一种基于多极化矢量天线阵列压缩采样的测向方法及装置与流程

1.本发明涉及阵列信号处理领域的测向技术领域，特别是一种基于多极化矢量天线阵列压缩采样的测向方法及装置。


背景技术：

2.现有的传统测向装置一般多采用单极化环形布阵结合多通道接收处理机的方案。该方案中采用矢量天线阵列，利用多个单极化天线不同的极化特性感知信号的极化信息，并利用阵列的几何结构对空间信号进行空域采样获取电磁信号的到达角度信息。信号通过射频网络进行滤波、放大，经下变频到多通道采集模块，最后在信号处理模块中计算信号的到达角度。单极化环形布阵中，多个单极化天线单元环形均匀布置组成矢量阵列。空间电磁信号可能以任意极化方式到达天线阵列，传统单极化天线均匀布阵方式存在部分天线单元极化失配的问题，天线单元失配增益损失20~25db，直接导致天线阵列有效天线单元减少，测向误差增大，高频段测向模糊，甚至无法测向等问题。抑制极化失配的影响的主要方法就是通过增加单极化天线的个数来丰富矢量阵列的极化多样性，以降低极化失配对测向性能的影响。一般情况下，天线的数量越多，组成的极化方式也越多，阵列的极化特性也就越丰富。传统测向方案中，天线个数等于多通道接收处理机的通道个数，受限于设备的重量、体积、功耗、信号处理资源等，无法通过增加较多数量的天线以丰富阵列天线的极化多样性，工程上实现也较为困难。


技术实现要素：

3.鉴于此，本发明提供一种基于多极化矢量天线阵列压缩采样的测向方法及装置，在接收通道数量不变的条件下，仅通过增加部分阵列天线的数量，结合射频网络对阵列压缩采样，减小了天线极化失配的影响，提高了测向性能。
4.本发明公开了一种基于多极化矢量天线阵列压缩采样的测向装置，包括：天线阵列、信号处理模块、数字采集处理模块、频率源、下变频模块、滤波及放大模块；所述天线阵列、所述滤波及放大模块、所述下变频模块、所述数字采集处理模块和所述信号处理模块依次相连；所述频率源分别与所述信号处理模块和所述下变频模块相连；所述天线阵列用于接收多个辐射源输出的在时域上有重叠的辐射信号；所述信号处理模块用于生成对所述辐射信号进行压缩采样的伪随机序列。
5.可选的，所述天线阵列的阵元个数大于所述测向装置的接收处理通道个数。
6.可选的，所述天线阵列为多极化矢量天线阵列。
7.本发明还公开了一种基于上述所述的基于多极化矢量天线阵列压缩采样的测向装置的测向方法，包括以下步骤：步骤1、获取天线阵列接收数据；所述天线阵列接收数据为多个辐射源输出的在时域上有重叠的辐射信号；
步骤2、利用信号处理模块产生伪随机序列，构建随机观测矩阵；步骤3、利用随机观测矩阵对天线阵列接收数据进行压缩采样，得到阵列压缩采样数据；步骤4、根据阵列压缩采样数据，得到噪声子空间；步骤5、根据噪声子空间，确定天线阵列接收数据的到达角度。
8.可选的，所述获取天线阵列接收数据包括：考虑空间中个远场信号入射到阵元数为的天线阵列上，其中第个远场信号的到达角度为；其中，的取值范围为1至；，时间内，则天线阵列接收数据为：式中，，为维阵列流型，为维信号矢量，表示第个信号，表示均值为0，方差为的复高斯白噪声；为极化导向矢量与空域导向矢量的kronecker积，式中，为空域导向矢量，为极化域导向矢量，为极化辅助角，为极化相位差。
9.可选的，所述步骤3具体为：利用维随机观测矩阵对天线阵列接收数据进行压缩采样，得到时刻阵列压缩采样数据；其中，小于；式中，是时刻的多通道数据，因此为维，若是时间内的，则是维矩阵，对应测向装置的接收处理通道个数，为维压缩阵列流型，为压缩采样后的噪声；采样后的噪声；采样后的噪声；式中，为第个信号压缩后的维的导向矢量；为的第个元素，表示第个远场信号经压缩后在第个通道上的响应；为随机观测矩阵中第行，
第列元素；为第个单元天线的矢量阵列上的响应；经下变频模块、多通道数字采集模块，对时间内压缩后的信号进行多通道数字采样，得到阵列压缩采样数据，其中，表示采样点，表示时间内的快拍数。
10.可选的，所述步骤4包括：步骤41、计算阵列压缩采样数据的协方差矩阵；步骤42、并所述协方差矩阵进行特征值分解提取噪声子空间。
11.可选的，所述步骤41具体为：对阵列压缩采样数据计算协方差矩阵，可得式中，为协方差矩阵，为的共轭转置矩阵，为的共轭转置矩阵，为的共轭转置矩阵，为数学期望；所述步骤42具体为：对协方差矩阵进行特征值分解；其中，特征值对应的特征向量张成的信号子空间为，特征值对应的特征向量张成的噪声子空间为，且与相互正交。
12.可选的，所述步骤5具体为：按照公式(1)进行music谱峰搜索，通过谱峰位置确定信号的到达角度， (1)式中，表示到达角度格点，为俯仰、方位搜索格点数，表示到达角度格点所对应的导向矢量，为的共轭转置矩阵，表示到达角度格点对应的谱峰；在空间中个远场信号对应的到达角度格点上，谱峰会出现极大值，因此通过谱峰极大值所对应的到达角度格点能够得到个到达角度的测量结果。
13.由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：基于多极化矢量阵列天线压缩采样的测向装置采用对矢量阵列天线压缩采样的处理方式，在保留信号极化信息的条件下，降低了天线阵列数据的维数，使得后端接收处理通道个数小于天线阵列阵元个数。因此可以通过保持后端接收处理通道个数不变，达到增加阵列天线个数，丰富矢量阵列的极化多样性，减少天线失配的影响的目的，提高测向性能。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为现有技术中传统单极化环形阵列示意图；图2为现有技术中传统测向装置组成示意图；图3为本发明实施例的一种测向装置组成示意图；图4为本发明实施例的一种测向方法示意图；图5为本发明实施例的一种测向实施场景示意图；图6为本发明实施例的一种二维到达角度测量结果示意图；图7为本发明实施例的一种角度分辨力比较示意图；图8为本发明实施例的一种测向均方根误差比较示意图。
具体实施方式
16.结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
17.现有的传统测向装置一般多采用单极化环形布阵（如图1所示） 多通道接收处理机（如图2所示）的方案。该方案中采用矢量天线阵列，利用多个单极化天线不同的极化特性感知信号的极化信息，并利用阵列的几何结构对空间信号进行空域采样获取电磁信号的到达角度信息。
18.为了便于理解，本发明提供了两个具体的实施例：实施例一：本实施例中，测向装置如图3所示，测向装置测向工作流程框图如图4所示。
19.基于测向装置的测向方法的具体步骤如下：s1、获取天线阵列接收数据；天线阵列接收数据为多个辐射源输出的在时域上有重叠的辐射信号；s2、利用信号处理模块产生伪随机序列，并构建随机观测矩阵；其中，伪随机序列可利用matlab等科学计算软件生成，并预先加载到信号处理模块中，将伪随机序列按列排序即可构成随机观测矩阵。
20.s3、利用随机观测矩阵对天线阵列接收数据进行压缩采样，得到阵列压缩采样数据；s4、根据阵列压缩采样数据，得到噪声子空间；s5、根据噪声子空间，确定天线阵列接收数据的到达角度。
21.具体的，天线阵列采用单极化环形布阵（也可用于其他布阵方式），个极化不同的单元天线按照环形布置，构成多极化矢量阵列。考虑空间中个远场信号入射到天线阵列上，其中第个信号的到达角度为，其中，则天线阵列接收数据可以表示为
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(2)式中，，为维阵列流型，为维信号矢量，表示第个信号，表示均值为0，方差为的复高斯白噪声。为极化导向矢量与空域导向矢量的kronecker积，如式（3）所示。
22.(3)式中，为空域导向矢量，为极化域导向矢量，表示极化辅助角，表示极化相位差。
23.利用维（）随机观测矩阵对天线阵列接收数据进行压缩采样，得到阵列压缩采样数据，如式（4）所示。
24.ꢀꢀ
(4)式中，是时刻的多通道数据，因此为维，若是时间内的，则是维矩阵，对应测向装置的接收处理通道个数；为压缩采样后的噪声；为维压缩阵列流型，如式（5）所示
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(5)(6)
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(7)式中，为第个信号压缩后的维的导向矢量；为的第个元素，表示第个远场信号经压缩后在第个通道上的响应；为随机观测矩阵中第行，第列元素；为第个单元天线的矢量阵列上的响应；经下变频模块、多通道数字采集模块，对时间内压缩后的信号进行多通道数字采样，得到阵列压缩采样数据，其中，表示采样点，表示时间内的快拍数。在时间内的数据是一个的矩阵，为通道个数，为每个通道的采样时间，数字采样后是一个的矩阵，就变成了时间内的采样点数，即快拍数。
25.与原始矢量天线阵列接收数据相比，压缩采样后的矢量阵列接收数据从维降低到了维，但是各天线的极化响应特性得以保留，经下变频模块变成中频信号，再通过多通道数字采集模块对压缩后的信号进行数字采样，得到数字信号，并对其计算协方差矩阵，可得
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(8)其中，为数学期望；表示采样点，为的共轭转置矩阵，为的共轭转置矩阵，为的共轭转置矩阵；对协方差矩阵进行特征值分解，其中特征值对应的特征向量张成的信号子空间为，特征值对应的特征向量张成的噪声子空间为，且与相互正交，按照式（1）进行music谱峰搜索，通过谱峰位置确定信号的到达角度。
[0026] (1)式中，表示到达角度格点，为俯仰、方位搜索格点数，表示到达角度格点所对应的导向矢量，为的共轭转置矩阵，表示到达角度格点对应的谱峰；在空间中个远场信号对应的到达角度格点上，谱峰会出现极大值，因此通过谱峰极大值所对应的到达角度格点能够得到个到达角度的测量结果。
[0027]
基于多极化矢量阵列天线压缩采样的测向装置采用对矢量阵列天线压缩采样的处理方式，在保留信号极化信息的条件下，降低了天线阵列数据的维数，使得后端接收处理通道个数小于天线阵列阵元个数。因此可以通过保持后端接收处理通道个数不变，达到增加阵列天线个数，丰富矢量阵列的极化多样性，减少天线失配的影响的目的，提高测向性能。
[0028]
如图3所示，本发明测向装置由信号处理器计算产生伪随机序列（伪随机序列可利用matlab等科学计算软件生成，并预先加载到信号处理模块中，将伪随机序列按列排序即可构成随机观测矩阵），并通过射频网络对矢量天线阵列接收到的射频信号进行压缩采样，经下变频模块等下变频到中频信号，再通过多通道数字采集处理器对中频信号进行并行采样处理，并将采样数据传输至信号处理器进行存储和处理。
[0029]
实施例二：本实施实例中，通过在微波暗室开展辐射源试验的方式，试验场景如图5所示。测向装置安装于转台上，由计算机远程控制。3个辐射源天线架设于暗室另一端，由目标模拟器产生采用信号并通过天线辐射。采用本发明提出的方法对多个辐射源信号进行到达角度测量。其中，辐射源信号条件设置如下：1）辐射源角度分别设置为(-5
°
，-15
°
)，(9
°
，3
°
)，(-10
°
，20
°
)。
[0030]
2）设置辐射源目标模拟器产生3路信号，且辐射源信号在时域上重叠。
[0031]
采用本发明提出的方法对信号到达角度进行测量的具体步骤如下：1）本发明天线采用环形布阵方式（也可采用任意布阵方式），阵元数，测向装
置接收处理通道个数；2）开启目标模拟器，设置1、2、3号辐射源输出，启动测向装置，接收空间辐射信号；3）测向装置信号处理模块产生伪随机序列，构建随机观测矩阵；4）利用随机观测矩阵对天线阵列接收数据进行压缩采样，降低数据维数，得到压缩后的数据，经下变频模块、多通道数字采集模块得到数字信号；5）计算的协方差矩阵，并通过特征值分解提取噪声子空间；6）按照实施例一中的式（8）进行music谱峰搜索，并根据谱峰的位置确定信号的到达角度；7）将本发明方法与传统的测向方法的测向精度进行对比，传统方法1设置阵元数，接收处理通道个数；传统方法2设置阵元数，接收处理通道个数。使得接收信噪比（snr）从0db变化到15db，分别统计二维角度测量的均方根误差（每个snr下，根据1000个脉冲数据的处理结果统计）；8）将本发明方法与传统的测向方法的分辨力进行对比。调整辐射3个辐射天线位置，使得3个信号俯仰角度均为0
°
，方位角度依次为0
°
，3
°
和6
°
。传统方法设置阵元数，接收处理通道个数，分别使用传统方法和本发明方法对3个辐射源目标进行角度分辨。
[0032]
图6给出了采用本发明测向装置测得的信号到达角度，并与辐射源实际空间位置做了比较（*表示实际值，
○
表示测量值）。如图6所示，本发明能够对全部3个辐射源的二维到达角度进行准确的测量。
[0033]
如图7所示，与传统方法1（阵元数，接收处理通道个数）相比，本发明在使用相同的接收通道的条件下（），由于矢量阵列的极化多样性得到了增强，降低了极化失配对测向性能的影响，因此，测向均方根误差更小，测向性能明显优于传统测向方法1；与传统方法2（阵元数，接收处理通道个数）相比较，在高信噪比条件下，测向均方根误差基本相同，测向性能相当，但是使用的接收通道数量减少了一半，节省了更多资源。
[0034]
如图8所示，在使用相同的接收通道的条件下（），由于极化失配的影响，阵列测向的分辨力降低，传统方法无法分辨3个辐射源目标角度，而本发明方法能够很好的区分出3个辐射源目标的角度，从而验证了采用本发明方法通过增加天线丰富了矢量阵列的极化多样性，降低了极化失配对阵列测向分辨力的影响，因此，角度分辨力显优于传统测向方法。
[0035]
上述验证可见，本发明采用多极化矢量阵列天线压缩采样的方式，在接收处理通道不变的条件下，通过增加天线单元个数，丰富了矢量阵列的极化多样性，减小了天线极化失配的影响，提高了阵列测向性能。与传统测向体制相比，测向精度、角度分辨性能等有明显的提高。
[0036]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何
修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。