形式，与入射信号矢量合成为复平面上的合成信号矢量形式，代入阵列测向算法，仿真解算近端多径条件下的阵列测向角度，将该解算角度与入射波理论角度对比，快速评估近端多径效应造成的测向误差。
[0037]
在具体实施时，具体步骤详细说明如下：
[0038]
步骤1：按照阵列阵元布阵空间位置关系构建阵列流型a，阵列流型a构造方式有两种：一是设定某频率f0信号，在满足要求的暗室环境下，离散设置入射波空间角，获取接收阵列各阵元幅相参数；二是设定某频率f0信号，离散设置入射波空间角，按照阵元布阵关系计算获得接收阵列各阵元幅相参数。入射空间角(фi，θj)，i＝1，2，
…
，n；j＝1，2，
…
，n，其中фi为入射信号的方位角，θj为入射信号的俯仰角，i，j分别为入射信号角度的离散点，按照二维阵列遍列n
×
n个角度。
[0039]
步骤2：设置一个远端方式入射信号的矢量表示为：步骤2：设置一个远端方式入射信号的矢量表示为：设来波的初相u0(t)为阵元接收信号增益，其值归一化为1，即信号幅度u0(t)＝1，简化入射信号矢量表示为ω0＝2πf0为入射信号的频率。
[0040]
步骤3：确定分析天线阵列周围环境和物体表面粗糙程度，根据瑞利准则判断是否存在强反射体，根据经验值确定反射系数γ。
[0041]
步骤4：根据天线阵列与近端强散射体的相对位置关系、强散射体的特性，以及入射波的方向，按照镜面反射原理确定近端多径信号路径，分析多径信号的个数，按照空间几何方法计算近端多径信号角度(фk，θk)，k＝1，2，
…
，d；其中d为多径信号个数。
[0042]
步骤5：设置多径信号的复矢量形式为步骤5：设置多径信号的复矢量形式为式中，uk(t)＝γ
kgk
(ф，θ)，γk为反射波的反射系数，gk(ф，θ)为接收阵列天线单元方向图函数(增益归一化为1)，ω0＝2πf0为入射信号的频率，为因反射物表面粗糙度导致间接路径的相位偏移。
[0043]
步骤6：入射信号矢量与多径信号在复平面上的合成信号矢量表示为其中m为阵列的阵元个数，为第i(i＝1，2，
…
，m)个阵元接收第k(k＝0，1，2，
…
，d)个信号相对坐标原点的时差，其中(xi，yi，zi)为天线阵元的空间坐标；ni(t)为各阵元不相关的均值为0，方差为σ2的复高斯白噪声；接收阵列表达式为x(t)＝as(t) n(t)，其协方差矩阵为r
x
＝e(xxh)＝ar
sah
σ2i。
[0044]
步骤7：按照阵列测向算法，将阵列接收合成信号矢量协方差矩阵r
x
进行特征值分解得到m个特征值，因为设置入射信号为一个，多径信号有d个，入射信号与多径信号是相干信号，所以协方差矩阵秩为1(秩数不等于信源数，导致测向误差)。较大的特征值对应的特征矢量张成信号子空间us＝[v1]，较小的m-1个特征值对应的特征矢量张成噪声子空间un＝[v2，
…
，vm]。带入空间谱函数搜索空间谱函数的峰值，其峰值位置就为近端多径效应条件下入射信号的doa估计值。搜索谱峰要过门限才能输出角度，如果受多径影响无过门限的谱峰，则判断为doa估计无效，无角度输出，此时近端多径效应对阵列测向影响很大，已导致阵列测向算法失效。
[0045]
步骤8：l次重复步骤6和步骤7，得到doa估计值(ф
l
，θ
l
)，l＝1，2
…
l，按照测向误差评估方法求测向均方根误差，统计在近端多径效应条件下的doa估计值与入射波理论空间角度(фz，θz)的测向均方根误差和快速评估近端多径效应下的测向精度。
[0046]
步骤9：设置不同频率f0，重复步骤1至步骤8，得到在近端多径效应下阵列不同频率的测向精度，判断近端多径对阵列不同频率的测向精度影响。
[0047]
对任意空间阵列布阵模型，入射波角度定义如图1所示。入射波方向为os，定义分别为入射信号的方位角ф和俯仰角θ。多径信号入射角度定义也如图1所示。
[0048]
本实施例如图2所示。例举说明，将阵列安装于飞机腹部挂飞时，运用该方法进行测向精度的评估，从而对本评估方法进一步说明。按照天线阵列与近端强散射体的相对位置关系，来波s0在入射信号角度θ增大到一定程度时，机腹会产生较强的近端多径信号。
[0049]
实施例1：一种近端多径条件下阵列测向精度的评估方法，包括：
[0050]
步骤s1，按照阵列阵元空间布阵位置关系构建阵列流型；
[0051]
步骤s2，设定单一信号入射波方向；
[0052]
步骤s3，根据天线阵列与近端强散射体的相对位置关系确定反射系数、阵列近端多径信号路径、多径信号数量和多径信号角度；
[0053]
步骤s4，描述多径信号的复矢量形式；
[0054]
步骤s5，将多径信号的复矢量形式与入射信号矢量合成为复平面上的合成信号矢量形式；
[0055]
步骤s6，将合成信号矢量形式代入阵列测向算法，仿真解算近端多径条件下的阵列测向角度，将该解算角度与入射波理论角度对比，快速评估近端多径效应造成的测向误差。
[0056]
实施例2：在实施例1的基础上，所述按照阵列阵元空间布阵位置关系构建阵列流型包括如下两种构造方式：设定某频率f0信号，在暗室环境下，离散设置入射波空间角，获取接收阵列各阵元幅相参数；或设定某频率f0信号，离散设置入射波空间角，按照阵元布阵关系计算获得接收阵列各阵元幅相参数；其中，入射空间角(фi，θj)，i＝1，2，
…
，n；j＝1，2，
…
，n，фi为入射信号的方位角，θj为入射信号的俯仰角，i，j分别为入射信号角度的离散点，按照二维阵列遍列n
×
n个角度，n为正整数。
[0057]
实施例3：在实施例1的基础上，所述设定单一信号入射波方向(ф，θ)包括子步骤：设置一个远端方式入射信号的矢量表示为：设置一个远端方式入射信号的矢量表示为：u0(t)为阵元接收信号增益，为初相，ω0＝2πf0为入射信号的频率。
[0058]
实施例4：在实施例1的基础上，根据天线阵列与近端强散射体的相对位置关系确定反射系数包括子步骤：确定分析天线阵列周围环境和物体表面粗糙程度，根据瑞利准则判断是否存在强反射体，根据经验值确定反射系数γ。
[0059]
实施例5：在实施例1的基础上，根据天线阵列与近端强散射体的相对位置关系确定阵列近端多径信号路径、多径信号数量和多径信号角度包括子步骤：根据天线阵列与近端强散射体的相对位置关系、强散射体的特性，以及入射波的方向，按照镜面反射原理确定近端多径信号路径，分析多径信号的个数，按照空间几何方法计算近端多径信号角度(фk，θk)，k＝1，2，
…
，d，其中d为多径信号个数。
[0060]
实施例6：在实施例1的基础上，所述描述多径信号的复矢量形式包括子步骤：设置多径信号的复矢量形式为：多径信号的复矢量形式为：式中，uk(t)＝γ
kgk
(ф，θ)，γk为反射波的反射系数，gk(ф，θ)为接收阵列天线单元方向图函数，为因反射物表面粗糙度导致间接路径的相位偏移。
[0061]
实施例7：在实施例1的基础上，所述并与入射信号矢量合成为复平面上的合成信号矢量形式，包括如下子步骤：入射信号矢量与多径信号在复平面上的合成信号矢量表示为为其中m为阵列的阵元个数，为第i个阵元接收第k(k＝0，1，2，
…
，d)个
信号相对坐标原点的时差，其中(xi，yi，zi)为天线阵元的空间坐标；ni(t)为各阵元不相关的均值为0，方差为σ2的复高斯白噪声；接收阵列表达式为x(t)＝as(t) n(t)，其中x(t)＝[x1(t)x2(t)
…
xm(t)]
t
，s(t)＝[s0(t)s1(t)
…
sd(t)]
t
，n(t)＝[n1(t)n2(t)
…
nm(t)]
t
，a为m
×
9d 1)维空域阵列流型矩阵，a＝[a0(ω0)a1(ω0)
…ad
(ω0)]，阵列协方差矩阵为r
x
＝e(xxh)＝ar
sah
rn＝ar
sah
σ2i；xh为矩阵x的共轭转置矩阵，rs为信号协方差矩阵，rn为噪声协方差矩阵，i为m
×
m的单位矩阵。
[0062]
实施例8：在实施例1的基础上，所述代入阵列测向算法，仿真解算近端多径条件下的阵列测向角度，将该解算角度与入射波理论角度对比，快速评估近端多径效应造成的测向误差包括如下子步骤：按照阵列测向算法，将阵列接收合成信号矢量的协方差矩阵r
x
进行特征值分解得到m个特征值，构造噪声空间，计算空间谱函数，搜索空间谱函数的峰值，若谱峰过门限，其峰值位置就为近端多径效应条件下入射信号的doa估计值。在该实施方案中，因为设置入射信号为一个，多径信号有d个，入射信号与多径信号是相干信号，所以协方差矩阵r
x
秩为1，秩数不等于信源数，导致测向误差；
[0063]
较大的特征值对应的特征矢量张成信号子空间us＝[v1]，较小的m-1个特征值对应的特征矢量张成噪声子空间un＝[v2，
…
，vm]；
[0064]
带入空间谱函数搜索空间谱函数的峰值，其峰值位置就为近端多径效应条件下入射信号的doa估计值；
[0065]
搜索谱峰要过门限才能输出角度，如果受多径影响无过门限的谱峰，则判断为doa估计无效，无角度输出，此时近端多径效应对阵列测向影响很大，已导致阵列测向算法失效。
[0066]
实施例9：在实施例1的基础上，包括：
[0067]
步骤s7：l次重复步骤s6，得到doa估计值(ф
l
，θ
l
)，l＝1，2
…
l，按照测向误差评估方法求测向均方根误差，统计在近端多径效应条件下的doa估计值与入射波理论空间角度(фz，θz)的测向均方根误差和实现快速评估近端多径效应下的测向精度。
[0068]
实施例10：在实施例1的基础上，包括：步骤s8：设置不同频率f0，重复步骤s1至步骤s8，得到在近端多径效应下阵列不同频率的测向精度，判断近端多径对阵列不同频率的测向精度影响。
[0069]
实施例11：依据本发明的技术构思，在具体实施时，执行如下步骤：
[0070]
步骤一：设阵列为五元均匀圆阵，圆周半径为0.2m，阵元分布于xoz平面，坐标原点o为阵元圆心，阵元1位于x轴正向，可得各阵元的空间坐标(xi，yi，zi)，i＝1，2，
…
，5；设入射信号频率f0＝1ghz，阵列流型可以通过暗室校正方式获得，也可以按照各阵接收信号时延与来波方向的关系获得理论值。
[0071]
步骤二：设入射信号频率为f0＝1ghz，入射信号矢量表示为
[0072]
步骤三：阵列挂装于飞机腹部，安装实例如图2所示。按照装机关系可以初步计算入射角ф为小角度，θ为大角度时，机体会产生较大的反射，设入射信号角度为(ф＝0
°
，θ＝-13
°
)；
[0073]
步骤四：按照天线阵列与近端强散射体的相对位置关系，以及机体的结构特点和挂架关系，入射信号角度等，按照镜面反射原理确定近端多径信号路径，分析估计得出有2个多径信号，一个为机体反射、一个为挂架反射，估算机体产生多径信号入射角为(ф1＝0
°
，θ1＝13
°
)，机体的反射系数都为γ1＝0.8，天线方向图函数g(ф1，θ1)＝0db，相位设为挂架二次反射产生多径信号入射角度为(ф2＝0
°
，θ2＝167
°
)，设反射系数为γ2＝0.5，天线方向图函数g(ф2，θ2)＝-11db，相位设为
[0074]
步骤五：将步骤四分析估计的机体、挂架等近端多径强反射体产生的多径信号代入复矢量形式为
[0075]
步骤六：将前述入射信号和多径信号等代入合成矢量表达式求得阵列的接收矩阵x(t)和接收矩阵的协方差矩阵r
x
＝e(xxh)。
[0076]
步骤七：按照阵列测向算法对协方差矩阵进行特征值分解，构造噪声空间，计算空间谱函数，搜索空间谱函数的峰值，若谱峰过门限，其峰值位置就为近端多径效应条件下入射信号的doa估计值。
[0077]
步骤八：重复计算10次，统计在近端多径效应条件下的doa估计值与入射波理论空间角度的测向均方根误差δф＝0.1
°
，δθ＝11.6
°
。
[0078]
本实施例的评估结果表明，此机体产生的近端多径效应对该阵列该频点测向精度影响较大，特别是俯仰角θ受多径影响严重，这与实际情况相符。
[0079]
本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。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或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，在一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)以及相应的软件中执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，进行测试或者实际的数据在程序实现中存在于只读存储器(random access memory，ram)、随机存取存储器(random access memory，ram)等。