一种和差波束与波束MUSIC相结合的测向方法与流程

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种和差波束与波束music相结合的测向方法。

背景技术：

随着空间目标的日益增多、空间武器对抗的快速发展，对相控阵天线的性能提出了更高的要求。这就需要将阵列天线的波束宽度变窄、加大阵列口径面积、增多天线单元数和提高发射功率，从而使现代相控阵朝着巨型阵的方向发展，相应的出现了分布式相控阵。

分布式阵列概念最早出现在70年代，但直到80年代，人们才开始把分布式阵列应用于相控阵领域，heimiller等在上世纪80年代发表的“distributedarrayradar”一文中就提出利用多个小孔径阵列分散布置构成的大阵系统，也就是分布式相控阵的概念。分布式阵列提高了系统机动性、生存能力且易扩展，受到了广大技术研究人员的关注，其中美国对此进行了比较深入和全面的研究。在2000年，美国相关实验室提出了基于分布式子阵天线的舰载多功能相控阵系统，其将系统多个小空间子阵列分散布置在舰载平台上，再对子阵列接收信号进行相参处理，是该系统性能达到等效的大孔径天线阵列，并且降低了系统成本。

阵列天线所涉及最主要的问题就是空间谱估计，即波达方向(doa)估计，doa估计是信号接收乃至合成中必不可少的环节。常规波束形成(cbf)方法是被公认为的一种最早提出的也是经典的基于窄带阵列的doa估计算法，但遗憾的是cbf方法的分辨力受到阵列物理孔径的约束，通常也叫做“瑞利(rayleigh)限”，导致其无法估计处于同一个波束宽度内的多个空间目标信号源的doa。直到上世纪七十年代，以美国科学家schmidt等人提出了多重信号分类(multiplesignalclassification，music(schmidtro.multipleemitterlocationandsignalparameterestimation.ieeetransactionsonantennasandpropagation，1986，34(3)：276280.))算法，性能较为出色，其利用天线信号二阶矩分解得到的信号子空间和噪声子空间的正交性以实现超高精度的doa估计。基于music算法，科研工作者们又提出了一系列改进的算法，比如最小范数法(minimumnormmethod，mnm)、多维music算法、特征矢量法以及求根music(root-music)算法等。在基于子空间分解类技术的基础上，1989年，roy和kailath等人提出了另一经典的子空间算法，即旋转不变子空间技术(estimationofsignalparametersviarotationalinvariancetechniques，esprit(royr，kailatht.esprit-estimationofsignalparametersviarotationalinvariancetechniques.ieeetransactionsonacoustics，speechandsignal))。此后又有许多研究工作者针对于子空间分类法的性能和计算复杂度做出了许多改进。

然而针对于分布式阵列，由于各个之间距离较远且排布不规则，虽然依旧可以运用music算法，但会出现角度模糊问题，双尺度esprtt算法(vasylyshynvi.closed-formdoaestimationwithmultiscaleunitaryespritalgorithm[c]radarconference，2004.eurad.firsteuropean.2004：317-320)是最常用的解模糊算法，但其只适用于旋转对称的阵列结构，文献(hez，zhaoz，niez，etal.methodofsolvingambiguityforsparsearrayviapowerestimationbasedonmusicalgorithm[j].signalprocessing，2012，92(2)：542546)在music算法的基础上，利用一个目标函数估计每个谱峰的功率，再以所得功率为参考进行解模糊在，而文献(党晓方，陈伯孝，杨明磊.基于root-rare算法的非同构分布式阵列高精度方向估计[j].系统工程与电子技术，2014，36(6)：10271032)是基于root-rare算法对非同构分布式阵列进行doa解模糊。

故在现有技术中，针对分布式阵列大多采用双尺度esprit算法来应对由栅瓣导致的角度模糊问题，但esprit算法对阵列流形有要求，无法应用于任意布置的分布式阵列，而全局music算法又由于需处理信号过多而导致计算复杂度太高而无法应用于实际中。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

技术实现要素：

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种和差波束与波束music相结合的测向方法，包括步骤：

s1，对分布式阵列中的单个子阵列运用和差波束测角得到粗估信号方向；

s2，对子阵列阵元信号进行静态波束形成，获取输出信号；

s3，通过所述输出信号构建空间谱函数，根据所述粗估结果确定估值范围，在所述估值范围内搜索所述空间谱函数的谱峰，从而得到信号估算方向。

较佳的，建立第一坐标系，所述分布式阵列均设置于在yoz平面上，所述分布式阵列内阵元的坐标为(yn，zn)，其中n＝1，2，...m，m为所述分布式阵列内所述阵元的数量，入射信号在xoy平面的投影与x轴的夹角为方位角所述入射信号与所述投影的夹角为俯仰角θ，选取所述阵列系统中的一个子阵，进行所述s1步骤；

所述步骤s1包括步骤：

s11，所述分布式阵列进行波束指向扫描，获取初始信号指向；

s12，在所述初始信号指向状态下，对所述分布式阵列的接收数据进行处理，形成和波束、俯仰差波束和方位差波束；

s13，通过所述和波束、所述俯仰差波束和所述方位差波束计算俯仰角偏差和方位角偏差；

s14，通过所述初始信号指向、所述俯仰角偏差和所述方位角偏差计算粗估信号方向

较佳的，在所述步骤s2中，将各所述子阵列划为若干个子阵面，每个所述子阵面均设置有一个相位参考点，将每个所述子阵面的阵元数据依据所述粗估信号方向进行静态波束形成汇聚于对应的所述相位参考点处：从而获得各所述子阵面的输出信号，所述输出信号的计算公式为：

其中，yi(n)为第i块子阵面的输出信号；xik(n)为第i块子阵面内第k个阵元接收到的信号；wik为第i块子阵面内第k个阵元的波束权系数；n＝1，2，...m；

其中，dyik为在第一坐标系内第i块子阵面内第k个阵元相距参考点qi的横坐标距离；dzik为在第一坐标系内第i块子阵面内第k个阵元相距参考点qi的纵坐标距离；λ为入射信号的波长。

较佳的，在所述步骤s3中，先对所述输出信号求协方差矩阵：

r＝e[y(n)y(n)^h]

其中y(n)＝[y1(n)，y2(n)，…，yi(n)]^t；

对协方差矩阵r进行特征值分解，并将所述特征值按递减顺序排序，则有：

λ1≥λ2≥…≥λn≥λn+1＝λn+2＝…＝λm＝σ²，

其中，n为空间中的信号数量；

所述特征值分别对应特征向量μ1，μ2，…μn，μn+1，…μm，其中，μ1，…μn构成信号子空间es，μn+1，…μm构成噪声子空间en，所述信号子空间es和所述噪声子空间en满足公式：

es＝span{μ1，…μn}

en＝span{μn+1，…μm}

构造所述空间谱函数：

其中，a为信号导向矢量，计算公式为：

a＝[a1，a2，…，am]^t

其中，dyi为参考点qi在第一坐标系上的y轴坐标，dzi为汇聚点qi在第一坐标系上的z轴坐标；为所述方位角；θ为所述俯仰角。

较佳的，在的所述估值范围内对所述空间谱函数pmusic进行二维搜索，所述空间谱函数pmusic在所述估值范围内的谱峰为所述信号估算方向，其中，δ为粗估偏差值。

较佳的，所述步骤s11中，选取所述分布式阵列中的一个子阵并将所述子阵划分为上下、左右对称的四个面阵，记为面阵i，面阵ii，面阵iii，面阵iv，以横纵两条分割线为y′轴和z′轴，以分割线交点o为原点构建第二坐标系，各所述面阵中心在所述第二坐标系中原点对称；所述分布式阵列单个子阵接收信号的和功率pout的计算式为：

pout＝e[|y(n)|²]＝e[|w^hx(n)|²]

＝w^he[x(n)x^h(n)]w＝w^hrw

其中，w为阵元权值，r为阵列接受信号的协方差矩阵；

所述子阵内阵元权值矢量w的表达式为：

w＝[w1，w2，…，wm]^t

其中，wn为子阵内第n个阵元的权值，dyn为阵元n在所述第二坐标系上的y′轴坐标，dzn为阵元n在所述第二坐标系上的z′轴坐标，为所述方位角；θ为所述俯仰角；λ为入射信号的波长；

在θ∈(0°，90°)，范围内进行全局搜索，所述和信号功率pout最大值对应的角度作为所述初始信号指向

较佳的，在所述步骤s12中将各所述子阵列的波束指向设置为所述初始信号指向的方向，在所述第二坐标系中坐标为(dy，dz)的阵元的权值表达式为：

其中，为所述波束指向方位角；θ0为所述波束指向俯仰角；λ为入射信号的波长。

较佳的，所述面阵i的加权合信号为y1(n)，所述面阵ii的加权合信号y2(n)，所述面阵iii的加权合信号y3(n)，所述面阵iv的加权合信号y4(n)；所述面阵i内l个阵元的合信号y1(n)的表达式为；

其中，xl(n)为所述面阵i中第l个阵元的接收信号，wl为所述面阵i中第l个阵元的权值；

所述和波束的计算公式为：

y∑(n)＝[y1(n)+y2(n)]+[y3(n)+y4(n)]

所述俯仰角差波束的计算公式为：

yeδ(n)＝[y1(n)+y3(n)]-[y2(n)+y4(n)]

所述方位角差波束的计算公式为：

yaδ(n)＝[y1(n)+y2(n)]-[y3(n)+y4(n)]。

较佳的，所述步骤s13中所述俯仰角偏差的计算公式为：

其中，λ为信号波长；θ0为所述初始波束指向俯仰角；ξz为所述面阵中心与所述第二坐标系中y′轴的距离；yeδ(n)为俯仰角差波束，y∑(n)为和波束；

所述方位角偏差的计算公式为：

其中，λ为信号波长；θ0为所述初始波束指向俯仰角；为所述初始波束指向方位角；ξy为所述面阵中心与所述第二坐系中z′轴的距离；yaδ(n)为方位角差波束，y∑(n)为和波束。

较佳的，在所述步骤s14中，利用所述俯仰角偏差和所述方位角方差修正所述初始信号指向得到所述粗估信号方向计算公式为：

其中，θ0为所述初始波束指向俯仰角；为所述初始波束指向方位角；为所述俯仰角偏差；δθ为所述方位角偏差。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明利用单个子阵估出的粗结果来对利用分布式阵列系统整体估角的搜索范围进行限制，使其在该范围内不会出现由栅瓣导致的模糊角，以此达到解模糊的效果，实现对目标信号的精准测向。

附图说明

图1为分布式阵列的分布模型；

图2为music算法波束预处理示意图；

图3为和差波束测角阵面划分示意图；

图4为使用本发明所述和差波束与波束music相结合的测向方法时子阵距离对测角精度影响的仿真图；

图5为使用本发明所述和差波束与波束music相结合的测向方法时阵元信噪比对测角精度影响的仿真图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

在本实施例中，如图1所示，图1为分布式阵列的分布模型；四个阵元数为32×32的矩形子阵列分别分布于一个正方形场地的顶点处从而形成分布式阵列，所述矩形子阵列为图1中的子阵a、子阵b、子阵c、子阵d，所述场地的边长设置为500倍信号波长。根据所述分布式阵列构造第一坐标系，如图1所示，所述阵元均分布在yoz平面上，坐标为(yn，zn)，其中n＝1，2，...m，m为所述分布式阵列内所述阵元的数量。入射信号在xoy平面的投影与x轴的夹角为方位角，记为入射信号与所述投影的夹角为俯仰角，记为θ。值得指出的是，由于music算法不受阵列流形限制，因此子阵列可以任意布置，在本实施例中的矩形布置只是方便后续性能仿真。

本发明所述和差波束与波束music相结合的测向方法包括如下步骤：

s1，对分布式阵列中的单个子阵列运用和差波束测角得到粗估信号方向；

s2，对子阵列阵元信号进行静态波束形成；

s3，通过所述输出信号构建空间谱函数，根据所述粗估结果确定估值范围，在所述估值范围内搜索所述空间谱函数的谱峰，从而得到信号估算方向。

具体的，所述步骤s1主要包括以下步骤：

s11，所述分布式阵列的阵面在整个空域进行波束指向扫描，直至获取所述分布式阵列上阵列波束形成器的最大输出功率，所述最大输出功率对应的波束指向角度作为初始信号指向

s12，在所述初始信号指向状态下，对所述分布式阵列的接收数据进行处理，形成和波束、俯仰差波束和方位差波束；

s13，通过所述和波束、所述俯仰差波束和所述方位差波束计算俯仰角偏差和方位角偏差。

s14，通过所述初始信号指向、所述俯仰角偏差和所述方位角偏差计算粗估信号方向

在所述步骤s2中，如图2所示，图2为music算法波束预处理示意图；将各所述子阵列划为若干个子阵面，每个所述子阵面均设置有一个相位参考点，记为q1、q2...qm，将每个所述子阵面的阵元数据依据所述粗估信号方向进行常规波束形成汇聚于对应的所述相位参考点处，即：

其中，yi(n)为第i块子阵面的输出信号；xik(n)为第i块子阵面内第k个阵元接收到的信号；wik为第i块子阵面内第k个阵元的波束权系数；dyik为在第一坐标系内第i块子阵面内第k个阵元相距参考点qi的横坐标距离；dzik为在第一坐标系内第i块子阵面内第k个阵元相距参考点qi的纵坐标距离；λ为入射信号的波长；n＝1，2，...m。

所述步骤s3的具体过程为：首先对所述输出信号求协方差矩阵，即：

r＝e[y(n)y(n)^h]

其中，y(n)＝[y1(n)，y2(n)，…，yi(n)]^t；

对r进行特征值分解，并将所述特征值按递减顺序排序，如空间有n个信号，则有：

λ1≥λ2≥…≥λn≥λn+1＝λn+2＝…＝λm＝σ²

上式特征值分别对应特征向量μ1，μ2，…μn，μn+1，…μm，其中μ1，…μn构成信号子空间，记为es，μn+1，…μm构成噪声子空间，记为en，即：

es＝span{μ1，…μn}

en＝span{μn+1，…μm}

构造空间谱函数：

其中为a信号导向矢量

a＝[a1，a2，…，am]^t

其中，dyi为参考点qi在所述第一坐标系上的y轴坐标，dzi为参考点qi在所述第一坐标系上的z轴坐标；为所述方位角；θ为所述俯仰角；λ为入射信号的波长。

在的范围内所述对谱函数pmusic进行二维搜索，谱峰即为角度估计结果，通常δ根据前述所得结果精度选取，通常δ选10^-1量级。

本发明利用单个子阵估出的粗结果来对利用分布式阵列系统整体估角的搜索范围进行限制，使其在该范围内不会出现由栅瓣导致的模糊角，以此达到解模糊的效果，实现对目标信号的精准测向。

传统的esprit算法仅适用于旋转堆成的分布式阵列，对阵列摆放有较大要求。而针对每个阵元数据的music方法理论上适用于任何阵列流形的阵列，但由于天线系统阵元数众多，导致其计算复杂度较高，无法满足实时性要求，实际中无法采用。因此本发明采用和差波束与波束music算法进行估角，既能适用于子阵列任意分布的阵列系统，又大大减小了计算量，使其可运用于实际中。

实施例二

具体所述步骤s1包括：所述步骤s11的波束指向扫描采用bartlett算法，bartlett算法是通过使所述分布式阵列的主波束指向某一方向，将所述分布式阵列上各阵元接收到的信号进行加权求和，当和信号功率最大时，此时的主波束指向方向接近信号来向。

具体的，依据图3所示将所述分布式阵列中某个子阵列划分为上下、左右对称的四块面阵，记为面阵i，面阵ii，面阵iii，面阵iv，以横纵两条分割线为y′轴和z′轴，以分割线交点o为原点构建第二坐标系，各所述面阵的中心p1，p2，p3，p4在所述第二坐标系中原点对称，所述分布式阵列接受信号的和信号功率pout的计算式为：

pout＝e[|y(n)|²]＝e[|w^hx(n)|²]

＝w^he[x(n)x^h(n)]w＝w^hrw

其中，w为阵元权值，r为阵列接受信号的协方差矩阵。

所述阵元权值w内包含信号方向信息，具体的，所述阵元权值w的表达式为：

w＝[w1，w2，…，wm]^t

其中，wn为子阵内第n个阵元的权值，dyn为阵元n在第一坐标系上的y轴坐标，dzn为阵元n在第一坐标系上的z轴坐标，为所述方位角；θ为所述俯仰角；λ为入射信号的波长。

在θ∈(0°，90°)，范围内进行全局搜索，所述和信号功率pout最大值对应的角度作为所述初始信号指向，记为

在所述步骤s12中调整所述子阵列的阵元权值，将各所述子阵列的波束指向设置为所述初始信号指向的方向，在所述第二坐标系上坐标为(dy，dz)的阵元l的权值为：

其中，θ0为所述初始波束指向俯仰角；为所述初始波束指向方位角；λ为入射信号的波长；n＝1，2，...m。

所述面阵i内l个阵元的合信号y1(n)的表达式为；

其中，xl(n)为所述面阵i中第l个阵元的接收信号，wl为所述面阵i中第l个阵元的权值。同理可得到y2(n)，y3(n)，y4(n)。

同理可得到面阵ii的合信号y2(n)，面阵iii，的合信号y3(n)，面阵iv的合信号y4(n)，从而进一步构造所述和波束、所述俯仰差波束、所述方位差波束：

所述和波束的计算公式为：

y∑(n)＝[y1(n)+y2(n)]+[y3(n)+y4(n)]

所述俯仰角差波束的计算公式为：

yeδ(n)＝[y1(n)+y3(n)]-[y2(n)+y4(n)]

所述方位角差波束的计算公式为：

yaδ(n)＝[y1(n)+y2(n)]-[y3(n)+y4(n)]

所述步骤s13中所述俯仰角偏差的计算公式为：

其中，λ为信号波长；θ0为所述初始波束指向俯仰角；ξz为所述面阵中心与y′轴的距离；yeδ(n)为所述俯仰角差波束，y∑(n)为所述和波束。

所述方位角偏差的计算公式为：

其中，λ为信号波长；θ0为所述初始波束指向俯仰角；为所述初始波束指向方位角；ξy为所述面阵中心与z′轴的距离；yaa(n)为所述方位角差波束，y∑(n)为所述和波束。

在所述步骤s14中，利用算出的所述俯仰角偏差和所述方位角方差修正所述初始信号指向得到粗估信号方向计算公式为：

实际过程中也可通过多次迭代修正获得最终的所述粗估信号方向。

实施例三

在具体的实施例中，四个32×32的矩形子阵列分布在矩形场地的顶点处(仅便于仿真，实际子阵可以不规则分布在场地内任意位置)，目标信号为窄带bpsk信号，载频为2.2ghz当单阵元信号通道信噪比为-31db时，最终测向精度与场地边长的关系如图4。

可见在800倍波长(约100米)范围场地内，上述测向方法均能得到较高的测向精度。

当固定场地大小为800倍波长，改变阵元通道信噪比，仿真结果如图5，可见当单阵元通道信噪比不低于-31db(即单个子阵阵面信噪比为-2db)，均能得到较好测向效果。上述仿真说明发明的方法针对分布式阵列测向效果良好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。