一种多径传播环境中均匀线阵相位响应参数的测定方法
【专利摘要】该发明属于电子信息【技术领域】中天线阵列相位响应参数的测定方法，包括初始化处理，建立第一个方向及余各设定方向的多径信号方向差矩阵，确定各设定方向校正信号源的直达波信号与非直达波信号之间的方向差，确定均匀线阵相位响应参数。该发明由于采用将校正信号源分别置于不同的已知方向上并依次发射信号，均匀线阵收到该信号源发射的各次信号后，对各次多径信号分别进行处理，建立各方向差矩阵并确定各校正信号源的多径信号之间的方向差，进而确定均匀线阵相位响应参数向量及归一化平均向量的共轭向量。从而具有在多径且非直达波信号方向未知传播环境中，准确测定均匀线阵相位响应参数且所测参数与实际参数之间的误差小、相似度高等特点。
【专利说明】一种多径传播环境中均匀线阵相位响应参数的测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电子信息【技术领域】中天线阵列相位响应参数的测定方法，特别是在多 径传播环境中多径非直达波信号方向未知的情况下，利用直达波信号的方向和均匀线阵接 收信号向量测定相位响应参数的方法。
【背景技术】
[0002] 对信号测向是天线阵列信号处理的关键技术之一，在雷达、通信、声呐等领域被广 泛地研究与应用。已知天线阵列的实际方向向量与信号来波方向（简称信号方向）之间的 一一对应关系是实现高分辨测向的前提，而天线阵列的实际方向向量等于根据信号方向向 量模型确定的方向向量与天线阵列相位响应参数向量的乘积向量（对应元素相乘）。在实 际应用中，天线阵列的方向向量与信号方向之间的一一对应关系受到未知的天线阵列相位 响应参数的影响，导致高分辨测向性能恶化。因此，测定天线阵列相位响应参数在高分辨测 向技术走向实用化的发展过程中具有重要意义。
[0003] 在没有多径传播的环境中，可以在已知方向设置一个校正信号，先测定天线阵列 接收信号向量，然后对其进行归一化平均处理，确定实际方向向量，最后利用根据信号方向 向量模型确定的方向向量及实际方向向量确定天线阵列相位响应参数向量。但是，在实际 应用中，除了存在直达波信号之外，往往还存在多径非直达波信号，而且多径非直达波信号 方向是未知的，对应的实际方向向量也是未知的。在存在多径非直达波信号的环境中，由于 天线阵列接收信号向量是直达波信号的实际方向向量与多径非直达波信号的实际方向向 量的线性组合，导致直接利用天线阵列接收信号向量和根据信号方向向量模型确定的直达 波波信号的方向向量确定天线阵列相位响应参数向量的方法失效。
[0004] 此外，由于受到未知的天线阵列相位响应参数的影响，利用均匀线阵接收信号向 量的子阵或子空间平滑的多径信号处理方法也不再适用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对【背景技术】中存在的多径传播环境中的均匀线阵相位响应参 数的测定问题，开发研究一种多径传播环境中均匀线阵相位响应参数的测定方法，该方法 将1个校正信号源依次置于不少于2个不同的方向上，分时发射信号，在存在多径非直达波 信号（方向未知）的情况下，实现多径传播环境中准确测定均匀线阵相位响应参数的目的。
[0006] 本发明的解决思路是：首先将校正信号源置于第一个已知（设定）的方向并发射 信号，均匀线阵接收到由该校正信号源发射的信号（直达波信号和非直达波信号）、即多径 信号后，经处理、以确定均匀线阵接收信号向量及其归一化平均向量，并确定归一化平均向 量及其共轭向量的哈达玛乘积（对应元素相乘），从而确定与均匀线阵相位响应参数无关 的无相向量；接着对无相向量进行子阵划分，建立方向差矩阵；其次，改变校正信号源的放 置方向，重复上述过程，对应每个校正信号源的放置方向均分别建立相应的方向差矩阵；然 后，利用各方向差矩阵，确定相应的校正信号源的直达波信号与非直达波信号之间的方向 差；然后，利用所有的直达波信号方向与其相应的非直达波信号之间的方向差，确定均匀线 阵相位响应参数向量及其归一化平均向量的共轭向量，从而在存在多径且方向未知的非直 达波信号的情况下，实现多径传播环境中准确测定均匀线阵相位响应参数的目的。
[0007] 因而本发明方法包括：
[0008] 步骤1.初始化处理：将均匀线阵的天线数M，划分子阵的天线个数J，均匀线阵的 天线位置坐标x m = (m-l)d,d是均勻线阵相邻天线之间的间隔,m = 1，2, "·，Μ,校正信号源 设置方向的个数Κ，校正信号源放置的不同方向0k，k= 1，2，···，Κ，矩阵大奇异值的判断门 限Π ，以及均匀线阵接收信号向量的个数L初始化存入内存；
[0009] 步骤2.建立第一个方向的方向差矩阵：首先采用I/Q双通道接收方法或希尔伯特 变换方法对接收到的放置于第一个方向Θ i的校正信号源发出的含直达波信号及非直达波 信号的信号进行处理，以确定均匀线阵接收信号向量；然后确定均匀线阵接收信号向量的 归一化平均向量，并确定归一化平均向量及其共轭向量的哈达玛乘积（对应元素相乘），从 而确定与均匀线阵相位响应参数无关的无相向量；接着对无相向量进行子阵划分，从而建 立该方向的多径信号方向差矩阵（?);
[0010] 步骤3.建立其余设定方向的多径信号方向差矩阵：待步骤2完成后将校正信号源 依次置于其余设定的方向上，通过校正信号源发出的信号分别重复步骤2、从而依次建立其 余方向的多径信号方向差矩阵；
[0011] 步骤4.确定各设定方向校正信号源的直达波信号与非直达波信号之间的方向 差：首先对步骤2、步骤3所得各多径信号方向差矩阵分别进行奇异值分解、确定大奇异值 的个数（记为N k)，进而分别利用各（Nk)个大奇异值对应的奇异向量确定信号子空间；然后 利用信号子空间，分别确定校正信号源放置于各设定方向时，各校正信号源的直达波信号 与其非直达波信号之间的方向差；(k= 1，2，···，Κ，η= l，2，...，Nk);
[0012] 步骤5.确定均匀线阵相位响应参数：利用校正信号源放置的不同方向（Θ k)和步 骤4所得的各方向相应的方向差（4 )建立相位恢复矩阵并从该恢复矩阵中确定与方向个 数相同的相位恢复矩阵的子矩阵；然后对相位恢复矩阵进行奇异值分解，确定相位恢复矩 阵的最小奇异值对应的右奇异向量；再将相位恢复矩阵的最小奇异值对应的右奇异向量按 元素顺序分成与方向个数相同的（K个）子向量，进而将相位恢复矩阵的各（K)个子矩阵与 相应的子向量进行（作）乘积处理，并确定其归一化平均向量，最后将均匀线阵相位响应 参数向量转换为归一化平均向量的共轭向量，共轭向量中各元素即为均匀线阵相位响应参 数。
[0013] 在步骤2中所述首先采用I/Q双通道接收方法或希尔伯特变换方法对接收到的放 置于第一个方向（θ^的校正信号源发出的信号进行处理，以确定均匀线阵接收信号向量， 其接收信号向量为：
[0014]
【权利要求】
1. 一种多径传播环境中均匀线阵相位响应参数的测定方法，包括： 步骤1.初始化处理：将均匀线阵的天线数M，划分子阵的天线个数J，均匀线阵的天线 位置坐标xm = (m-l)d, d是均勻线阵相邻天线之间的间隔，m = 1，2, "·，Μ,校正信号源设 置方向的个数Κ，校正信号源放置的不同方向0k，k= 1，2，···，Κ，矩阵大奇异值的判断门限 Π ，以及均匀线阵接收信号向量的个数L初始化存入内存； 步骤2.建立第一个方向的方向差矩阵：首先采用I/Q双通道接收方法或希尔伯特变换 方法对接收到的放置于第一个方向Θ i的校正信号源发出的含直达波信号及非直达波信号 的信号进行处理，以确定均匀线阵接收信号向量；然后确定均匀线阵接收信号向量的归一 化平均向量，并确定归一化平均向量及其共轭向量的哈达玛乘积，从而确定与均匀线阵相 位响应参数无关的无相向量；接着对无相向量进行子阵划分，从而建立该方向的多径信号 方向差矩阵； 步骤3.建立其余设定方向的多径信号方向差矩阵：待步骤2完成后将校正信号源依次 置于其余设定的方向上，通过校正信号源发出的信号分别重复步骤2、从而依次建立其余方 向的多径信号方向差矩阵； 步骤4.确定各设定方向校正信号源的直达波信号与非直达波信号之间的方向差：首 先对步骤2、步骤3所得各多径信号方向差矩阵分别进行奇异值分解、确定大奇异值的个 数，进而分别利用各个大奇异值对应的奇异向量确定信号子空间；然后利用信号子空间，分 别确定校正信号源放置于各设定方向时，各校正信号源的直达波信号与其非直达波信号之 间的方向差； 步骤5.确定均匀线阵相位响应参数：利用校正信号源放置的不同方向和步骤4所得 的各方向相应的方向差建立相位恢复矩阵并从该恢复矩阵中确定与方向个数相同的相位 恢复矩阵的子矩阵；然后对相位恢复矩阵进行奇异值分解，确定相位恢复矩阵的最小奇异 值对应的右奇异向量；再将相位恢复矩阵的最小奇异值对应的右奇异向量按元素顺序分成 与方向个数相同的子向量，进而将相位恢复矩阵的各个子矩阵与相应的子向量进行乘积处 理，并确定其归一化平均向量，最后将均匀线阵相位响应参数向量转换为归一化平均向量 的共轭向量，共轭向量中各元素即为均匀线阵相位响应参数。
2. 按权利要求1所述多径传播环境中均匀线阵相位响应参数的测定方法，其特征在于 步骤2中所述对接收到的放置于第一个方向Θ i的校正信号源发出的信号进行处理，以确 定均匀线阵接收信号向量，其接收信号向量为：
其中：x(1)(t)为校正信号源放置于第一个方向01时的均匀线阵接收信号向量，t为采 样时刻，t = 1，2,…，L，L表示总的采样时刻数，表示均匀线阵接收信号向量x(1) (t)的 第m个元素 ，m = 1，2,…，M，Μ是均勻线阵的天线个数； 而所述确定均匀线阵接收信号向量的归一化平均向量，为：
其中，是均匀线阵接收信号向量x(1)(t)的第一个元素，L是均匀线阵接收信号向 量的个数； 所述确定归一化平均向量及其共轭向量的哈达玛乘积，从而确定与均匀线阵相位响应 参 数无关的无相向量，为： Ui = r⑴ 〇 r(1)* 其中：r(1)#是平均向量r(1)的共轭向量，Θ表示哈达玛乘积（对应元素相乘）。
3. 按权利要求1所述多径传播环境中均匀线阵相位响应参数的测定方法，其特征在于 步骤2中所述对无相向量进行子阵划分，从而建立该方向的多径信号方向差矩阵，其方向 差矩阵为：
其中：C是平均向量r(1)的第m个元素，m= 1，2,…，M，M为均匀线阵的天线个数，J是 子阵的天线个数。
4. 按权利要求1所述多径传播环境中均匀线阵相位响应参数的测定方法，其特征在于 步骤3中所述依次建立其余方向的多径信号方向差矩阵，其余各多径信号方向差矩阵为：
其中：Θ k为校正信号源放置的方向，Uk为方向差矩阵，rf是平均向量r (k)的第m个元 素 ，k = 2,…，K，m = 1，2,…，M，Μ为均匀线阵的天线个数，J是子阵的天线个数，r(k)是将 校正信号源放置于方向Θ k时确定的均匀线阵接收信号向量的归一化平均向量。
5. 按权利要求1所述多径传播环境中均匀线阵相位响应参数的测定方法，其特征在于 步骤4中所述对所得各多径信号方向差矩阵分别进行奇异值分解，奇异值分解通过下式进 行：
其中：矩阵Ak是对角矩阵，对角元素分别对应多径信号方向差矩阵Uk的奇异值， 按降序排列，即矩阵Wk是由多径信号方向差矩阵Uk的奇异向量 w'K，…,wf构成的矩阵，与奇异值一一对应，Wf表示矩阵Uk的共轭转置矩阵，k = 1，2,…，K; 而所述确定大奇异值的个数，大奇异值的个数Nk由下式决定：
，即Nk是满足不等式
的最小的D值， 其中，J是子阵的天线个数，Π 是大奇异值的判断门限，k= 1，2, ···，!(，0为正整数。
6. 按权利要求1所述多径传播环境中均匀线阵相位响应参数的测定方法，其特征在于 步骤4中所述分别利用各个大奇异值对应的奇异向量确定信号子空间，信号子空间为：
其中：whwf，···，#为奇异向量，Nk为多径信号方向差矩阵uk的大奇异值的个数，k = 1，2,…，K; 而所述各校正信号源的直达波信号与其非直达波信号之间的方向差，为：
其中：为矩阵
的特征值，
泠别为信号子空间wf的上面J-1 行向量和下面J-1行向量组成的矩阵，
是矩阵Wf的广义逆矩阵，angle(i3kn)表示 矩阵
的特征值β kn的相位，η = 1，2,. . .，Nk，k = 1，2,…，K。
7. 按权利要求1所述多径传播环境中均匀线阵相位响应参数的测定方法，其特征在于 步骤5中所述利用所得的各方向相应的方向差之建立相位恢复矩阵，相位恢复矩阵用分块 矩阵的形式表示为：
其中
，是相位恢复矩阵Q的第k个 子矩阵，
，λ为信号波长，diag 1 (uk)为 矩阵diag(uk)的逆矩阵，diag(uk)为以无相向量uk的元素为对角元素的对角矩阵，η = 1，2, · · ·，Nk, k = 1，2,…，Κ，[]τ 表示向量转置。
8. 按权利要求1所述多径传播环境中均匀线阵相位响应参数的测定方法，其特征在于 步骤5中所述对相位恢复矩阵进行奇异值分解，奇异值分解通过下式进行： Q = SYGh 其中：矩阵Y是对角矩阵，对角元素为相位恢复矩阵Q的奇异值，按降序排列，矩阵S和 G是分别是由相位恢复矩阵Q的左奇异向量和右奇异向量构成的矩阵，与相位恢复矩阵Q的 奇异值一一对应。
9. 按权利要求1所述多径传播环境中均匀线阵相位响应参数的测定方法，其特征在于 步骤5中所述确定相位恢复矩阵的最小奇异值对应的右奇异向量，为矩阵G的最右边的列 向量，记为g ;所述将相位恢复矩阵的最小奇异值对应的右奇异向量按元素顺序分成与方 向个数相同的子向量，子向量分别为：
其中，[]τ表示向量转置，g(i)是向量g的第i个元素，
而所述对通过该恢复矩阵建立的各个子矩阵与相应的子向量进行乘积处理，其结果 为： f(k) = Qkg(k) 其中，Qk是相位恢复矩阵Q的第k个子矩阵，k = 1，2,…，K。
10. 按权利要求1所述多径传播环境中均匀线阵相位响应参数的测定方法，其特征在 于步骤5中所述确定其归一化平均向量为：
其中：f\k为向量f(k)的第1个元素； 而所述将均匀线阵相位响应参数向量转换为归一化平均向量的共轭向量，共轭向量 为：
其中：f#为向量f的共轭向量，共轭向量中各元素即为均匀线阵相位响应参数。
【文档编号】G01R31/00GK104142445SQ201410338672
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】万群, 肖洪坤, 徐保根, 万义和, 汤四龙, 丁学科, 龚辉, 殷吉昊, 邹麟, 饶中初 申请人:电子科技大学, 同方电子科技有限公司