一种基于时间片轮换的三通道测向系统的测向方法

实用新型 · 2020-04-23
申请号:CN202010011868.7 申请日:20200107 公开号:CN110806558A 公开日:20200218 授权公告号:CN110806558B 授权公告日:20200421 申请人地址:610045 四川省成都市武侯区武侯新城管委会武兴四路130号 国家/省市:90(成都) 代理机构:51213 主分类号:G01S3/14 代理人:张秀敏 申请人:成都华日通讯技术有限公司 当前权利人:成都华日通讯技术有限公司 发明人:唐柯;邓又川;陈曾;张笑语 分类号:G01S3/14 范畴分类:31G; 简要说明:本发明公开了一种基于时间片轮换的三通道测向系统的测向方法,包括以下步骤:步骤1:时间片轮换方式用于三通道相关干涉算法;利用切换开关连接天线和通道,从而实现测向数据的预处理;步骤2:基于预处理后的测向数据实现无校正源信号的校正;步骤3:通过三通道相关干涉算法处理校正后的测向数据完成测向。经过实践验证,本方案对一定范围以内的天线不一致性和通道误差具有鲁棒性。此方案采用了“时间片轮换”的方式,在理论上保证了测向的有效性,并且取得了较好的工程实践效果。本方案对于三通道测向产品具有实际意义。能分辨多个完全同频(非相干)信号并获取其相对强度值,且能保证良好的测向质量。 主权利要求:1.一种基于时间片轮换的三通道测向系统的测向方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1:时间片轮换方式用于空间谱测向或三通道相关干涉算法;利用切换开关连接天线和通道,从而实现测向数据的预处理;步骤2:基于预处理后的测向数据实现无校正源信号的校正;步骤3:通过三通道相关干涉算法处理校正后的测向数据完成测向。 当前状态:1 代理机构:四川省成都市天策商标专利事务所 51213 权利要求,1.一种基于时间片轮换的三通道测向系统的测向方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1:时间片轮换方式用于空间谱测向或三通道相关干涉算法;利用切换开关连接天线和通道,从而实现测向数据的预处理;步骤2:基于预处理后的测向数据实现无校正源信号的校正;步骤3:通过三通道相关干涉算法处理校正后的测向数据完成测向。2.根据权利要求1所述的一种基于时间片轮换的三通道测向系统的测向方法,其特征在于,在步骤1中,所述时间片轮换方式为在不同的时间片,由不同的天线循环利用接收机通道,从而合成协方差矩阵中的各个元素,每一个此类的时间片称为一次切刀。3.根据权利要求2所述的一种基于时间片轮换的三通道测向系统的测向方法,其特征在于,切刀的过程通过开关盒来进行实现,即通过硬件连接器连接方式的切换来匹配天线和接收机;对于九阵元天线,用1到9分别表示各个天线的序号。4.根据权利要求3所述的一种基于时间片轮换的三通道测向系统的测向方法,其特征在于,通过射频开关的切换,在第1刀,即第一个时间片,通道1和阵元1相连,通道2与阵元4相连,通道3与阵元7相连;这三个通道采集的数据分别为: , , ,由此可以计算出R 14, R 47, R 17, R 11, R 44,R 77: ; 式中上标的含义为:*表示共轭复数,H表示矩阵或者向量的共轭转置;R为9×9的阵元协方差矩阵,第i行第j列为R ij,将计算出来的R 14, R 47, R 17, R 11, R 44,R 77填入R中的相应位置;之后,对于第2刀到第12刀的每一刀进行相应的操作,即可填满R矩阵;后续即可利用MUSIC算法等传统算法进行测向处理。 5.根据权利要求4所述的一种基于时间片轮换的三通道测向系统的测向方法,其特征在于,在步骤2中,基于预处理后的测向数据实现无校正源信号的校正具体为:增加一次切刀数,利用数据进行校正;在被测信号存在时,在测向数据的第一帧,设置一次切刀,使一个天线的输出信号与三个通道连接。6.根据权利要求5所述的一种基于时间片轮换的三通道测向系统的测向方法,其特征在于,第 i个通道( i = 1,2,3)测得的IQ数据为{ xi (1), xi (2), xi (3), …, xi ( t)},其中每个数据都为复数;则三个通道的校正系数分别为: 其中 ρij为通道 i和通道 j之间的相关系数;在进行测向时,对于每一个测向数据帧,将各通道的所有IQ数据都除以该通道对应的校正系数,即可完成校正。 7.根据权利要求6所述的一种基于时间片轮换的三通道测向系统的测向方法,其特征在于,在步骤3中,通过不同的切刀计算出不同阵元之间的角度差,以此获得任何两个阵元之间的角度差,与各波达方向下的理论结果相比较,即可完成测向。8.根据权利要求7所述的一种基于时间片轮换的三通道测向系统的测向方法,其特征在于,在步骤3中,第一刀数据中 θ14的计算方式如下:假设第一刀数据总共有 N个点,IQ p表示对应天线p的IQ数据,I p表示对应天线p的I数据,Q p表示对应天线p的Q数据,IQ p=I p+jQ p(其中j为虚数单位), 阵元1和阵元4实际的相位差为:而阵元1和阵元4在信号源入射角度为φ时的理论相位差为:这里, f为频率, r为圆阵半径, c为光速, N为阵元数,并且假设从阵列圆心到1号阵元的方向定义为0°。 9.根据权利要求8所述的一种基于时间片轮换的三通道测向系统的测向方法,其特征在于,利用所有12刀数据可以计算出所有的θ ik,实际和θ ik,理论,i=1,2,3,…,9; k=1,2,3, …,9;现在要根据所有阵元之间的实际相位差和理论相位差来推算信号源入射角度,可按照下面的方式: 。 说明书, 一种基于时间片轮换的三通道测向系统的测向方法 技术领域 本发明涉及无线电通信技术领域,更具体的说是涉及一种基于时间片轮换的三通道测向系统的测向方法。 背景技术 三通道测向产品,是通过三个接收通道,通过一定的方式连接到多个天线阵元,经过一定算法处理,获得各个信号源的到达方向及其相对强度。每个接收通道的作用是将高频的电磁信号转换为低频或零频IQ数据,以便于进行AD采样和后续处理。为了保证测向的精度,消除测向模糊,天线阵元的个数通常远多于三个;实际应用中,一般以九阵元和七阵元较多。因此需要采用一定的连接方式,连接各通道和阵元。 目前,市场上的三通道产品的缺点在于: 1、同频多信号分辨的能力不足。在存在三个及以上的完全同频信号时,即,从频谱上无法分辨多个信号的情况,无法有效地获取各个信号的示向度。 2、测向的准确度不高,和九通道产品的差距太大。 发明内容 本发明的目的是克服上述功能和性能的不足,提供了一种基于时间片轮换的三通道测向系统的测向方法,具有很好的可行性和实用性。经过实践验证,本方案对一定范围以内的天线不一致性和通道误差具有鲁棒性。此方案采用了“时间片轮换”的方式,在理论上保证了测向的有效性,并且取得了较好的工程实践效果。本方案对于三通道测向产品具有实际意义。能分辨多个完全同频(非相干)信号并获取其相对强度值,且能保证良好的测向质量。 为了达到上述的技术效果,本发明采取以下的技术方案: 一种基于时间片轮换的三通道测向系统的测向方法,包括以下步骤: 步骤1:时间片轮换方式用于空间谱测向或三通道相关干涉算法;利用切换开关连接天线和通道,从而实现测向数据的预处理; 步骤2:基于预处理后的测向数据实现无校正源信号的校正; 步骤3:通过三通道相关干涉算法处理校正后的测向数据完成测向。 在步骤1中,时间片轮换方式,利用切换开关连接天线和通道,从而实现测向数据的预处理。在步骤2中,提出了一种方案,在对通道误差的校正中,可以省略校正源,从而减轻设备的重量,使之可以应用于无人机搭载等场合。在步骤3中,相关干涉算法得以在三通道产品中实现。 进一步的,在步骤1中,所述时间片轮换方式为在不同的时间片,由不同的天线循环利用接收机通道,从而合成协方差矩阵中的各个元素,每一个此类的时间片称为一次切刀,本文中将每一个类似的时间片都称为一次切刀。 进一步的,切刀的过程通过开关盒来进行实现,即通过硬件连接器连接方式的切换来匹配天线和接收机;对于九阵元天线,用1到9分别表示各个天线的序号。本文中提到的所有射频开关,均是统一放置在一个开关盒中;时间片轮换是通过射频开关的切换来实现的,因此,本文中射频开关也称为切刀开关。 进一步的,通过射频开关的切换,在第1刀,即第一个时间片,通道1和阵元1相连,通道2与阵元4相连,通道3与阵元7相连;这三个通道采集的数据分别为: , , ,由此可以计算出R 14,R 47, R 17, R 11, R 44, R 77: ; R为9×9的阵元协方差矩阵,第i行第j列为R ij,将计算出来的R 14, R 47, R 17, R 11, R 44,R 77填入R中的相应位置;之后,对于第2刀到第12刀的每一刀进行相应的操作,即可填满R矩阵;后续即可利用MUSIC算法等传统算法进行测向处理。需要说明的是,本文中所述的切刀和刀均指的对时间的切分。 进一步的,在步骤2中,基于预处理后的测向数据实现无校正源信号的校正具体为:增加一次切刀数,利用数据进行校正;在被测信号存在时,在测向数据的第一帧,设置一次切刀,使一个天线的输出信号与三个通道连接。 进一步的,第 i个通道( i = 1,2,3)测得的IQ数据为{ x i (1), x i (2), x i (3),…, x i ( t)}, 其中每个数据都为复数;则三个通道的校正系数分别为: 其中 ρ ij 为通道 i和通道 j之间的相关系数。在进行测向时,对于每一个测向数据帧,将各通道的所有IQ数据都除以该通道对应的校正系数,即可完成校正。 进一步的,在步骤3中,通过不同的切刀计算出不同阵元之间的角度差,以此获得任何两个阵元之间的角度差,与各波达方向下的理论结果相比较,即可完成测向。 进一步的,在步骤3中,第一刀数据中 θ 14的计算方式如下:假设第一刀数据总共有 N个点,IQ p表示对应天线p的IQ数据,I p表示对应天线p的I数据,Q p表示对应天线p的Q数据,IQ p=I p+jQ p(其中j为虚数单位), 阵元1和阵元4实际的相位差为: 而阵元1和阵元4在信号源入射角度为φ时的理论相位差为: 这里, f为频率, r为圆阵半径, c为光速, N为阵元数,并且假设从阵列圆心到1号阵元的方向定义为0°。 进一步的,利用所有12刀数据可以计算出所有的θ ik,实际和θ ik,理论,i=1,2,3,…,9; k=1,2,3, …,9。现在要根据所有阵元之间的实际相位差和理论相位差来推算信号源入射角度,可按照下面的方式: 。 相对于传统方法,本方法的优势有: 1. 能有效地分辨完全同频信号; 2. 具有类似于九通道产品的测向准确性; 附图说明 图1所示为三通道产品的整体物理架构。 图2 所示为时间片轮换方式。 图3所示为三通道测向产品在真实测向数据下,利用MUSIC算法的实现效果。 具体实施方式 下面结合实施例对本发明作进一步的描述,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例,都属于本发明的保护范围。 实施例 1 一种基于时间片轮换的三通道测向系统的测向方法,包括以下步骤: 步骤1:时间片轮换方式用于空间谱测向或三通道相关干涉算法;利用切换开关连接天线和通道,从而实现测向数据的预处理; 步骤2:基于预处理后的测向数据实现无校正源信号的校正; 步骤3:通过三通道相关干涉算法处理校正后的测向数据完成测向。 由于本文涉及的方面较多,系统较为复杂,在对创新点进行描述之前,先用简短的语言介绍测向的基本背景和目前的状况。阵列测向,是利用电磁波到达阵列中每个天线时的相位差异而推测信号入射方向的测向方法。阵列测向的技术大致分为两大类,空间谱测向算法和相关干涉算法。空间谱算法是利用各阵元接收信号之间的统计特性,特别是相关性进行测向的方式。首先构造出各阵元接收信号之间的协方差矩阵,以此作为输入,利用一些教科书式的经典算法,如MUSIC(多信号分辨)和DML(确定最大似然)等算法,给出测向结果。相关干涉算法是计算差各阵元接收信号之间的相位之差,和理论值相对比。理论值的生成方式如下:对于每个可能出现的信号方向,如1°,2°,一直到359°,通过理论计算出各阵元接收信号之间的角度之差。通过实际值与理论值的对比,如果发现在信号方向为φ时的理论值,能和实际值有最好的契合,即判定信号方向为φ。空间谱算法可以测出多个信号,相关干涉算法只能测得一个信号,通常是实际存在的信号中最强的那个。 硬件实现上,通常将每个天线和一个接收机(称为“通道”)相连接,以此将每个天线实际接收到的高频电磁信号各转化为一组IQ数据并实现A/D采样。各个天线的IQ数据,即可送入计算机进行算法处理,最终完成测向。 理想条件下,各组的IQ数据反映了电磁波到达各阵元引起的相位误差的信息。然而在实际应用中,由于各个通道对应的线缆参数和其它参数的不一致,会引入额外的增益和相位误差,对此需要进行校正。校正的方式是:测向之前,定义一个校正帧,用一个统一的校正信号(通常是和测向频率相同的一个正弦信号源,并且和IQ解调信号源同步),代替所有的天线,送入各个通道。 在所有通道的物理特性相同的理想情况下,各通道得到的IQ数据应该完全相同;在各通道物理特性不同的情况下,各通道的IQ数据会有差异,该差异可以作为通道校正的依据。具体的做法是:将校正帧中各个通道的IQ数据(复数)作为通道的增益;在后面测向帧当中,各个通道所得的每个IQ数据点都除以对应的通道增益,即可完成校正的过程。使用这种方式校正,需要采用额外的校正源。 下文中常用的数学表示符号如下:A *表示复数A的共轭;j为虚数单位,满足j 2=-1。arg(A)表示复数A的幅角,abs(A)表示复数A的模长。 此方案采用了“时间片轮换”的方式,在理论上保证了测向的有效性,并且取得了较好的工程实践效果。图1所示为三通道产品的整体物理架构。如图1所示,九个阵列天线ANT1至ANT9,共九路信号,经过频段选择开关以后,送入切刀盒(即图中的射频开关矩阵)进行时间片轮换,合成为三个信号;每个信号经过射频通道和数字采集处理通道,转化为IQ数据,送入测向处理器,进行算法处理。 为了充分利用各个接收机通道的功能,三通道空间谱采用时间片轮换的方式。即,在不同的时间片,由不同的天线循环利用接收机通道,从而合成协方差矩阵中的各个元素,如图2所示。每一个此类的时间片称为一次“切刀”。切刀的过程通过开关盒来进行实现,即,通过硬件连接器连接方式的切换来匹配天线和接收机。对于九阵元天线,用1到9分别表示各个天线的序号,如表1所示为切刀方案。图2中所述的一个接收通道包含了图1中所述的一个射频通道和一个数字采集处理通道的串联。射频开关可以在九个天线和三个接收开关之间切换。在测向处理器中构造协防差矩阵,再经过算法的处理,完成测向。需要说明的是,本文中所述的切刀和刀均指的对时间的切分。 表1 九阵元天线三通道切刀方案 举例说明上表,通过射频开关的切换,在第1刀,即第一个时间片,通道1和阵元1相连,通道2与阵元4相连,通道3与阵元7相连。这三个通道采集的数据分别为: , , ,由此可以计算出R 14,R 47, R 17, R 11, R 44, R 77: 。 R为9×9的阵元协方差矩阵,第m行第n列为R mn,于是将计算出来的R 14, R 47, R 17,R 11, R 44, R 77填入R中的相应位置。之后,对于第2刀到第12刀的每一刀进行相应的操作,即可填满R矩阵。后续即可利用MUSIC算法等传统算法进行测向处理。 可以论证,这种切刀方式是能够构建协方差矩阵全部元素的最少切刀方式。表3中有一些不同的切刀可以对相同的元素进行计算。对于这种情况,可以只取其中的一个计算值,也可以取所有计算值的平均值。按照表1中的切刀方式可以看出,切刀开关盒不必设计为所有天线对所有通道的全连接,而是仅采用部分连接即可,具体方式如表2所述。 表2 九阵元天线三通道切刀开关的连接情况 切刀开关 切刀开关连接的通道序号 切刀开关连接的天线序号 第1开关 1 9,1,2,3,4 第2开关 2 2,3,4,5,6 第3开关 3 6,7,8,9,1 类似的方案也可以应用于七阵元三通道的场景。表3和表4所示为七阵元三通道的切刀方案,以及切刀开关的连接情况。 表3 七阵元天线三通道切刀方案 表4 七阵元天线三通道切刀开关的连接情况 切刀开关 切刀开关连接的通道序号 切刀开关连接的天线序号 第1开关 1 1,2,3,4 第2开关 2 2, 4,5,6 第3开关 3 3,6,7 无校正源信号的校正实现 三通道产品中,各个通道的不同物理延迟和增益特性会带来接收到信号的误差,导致测向不准确。传统上,为了消除通道误差,通常使用统一的高频校正源,输入各通道,根据通道的输出来进行校正。然而,校正信号源及其相应的系统一般成本高昂,而且校正源系统增加了整个产品的重量,不利于无人机等设备的搭载。此方案中提出一种无需校正源的校正方式,即增加一次切刀数,利用数据进行校正。 在被测信号存在时,在测向数据的第一帧,设置一次切刀,使一个天线的输出信号与三个通道连接。第 i个通道( i = 1,2,3)测得的IQ数据为{ x i (1), x i (2), x i (3), …, x i ( t)}, 其中每个数据都为复数。则三个通道的校正系数分别为: 其中 ρ pq 为通道 p和通道 q之间的相关系数。在进行测向时,对于每一个测向数据帧,将各通道的所有IQ数据都除以该通道对应的校正系数,即可完成校正。 三通道相关干涉算法的实现 此方案中的三通道切刀方式不仅可用于构造协方差矩阵从而完成空间谱测向,也可以用于相关干涉算法。通过不同的切刀计算出不同阵元之间的角度差,以此获得任何两个阵元之间的角度差,与各波达方向下的理论结果相比较,即可完成测向。下面的例子即为详细过程。 在表5中,第一刀数据中 θ 14的计算方式如下:假设第一刀数据总共有 N个点,IQ p表示对应天线p的IQ数据,IQ p=I p+jQ p, 阵元1和阵元4实际的相位差为: 而阵元1和阵元4在信号源入射角度为φ时的理论相位差为: 这里, f为频率, r为圆阵半径, c为光速, N为阵元数,并且假设从阵列圆心到1号阵元的方向定义为0°。 利用所有12刀数据可以计算出所有的θ ik,实际和θ ik,理论,i=1,2,3,…,9; k=1,2,3,…,9。现在要根据所有阵元之间的实际相位差和理论相位差来推算信号源入射角度,可按照下面的方式: 九元阵中天线各切刀所能计算出的角度差见表5所示。可以看到,任何两个阵元之间的角度差 θ ij皆可计算。获得任何两个阵元之间的角度差以后,即可按照上文所述的过程,获得信号源的方向。与之类似,对于七元阵,采用本方案中的切刀方式也可计算出任何两个阵元之间的角度差。三通道相关干涉算法具有很好的抗扰能力,在多信号的情况下,可以准确测出幅值最大的信号。 表5 九阵元天线各切刀所能计算出的角度差 (七阵元的情况与之完全类似) 切刀数序号 三个通道连接的天线 计算出的角度差 第1刀 1,4,7 θ 14, θ 47, θ 17 第2刀 2,5,8 θ 25, θ 58, θ 28 第3刀 3,6,9 θ 36, θ 69, θ 39 第4刀 1,5,9 θ 15, θ 59, θ 19 第5刀 2,6,7 θ 26, θ 67, θ 27 第6刀 3,4,8 θ 34, θ 48, θ 38 第7刀 1,6,8 θ 16, θ 68, θ 18 第8刀 2,4,9 θ 24, θ 49, θ 29 第9刀 3,5,7 θ 35, θ 57, θ 37 第10刀 2,3,1 θ 12, θ 23, θ 13 第11刀 4,5,6 θ 45, θ 56, θ 46 第12刀 9,7,8 θ 78, θ 79, θ 89 结果 图3所示为本方案提出的三通道产品利用MUSIC算法的测量效果与九通道产品的对比,信号为500MHz,有三个完全同频信号。可以看出,三通道和九通道产品的测向结果非常吻合。此三通道方案具有良好的效果。 综上所述,整个三通道产品方案是针对目前市场上三通道产品存在的缺陷和不足,而研发的包括算法在内的一套方案。本方案采用时间片轮换方式用于处理测向数据,并实现了三通道相关干涉算法,提出了无校正源信号的校正实现的方案。此外,本方案在未来还能扩展到其它通道数产品的方案,具有一定的通用性。 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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