专利名称：无线信号接收系统的阵列综合测向方法
技术领域：
本发明属无线接收范畴，涉及无线信号接收系统的阵列综合测向方法，尤其涉及 由一部分相位同步的子阵列和另一部分相位不同步的子阵列组成的阵列的高分辨率 测向方法。
背景技术：
在无线信号接收系统中，当由多个阵元组成的阵列接收电》兹波、声波等无线信号 时，各个阵元接收的来波信号与某个指定的参考阵元之间存在一定的相位差。由于信 号的波达方向与该相位差之间存在一一对应的关系，因此可以利用该关系设计阵列测 向技术，通过对阵列接收的信号进行处理，实现阵列测向。在基于这种原理的现有阵 列测向方法中，典型的是具有高分辨率的多信号分类(MUSIC, Multiple Signals Classification)方法。
这种方法的缺点是，当各个阵元的信号接收机本身的相位未保持同步时，将在由 信号波达方向决定的相位差上面附加一个额外的、未知的、随机的相位差，此时如果 仍利用相位差与波达方向之间的关系设计阵列测向方法，将导致测向性能出现显著的 恶化。同时，对多个目标同时进行高分辨率测向时，需要使用较大孔径和阵元数较多 的阵列。由于各个阵元的信号接收机的相位保持同步需要同一本振，当阵列较大、阵 元数较多时，阵列测向系统的成本将显著增加。
发明内容
本发明的目的是为无线接收系统中相位不完全同步的阵列系统(由一部分相位同 步的子阵列和另一部分相位不同步的子阵列組成的阵列)提供一种较低成本的高分辨 率测向方法。本方法综合利用参考信号的方向和其他信号与参考信号的方向差，估计 其他信号的波达方向。利用这种方法能在阵列较大、阵元数较多的情况下，尽可能降 低对各个阵元信号接收机之间的相位同步的要求，将在保持高分辨率测向性能的同 时，有效的降低阵列测向系统的成本。 本发明的目的是这样达到的
首先利用不受相位不完全同步影响的阵列接收信号的模向量，得到其它信号与参考信号的方向差估计，再利用相位完全同步子阵列接收信号的复向量和完整的子空间 正交特性，得到参考信号的方向，从而完成所有信号的波达方向估计。 具体步骤是
第一步，确定相位不完全同步阵列接收信号的模向量及其自相关矩阵，对模自相 关矩阵进行特征分解，确定相位不完全同步阵列的噪声子空间；
第二步，确定相位不完全同步阵列的搜索向量，利用噪声子空间与相位不完全同 步阵列的搜索向量之间的正交特性，确定相位不完全同步阵列的方向差空间谦及其峰 值位置，"^值位置确定其他信号与参考信号的方向差；
第三步，确定相位完全同步子阵列接收信号的自相关矩阵，对自相关矩阵进行特 征分解，确定相位完全同步子阵列的噪声子空间；
第四步，确定相位完全同步子阵列的搜索向量，利用噪声子空间与相位完全同步 子阵列的搜索向量之间的完整正交特性确定参考信号空间镨及其峰值位置，峰值位置 确定参考信号的方向；
最后，利用参考信号的方向和其它信号与参考信号的方向差估计其它信号的波达 方向。
参考信号指方向最小的信号。 所勤目位不完全同步阵列接收信号的模向量为
为f时刻相位不完全同步阵列的接收信号向量，
M为相位不完全同步阵列的阵元数，I |2表示取复数的模； 所述相位不完全同步的阵列接收样本的模自相关矩阵为ifv =丄1>(/)/(0
其中，
其中，[f表示向量转置，iV为阵列接收数据的快摄数。式中丄可以为任何非零值
计算相位不完全同步的阵列模自相关矩阵的特征分解为:
其中，矩阵力是以特征值为对角元素的对角矩阵，
<formula>formula see original document page 6</formula>
4矩阵2是以对应的特征向量为列向量的矩阵；
所i^目位不完全同步的阵列噪声子空间为
2 =[&+1 …《M]其中，矩阵^是相位不完全同步的阵列模自相关矩
阵^的M-Z个最小特征值对应的特征向量构成的矩阵。
所勤目位不完全同步的阵列搜索向量为 l
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，d为相临阵元之间的间距，义为接收信号的波长，上两式的右边均 可乘以任何非零常数；
所勤目位不完全同步的阵列的方向差空间谱为
<formula>formula see original document page 7</formula>
所勤目位同步子阵列接收样本的自相关矩阵为及2 =丄5>(/)^( )
式中的右边可乘以任何非负值。
其中，柳=
柳
为相位同步子阵列的接收信号向量，[f表示向量共轭转置；
相位同步子阵列的自相关矩阵的特征分解为
及2=尸12尸" 其中，矩阵i2是以特征值为对角元素的对角矩阵，<formula>formula see original document page 7</formula>
，^ ^…2^ ,矩阵"是以对应的特征向量为列向量的矩阵；
<formula>formula see original document page 7</formula>
所勤目位同步子阵列的噪声子空间为/ =[仏+1 pA+2…pm]
其中，矩阵户 是相位同步子阵列的自相关矩阵i z的w-个最小特征值对应的特征向量构成的矩阵； 所述相位同步子阵列的搜索向量为:
<formula>formula see original document page 8</formula>式中的右边可以乘以任何非零常数。 所述参考信号方向空间谱为gSP^)=
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中的右边可
<formula>formula see original document page 8</formula>
以乘以任何非零值。
相位不完全相同阵列的方向差空间谱搜索式gISP =
的右边乘以任何非负数时得到相位不完全相同阵列的方向差空间语的峰值位置，峰值位
置确定其他信号与参考信号的方向差A (z、l,2,…，D-1)，搜索式的右边乘以任何负数 时是搜索空间谱的谷值位置得到的对应方向。式中，下标ISP表示的是相位不完全同步
的阵列，
参考信号方向空间谱搜索式gSP^)=^:
<formula>formula see original document page 8</formula>的右边乘以任何非
负参考信号方向差空间谱的峰值位置，峰值位置确定参考信号的方向，搜索式的右边
乘以任何负数时是搜索空间谱的谷值位置得到的对应方向。式中，下标SP表示相位不完 全同步阵列的同步子阵列。
所述相位不完全同步阵列是均匀线阵列或非均匀线阵列或圆阵列或随机分布的阵 列，不受形态限制。
本发明的突出优点是
1 、综合确定相位不完全相同阵列的方向差空间语及其峰值位置和相位同步子阵 列的方向最小的参考信号空间谱及其峰值位置，利用相位不完全同步阵列的方向差空 间谱的峰值位置确定其他信号与参考信号的方向差；利用相位同步子阵列的参考方向 空间谦的峰值位置确定参考信号的方向。进而利用参考信号的方向和其他信号与参考 信号的方向差估计其他信号的波达方向，确保达到高分辨率的效果 2、 能在阵列较大、阵元数较多的情况下，尽可能降低对各个阵元信号接收机之 间的相位同步的要求，做到较低成本。
3、 本方法使用范围广阔、不受接收系统阵列形状的限制。可广泛应用于增强现 有阵列测向系统的分辨率，从而满足智能天线阵、声纳阵列、无线电成像阵列等阵列 系统对高分辨率测向性能的要求。
4、根据本发明的综合方法进行实验表明，将本方法应用于相位同步的的子阵列阵 元数为6个、相位不同步的子阵列阵元数为26、相邻阵元间隔都为半波长的相位不 完全同步的均匀线阵，在快摄数等于256的情况下，可以清晰的分辨信噪比都为 6. OdB、方向分别等于7. 0、 18.0、 22. 0度的三个信号，满足测向系统对高分辨率性 能的要求。而在相同条件下常用的MUSIC方法已经无法分辨这三个信号。
图1示出本发明的方框流程图。
图2示出本发明的相位不完全同步阵列的结构图。
图3示出3个信号情况下相位不完全同步阵列系统采用已有的阵列测向方法得到 的归一化空间i普估计结果图。
图4示出3个信号情况下相位不完全同步阵列系统采用本发明的综合测向方法得 到的归一化方向差空间谱-估计结果图。
图5示出3个信号情况下相位不完全同步阵列系统采用本发明的综合测向方法得 到的归一化参考信号空间谱估计结果图。
具体实施例方式
附图也即实施例。下面结合附图对本发明进行详细说明。 以图2所示的相位不完全同步的均匀线阵列为例子，阵列的阵元素为M，相临阵元之 间的间距为"其中w个相临的阵元构成相位同步的子阵列，另外M-w个相临的阵 元构成相位不同步的子阵列。假设空间有D个非相干的窄带信号A(O, K，A ，
到达此线阵，与线阵法线方向的夹角为《。以相位不完全同步的阵列的第一个阵元为 参考阵元，f时刻阵列的接收信号向量为
<formula>formula see original document page 9</formula>1
々(m-l)rfsin(e)
)与(m+l)"n((9)+処
2;r
(2)
(3)
(4)
仍(/ = 1,2，...，^-附)表示相位不同步子阵列各阵元接》|^的随^目位，[f表示向量转置，
;i为信号的波长，v(o为加性白噪声向量，与信号*0)相互独立。
对应相位不完全同步阵列的相位同步子阵列和相位不同步子阵列，^时刻相位不完全 同步阵列的接收信号向量又可以表示为
其中，z(0 =
竭=
柳 一)
—國
为相位不同
为相位同步子阵列的接收信号向量，M^): 步子阵列的接收信号向量。
参见附图1。流程开始于步骤201。在步骤2021,先确定相位不完全同步的阵列 接收样本的模向量为
k(《 |W)|2
(5)
其中，I f表示取复数的模，W为阵列接收数据的快摄数。
在步骤2022，确定相位不完全同步的阵列接收样本的模自相关矩阵为:<formula>formula see original document page 11</formula>
在步骤2023,计算相位不完全同步的阵列模自相关矩阵的特征分解为
<formula>formula see original document page 11</formula>
其中，矩阵J是以特征值为对角元素的对角矩阵， 、0 … 0 0 ^ … 0
<formula>formula see original document page 11</formula>
矩阵2是以对应的特征向量为列向量的矩阵。
在步骤2024,确定相位不完全同步的阵列噪声子空间为
<formula>formula see original document page 11</formula>
其中，矩阵2 是相位不完全同步的阵列模自相关矩阵^的M-￡个最小特征值对应
的特征向量构成的矩阵。
在步骤2031,确定相位不完全同步的阵列搜索向量为<formula>formula see original document page 11</formula>
和
湖=
其中<formula>formula see original document page 11</formula>
在步骤2032,先确定本发明设计的综合测向技术的方向差空间谱:<formula>formula see original document page 12</formula>(11)
其中下标'ISP，表示本发明的阵列测向方法是针对相位不完全同步(Incompletely Synchronized Phase )的阵列。然后通过搜索式(11)表示的方向差空间谱的峰值位置确 定其它信号与参考信号(指方向最小的信号)的方向差-,(/ = 1，2，...，￡>-1)。
在步骤2041，确定相位同步子阵列接收样本的自相关矩阵为:
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，[f表示向量共轭转置。
在步骤2042，计算相位同步子阵列的自相关矩阵的特征分解为 i z=i^, (13)
其中，矩阵O是以特征值为对角元素的对角矩阵，
、0 ... 0
0 72 … 0 . . .
.00…"m
矩阵/2是以对应的特征向量为列向量的矩阵。
在步骤2043，确定相位同步子阵列的噪声子空间为
…A] (")
其中，矩阵/> 是相位同步子阵列的自相关矩阵Uz的w-个最小特征值对应的特征向
量构成的矩阵。
在步骤2051，确定相位同步子阵列的搜索向量为
1
v与—
(15)
其中，-2^0^三，/ = 1，2广-，￡>-1 2 2在步骤2052,先确定本发明设计的综合测向技术的参考信号方向空间谱
gSPW)=^l-^- (16)
'■=i
其中下标'SP，表示相位不完全同步阵列的同步子阵列(Synchronous Phase )。然后通 过搜索式(16)表示的参考信号方向空间谱的峰值位置确定参考信号的方向，
在步骤206,利用参考信号的方向和其它信号与参考信号的方向差估计其它信号 的波达方向。
根据本方法的流程结束于步骤207。 下面对本方法的上述实施方式进行更详细的比较和举例说明。 已有方法输出的空间镨等于
gMUSIC(^=Z^^^ (17)
其中下标'MUSIC，分别表示多信号分类方法(MUSIC), R为样本自相关矩阵及的 M-Z)个最小特征值对应的特征向量构成的矩阵。
参见图3、图4。在相位同步阵元数6，相位异步阵元数26，信号数3，波达方向(度)7.0,18.0,22.0j言""桑比(db)6.0,6.0,6.0的牙目同'清;兄下，与已有的MUSIC才目比，本发 明设计的综合测向技术具有比MUSIC更高的方向分辨率。从图3可以看出，已有的MUSIC 存在无法分辨的信号，而利用本发明能够清晰的分辨所有信号。
对本发明的综合测向方法虽然已经参考附图以举例方式进行了描述，但是本发明不 限于上述这些细节，本申请含盖权利要求范围之内的各种变型或改变。
权利要求
1、一种无线信号接收系统的阵列综合测向方法，其特征在于首先利用不受相位不完全同步影响的阵列接收信号的模向量，得到其它信号与参考信号的方向差估计，再利用相位完全同步子阵列接收信号的复向量和完整的子空间正交特性，得到参考信号的方向，完成所有信号的波达方向估计，具体步骤是第一步，确定相位不完全同步阵列接收信号的模向量及其自相关矩阵，对模自相关矩阵进行特征分解，确定相位不完全同步阵列的噪声子空间；第二步，确定相位不完全同步阵列的搜索向量，利用噪声子空间与相位不完全同步阵列的搜索向量之间的正交特性，确定相位不完全同步阵列的方向差空间谱及其峰值位置，峰值位置确定其他信号与参考信号的方向差；第三步，确定相位完全同步子阵列接收信号的自相关矩阵，对自相关矩阵进行特征分解，确定相位完全同步子阵列的噪声子空间；第四步，确定相位完全同步子阵列的搜索向量，利用噪声子空间与相位完全同步子阵列的搜索向量之间的完整正交特性，确定参考信号空间谱及其峰值位置，峰值位置确定参考信号的方向；最后，利用参考信号方向和其它信号与参考信号的方向差估计其它信号的波达方向。
2. 根据权利要求l所述的阵列综合测向方法，其特征在于所述参考信号是指方向 最小的信号。
3. 根据权利要求1或2或3所述的阵列综合测向方法，其特征在于所述相位不完 全同步阵列接收信号的模向量为'为/时刻相位不完全同步阵列的接收信号向量，M为相位不完全同步阵列的阵元数，I |2表示取复数的模； 所勤目位不完全同步的阵列接收样本的模自相关矩阵为J v =丄|^(,)/(0<formula>formula see original document page 2</formula>其中，[f表示向量转置，iV为阵列接收数据的快摄数，式中丄可以为任何非零值； 计算相位不完全同步的阵列模自相关矩阵的特征分解为其中，矩阵J是以特征值为对角元素的对角矩阵，<formula>formula see original document page 3</formula>矩阵g是以对应的特征向量为列向量的矩阵；所勤目位不完全同步的阵列噪声子空间为O^kw …其中，矩阵込是相位不完全同步的阵列模自相关矩阵A的M-Z个最小特征值对应的特征向量构成的矩阵。
4.根据权利要求1或2所述的阵列综合测向方法，其特征在于所述相位不完全同 步的阵列搜索向量为<formula>formula see original document page 3</formula>和<formula>formula see original document page 3</formula>其中，d为相临阵元之间的间距，义为接收信号的波长，os^si，上两式的右边均可乘以任何非零常数；所勤目位不完全同步的阵列的方向差空间谱为<formula>formula see original document page 3</formula>式中的右边可乘以任何非负值.
5.根据权利要求1或2所述的阵列综合测向方法，其特征在于所勤目位同步子阵列接收样本的自相关矩阵为及2=丄|> ^(0 其中，洲=列的接收信号向量，[f表示向量共轭转置；为相位同步子阵相位同步子阵列的自相关矩阵的特征分解为<formula>formula see original document page 0</formula>其中，矩阵D是以特征值为对角元素的对角矩阵，<formula>formula see original document page 4</formula>所勤目位同步子阵列的噪声子空间为尸 =[^+1 A+2…Pm] 其中，矩阵户 是相位同步子阵列的自相关矩阵&的m- A个最小特征值对应的特征向量 构成的矩阵。
6.根据权利要求5所述的阵列综合测向方法，其特征在于所述相位同步子阵列的 搜索向量为<formula>formula see original document page 4</formula>式中的右边可以乘以任何非零常数。
7.根据权利要求1或2所述的阵列综合测向方法，其特征在于所勤目位不完全相同的阵列的方向差空间i普搜索式<formula>formula see original document page 4</formula>的右边乘以任何非负数时得到相位不完全相同信号的峰值位置，峰值位置确定对应信号与参考信号的方向差是^ (/ = 1，2,-.，"-1);搜索式的右边乘以任何负数时，是搜索空间谙的谷值位置得到的对应方向。
8.根据权利要求1或2所述的阵列综合测向方法，其特征在于所述参考信号方1向空间谱搜索式<formula>formula see original document page 4</formula>的右边乘以任何非负数时得到参考信号方向空间谱的峰值位置，峰值位置确定参考信号的方向；搜索式的右边乘以任 何负数时，是搜索空间谱的谷值位置得到的对应方向。
9.根据权利要求4所述的阵列综合测向方法，其特征在于所勤目位不完全同步阵 列是均匀线阵列或非均匀线阵列或圆阵列或随机分布的阵列。
全文摘要
无线信号接收系统的阵列综合测向方法属信号接收范畴。步骤确定相位不完全同步阵列接收信号的模向量及其自相关矩阵，通过模自相关矩阵特征分解确定噪声子空间；利用噪声子空间与相位不完全同步阵列搜索向量间的正交特性确定方向差空间谱，由其峰值位置确定其它信号与参考信号的方向差；确定相位完全同步子阵列接收信号自相关矩阵，通过自相关矩阵特征分解确定噪声子空间；利用噪声子空间与相位完全同步子阵列搜索向量之间完整的正交特性确定参考信号方向空间谱，由其峰值位置确定参考信号方向；利用参考信号方向和其它信号与参考信号的方向差估计其它信号的方向。本方法能降低各信号接收机间的相位同步要求，保持高分辨率，有效降低系统成本。
文档编号H04B7/04GK101309101SQ200710049079
公开日2008年11月19日 申请日期2007年5月14日 优先权日2007年5月14日
发明者群 万, 杨万麟, 杨瑞明, 沈晓峰, 衡 窦 申请人:电子科技大学