一种基于矩阵束方法的多个无源互调发生点的定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于矩阵束方法的多个无源互调发生点的定位方法。两路相干信号源注入到待测器件中产生多个无源互调信号，并在注入端口合为一个合成信号，测量获得该合成信号的幅度和相位；扫描频率进行多次测量，获得合成信号的幅度和相位数据，对获得的数据进行处理，利用矩阵束方法获得大致位置及其相对幅度，利用无源互调发生阈值获得发生点数量，再获得位置信息。本发明在不需要无源互调可能发生的位置或数量的先验条件下，并准确判断无源互调发生点的位置信息和幅度，有效地解决多个无源互调点的定位问题，对噪声具有鲁棒性。
【专利说明】
一种基于矩阵束方法的多个无源互调发生点的定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及了一种无源互调定位方法，尤其是涉及了一种基于矩阵束方法的多个 无源互调发生点的定位方法。
【背景技术】
[0002] 无源互调是指两个或两个以上载波信号由于无源器件非线性因素所引起的无源 互调现象。在小功率情况下，无源互调效应可以忽略，但是在大功率的情况下，无源互调效 应不容忽视，严重时可能导致整个系统崩溃。近年来，随着大功率，宽频带无线通信技术的 发展，无源互调已经成为无线通信技术中亟待决的问题。在实际的系统中，由于产生无源互 调效应的因素非常复杂，所以对产生无源互调效应的位置进行定位非常重要，而且通常情 况下产生无源互调效应的位置不止一个，因此需要对多点的无源互调进行定位。
【发明内容】
[0003] 为了解决【背景技术】中存在的问题，本发明提出了一种基于矩阵束方法的多个无源 互调发生点的定位方法，在不需要无源互调可能发生的位置或数量的先验条件下，能实现 多点无源互调发生点的准确定位。
[0004] 本发明采用的技术方案包括以下步骤：
[0005] 1)在同一参考信号源下，将两路相干信号源通过待测器件的注入端口注入到产生 无源互调的待测器件中产生多个无源互调信号，多个无源互调信号在注入端口合成为一个 合成无源互调信号，通过测量电路或测量仪器获得该合成无源互调信号的幅度和相位； [0006] 2)通过扫描两路相干信号源的频率进行多次测量，获得一系列合成无源互调信号 的幅度和相位数据，对获得的数据进行处理，在不需要无源互调可能发生的位置或数量的 先验条件下，利用矩阵束方法获得所有可能发生无源互调效应的位置及其相对幅度，并利 用无源互调发生阈值获得无源互调发生点的数量，并进一步处理获得位置信息。
[0007] 2.根据权利要求1所述的一种基于矩阵束方法的多个无源互调发生点的定位方 法，其特征在于：
[0008] 对所述幅度和相位数据进行处理具体是包括：
[0009] 2.1)构造 Hanker矩阵[Y]，对Hanker矩阵[Y]进行SVD奇异值分解；
[0010] 2.2)将奇异值与无源互调发生阈值进行比较，获得无源互调发生点的数量；
[0011] 2.3)再通过矩阵束方法获得无源互调发生点的位置；
[0012] 2.4)通过最小二乘法获得无源互调发生点的幅度。
[0013] 所述的两路相干信号源与测量电路或测量仪器连接到双工器，相干信号源经双工 器注入，合成无源互调信号经双工器输出。
[0014] 所述多次测量的扫描频率可以是等间距，也可以是不等间距。
[0015] 所述的扫描两路相干信号源频率的测量次数大于待测器件中所有可能存在的无 源互调发生点的数目。
[0016] 所述的合成无源互调信号的幅度和相位进行校准和归一化的预处理。
[0017] 所述的无源互调发生阈值是通过矩阵束方法SVD分解中相对于最大奇异值的比值 或者通过无源互调发生点处的幅度相对于最大幅度的比值。
[0018] 所述步骤2.1)具体为：
[0019] 构造以下公式的Hanker矩阵[Y]:
L002U 其中，1为矩阵束参数，范围为m/3彡1彡m/2，m为扫描两路相干信号源频率的测量 次数；
[0022] 对Hanker矩阵[Y]采用以下公式进行SVD奇异值分解，获得Hanker矩阵[Y]的奇异 值矩阵[2]:
[0023] [Y] = [U][2][V]h
[0024] 其中，[U]和[V]分别为[Y][Y]H的特征值矩阵和[Y]H[Y]的特征值矩阵，H表示矩阵 共辄转置，且[￥'] = [^^2，...^，...，^]，[￥']表示特征值矩阵[￥]的矩阵转置，[5：]为 Hanker矩阵[Y]的奇异值矩阵。
[0025]所述步骤2.2)具体为：由获得的Hanker矩阵[Y]的奇异值矩阵[2]内的各个奇异 值与无源互调发生阈值进行比较获得待测器件内产生无源互调效应的发生点，矩阵内高于 无源互调发生阈值的奇异值则认为产生了无源互调效应，否则认为不产生无源互调效应， 由此获得无源互调效应发生点的数量M。
[0026]无源互调发生阈值为相对于奇异值矩阵[2 ]内最大奇异值的比值。
[0027]所述步骤2.3)具体为：
[0028]先通过矩阵束方法求解矩阵束{[V2']h-A[V1']h}的广义特征值求得极点^，其中 [VI ' ] = [VI，V2，? ? ? VM-1]，[V2 ' ] = [V2, V3, ? ? ? VM]，[VI ' ]和[V2 ' ]分别为[V' ]的1 至 l」M_l 列和2 到M列的矩阵；
[0029]再根据极点心求解以下公式获得产生无源互调效应的位置xn:
[0030] 2n = ej2x"m
[0031] 其中，j表示虚数，A k为表示扫频间隔带宽所对应的波矢量。
[0032]所述步骤2.4)具体为:采用以下公式的最小二乘法获得无源互调效应发生点的幅 度： !'(()) 1 1 ... 1 Ai r .y(l) 一 之 1. 艺2 …-ZM- 為
[0033] =
[0034] 其中，Ai, A2,…,Am表示产生无源互调效应发生点XI, X2,…，XM处的复幅度大小。
[0035]步骤1)中，多个无源互调信号包括2w+l (w= 1，2，3"_)阶次的无源互调信号，当使 用2w+l(比如取w=l)阶无源互调信号进行定位时，则其他阶次（比如取w = 2,3-_)的无源互 调信号会降低信号的信噪比。
[0036] 步骤1)中，对其中一路相干信号源的频率进行等间距扫频，其中总共扫频点数为 m，m的取值在满足A k的条件下尽可能多。
[0037] 步骤1)中，扫频间隔带宽所对应的波矢量A k会影响定位的精度。所以需要设置合 理的A k。通常情况下，A k越大，定位越精确，但是无源互调发生点的数量有可能会变少。 [0038]本发明通过对数据进行SVD分解，设立合理的阈值参数，通过矩阵束方法得到无源 互调的位置和幅度，从而实现多点无源互调发生点的准确定位。
[0039]本发明的有益效果是：
[0040] 本发明在不需要无源互调可能发生的位置或数量的先验条件下，能获得所有可能 发生无源互调效应的位置及其相对幅度，并准确判断无源互调发生点的位置信息。
[0041] 本发明有效地解决多个无源互调点的定位问题，并且对噪声具有一定的鲁棒性。
【附图说明】
[0042] 附图1是本发明方法的系统框图；
[0043] 附图2是所述测量待测器件的示意图；
[0044]附表1是信噪比为30dB时的无源互调效应发生点的位置和幅度大小；
[0045]附表2是信噪比为20dB时的无源互调效应发生点的位置和幅度大小。
【具体实施方式】
[0046]以下结合附图，具体阐述本发明的工作原理和实施方式：
[0047]如图1所示，本发明的实施例如下：
[0048] 1)在同一参考信号源下，将两路相干信号源注入到产生无源互调的待测器件，多 个无源互调信号在端口产生一个合成信号，通过电路或仪器测量该信号的幅度A和相位供， 记为崩_7'〃。
[0049] 2)对其中一路相干信号源的频率进行等间距扫频，其中总共扫频点数为m，对于第 i次扫频，获得一系列幅度A(i)和相位沿，记为：
[0050] y(k +
[0051 ]其中，k为最低频率所对应的波矢量，A k为扫频间隔带宽所对应的波矢量。
[0052]通过等间隔扫频之后，得到的一系列单频复数信号写成如下形式： M
[0053] v(/) = v(A: +/AA } == .\.(/) + /?(/) = Y" + "(7> 0 < / < /;? -1 -- u
[0054] 其中，y(i)，y(k+i Ak)为加噪信号，x(i)是指不带噪声的信号，n(i)是指噪声信 号，M是指无源互调效应发生点的数量，An是指复幅度，z n是指极点，Xn为发生无源互调效应 的位置。
[0055] 3)由上述加噪信号构造 Hanker矩阵[Y] y(〇) y(i) ... y(/) r n rvi y⑴ y(2)…y(/ 丨 i)
[0056] m= c c c 一 y(m-/-l) y(m-/)…y(m-l)」(m-/w/+1)
[0057] 其中，1为矩阵束参数，范围为m/3彡l<m/2;
[0058] 对Hanker矩阵[Y]采用以下公式进行SVD奇异值分解，获得Hanker矩阵[Y]的奇异 值矩阵[2]:
[0059] [Y] = [U][2][V]h
[0060] 其中，[U]和[V]分别为[Y][Y]H的特征值和[Y]H[Y]的特征值，H表示矩阵转置，且
[V'] = [vi，V2,. . .VM,. . .，vi]，表示[V]的矩阵转置，[2 ]为Hanker矩阵[Y]的奇异值矩阵； [0061] 4)由获得的Hanker矩阵[Y]的奇异值矩阵[2 ]与无源互调发生阈值进行比较获得 待测器件内产生无源互调效应的发生点，矩阵内高于无源互调发生阈值的奇异值则认为产 生了无源互调效应，否则认为不产生无源互调效应，由此获得无源互调效应发生点的数量 M〇
[0062]无源互调发生阈值为相对于奇异值矩阵[2 ]内最大奇异值的比值。
[0063] 5)先通过矩阵束方法求解矩阵束{[V2']h-A[V1']h}的广义特征值求得极点^，其 中[VI ' ] = [V1，V2,…VM-1]，[V2'] = [V2，V3,…VM]，[VI ' ]和[V2']分别为[V']的1 至 l」M-l 列和 2到M列的矩阵；
[0064]再根据极点心求解以下公式获得发生无源互调效应的位置xn:
[0065]
[0066] 其中，j表示虚数，A k为扫频间隔带宽所对应的波矢量。
[0067] 6)采用以下公式的最小二乘法获得无源互调效应发生点的幅度： 一 ><〇)]「1 1 ??? 1 1["4"
[0068] ^ W = 1 2 M ^ G :C G C G ...
[0069]其中，Ai,A2, ???,Am表示产生无源互调效应发生点xi,X2, ???,xm处的复幅度大小。
[0070] 从而求得无源互调效应发生点的位置和幅度大小。
[0071] 在实施例中，采用图2所述的测量系统对待测器件进行无源互调测量，假设测试带 宽为1.72GHz-1.76GHz，在测试带宽内待测器件S21的相位差为2.36rad，扫频间隔为2MHz， A k为0.118rad/m，存在3个无源互调发生点，离反射端的距离为0.3m、l .2m、2m，幅度分别为 0.7、1、0.8(均为归一化数据）。
[0072]信噪比为30dB时通过矩阵束方法获得无源互调效应发生点的位置和幅度大小如 表1所示，信噪比为20dB时通过矩阵束方法获得无源互调效应发生点的位置和幅度大小如 表2所示。
[0073]表 1
[0077]在不需要无源互调可能发生的位置或数量的先验条件下，通过表1可以看出，当信 号比为30dB时，通过矩阵束方法对产生无源互调发生点的位置进行定位，误差最大为 2.3%，幅度大小的误差最大为3%，所以通过矩阵束方法源实现了互调效应发生点的位置 和幅度大小求解;通过表2可以看出，当信号比为20dB时，通过矩阵束方法对产生无源互调 发生点的位置进行定位，误差最大为3%，幅度大小的误差最大为13.7%，所以通过矩阵束 方法实现了无源互调效应发生点的位置和幅度大小求解。
[0078]综上所述，在低信噪比的情况下，本发明方法可实现无源互调效应发生点的位置 的准确定位，但是幅度大小的误差比较大，但是无源互调效应发生点的位置信息是无源互 调定位的重点，幅度的误差对定位的影响较小，所以本发明有效地解决多个无源互调点的 定位问题，技术效果突出显著，且对噪声具有一定的鲁棒性。
【主权项】
1. 一种基于矩阵束方法的多个无源互调发生点的定位方法，其特征在于： 1) 在同一参考信号源下，将两路相干信号源通过待测器件的注入端口注入到产生无源 互调的待测器件中产生多个无源互调信号，多个无源互调信号在注入端口合成为一个合成 无源互调信号，通过测量电路或测量仪器获得该合成无源互调信号的幅度和相位； 2) 通过扫描两路相干信号源的频率进行多次测量，获得一系列合成无源互调信号的幅 度和相位数据，对获得的数据进行处理，在不需要无源互调可能发生的位置或数量的先验 条件下，利用矩阵束方法获得所有可能发生无源互调效应的位置及其相对幅度，并利用无 源互调发生阈值获得无源互调发生点的数量，并进一步处理获得位置信息。2. 根据权利要求1所述的一种基于矩阵束方法的多个无源互调发生点的定位方法，其 特征在于:对所述幅度和相位数据进行处理具体是包括： 2.1) 构造 Hanker矩阵[Y]，对Hanker矩阵[Y]进行SVD奇异值分解； 2.2) 将奇异值与无源互调发生阈值进行比较，获得无源互调发生点的数量； 2.3) 再通过矩阵束方法获得无源互调发生点的位置； 2.4) 通过最小二乘法获得无源互调发生点的幅度。3. 根据权利要求1所述的一种基于矩阵束方法的多个无源互调发生点的定位方法，其 特征在于:所述的两路相干信号源与测量电路或测量仪器连接到双工器，相干信号源经双 工器注入，合成无源互调信号经双工器输出。4. 根据权利要求1所述的一种多个无源互调发生点的定位方法，其特征在于:所述的扫 描两路相干信号源频率的测量次数大于待测器件中所有可能存在的无源互调发生点的数 目。5. 根据权利要求1所述的一种多个无源互调发生点的定位方法，其特征在于:所述的无 源互调发生阈值是通过矩阵束方法SVD分解中相对于最大奇异值的比值或者通过无源互调 发生点处的幅度相对于最大幅度的比值。6. 根据权利要求2所述的一种多个无源互调发生点的定位方法，其特征在于:所述步骤 2.1)具体为： 构造以下公式的Hanker矩阵[Y]:其中，1为矩阵束参数，范围为m/3<Km/2，m为扫描两路相干信号源频率的测量次数； 对Hanker矩阵[Y]采用以下公式进行SVD奇异值分解，获得Hanker矩阵[Y]的奇异值矩 阵[Σ]: [Y] = [U][X][V]H 其中，[U]和[V]分别为[Υ][Υ]Η的特征值矩阵和[Υ]Η[Υ]的特征值矩阵，Η表示矩阵共辄 转置，且[V'] = [V1，V2, · · .VM, · · ·，vi]，[V']表示特征值矩阵[V]的矩阵转置，[Σ ]为Hanker 矩阵[Y]的奇异值矩阵。7. 根据权利要求2所述的一种多个无源互调发生点的定位方法，其特征在于:所述步骤 2.2) 具体为：由获得的Hanker矩阵[Y]的奇异值矩阵[Σ]内的各个奇异值与无源互调发生 阈值进行比较获得待测器件内产生无源互调效应的发生点，矩阵内高于无源互调发生阈值 的奇异值则认为产生了无源互调效应，否则认为不产生无源互调效应，由此获得无源互调 效应发生点的数量Μ。8. 根据权利要求2所述的一种多个无源互调发生点的定位方法，其特征在于:所述步骤 2.3) 具体为： 先通过矩阵束方法求解矩阵束{[ν2']Η-λ[ν?']Η}的广义特征值求得极点&，其中[VI'] =[vi，V2，. . . vm-1]，[V2' ] = [V2，V3, . . . vm]，[VI ' ]和[V2' ]分别为[V' ]的1 至IjM-l列和2至I」M列 的矩阵； 再根据极点^求解以下公式获得产生无源互调效应的位置Xn: 其中，j表示虚数，A k为表示扫频间隔带宽所对应的波矢量。9. 根据权利要求2所述的一种多个无源互调发生点的定位方法，其特征在于:所述步骤 2.4) 具体为:采用以下公式的最小二乘法获得无源互调效应发生点的幅度：其中，Ai，A2,…，Am表示产生无源互调效应发生点X1，X2,…，XM处的复幅度大小。
【文档编号】H04B17/00GK105959066SQ201610270509
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】张美 , 郑川, 陈翔, 崔万照, 皇甫江涛, 冉立新
【申请人】浙江大学