一种基于时间调制阵列谐波波束扫描的波达角估计方法与流程

本发明属于电子侦察领域，涉及一种基于时间调制阵列的波束扫描波达方向估计方法。

背景技术：

波达角(directionofarrival，doa)估计算法研究是阵列信号处理中的关键问题之一，主要研究任务是如何从背景噪声中估计信号的波达方向。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、空间谱测向等等。

幅度比较式测向体制的工作原理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。干涉仪测向体制的测向原理是依据电波在行进中，从不同方向来的电波到达测向天线阵时，在空间上各测向天线单元接收的相位不同，因而相互间的相位差也不同，通过测定来波相位和相位差，即可确定来波方向。到达时间差(timedifferenceofarrival，tdoa)测向体制的测向原理依据电波在行进中，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。上世纪五十年代，bartlett提出了一种波束形成法，这是最早的doa估计法，但由于阵列物理孔径的限制，该算法对doa估计的精度很低且抗噪性很差，为了提高算法的估计准确率，研究者们开始了新的研究。

burg等人提出了最大熵法将doa估计的研究从线性预测转变到了谱估计领域，开启了现代基于谱估计法研究的时代。capon等人提出了最小方差法，该方法是基于空间最优滤波的思想，使噪声和来自非目标方向的干扰最小，同时保持目标方向上的信号不变，提高了最小方差法的分辨率，但其运算量很大。schmidt提出了多重信号分类(multiplesignalclassification，music)算法，这一方法的提出开创了空间谱估计研究的新时代，该算法的提出使得doa估计的研究有了突飞猛进的发展，其利用子空间的特性进行估计的思想也推动了子空间类估计算法的发展。随后科研人员对多重信号分类算法进行了改进和优化。基于子空间分解的思想，roy和paulraj等人提出了旋转不变子空间的参数估计法，该算法使用子空间之间旋转不变的特性来估计doa，为了提高该算法的性能，研究人员提出了多个其衍生版本。

上述doa估计算法，需要大量射频通道，硬件复杂度较高；此外需要进行复杂的数学运算，占用大量的运算资源。本专利提出了基于时间调制阵列谐波波束扫描的doa估计方法，避免了大量的数学运算，降低了数字运算模块复杂度及算法的复杂度。

技术实现要素：

本发明提供一种复杂度更低、实现简单、精度较高的doa估计方法，旨在对接收到的电磁波信号的进行实时高效的达波方向估计。

本发明提出了一种基于时间调制阵列的波束扫描波达方向估计方法，包括以下步骤：

步骤1：配置接收端天线阵列数量为n，共n路射频天线，阵列天线为半波长间距的均匀直线阵，时间调制阵列在接收状态；

步骤2：每个阵元均与单刀单掷开关模块相连，开关的通断由数字信号处理模块控制，通过开关通断，实现对接收信号的调制；假设开关周期为t，则每路开关的导通时间为τ＝t/n；

步骤3：调制后的信号经过功率分配器合为一路，合路后的信号经过功率放大器进行放大，功率放大器输出的信号经过下变频模块，将+2次谐波分量下变频到基带，经过低通滤波器，提取+2次谐波分量；

步骤4：经过步骤3后的信号接通到功率计，功率计实时检测低通滤波器输出的能量大小，并将结果传送至数字信号处理模块进行记录；

步骤5：保持各开关导通时间长度τ不变，周期性调整各开关通断的相对关系，周期为tm，实现阵列+2谐波上方向图的周期性调整，从而实现波束扫描；当方向图的最大增益方向指向入射波方向时，此时功率计输出的能量最大；

步骤6：步骤4中数字信号处理模块，持续记录功率计的输出，经过一次tm的记录后，根据记录的数据，找到功率计最大输出；

步骤7：根据所记录的功率计最大输出时刻，根据当时阵列方向图的最大增益方向，查表得到入射波方向θs。

本发明提出一种基于时间调制阵列的波束扫描波达方向估计方法，其优点在于：

(1)本发明省略了高速数字采样模块，仅需要记录功率计输出的+2次谐波信号瞬时功率信息，降低了系统对数字信号处理芯片的要求。

(2)本发明不需要复杂的数学运算，对于计算及存储单元的要求很低，进一步降低了系统对数字处理模块的要求。

附图说明

图1为本发明系统流程图；

图2为实施例zδt＝0t时的调制时序；

图3为实施例zδt＝0.7t时的调制时序；

图4为实施例+2次谐波分量方向图；

图5为实施例经过一次扫描周期得到的+2次谐波功率；

图6为实施例z＝z'时阵列+2次谐波的方向图。

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。

如图1所示，一种基于时间调制阵列的波束扫描波达方向估计方法，包括以下步骤：

步骤1：配置接收端天线阵列数量为n，共n路射频天线，阵列天线为半波长间距的均匀直线阵，时间调制阵列在接收状态。

第n路天线接收到的信号可以表示为：

其中，a0为接收信号的幅度，fc为载波频率，θ为入射角，λ为波长。

步骤2：每个阵元均与单刀单掷开关模块相连，开关的通断由数字信号处理模块控制，通过开关通断，实现对接收信号的调制，将产生新的频率分量。假设开关周期为t，则每路开关的导通时间为τ＝t/n。第n个开关的控制信号un(t)可以表示为：

其中τn,on为第n个开关的导通时刻，k为功率计在进行功率估计时需要用到的调制周期t的个数；在扫描的初始，其通断时序如图2和图3所示。为了避免谐波分量混叠，调制信号频率fm＝1/t应当大于待测信号带宽。

步骤3：调制后的信号经过功率分配器合为一路，合路后的信号经过功率放大器进行放大，功率放大器的输出经过下变频模块，将+2次谐波分量下变频到基带。

不同于传统的测向体制将信号的fc线性搬移至基带，此处需要将功分器输出信号中fc+2*fm频率处的信号搬移至基带，并通过低通滤波器滤除其他谐波分量，提取+2次谐波分量。

步骤4：经过步骤3后的信号接通到功率计入口。功率计显示当前输入功率的瞬时值，经过k个调制周期t后，功率计得到了此时信号的+2次谐波分量能量的大小，并将结果传送至数字信号处理模块进行记录。

+2次谐波分量方向图如图4所示。

步骤5：保持各开关导通时间长度τ不变，以每k个调制周期t为单位，调整开关通断时序，此时开关控制信号可表示为：

其中每个天线导通起始时间可表示为0＜z≤zmax。当进行到第zmax次调整时，即为波束扫描过程的最后一次调制时序的调整，当进行k个周期后，功率计输出zmax+1个有效数值，此时一次波束扫描结束。经过以上过程，实现阵列+2次谐波上方向图的周期性调整，从而经过tm＝k(zmax+1)t后，完成一个波束扫描过程。当方向图的最大增益方向指向入射波方向时，此时功率计输出的能量最大。

步骤6：步骤4中数字信号处理模块，持续记录功率计的输出，经过一次tm的记录后，得到zmax+1个功率信息，根据记录的数据，找到功率计最大输出所对应的z'。

步骤7：由于z次调整的第二次谐波方向图最大增益方向不断改变，方向图的最大增益方向与z为一一对应关系，在数字信号处理单元中，可以将每z次调整所对应的方向θ0，θ1,θ2,θ3,…,存储在芯片中。根据所记录的功率计最大输出z'，查找列表，即可找到对应的方向θs，并输出一次结果。

结果表示：

假设入射信号的doa在-30度，经过一次扫描周期tm内，功率计的输出会不断改变，并由数字信号处理模块记录，如图5所示；一次扫描完成后，找到最大值出现的位置z＝z'，根据该时刻+2次谐波方向图最大值所对应的角度，可以得到目标信号的doa在-30度，z＝z'时的+2次谐波方向图如图6所示，其中方向图最大增益方向为-30度。