專利名稱：不需目標仰角參數(shù)對目標來波方向進行快速測定的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于一種利用傳感器天線陣列對無線傳播信號的來波方向進行測定的方 法，特別是一種涉及天線陣列系統(tǒng)中高維信號的優(yōu)化處理技術。采用該方法可在不需目標 仰角參數(shù)的條件下、對其所在方向進行快速測定(定向)、并可獲得較好的效果(精確度) 且能夠?qū)崿F(xiàn)降低成本的目的。
背景技術：
接收無線傳播信號的天線陣列信號處理技術已廣泛應用于雷達、天文、地震、聲 納、醫(yī)學信號檢測、地質(zhì)探測、無線通信等領域。由于圓形陣列具有可以對二維來波具體的 空間方位進行測量，且不存在方位模糊現(xiàn)象，對孔徑的限制較小及角度分辨率在各個方向 上一致性較好等諸多優(yōu)點，致使利用圓陣進行方向角測量的應用研究越來越多。然而由于 圓陣的陣列流形較線陣復雜，許多用于線陣的簡單、易于操作的成熟處理方法卻不適用于 圓形陣列；而且目前針對圓形陣列來波方向的測量大多涉及到二維參數(shù)(方位角和仰角) 的測定，其運算(處理)量大且復雜。這就加大了陣列系統(tǒng)的成本及控制器、信號處理裝置 的復雜性，同影響到信號處理的數(shù)據(jù)量和處理速度。陣列來波方向的測定技術屬于經(jīng)典的 空間譜處理技術問題，最早對來波方向測量是采用機械波束掃描的方法，即把天線波束最 大增益的方向(主瓣)進行機械掃描、測量其功率，進而確定來波方向；但此類方法無論在 速度和精度上都滿足不了實際需要。為了得到期望的估計(測向)精度和角度分辨力，目前 普遍采用的一類超分辨空間譜估計技術是基于對協(xié)方差矩陣進行子空間分解的方法，其中 多信號分類技術為典型代表，但這種方法無法正確估計出相干信號的來波方向；隨后提出 基于利用信號子空間的旋轉(zhuǎn)不變特性來估計信號參數(shù)的旋轉(zhuǎn)不變技術，該方法避免了多信 號分類方法因需要“譜峰”搜索而帶來計算量大的問題，同時降低了該方法對硬件的要求。 但多信號分類方法和估計信號參數(shù)的旋轉(zhuǎn)不變方法同屬于子空間類技術，均需要對接收信 號協(xié)方差矩陣進行特征分解，將觀測空間分解為信號子空間和噪聲子空間。隨著陣元數(shù)和 快拍(采集)數(shù)的增加，運算量急劇增加。且上述超分辨空間譜估計技術為了測定來波方 向均需要利用仰角等信息進行聯(lián)合處理，由此造成計算量大且復雜的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對背景技術存在的缺陷，研究一種不需目標仰角參數(shù)對目標來 波方向進行快速測定的方法，以達到在降低對設備和硬件性能要求的同時，對目標來波方 向進行快速、準確測定，提高測量精度，以及簡化處理流程、降低運行成本等目的。本發(fā)明的解決方案是首先在擬監(jiān)控的區(qū)域內(nèi)將各個信號接收器的天線設置成圓 陣，并以其中心點為圓心、在360°方向上將其分成角度相同的方向角，同時將待監(jiān)控的空 間區(qū)域分成以空間坐標點為中心的(空間)小區(qū)域，并設定各個接收器和各個空間坐標點； 然后根據(jù)設定信號的頻率和各空間坐標點的空間方位依次確定來自各空間坐標點所處方 位信號的方向向量，進而得到陣列方向矩陣；利用同一方向角和其所對應空間區(qū)域上的每一個坐標點分別與所有(各)信號接收器之間的仰角組成的陣列方向矩陣，并根據(jù)所需的 波束圖性能設置旁瓣區(qū)域?qū)年嚵蟹较蚓仃?，重復上述操作，依次確定其余方向角對應 的陣列方向矩陣和其旁瓣區(qū)域?qū)年嚵蟹较蚓仃?；然后利用凸?yōu)化技術對待測方向陣列 響應及相應旁瓣域響應進行處理，獲得位于不同方向角內(nèi)空間坐標點對應的最優(yōu)天線加權 向量參數(shù)，并將所得各方向角最優(yōu)天線加權向量參數(shù)連同與各最優(yōu)天線加權向量參數(shù)對應 的方向角、作為目標來波方向進行快速測定的基礎數(shù)據(jù)；同時在各管理目標上分別設置對 應的識別碼和可發(fā)射頻率與基礎數(shù)據(jù)中信號頻率相同的發(fā)射芯片，并將識別碼存入數(shù)據(jù)庫 作為相應管理目標上的識別信息；當接收器天線陣列收到監(jiān)控空間區(qū)域內(nèi)的管理目標(芯 片)發(fā)出的信號和識別碼后、與數(shù)據(jù)庫中存入的基礎數(shù)據(jù)進行匹配處理，從最優(yōu)天線加權 向量參數(shù)組中搜索出與該管理目標發(fā)出的信息數(shù)據(jù)最大的方向參數(shù)匹配值、以及對應的識 別碼，從而確定該目標所在的方向角度；本發(fā)明即以此實現(xiàn)其目的。因此本發(fā)明方法包括步驟A.建立快速定向的基礎數(shù)據(jù)庫首先在擬監(jiān)控的區(qū)域內(nèi)將各個信號接收器的天線設置成圓陣，并以其中心點為圓 心、在360°方向上將其分成角度相同的不同方向角的區(qū)域，而將擬監(jiān)控的空間區(qū)域分成若 干個以空間坐標點為中心的(空間)小區(qū)域，并設定各個接收器和各個空間坐標點的坐標； 然后根據(jù)設定信號的頻率和各空間坐標點的空間方位依次確定來自各空間坐標點所處方 位信號的方向向量，進而得到陣列方向矩陣；利用同一方向角和其所對應空間區(qū)域上的每 一個坐標點分別與所有(各)信號接收器之間的仰角組成的陣列方向矩陣，并根據(jù)所需的 波束圖性能設置旁瓣區(qū)域?qū)年嚵蟹较蚓仃?；重復上述操作，依次確定其余方向角對應 的陣列方向矩陣和其旁瓣區(qū)域?qū)年嚵蟹较蚓仃?；然后利用凸?yōu)化技術對待測方向陣列 響應及相應旁瓣域響應進行處理，獲得位于各個不同方向角區(qū)域空間坐標點對應的最優(yōu)天 線加權向量參數(shù)，再將所得各方向角最優(yōu)天線加權向量參數(shù)連同與各最優(yōu)天線加權向量參 數(shù)對應的方向角、作為目標來波方向進行快速測定的基礎數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫，從而建成本發(fā) 明快速定向的基礎數(shù)據(jù)庫；步驟B.各發(fā)射芯片參數(shù)的設置在各發(fā)射信號芯片上設置與基礎數(shù)據(jù)庫中信號頻率相同的信號源、并在各芯片上 分別設定相應識別碼；然后將各發(fā)射信號芯片分別置于各管理目標上，同時將各識別碼及 對應目標的名稱分別作為一組信息參數(shù)，亦存入數(shù)據(jù)庫內(nèi)、備用；步驟C.確定管理目標所在方向監(jiān)控過程中，當各接收器收到任一管理目標所附芯片發(fā)出的信息參數(shù)后，將其與 基礎數(shù)據(jù)庫中記錄的最優(yōu)天線加權向量參數(shù)組進行匹配處理，從中搜索出與該管理目標最 大的方向參數(shù)匹配值，該匹配值所對應的方向角即為該目標所在的方向；同時通過芯片所 發(fā)信息中的識別碼與數(shù)據(jù)庫中的識別碼比對、以確定該目標的名稱；步驟D.顯示目標的當前位置方向各接收器同時依次鎖定其余各管理目標，并按C步驟自動處理，從而確定各管理 目標當前所在的位置方向，并在可視化界面上顯示出各管理目標的名稱及其所在的位置方 向；按步驟C、D循環(huán)進行即可對各管理目標進行實時監(jiān)控。所述根據(jù)設定信號的頻率和各空間坐標點的空間方位依次確定來自各空間坐標 點信號的方向向量，進而得到的陣列方向矩陣為
Λ = [α(θι,φι),...,α(θι,φηι),...,α(θ^φΜ)]其中L和M分別為觀測方位角方向和仰角方向等間隔劃分的觀測區(qū)間數(shù)， (《,灼)，·..’ (氏, )為各觀測角，1 = L...，L;m= 1，..，M，方向向量:
KO1 ,(Pm): [exp(-;2^-i CosOm)eos⑷-φλ)!λ\...,exp(-;2^i cos(^ffl)cosW, -φΝ)Ιλ)]Γ其中R是圓形天線陣列的半徑，λ是信號的波長，N為接收器個數(shù)，= 1，...，Ν)為各接收器所處的方向，[·]τ代表向量的轉(zhuǎn)置。所述利用凸優(yōu)化技術對待測方向陣列響應及相應旁瓣域響應進行處理，即通過min ξ
W
'WA0hW-ιι< ξ subject.to. ||<W|L<^ φ^νΡνΨΜλ進行優(yōu)化處理，即得到對應于方向角為θρ....，θ J勺最優(yōu)加權向量參數(shù)組W，其 中，待測方向?qū)年嚵许憫獮锳0= [a0( θ , . . . , a0( θ ^οφ) = [α{θ,φλ),...,α{θ,φΜ)\ ,旁瓣區(qū)域?qū)年嚵蟹较蚓仃嚍锳sl= [As^e1),... ,As1(0l)],As1(6) = ^(θ^,... ,a(0-n),a(0 + n),..., a(eL)] ^φ) = [α{θ,φλ),...,α{θ,φΜ)}^ | | · | | 表示矩陣或向量的無窮范數(shù)，ξ和η分別
表示為誤差容忍參數(shù)和波束寬度的一半。步驟C中所述將目標所附芯片發(fā)出的信息參數(shù)與基礎數(shù)據(jù)庫中記錄的最優(yōu)天線 加權向量參數(shù)組通過下式進行匹配處理f = |Y(t)Hff| ,其中f代表陣列接收數(shù)據(jù)與各最優(yōu)天線加權向量參數(shù)的匹配值系列， Y{t) = a(Gr^r)s(t\t = 1，為各接收器某一時刻接收到的數(shù)據(jù)，s (t)為空間信號，(·)Η代表 共軛轉(zhuǎn)置，I · I代表絕對值處理。本發(fā)明由于將各個信號接收器的天線設置成圓陣，并以其中心點為圓心、在360° 方向上將其分成角度相同的方向角，同時將待監(jiān)控的空間區(qū)域分成以坐標點為中心的空間 小區(qū)域，并設定各個接收器和各個空間坐標點，并將各方向角最優(yōu)天線加權向量參數(shù)連同 與各最優(yōu)天線加權向量參數(shù)對應的方向角、作為目標來波方向進行快速測定的基礎數(shù)據(jù)存 入數(shù)據(jù)庫；同時在各管理目標上分別設置對應的識別碼和可發(fā)射頻率與基礎數(shù)據(jù)中信號頻 率相同的發(fā)射芯片，并將識別碼存入數(shù)據(jù)庫作為相應管理目標上的識別信息；監(jiān)控過程中 將接收信號與最優(yōu)天線加權向量參數(shù)組進行最優(yōu)匹配、以確定目標方向；本發(fā)明將二維方 位信息變換投影到僅涉及到目標方向角的最優(yōu)天線加權向量參數(shù)，因而與背景技術相比， 具有可有效提高對來波區(qū)域內(nèi)方向差異的敏感性且無需知道仰角的信息，降低了對來波方 向測定的硬件要求及成本，并提高對信號來波方向測量的處理速度和精度等特點。


圖1.為本發(fā)明方法流程示意圖(方框圖)；圖2.為具體實施方式
采用均勻9圓陣時的歸一化方向波束示意圖(波長30米， 半徑40米，信號來波的方向為179度，仰角分別為0度、1度，...，45度的情況)；
具體實施例方式以位于半徑為40米、方位角搜索范圍為0 359度、仰角搜索范圍為0 45度 的球面上的待估計目標的方向角估計為例，9個信號接收器Pl、p2、p3、p4、p5、p6、p7、p8、p9依 次均勻分布在半徑為40米的圓環(huán)上，其所在空間方位坐標(方向角，仰角)依次為(0°， 0° ), (40°，0° ), (80°，0° ), (120°，0° ), (160°，0° ), (200°，0° )，(240°，0° )， (280°，0° )，(320°，0° )；步驟A.建立快速定向的基礎數(shù)據(jù)庫根據(jù)設定信號的頻率30MHZ和各空間坐標 點的空間方位角(0°，0° )，(0°，1° )，...，(0°，45° )，(1°，0° )，(1°，1° )，···， (1°，45° )，(359°，0° )，(359°，1° )，···，(359°，45° )，依次確定來自 360 X 46 個
坐標點所處方位信號的方向向量，并以此得到陣列方向矩陣
權利要求
一種不需目標仰角參數(shù)對目標來波方向進行快速測定的方法，包括步驟A.建立快速定向的基礎數(shù)據(jù)庫首先在擬監(jiān)控的區(qū)域內(nèi)將各個信號接收器的天線設置成圓陣，并以其中心點為圓心、在360°方向上將其分成角度相同的不同方向角的區(qū)域，而將擬監(jiān)控的空間區(qū)域分成若干個以空間坐標點為中心的小區(qū)域，并設定各個接收器和各個空間坐標點的坐標；然后根據(jù)設定信號的頻率和各空間坐標點的空間方位依次確定來自各空間坐標點所處方位信號的方向向量，進而得到陣列方向矩陣；利用同一方向角和其所對應空間區(qū)域上的每一個坐標點分別與所有信號接收器之間的仰角組成的陣列方向矩陣，并根據(jù)所需的波束圖性能設置旁瓣區(qū)域?qū)年嚵蟹较蚓仃嚕恢貜蜕鲜霾僮?，依次確定其余方向角對應的陣列方向矩陣和其旁瓣區(qū)域?qū)年嚵蟹较蚓仃嚕蝗缓罄猛箖?yōu)化技術對待測方向陣列響應及相應旁瓣域響應進行處理，獲得位于各個不同方向角區(qū)域空間坐標點對應的最優(yōu)天線加權向量參數(shù)，再將所得各方向角最優(yōu)天線加權向量參數(shù)連同與各最優(yōu)天線加權向量參數(shù)對應的方向角、作為目標來波方向進行快速測定的基礎數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫，從而建成本發(fā)明快速定向的基礎數(shù)據(jù)庫；步驟B.各發(fā)射芯片參數(shù)的設置在各發(fā)射信號芯片上設置與基礎數(shù)據(jù)庫中信號頻率相同的信號源、并在各芯片上分別設定相應識別碼；然后將各發(fā)射信號芯片分別置于各管理目標上，同時將各識別碼及對應目標的名稱分別作為一組信息參數(shù)，亦存入數(shù)據(jù)庫內(nèi)、備用；步驟C.確定管理目標所在方向監(jiān)控過程中，當各接收器收到任一管理目標所附芯片發(fā)出的信息參數(shù)后，將其與基礎數(shù)據(jù)庫中記錄的最優(yōu)天線加權向量參數(shù)組進行匹配處理，從中搜索出與該管理目標最大的方向參數(shù)匹配值，該匹配值所對應的方向角即為該目標所在的方向；同時通過芯片所發(fā)信息中的識別碼與數(shù)據(jù)庫中的識別碼比對、以確定該目標的名稱；步驟D.顯示目標的當前位置方向各接收器同時依次鎖定其余各管理目標，并按C步驟自動處理，從而確定各管理目標當前所在的位置方向，并在可視化界面上顯示出各管理目標的名稱及其所在的位置方向；按步驟C、D循環(huán)進行即可對各管理目標進行實時監(jiān)控。
2.按權利要求1所述不需目標仰角參數(shù)對目標來波方向進行快速測定的方法，其特征 在于所述根據(jù)設定信號的頻率和各空間坐標點的空間方位依次確定來自各空間坐標點信 號的方向向量得到的陣列方向矩陣為^ = [ (《,約),··.，《(約,仏)，...，《(氏，爐M)] 其中L和M分別為觀測方位角方向和仰角方向等間隔劃分的觀測區(qū)間數(shù)， ⑷,釣)，...，(氏為各觀測角，1 = 1，...，L;m= 1，...，M，方向向量:α{.θ φΜ) = [exp(-_/2Tri cosOm)cos(^ -禆)/義),…，exp(-_/2^ cos(>Jcos(約-A)/;i)]7' 式中R是圓形天線陣列的半徑，λ是信號的波長，N為接收器個數(shù)，Φ,( = 1，...，Ν) 為各接收器所處的方向，[· ]τ代表向量的轉(zhuǎn)置。
3.按權利要求1所述不需目標仰角參數(shù)對目標來波方向進行快速測定的方法，其特征 在于所述利用凸優(yōu)化技術對待測方向陣列響應及相應旁瓣域響應進行處理，即通過min ξwsubject.to. |KW K <Ρ^[<Ρι,<ΡΜ]進行優(yōu)化處理，即得到對應于方向角為θ”....，θ ^的最優(yōu)加權向量參數(shù)組W，其中， 待測方向?qū)年嚵许憫獮锳。= [a。( θ 丄)，· · ·，a。( θ ^, οφ) = [α{θ,φλ\...,αφ,φΜ)]，旁瓣區(qū)域?qū)年嚵蟹较蚓仃嚍锳sl = [Asl(Q1), ... , Asl(6L)], Α31(Θ) = ^(θ^, ... , a(0-n), a(0 + n),..., a(eL)]、且a⑷= [fl(仏灼(化^)]。I I · I I㈤表示矩陣或向量的無窮范數(shù)，ξ和η分別 表示為誤差容忍參數(shù)和波束寬度的一半。
4.按權利要求1所述不需目標仰角參數(shù)對目標來波方向進行快速測定的方法，其特征 在于在步驟C中所述將目標所附芯片發(fā)出的信息參數(shù)與基礎數(shù)據(jù)庫中記錄的最優(yōu)天線加 權向量參數(shù)組通過下式進行匹配處理f = Y(t)Hff|,其中f代表陣列接收數(shù)據(jù)與各最優(yōu)天線加權向量參數(shù)的匹配值系列， Y(0 = (《,W),t = 1，為各接收器某一時刻接收到的數(shù)據(jù)，S (t)為空間信號，(·)Η代表 共軛轉(zhuǎn)置，I · I代表絕對值處理。
全文摘要
該發(fā)明屬于利用傳感器天線陣列在不需目標仰角參數(shù)條件下、對無線傳播信號的來波方向進行快速測定的方法。包括建立快速定向的基礎數(shù)據(jù)庫，各發(fā)射芯片參數(shù)的設置，確定管理目標所在方向及顯示目標的當前位置方向。該發(fā)明將各個信號接收器的天線設置成圓陣并設定各個接收器和各個空間坐標點坐標，建立對來波方向進行快速測定的數(shù)據(jù)庫；并在各管理目標上分別設置可發(fā)射識別信息的芯片。本發(fā)明將二維信息變換為目標方向角的最優(yōu)天線加權向量參數(shù)，因而具有可有效提高對來波區(qū)域內(nèi)方向差異的敏感性及在無對仰角信息的來波方向進行快速測定，降低了測量所需硬件的要求及成本，提高了對信號來波方向測量的速度和精度等特點。
文檔編號H04B7/08GK101977068SQ20101050143
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月28日 優(yōu)先權日2010年9月28日
發(fā)明者萬義和, 萬群, 徐保根, 樊榮, 湯四龍, 郭賢生, 陳慧, 陳章鑫 申請人:電子科技大學