本發(fā)明屬電子信息技術(shù)領(lǐng)域，涉及電子信息技術(shù)領(lǐng)域測(cè)定信號(hào)波達(dá)方向的方法，尤其涉及在單通道接收陣列信號(hào)時(shí)，利用無線電接收機(jī)接收的信號(hào)測(cè)定信號(hào)波達(dá)方向的方法。

背景技術(shù)：

陣列信號(hào)處理技術(shù)可用于對(duì)陣列接收的信號(hào)進(jìn)行處理，從而測(cè)定多個(gè)信號(hào)的波達(dá)方向(簡(jiǎn)稱測(cè)向)，在雷達(dá)、聲納、通信系統(tǒng)以及智能天線等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

在現(xiàn)有的各種測(cè)向方法中，干涉儀測(cè)向方法在雙通道接收陣列信號(hào)時(shí)，對(duì)單個(gè)信號(hào)具有良好的測(cè)向性能，但在同頻多信號(hào)時(shí)方法失效，在應(yīng)用上受到較大的限制。傳統(tǒng)子空間類測(cè)向方法在多通道接收陣列信號(hào)時(shí)對(duì)同頻多信號(hào)具有良好的測(cè)向性能，但是無線電接收機(jī)體積大，成本高在特定應(yīng)用上受到限制。而在單通道接收陣列信號(hào)時(shí)，傳統(tǒng)子空間類測(cè)向方法由于接收信號(hào)不在同一時(shí)刻采樣，接收信號(hào)的互相關(guān)矩陣的相關(guān)性降低，導(dǎo)致測(cè)向誤差增加，甚至無法實(shí)現(xiàn)可靠的測(cè)向。

因此，提高單通道接收陣列信號(hào)的子空間測(cè)向方法的測(cè)向性能在子空間測(cè)向方法走向?qū)嵱没统杀净陌l(fā)展過程中具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)背景技術(shù)中存在的在單通道接收陣列信號(hào)時(shí)傳統(tǒng)子空間測(cè)向方法的測(cè)向誤差增加，甚至無法測(cè)向的問題，開發(fā)研究一種單通道循環(huán)子空間測(cè)向方法，依據(jù)接收信號(hào)的循環(huán)平穩(wěn)特性建立循環(huán)自相關(guān)函數(shù)，利用循環(huán)自相關(guān)函數(shù)的周期相關(guān)性及循環(huán)頻率對(duì)信號(hào)的選擇特性，使測(cè)向的精度優(yōu)于傳統(tǒng)子空間測(cè)向方法。

本發(fā)明的基本思路是：首先，選定陣列中的一個(gè)陣元為參考陣元，確定不同方向入射的導(dǎo)向矢量；其次，確定陣列接收信號(hào)的時(shí)域采樣矢量；然后，確定陣列接收樣本數(shù)據(jù)循環(huán)互相關(guān)矩陣；最后，確定導(dǎo)向矢量對(duì)應(yīng)的偽譜，對(duì)應(yīng)偽譜最大的導(dǎo)向矢量對(duì)應(yīng)的入射方向?yàn)闇y(cè)定的信號(hào)波達(dá)方向。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：首先確定信號(hào)的方位角的離散取值集合及其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量集合；其次利用單通道接收裝置依次輪詢采集陣元接收信號(hào)的樣本數(shù)據(jù)，確定陣列接收信號(hào)的時(shí)域采樣矢量；再次確定陣元接收信號(hào)樣本數(shù)據(jù)的循環(huán)自相關(guān)函數(shù)；然后確定陣元接收信號(hào)不同時(shí)延的循環(huán)自相關(guān)值，陣元間不同時(shí)延的循環(huán)自相關(guān)值進(jìn)行互相關(guān)確定陣列接收樣本數(shù)據(jù)循環(huán)互相關(guān)矩陣；最后對(duì)循環(huán)互相關(guān)矩陣進(jìn)行特征值分解確定噪聲子空間，根據(jù)噪聲子空間確定導(dǎo)向矢量對(duì)應(yīng)的偽譜，對(duì)應(yīng)偽譜最大的導(dǎo)向矢量對(duì)應(yīng)的入射方向?yàn)闇y(cè)定的信號(hào)波達(dá)方向。

一種單通道接收陣列信號(hào)的循環(huán)子空間測(cè)向方法，具體步驟如下：

s1、初始化處理：初始化陣列的陣元個(gè)數(shù)m，陣元位置，信號(hào)的傳播速度c，信號(hào)載波頻率f，信號(hào)采樣頻率fs，方位角θ劃分間隔δθ，方位角θ劃分個(gè)數(shù)nθ，每個(gè)陣元采樣快拍次數(shù)t，信號(hào)個(gè)數(shù)k，信號(hào)循環(huán)頻率α＝[α(1),α(2),...,α(k)]，自相關(guān)時(shí)延τ0，并存入內(nèi)存，其中，自相關(guān)時(shí)延τ0為經(jīng)驗(yàn)值，τ0＝[12345678]，所述信號(hào)個(gè)數(shù)k和信號(hào)循環(huán)頻率α，通過信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法確定；

s2、確定信號(hào)的方位角的離散取值集合及其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量集合，具體為：

s21、根據(jù)s1中方位角θ劃分間隔δθ，將方位角θ均勻劃分成nθ個(gè)離散取值為θi的集合；

s22、對(duì)應(yīng)每個(gè)離散取值θi,α(k)，確定陣列導(dǎo)向矢量a(α(k),θi)＝[a1(α(k),θi)，a2(α(k),θi),…am(α(k),θi)]，其中，i＝1,2,...,nθ，m＝1,2,...,m，am(θi)＝exp(j2πα(k)τm(i))，τm(i)＝dmsin(θi)/c是信號(hào)到達(dá)第m個(gè)陣元的時(shí)間差，c是信號(hào)的傳播速度，m是陣元個(gè)數(shù)，α(k)是第k個(gè)信號(hào)循環(huán)頻率；

s3、確定陣列接收信號(hào)的時(shí)域采樣矢量：接收裝置依次輪詢采樣陣列所有陣元接收的入射信號(hào)，從而確定陣列接收信號(hào)的時(shí)域采樣矢量x(t)＝[x1(t),x2(t+t),...,xm(t+(m-1)t]，其中，t是模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)刻，即接收信號(hào)的時(shí)域采樣時(shí)刻，t＝1,2,...,t，m是陣元個(gè)數(shù)，t是快拍次數(shù)；

s4、確定陣元接收信號(hào)樣本數(shù)據(jù)的循環(huán)互相關(guān)矩陣，具體如下：

s41、根據(jù)s1中設(shè)定的信號(hào)循環(huán)頻率α(k)計(jì)算s3中所述時(shí)域采樣矢量中的各個(gè)矢量xi(t)，i＝1,2,...,m的循環(huán)自相關(guān)函數(shù)其中，k＝1,...,k，i＝1,2,...,m，<·>表示求時(shí)間平均運(yùn)算；

s42、根據(jù)s1中設(shè)定的自相關(guān)時(shí)延τ0確定對(duì)應(yīng)的循環(huán)自相關(guān)值其中，i＝1,2,...,m；

s43、將各個(gè)陣元對(duì)應(yīng)的i＝1,2,...,m組成矩陣

s44、根據(jù)確定陣列接收樣本數(shù)據(jù)循環(huán)互相關(guān)矩陣其中，ψ(α(k))＝diag(exp(j2πα(k)mt/fs)),m＝0,1,...,m-1，α(k)為第k個(gè)信號(hào)的循環(huán)頻率；

s5、確定導(dǎo)向矢量集合中的各個(gè)導(dǎo)向矢量與噪聲子空間的偽譜，具體為：

s51、分別對(duì)s4中x(α(k))進(jìn)行特征值分解確定其噪聲子空間；

s52、根據(jù)公式p(α(k),θi)＝20·lg(||a(α(k),θi)||/||ukna(α(k),θi)||)確定s2中導(dǎo)向矢量集合中的各個(gè)導(dǎo)向矢量a(α(k),θi)與其噪聲子空間的偽譜p(α(k),θi)，其中，||·||表示求模；

s6、確定信號(hào)波達(dá)方向：分別在s5偽譜p(α(k),θi)中搜索最大值，每個(gè)偽譜中的最大值對(duì)應(yīng)一個(gè)導(dǎo)向矢量，該導(dǎo)向矢量對(duì)應(yīng)的方位角即是測(cè)定的信號(hào)波達(dá)方向。

進(jìn)一步地，s51所述確定其噪聲子空間具體為：分別通過式對(duì)s4中確定的陣列接收樣本數(shù)據(jù)循環(huán)互相關(guān)矩陣x(α(k))進(jìn)行特征值分解得到相應(yīng)的特征值和特征向量，其中，uk＝[uk1,uk2,...,ukm]，uk1,uk2,...,ukm為左特征向量，vk1,vk2,...,vkm為右特征向量，σ＝diag{λk1,λk2,...λkm}，λk1＞λk2＞...＞λkm為對(duì)應(yīng)的特征值，根據(jù)子空間理論λk(k+1),λk(k+2),...,λkm對(duì)應(yīng)的特征向量張成的空間為噪聲子空間ukn＝[uk(k+1),uk(k+2),...,ukm]。

本發(fā)明的有益效果是：

經(jīng)測(cè)定的信號(hào)波達(dá)方向的均方根誤差檢驗(yàn)，采用本發(fā)明方法，在單通道接收陣列信號(hào)情況下，測(cè)定的信號(hào)波到達(dá)方向的均方根誤差優(yōu)于單通道傳統(tǒng)子空間測(cè)向方法，與多通道傳統(tǒng)子空間測(cè)向方向接近。此外，本發(fā)明方法在采集時(shí)域采樣矢量時(shí)只需m次切換與單通道傳統(tǒng)子空間測(cè)向方法中需要n*m次切換相比，在實(shí)際工程應(yīng)用中具有重大優(yōu)勢(shì)。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明方法進(jìn)行進(jìn)一步說明。

本實(shí)施方式采用16陣元的均勻線陣，相鄰陣元間距為d＝37.5米，選定陣元所在的直線為x軸，從左邊數(shù)第一個(gè)陣元為原點(diǎn)建立參考坐標(biāo)系。兩個(gè)載波頻率為40mhz，碼速率分別為3.2mhz/s，4mhz/s的bpsk調(diào)制信號(hào)從1.43°,7.18°方向入射到均勻線陣，單通道接收裝置輪詢采集所有陣元接收信號(hào)。

在本實(shí)施方式中，實(shí)施本發(fā)明的目的就是利用單通道輪詢采集的陣列接收信號(hào)的時(shí)域采樣矢量精確測(cè)定信號(hào)波達(dá)方向。

本發(fā)明的具體實(shí)施方式的流程如下：

步驟1.初始化處理：初始化陣列的陣元個(gè)數(shù)m＝16，陣元位置的直角坐標(biāo)為md，其中d＝37.5,m＝0,1,...,15，信號(hào)的傳播速度c＝3×10⁸m/s，信號(hào)載波頻率f＝40mhz，信號(hào)采樣頻率fs＝320mhz，方位角θ劃分間隔δθ＝0.1°，方位角θ劃分個(gè)數(shù)nh＝180°/δθ+1＝1801，信號(hào)個(gè)數(shù)k＝2，信號(hào)循環(huán)頻率α＝[3.2e6hz,4e6hz]，自相關(guān)時(shí)延τ0＝[12345678]，快拍次數(shù)t＝2000；

步驟2.確定信號(hào)的方位角的離散取值集合及其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量集合：首先，根據(jù)步驟1中方位角θ劃分間隔0.1度將方位角θ均勻劃分成1801離散取值為θi＝(i-1)×0.1度的集合，i＝1,2,...,1801，其次，對(duì)應(yīng)每個(gè)離散取值θi,α(k)，確定信號(hào)從波達(dá)方向方向θi入射時(shí)的陣列導(dǎo)向矢量a(α(k),θi)，陣列導(dǎo)向矢量a(α(k),θi)的16個(gè)元素分別通過下式確定：

其中m＝0,1,...,15，i＝1,2,...,1801，d為陣元間距，c為信號(hào)的傳播速度，α(k)為第k個(gè)信號(hào)循環(huán)頻率；對(duì)應(yīng)循環(huán)頻率α(k)＝3.2e6，波達(dá)方向1.43°，導(dǎo)向矢量的前8個(gè)元素為：

1.00000+0.00000i,0.99803-0.06279i,0.99211-0.12533i,0.9822-0.18738i

0.96858-0.2486i,0.95106-0.30902i,0.92978-0.36812i,0.90483-0.42578i

對(duì)應(yīng)循環(huán)頻率α(k)＝4e6，波達(dá)方向7.18°，導(dǎo)向矢量的前8個(gè)元素為：

1.00000+0.00000i,0.92388-0.38268i,0.70711-0.70711i,0.38268-0.92388i

0.00000-1.00000i,-0.38268-0.92388i,-0.70711-0.70711i,-0.92388-0.38268i

步驟3.確定陣列接收信號(hào)的時(shí)域采樣矢量：接收裝置依次輪詢采樣陣列所有陣元接收的入射信號(hào)，得到陣列接收信號(hào)的時(shí)域采樣矢量x(t)＝[x1(t),x2(t+t),...,xm(t+(m-1)t]，其中，t是接收信號(hào)的時(shí)域采樣時(shí)刻，t＝1,2,...,t；第一個(gè)陣元接收信號(hào)的時(shí)域采樣前8個(gè)元素分別為：

-0.06080+1.9872i，0.37535+0.67691i，-0.03938-0.2998i，-0.45740+0.14925i，

1.46889+0.65843i，-0.42903-1.37437i，-0.44426-0.95943i，-0.82453-0.02155i

最后一個(gè)陣元接收信號(hào)的時(shí)域采樣前8個(gè)元素分別為：

-1.25940+0.56672i，-2.31325+0.28101i，-0.98486+0.94882i，-0.38611-0.0775i，

2.21856-0.28711i，3.91676-1.65511i，-0.29806-0.32376i，1.65939-0.99052i

步驟4.確定陣元接收信號(hào)樣本數(shù)據(jù)的循環(huán)互相關(guān)矩陣：循環(huán)頻率α(k)＝3.2e6,單個(gè)陣元采樣t＝2000對(duì)應(yīng)的循環(huán)互相關(guān)矩陣的第一行前8個(gè)元素為：

0.02928+0.00000i，-0.01206-0.00694i，-0.01307-0.00048i，-0.01021+0.00680i，

-0.01400-0.00251i，-0.03361+0.00458i，-0.01047+0.01878i，-0.00548+0.02651i

循環(huán)頻率α(k)＝4e6,單個(gè)陣元采樣t＝2000對(duì)應(yīng)的循環(huán)互相關(guān)矩陣的第一行前8個(gè)元素為：

0.02882+0.00000i，0.00574+0.00421i，0.01214+0.03077i，0.01486-0.01396i

0.01610+0.00197i，0.02183-0.00827i，-0.00373-0.00789i，0.00586-0.01698i

步驟5.確定導(dǎo)向矢量集合中的各個(gè)導(dǎo)向矢量與噪聲子空間的偽譜：循環(huán)頻率α(k)＝3.2e6，波達(dá)方向0°,0.1°,0.2°,0.3°對(duì)應(yīng)的偽譜值為3.51，3.55，3.588，3.624，總共確定1801個(gè)偽譜值；循環(huán)頻率α(k)＝4e6，波達(dá)方向0°,0.1°,0.2°,0.3°對(duì)應(yīng)的偽譜為0.6038，0.5784，0.5537，0.5298，總共確定1801個(gè)偽譜值；

步驟6.在步驟5確定的偽譜值p(α(k),θi)，i＝1,2,...,1801中搜索最大值，對(duì)應(yīng)循環(huán)頻率α(k)＝3.2e6，最大值等于3.829，最大值對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量所對(duì)應(yīng)的波達(dá)方向?yàn)?.4°，即測(cè)定的信號(hào)的波達(dá)方向；對(duì)應(yīng)循環(huán)頻率α(k)＝4e6，最大值等于3.501，最大值對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向矢量所對(duì)應(yīng)的波達(dá)方向?yàn)?.4°，即測(cè)定的信號(hào)的波達(dá)方向，從而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的。

本發(fā)明方法經(jīng)經(jīng)測(cè)定的信號(hào)波達(dá)方向的均方根誤差檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)500次獨(dú)立試驗(yàn)的測(cè)定結(jié)果，信噪比為-10db～4db,步進(jìn)2db的情況下，單通道m(xù)usic方法、本發(fā)明方法以及多通道m(xù)usic方法測(cè)定的信號(hào)波達(dá)方向的均方根誤差如下表1和表2所示。

表1：循環(huán)頻率α(k)＝3.2e6時(shí)，波達(dá)方向估計(jì)方法的誤差性能比較

表2：循環(huán)頻率為α(k)＝4e6時(shí)，波達(dá)方向估計(jì)方法的誤差性能比較

可見，本發(fā)明方法在單通道接收陣列接收信號(hào)的情況下，能夠精確測(cè)定信號(hào)波達(dá)方向。相比單通道m(xù)usic方法，測(cè)定的信號(hào)波達(dá)方向與實(shí)際的信號(hào)波達(dá)方向之間的均方根誤差更小，并且本發(fā)明方法在輪循采樣時(shí)只需m次切換，相比單通道m(xù)usic算法需要n*m次切換，在工程應(yīng)用中更具有優(yōu)勢(shì)；相比多通道m(xù)usic方法，測(cè)定的信號(hào)波達(dá)方向與實(shí)際的信號(hào)波達(dá)方向之間的均方根誤差接近，但本發(fā)明方法只需要單個(gè)接收裝置，而多通道m(xù)usic方法需要多個(gè)接收裝置，無線電接收機(jī)設(shè)備成本更低、體積更小。