阵列测向方法及装置与流程
本发明涉及阵列信号处理技术领域，具体而言，涉及一种阵列测向方法及装置。
背景技术：
阵列信号处理是信号处理的一个重要领域，其中，阵列测向技术研究的是对doa(directionofarrival，空间信号的到达方向)的估计问题，该技术在无线电信号监测、雷达、电子战和航天测控等众多领域有着广泛的应用。
现有技术中，阵列测向方法一般采用多波束比较法，通过形成多个波束接收通道，根据同一信号在不同波束接收通道的信号强度不同的原理，同时结合天线的波束方向图和波束指向信息，得到对doa的估计结果。
由于传统阵列测向方法中利用多通道形成波束，波束在硬件上合成会增大设备体积功耗，在软件上合成会增加系统复杂度和设备量，而且也需要准确测量合成波束方向和入射信号强度，因此该阵列测向方法计算方式复杂，工作量较大，也会提高进行阵列测向的设备的复杂度。
技术实现要素：
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种阵列测向方法及装置，解决了现有阵列测向方法中计算方式复杂，工作量较大的问题，降低了进行阵列测向的设备的复杂度。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种阵列测向方法，包括：对多个阵列通道接收到的入射信号进行处理，获取得到数据序列，该数据序列包括针对各阵列通道在同一时刻的复信号值或各阵列通道在同一频率点的复频谱值；获取数据序列的傅里叶频谱；获取傅里叶频谱的频谱峰值以及频谱峰值对应的频率值；基于频率值和入射信号的射频频率，确定入射信号的入射角度。
可选地，在获取傅里叶频谱的频谱峰值以及频谱峰值对应的频率值之前，该方法还包括：将傅里叶频谱中的零频率点移动到傅里叶频谱的中点。
可选地，若数据序列包括各阵列通道在同一频率点的复频谱值，在获取数据序列的傅里叶频谱之前，该方法还包括：对经过处理的入射信号做傅里叶变换，获取与入射信号的射频频率相对应的中频频点的频谱值。
可选地，在获取数据序列的傅里叶频谱之前，该方法还包括：若数据序列的长度小于预设长度，则将数据序列扩充至所述预设长度。
可选地，该基于频率值和入射信号的射频频率，确定入射信号的入射角度的步骤包括：计算频率值与射频频率的比值的相反数；将该比值的相反数的反正弦函数值确定为入射角度。
第二方面，本发明实施例还提供了一种阵列测向装置，该装置包括：第一获取模块，用于对多个阵列通道接收到的入射信号进行处理，获取得到数据序列，该数据序列包括针对各阵列通道在同一时刻的复信号值或各阵列通道在同一频率点的复频谱值；第二获取模块，用于获取数据序列的傅里叶频谱；第三获取模块，用于获取傅里叶频谱的频谱峰值以及频谱峰值对应的频率值；确定模块，基于频率值和入射信号的射频频率，确定入射信号的入射角度。
可选地，该装置还包括：移动模块，用于将傅里叶频谱中的零频率点移动到傅里叶频谱的中点。
可选地，第一获取模块还用于：对经过处理的所述入射信号做傅里叶变换，获取与所述入射信号的射频频率相对应的中频频点的频谱值。
可选地，该装置还包括：扩充模块，若所述数据序列的长度小于预设长度，则将所述数据序列扩充至所述预设长度。
可选地，确定模块具体用于：计算频率值与射频频率的比值的相反数；将该比值的相反数的反正弦函数值确定为入射角度。
本发明的有益效果是：提供了一种阵列测向方法，包括：对多个阵列通道接收到的入射信号进行处理，获取得到数据序列，然后对数据序列进行傅里叶变换获取数据序列的傅里叶频谱，再获取傅里叶频谱的频谱峰值以及频谱峰值对应的频率值，最后基于频率值和入射信号的射频频率，确定入射信号的入射角度。通过对空间频率进行估计，计算得到信号入射角度，从而得到空间信号到达方向的估计结果，由于傅里叶变换运算有优化过的硬件处理资源，且频谱峰值搜索运算可以采用固定处理次序的软件实现，因此可以快速准确的得到信号的入射角度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种阵列测向方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种时域数据序列；
图3为本发明实施例提供的一种频域数据序列；
图4为本发明实施例提供的一种处理入射信号的方法示意图；
图5为本发明实施例提供的一种阵列通道的布置示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种阵列测向方法的流程图；
图7为本发明实施例提供的一种傅里叶频谱图；
图8为本发明实施例提供的一种阵列测向方法误差分析的方法示意图；
图9为本发明实施例提供的一种阵列测向装置的模块示意图；
图10为本发明实施例提供的另一种阵列测向装置的模块示意图；
图11为本发明实施例提供的另一种阵列测向装置的模块示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
请参照图1，为本发明实施例提供的一种阵列测向方法的流程图。
步骤s101，对多个阵列通道接收到的入射信号进行处理，获取得到数据序列，该数据序列包括针对各阵列通道在同一时刻的复信号值或各阵列通道在同一频率点的复频谱值。
由于从多个阵列通道接收到的入射信号为模拟信号，模拟信号虽可测，但计算机中的软件程序不能直接对模拟信号进行处理，所以在信号处理时并不直接对测得的模拟信号进行处理，而是先将各阵列通道模拟信号同步转化为数字信号，再对转化后的数字信号做进一步处理。因此需要对从多个阵列通道接收到的入射信号进行处理，获取得到数据序列。
其中，阵列为按照一定规律进行空间排列的一种排列方式。
在本发明实施例中，阵列为工作在同一频率的两个或两个以上的单一天线按照一定的要求进行空间排列构成的天线阵列，构成天线阵列的单元是阵元。阵列分为均匀线性阵列、非均匀线性阵列和均匀圆阵几种不同阵列，需要说明的是，本发明所提供的阵列测向方法主要是针对均匀线性阵列进行测向。
阵列通道为以阵列形式构成的一种接收信号的通道，在实际应用中，阵列通道可以为根据用户需要设计的具有特定功能和技术指标的集成电路。
入射信号为从阵列通道接收到的信号，是一种电磁波信号。
数据序列为从各阵列通道接收到的信号经过处理后得到的序列，在时域中处理时，数据序列可用如图2中的矩阵的其中一行表示，例如[s1(k)，s2(k)，……，sn(k)]，其中k表示采样时刻，且k为正整数，s1(k)表示第1个通道在k时刻的复信号值，sn(k)表示第n个通道在k时刻的复信号值。在频域处理时，需要对图2中的矩阵的每一列进行离散傅里叶变换，得到频域中的矩阵如图3所示，数据序列可用该矩阵中的一行表示，例如[x1(fm)，x2(fm)，……，xn(fm)]。其中fm表示与射频频率相对应的中频频点，x1(fm)为通道1在频点fm的复频谱值，xn(fm)为通道n在频点fm的复频谱值。
复信号值为复数形式的信号值，可以看做是实信号和虚信号的合成信号。
复频谱值为经过傅里叶变换得到的复数系数的序列。
如图4所示，对多个阵列通道接收到的入射信号进行处理的具体方式可以为：首先对入射信号进行低噪声放大、滤波和变频处理，得到采样时所需的样本信号；然后用多路a/d转换芯片(模拟数字转换芯片)对各阵列通道样本信号同时同步进行采集，从而将样本信号转化为数字信号；最后，对采样得到的数字信号进行正交变换，得到各阵列通道信号的复信号值，各阵列通道信号的复信号值可以组成数据序列，该数据序列为矩阵形式。
其中，可以选用低噪声放大器对入射信号进行处理，以便增强入射信号中的有用信号，用滤波器对入射信号进行处理将无用的干扰信号滤除，用变频器对放大和滤波后的信号作进一步处理获取所需样本信号。当然，在实际应用中，还可对多个阵列通道接收到的入射信号进行其他方式的处理。
模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号，数字信号是指信息参数在给定范围内表现为离散的信号。在本实施例中入射信号为模拟信号，可以经过a/d转换芯片转化为数字信号。
需要说明的是，本发明实施例主要是对窄带信号进行处理，窄带信号为信号带宽远小于中心频率的信号。
还需要说明的是，本发明实施例所提供的阵列测向方法在无线电信号监测、雷达、电子战和航天测控等众多领域均可应用。
步骤s102，获取数据序列的傅里叶频谱。
由于本发明实施例是通过对频率的估计来对空间信号的到达方向进行估计，因此，需要对数据序列进行傅里叶变换，获取数据序列的傅里叶频谱，基于该傅里叶频谱，对空间信号的到达方向进行估计。
其中，傅里叶频谱为经过傅里叶变换得到的在频域内表示时域信号的一种方式。
傅里叶变换为一种特殊的积分变换，能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数或者它们的积分的线性组合，是数字信号处理领域一种重要算法。傅里叶变换分为连续傅里叶变换和离散傅里叶变换，在本发明实施例中，由于数据序列为离散序列，所以是对数据序列做离散傅里叶变换，并获取离散傅里叶频谱。
当然，在实际应用中，也可以对数据序列进行快速傅里叶变换，以提高运算效率。
需要说明的是，可以采用matlab(一种数学软件)获取数据序列的傅里叶频谱。当然，在实际应用中，也可以通过其它方式获取数据序列的傅里叶频谱。
步骤s103，获取傅里叶频谱的频谱峰值以及频谱峰值对应的频率值。
由于本发明实施例在对空间信号的到达方向进行估计时需要根据对频率值进行估计得出入射角度，而因此需要获取傅里叶频谱的频谱峰值以及频谱峰值对应的频率值，该频率值即为频率估计值。
其中，频谱峰值为傅里叶频谱中幅度的最大值，可用matlab软件对傅里叶频谱进行遍历获取。
频率值为傅里叶频谱中与频谱峰值处相对应的横坐标的值。
步骤s104，基于频率值和入射信号的射频频率，确定入射信号的入射角度。
由于入射角度可以通过频率值和入射信号的射频频率计算得到，因此，可以基于频率值和入射信号的射频频率，确定入射信号的入射角度。
其中，射频频率为天线可以直接接收到的信号的频率。
入射角度为入射信号与垂直于阵列方向的夹角。
如图5所示，提供了一种阵列通道的布置示意图，该阵列为n元均匀线性阵列，各阵元之间间距相等。设各阵元之间间距为d，以左边第一个阵元为参考点，垂直于阵列的方向为法线方向，则入射信号与法线方向的夹角为信号的入射角度θ，且定义入射信号从左侧入射的入射角度为正，入射信号从右侧入射的入射角度为负。设各阵列通道的编号分别为1，2……n，设第n个阵列通道接收到的信号为sn(t)，则第n个阵列通道的入射信号可用公式sn(t)＝s1(t-(n-1)*t0)表示，其中，t表示时间，t0可用公式
另外，本发明实施例提供的阵列测向方法，可以减少运算量，快速得出运算结果。在时域中分析时，该方法只需要对数据序列进行一次傅里叶变换运算、一次一维频谱峰值搜索运算和一次反正弦运算即可，如果在频域中分析，需要对数据序列进行n+1次傅里叶变换运算、一次一维频谱峰值搜索运算和一次反正弦运算。目前对于傅里叶变换运算有优化过的硬件处理资源，因此需要的时间很少，而且一次一维频谱峰值搜索运算可以采用固定处理次序的软件实现，因此所用运算时间非常小。而传统的波束比较法在合成波束时需要占用大量的资源，以单通道进行30阶的数字滤波处理为例，则n个通道形成m个波束需要至少同时进行n×m×30的复数乘累加运算，运算量巨大。另外，采用波束比较法依赖于对合成波束方向图的精确测量和对入射信号强度的准确测量，增大了后期测试的工作量。目前常用的阵列测向方法还有谱估计法：以music(一种阵列测向算法)算法为例，对n个通道每个通道k个采样点的数据进行处理，需要计算数据的协方差矩阵，只计算协方差这一步就需要n×n×k次复数乘法运算和n×n次复数加法运算，而这些运算在硬件上通常没有专用的硬件处理资源，因此提高了系统的运算量，另外在对协方差矩阵进行特征值分解和谱函数估计以及峰值搜索等运算量都比较大。根据上述分析可得，本发明实施例提供的阵列测向方法在极大程度上减少了运算量。
在本发明实施例中，提供了一种阵列测向方法，包括：对多个阵列通道接收到的入射信号进行处理，获取得到数据序列，然后对数据序列进行傅里叶变换获取数据序列的傅里叶频谱，再获取傅里叶频谱的频谱峰值以及频谱峰值对应的频率值，最后基于频率值和入射信号的射频频率，确定入射信号的入射角度。通过对空间频率进行估计，计算得到信号入射角度，从而得到空间信号到达方向的估计结果，由于傅里叶变换运算有优化过的硬件处理资源，且频谱峰值搜索运算可以采用固定处理次序的软件实现，因此可以快速准确的得到信号的入射角度。
请参照图6，为本发明实施例提供的一种阵列测向方法的流程图。
步骤s601，对多个阵列通道接收到的入射信号进行处理，获取得到数据序列，该数据序列包括针对各阵列通道在同一时刻的复信号值或各阵列通道在同一频率点的复频谱值。
其中，对多个阵列通道接收到的入射信号进行处理，获取得到数据序列的方式，可以参见前述中的相关描述，此处不再一一赘述。
可选地，在获取数据序列的傅里叶频谱之前，可以对经过处理的入射信号做傅里叶变换，获取与入射信号的射频频率相对应的中频频点的频谱值。
由于现有的大多数模拟数字转换器在对信号进行采样时不能达到射频所发射的频率，所以采样通常是在中频进行处理，通过计算射频频率相对应的中频频点，获取与入射信号的射频频率相对应的中频频点的频谱值序列。
其中，中频频点为射频频率经过下变频后的频率值。
具体地，需要根据射频频率和信号采样时的变频方案计算射频频率相对应的中频频点。示例地，在本振电路中，本振频率低于射频频率时，射频频率与本振频率的差即为中频频率。
其中，中频频率点可用fm表示，在频域中分析时，需要对图2中的数据序列中的每一列复信号值进行离散傅里叶变换，此时得到的与射频频率fr相对应的中频频点fm的频谱值序列为：[x1(fm)，x2(fm)，……，xn(fm)]。
步骤s602，若数据序列的长度小于预设长度，则将数据序列扩充至所述预设长度。
由于频谱分辨率与数据序列的个数有关，因此，在分辨率未达到指定要求时，为了提高频谱分辨能力，需要在数据序列后面进行补零操作，将数据序列扩充至可以达到分辨率要求的长度。
其中，频谱分辨率为将两个相邻谱峰分开的能力，也即是分辨两个不同频率信号的最小间隔。
需要说明的是，预设长度为根据频谱分辨率要求所计算出的数据序列的个数，该预设长度可以通过事先确定。
具体地，在离散傅立叶变换中，频谱分辨率等于采样频率与数据序列的个数的比值，在获取数据序列的傅里叶频谱之前，可以根据分辨率要求，计算预设长度，若数据序列的长度小于预设长度，则可以将数据序列扩充至所述预设长度。
当然，在实际应用中，也可以不将数据序列扩充至预设长度，也即是，步骤s602若数据序列的长度小于预设长度，则将数据序列扩充至预设长度为可选的步骤。
步骤s603，获取数据序列的傅里叶频谱。
其中，获取数据序列的傅里叶频谱的方式可以参见前述中的相关描述，此处不再一一赘述。
步骤s604，将傅里叶频谱中的零频率点移动到傅里叶频谱的中点。
为了在搜索完傅里叶频谱的频谱峰值后方便寻找与频谱峰值相对应的频率值，可以将傅里叶频谱中的零频率点移动到傅里叶频谱的中点。
其中，零频率点为傅里叶频谱中频率为0的频率值所对应的点。
可以采用matlab中的fftshift函数将傅里叶频谱中的零频率点移动到傅里叶频谱的中点。
当然，在实际应用中，也可以不将傅里叶频谱中的零频率点移动到傅里叶频谱的中点，也即是，步骤s604将傅里叶频谱中的零频率点移动到傅里叶频谱的中点为可选的步骤。
步骤s605，获取傅里叶频谱的频谱峰值以及频谱峰值对应的频率值。
需要说明的是，由于采样频率为fs，因此，获取傅里叶频谱的频谱峰值对应的频率值的取值范围应该在
其中，获取傅里叶频谱的频谱峰值以及频谱峰值对应的频率值的方式可以参见前述中的相关描述，此处不再一一赘述。
步骤s606，基于频率值和入射信号的射频频率，确定入射信号的入射角度。
可选地，可以计算频率值与射频频率的比值的相反数；将该比值的相反数的反正弦函数值确定为入射角度。
由前述分析可知，入射角度的解算与频率值和射频频率有关，因此，可以基于频率值和入射信号的射频频率，计算频率值与射频频率的比值，该比值的相反数的反正弦函数值即为入射信号的入射角度。
如图5所示，该阵列通道的入射角度θ可以基于fe与fr计算得到，首先计算fe与fr的比值，则该比值的相反数的反正弦函数值即为θ，可用公式
以16元均匀线性阵列为例，设入射信号射频频率fr为3ghz，入射信号的波长λ为100mm，设阵列的阵元间距为
经过计算，本发明实施例提供的阵列测向方法，可以进行无模糊测向的入射角度范围说明如下：当间距
本发明实施例提供的一种阵列测向方法，包括：对多个阵列通道接收到的入射信号进行处理，获取得到数据序列，该数据序列包括针对各阵列通道在同一时刻的复信号值或各阵列通道在同一频率点的复频谱值；若数据序列的长度小于预设长度，则将数据序列扩充至所述预设长度；获取数据序列的傅里叶频谱；将傅里叶频谱中的零频率点移动到傅里叶频谱的中点；获取傅里叶频谱的频谱峰值以及频谱峰值对应的频率值；基于频率值和入射信号的射频频率，确定入射信号的入射角度。通过对空间频率进行估计，计算得到信号入射角度，从而得到空间信号到达方向的估计结果，由于傅里叶变换运算有优化过的硬件处理资源，且频谱峰值搜索运算可以采用固定处理次序的软件实现，因此可以快速准确的得到信号的入射角度。
请参照图9，为本发明实施例提供的一种阵列测向装置的模块示意图，该装置包括：第一获取模块901，用于对多个阵列通道接收到的入射信号进行处理，获取得到数据序列，该数据序列包括针对各阵列通道在同一时刻的复信号值或各阵列通道在同一频率点的复频谱值；第二获取模块902，用于获取数据序列的傅里叶频谱；第三获取模块903，用于获取傅里叶频谱的频谱峰值以及频谱峰值对应的频率值；确定模块904，基于频率值和入射信号的射频频率，确定入射信号的入射角度。
可选地，如图10所示，该装置还包括：移动模块，用于将傅里叶频谱中的零频率点移动到傅里叶频谱的中点。
可选地，第一获取模块还用于：对经过处理的所述入射信号做傅里叶变换，获取与所述入射信号的射频频率相对应的中频频点的频谱值。
可选地，该装置还包括：扩充模块，若所述数据序列的长度小于预设长度，则将所述数据序列扩充至所述预设长度。
可选地，确定模块具体用于：计算频率值与射频频率的比值的相反数；将该比值的相反数的反正弦函数值确定为入射角度。
上述装置用于执行前述实施例提供的方法，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
以上这些模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，简称asic)，或，一个或多个微处理器(digitalsingnalprocessor，简称dsp)，或，一个或者多个现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，简称fpga)等。再如，当以上某个模块通过处理元件调度程序代码的形式实现时，该处理元件可以是通用处理器，例如中央处理器(centralprocessingunit，简称cpu)或其它可以调用程序代码的处理器。再如，这些模块可以集成在一起，以片上系统(system-on-a-chip，简称soc)的形式实现。
图11为本发明一实施例提供的另一种阵列测向装置的示意图，该装置可以集成于终端设备或者终端设备的芯片，该终端可以是具备阵列测向功能的计算机设备。
该装置包括：存储器1101、处理器1102。
存储器1101用于存储程序，处理器1102调用存储器1101存储的程序，以执行上述方法实施例。具体实现方式和技术效果类似，这里不再赘述。
本发明还提供一种程序产品，例如计算机可读存储介质，包括程序，该程序在被处理器执行时用于执行上述方法实施例。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(英文：processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(英文：read-onlymemory，简称：rom)、随机存取存储器(英文：randomaccessmemory，简称：ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
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