一种高精度阵列信号生成方法与流程

本发明涉及阵列信号处理技术领域，特别是阵列信号的生成方法，更具体的是涉及一种用于对雷达、无线通信以及卫星导航阵列接收设备进行有线测试的高精度阵列信号生成方法。

背景技术

目前，天线阵已广泛应用于雷达、无线通信以及卫星导航等领域，常规的接收设备采用单天线接收信号，当接收设备受到有意或恶意的电磁干扰时，接收设备只能从时域或频域对干扰进行抑制。然而，时域和频域抗干扰方法只能抑制窄带干扰，当电磁干扰的带宽超过目标信号带宽的10％时，干扰抑制效果并不理想。当接收设备采用天线阵接收信号时，只要电磁干扰与目标信号的入射方向不同，接收设备都可从空域上对干扰进行有效抑制，且对干扰的带宽不敏感。另外，接收设备还可利用天线阵进行波束形成处理来提高目标信号的信噪比，从而获得更好的接收性能。基于这些优点，目前高端的无线通信以及卫星导航接收设备尤其是军用设备大多采用天线阵来接收信号。

阵列接收设备的性能测试手段包括无线测试和有线测试，其中有线测试在阵列接收设备样机研制中的原理验证和调试阶段发挥着重要作用。对阵列接收机进行有线测试首先需要模拟生成天线阵各个阵元所接收的信号(即阵列信号)。由于入射信号到达各个阵元的时间不同，各个阵元所接收的信号存在时延差。

设入射信号s(t)的表达式为：

式中，d(t)表示基带信号，f0表示入射信号的载波频率，j为虚数单位，e为自然对数的底数，π为圆周率，t表示时间。入射信号根据实际测试需求确定，可以是目标信号也可以是各种电磁干扰。

假设天线阵的阵元数为n，则天线阵各个阵元接收到的信号可表示为：

式中，rk(t)为第k个阵元接收到的信号，τk为入射信号到达第k个阵元相对到达参考接收点的时延差，k＝1,2,…,n，(·)^t表示转置。r(t)即为有线测试中需要模拟生成的阵列信号。当天线阵的尺寸较小时(例如直径为200mm的圆阵)，上述时延差一般在纳秒量级，因此阵列信号生成的难点在于如何对入射信号进行精确的时延控制。

传统的阵列信号生成方法大部分基于窄带假设，即认为入射信号到达各个阵元的时延差远小于入射信号带宽的倒数，因此忽略掉了基带信号d(t)的时延差，此时阵列信号可近似为：

式中，为一个n维矢量，在阵列信号处理中称为导向矢量。从上式可以看到，采用窄带假设时，阵列信号生成的实现较为简单，不需要对入射信号进行时延控制，只需要计算出导向矢量，然后将导向矢量与入射信号s(t)相乘即可。

当入射信号的带宽较宽时，窄带假设的近似处理将会引入较大的误差。聂俊伟等在窄带假设对gnss天线阵抗干扰性能评估的影响分析中的研究结果表明(参考文献：聂俊伟、葛锐、李敏等,“窄带假设对gnss天线阵抗干扰性能评估的影响分析”,国防科技大学学报,2011年10月,vol.33,no.5,pp.128-133.)，在评估阵列接收设备抗宽带干扰的性能时，如果按照传统的阵列信号生成方法来生成阵列信号，评估结果将偏乐观，不能准确反映设备的真实性能。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种高精度阵列信号生成方法，用于对包括无线通信、卫星导航在内的阵列接收设备进行有线测试时，精确生成所需的测试信号。具体技术方案如下：

一种高精度阵列信号生成方法，其特征在于包括下述步骤：

(s1)对入射信号s(t)进行傅里叶变换，得到入射信号的频谱s(f)：

式中，f表示频率，t1为入射信号的时长。

(s2)以参考接收点为坐标原点，建立东北天坐标系(east-north-up，缩写：enu)，并根据入射信号的入射方向和天线阵各个阵元在enu坐标系中的坐标计算入射信号到达各个阵元的时延差τk，k＝1,2,…,n：

式中，(xk,yk,zk)为第k个阵元在enu坐标系中的坐标，θ为入射信号的俯仰角，为入射信号的方位角，c为光速；

(s3)对入射信号的频谱s(f)进行相位旋转操作，生成天线阵各阵元接收信号的频谱，以第k个(k＝1,2,…,n)阵元为例，其接收信号的频谱通过下式的相位旋转操作得到：

式中，yk(f)为第k个阵元接收信号的频谱。

(s4)对天线阵各阵元接收信号的频谱进行傅里叶反变换，得到各个阵元接收信号的时域形式，仍然以第k个(k＝1,2,…,n)阵元为例，其接收信号的时域形式通过下式得到：

式中，b为入射信号的带宽。yk(t)为最终生成的阵列信号的第k个分量，最终生成的阵列信号表示为：

y(t)＝[y1(t)…yk(t)…yn(t)]^t。

优选地，所述参考接收点为天线阵的几何中心或某个阵元所在位置。

采用本发明获得的有益效果：本发明能够精确生成对包括无线通信、卫星导航在内的阵列接收设备进行有线测试时所需的阵列信号，用于准确评估阵列接收设备的抗干扰性能。

附图说明

图1是本发明阵列信号生成方法的流程图；

图2是实施例中四阵元的直线阵示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

图1是本发明阵列信号生成方法的流程图，如图所示，本发明包括以下步骤：

步骤s1，对入射信号进行傅里叶变换，得到入射信号的频谱。入射信号的频谱表示为：

式中，f表示频率，t1为入射信号的时长，j表示虚数单位，e表示自然指数的底，π为圆周率，t表示时间。入射信号s(t)可由通用的信号源生成，实施例中可以采用安捷伦公司的矢量信号发生器e4438c。

步骤s2，以参考接收点为原点，计算入射信号到达天线阵各阵元的时延差。首先以参考接收点为原点，建立enu坐标系。然后，根据入射信号的入射方向以及天线阵各阵元在enu坐标系中的坐标计算出入射信号达到各个阵元的时延差，以第k个(k＝1,2,…,n)阵元为例，其接收信号的时延差通过下式计算：

式中，(xk,yk,zk)为第k个阵元在enu坐标系中的坐标，θ为入射信号的俯仰角，为入射信号的方位角，c为光速；

本实施例中天线阵选择四元直线阵，即n＝4，如图2所示。选取阵元1(图中用a1表示阵元1，其余阵元为a2、a3、a4)所在位置为参考接收点建立enu坐标系，通过下式计算第k个(k＝1,2,3,4)阵元接收信号的时延差：

其中，d为阵元间距，θ为入射信号的俯仰角，入射信号的方位角等于0，c为光速；

步骤s3，对入射信号的频谱进行相位旋转操作，得到各阵元接收信号的频谱。以第k个(k＝1,2,…,n)阵元为例，相位旋转操作的表达式如下所示:

式中，yk(f)为第k个(k＝1,2,…,n)阵元接收信号的频谱。

步骤s4，对各阵元接收信号的频谱进行傅里叶反变换，得到最终的阵列信号。以第k个(k＝1,2,…,n)阵元为例，首先，通过下式的傅里叶反变换得到其接收信号的时域形式：

式中，b为入射信号的带宽。yk(t)即为最终生成的阵列信号的第k个分量，最终生成的阵列信号为：

y(t)＝[y1(t)…yk(t)…yn(t)]^t；

在本实施例中，最终生成的阵列信号为：

y(t)＝[y1(t)y2(t)y3(t)y4(t)]^t。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。