一种基于时间调制阵列谐波能量检测的无线电测向方法与流程

本发明属于无线电监测领域，具体涉及一种基于时间调制阵列谐波能量检测的无线电测向方法。

背景技术：

波达方向估计广泛用于移动通信，无线电管理和军用电子系统。近年来，测向在移动互联网的定位服务中有了新的应用，如室内导航，倒车搜索等。不断增长的需求需要高精度，低复杂度。常见的测向方法有比幅法、干涉仪测向法、到达时间差测向法、多普勒测向、空间谱测向等。幅度比较式测向是依据电波在行进中，利用测向天线阵或测向天线的方向特性，对不同方向来波接收信号幅度的不同，测定来波方向。在干涉仪测向方式中，是直接测量测向天线感应电压的相位，而后求解相位差，其数学公式与幅度比较式测向的公式十分相似。到达时间差测向依据电波在行进中，通过测量电波到达测向天线阵各个测向天线单元时间上的差别，确定电波到来的方向。多普勒测向是依据电波在传播中，遇到与它相对运动的测向天线时，被接收的电波信号产生多普勒效应，测定多普勒效应产生的频移，可以确定来波的方向。比幅法和多普勒法结构简单，但测向精度较差。干涉仪方法具有中等精度和系统复杂性，在实际的测向系统中最常使用。空间谱估计方法和tdoa方法的精度非常好，而它们的硬件和算法复杂度非常高。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明在于提供一种基于时间调制阵列谐波能量检测的无线电测向方法，通过这种方法，利用测向天线来对某一正在传播的电磁波进行方向的探测，通过对天线接收到的信号能量的检测和分析，进而实现测向的目的。

具体技术方案为：一种基于时间调制阵列谐波能量检测的无线电测向方法，采用时间调制阵列的方法，通过在一个tm时长之内输入的n个不同的控制时钟信号去控制天线阵列中的n个天线，使天线阵列中的每个时钟控制的天线的工作状态随控制信号发生变化，通过对天线阵列的方向图的绘制结果的分析，对未知的目标信号进行测向。

具体的，包括以下步骤：

步骤1：阵列天线接收到来自远场的平面电磁波，天线的工作状态受到由fpga输出的调制信号控制的单刀多掷开关进行选通，进而选择不同天线接收到的信号；

步骤2：将步骤1中接收到的信号输入到功率放大器，通过下变频模块得到中频信号；

步骤3:将步骤2中得到的中频信号输入到一个功率分配网络，进行功率的平均分配；

步骤4：将步骤3中经过功率分配的信号输入到中心频点不同的带通滤波器，把不同天线接收到的信号分离出来；

步骤5：将步骤4中分离出来的每一个信号通过功率检测芯片进行信号功率检测，通过功率检测芯片的功率计，计算得到谐波能量最大值然后得到所对应的频率成分；

步骤6：通过步骤5中得到的最大谐波能量所对应的频率成分之后，并结合天线阵列的方向图，确定最大谐波能量所对应的角度，从而确定被测信号的入射到天线阵列的方向，最终实现测向的功能。

阵列信号处理是一种基于传感器阵列的信号处理技术，是空域处理中最常被用到的重要方法

之一。doa估计作为阵列信号处理中的一个重要研究方向，研究目的主要是在干扰信号

或背景噪声的影响下利用阵列接收数据得到目标信号来波方向的精确估计。本专利提出

了利用时间调制阵列测向的理论复杂度更低，实现简单，精度较高，保证doa估计实时

性和高效性。

下面对测向的原理进行说明：

现在以一个简单的模型进行测向原理的推导。假设接收天线数为2，天线的距离为d，单刀双掷开关可以选择不同的天线接收信号。单刀双掷开关的调制周期是tp，占空比为50％。假设远场的正弦波以频率fc入射到天线阵列，入射角度为θ，则通过单刀双掷开关的接收信号写为：

其中u(t)为一个周期函数，可以表示为：

其中k＝2πfc/c，称为波数，c为真空中的光速。由于u(t)为周期的便可以展开成傅里叶级数：

其中fp＝1/tp，为调制频率，αk为第k次谐波的傅里叶系数，可以通过下式计算：

由k＝0,1便可分别计算出(4)中的基波系数α0和一次谐波系数α1，α0对应于频率fc，α1对应于频率fc+fp，它们可以由下式计算得到：

由上述推导可知，通过对不同天线接收到的信号的谐波能量的检测和天线方向图分析，便可以得出所求的入射角θ，

本发明提供的一种基于时间调制阵列谐波能量检测的无线电测向方法，具有的优点在于：

(1)本发明的复杂度比较低，系统的物理实现相对简单，易于后期的优化，并且物理尺寸小，适应于多种复杂环境，同时具有更低的时延。

(2)本发明只使用了一条射频接收链路，使得系统的功耗降到了最低，实现了更高的节能效果。

附图说明

图1为本发明的整体步骤流程图；

图2为实施例的tma的调制波形图；

图3为实施例的输入的控制阵列开关的调制信号；

图4为实施例的功率计求出的最大谐波分量图；

图5为实施例的功率计求出的最大谐波分量图；

图6为实施例的天线的方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的技术方案进行详细说明。

下面结合附图说明本方法，如图1所示，具体分以下步骤：

步骤1：fpga输出调制信号来控制tma工作状态。

调制信号是一个占空比固定的方波控制信号，每个信号之间不存在信号的叠加，不会相互影响。通过fpga输出的开关控制信号(调制信号)控制一个单刀多掷开关对天线阵列中的天线进行工作状态的切换，选通来自不同天线的接收信号。调制的波形如图2和图3所示。

调制信号是一个占空比固定的方波控制信号，每个信号之间不存在信号的叠加，不会相互影响。它是由fpga输出的开关控制信号(调制信号)，其目的是控制一个单刀多掷开关对天线阵列中的天线进行工作状态的切换，选通不同天线的接收信号。

步骤2：将步骤1中接收到的信号输入到功率放大器，通过下变频模块得到中频信号。

由于接收到的信号通常比较微弱，无法到达系统的判决门限，需要对信号进行功率放大以及变频相关处理，便于后面对信号的分析和处理。

步骤3：将步骤2中得到的中频信号输入到功率分配网络，进行平均功率分配，在通过功率分配网络之后，使得每一路信号都具有一定量的功率，用于后续的功率检测。

步骤4：将步骤3中经过功率分配后的信号通过中心频点不同的带通滤波器，分离出不同天线接收到的每一路信号。

这一步骤主要是为了分离每一路的信号功率，用于在后续的功率检测和能量分析。

步骤5：将步骤4中分离出来的每一个信号输入到功率检测芯片中进行功率检测和分析。

将每一路信号在功率计中进行能量的计算和检测，检测每个频率成分上面的能量分布情况，通过功率检测芯片的功率计，得到谐波能量最大值所对应的频率成分，如图4，图5所示。

通过对系统进行仿真，进行了谐波能量检测，从图4和图5中可以看出，在图4中功率计芯片检测到一次谐波的能量幅度是最大的，此时去结合图6中的方向图可以得出，一次谐波能量最大值对应的入射角度为15°，也就表明，系统检测到的远场电磁波是来自15°方向；在图5中功率计芯片检测到负二次谐波的能量幅度是最大的，此时再去结合图6中的方向图可以得出，负二次谐波能量最大值对应的入射角度为-30°，这也就表明，系统检测到的远场电磁波是来自-30°方向。实验的结果显示，信号对应于不同的入射角θ，系统的功率检测芯片检测到的最大谐波能是完全不同的，并且通过实验结果表明，在工程上的测向可靠性还是很高的，同时数据是在实时的仿真中得到的，考虑到系统本身的特性，时延几乎可以忽略，很好的体现了本方法在测向时的实时性和可靠性。

步骤6：得到谐波能量最大值对应的频率成分之后，通过分析天线的方向图中最大谐波能量所对应的角度，如图6所示，从而确定远场电磁波入射到天线阵列的方向的角度值，最终实现测向的功能。

通过对带通滤波器中分离出来的信号通过功率分配网络之后，在功率计中进行能量检测，得到最大谐波能量所对应的频率成分，并结合天线方向图找到最大谐波能量所对应的角度，便能很容易的得出探测信号的方向。例如：在图6中，当入射角为零度时，天线的方向图中基波对应的能量幅度为最大峰值；当入射角为15度时，天线的方向图中一次谐波对应的能量幅度为最大峰值；当入射角为-15度时，天线的方向图中负一次谐波对应的能量幅度为最大峰值，利用这个原理，只要功率计找到谐波能量的最大值，便能得到远场电磁波的入射角度。