專利名稱：無線信號接收系統的陣列綜合測向方法
技術領域：
本發明屬無線接收范疇，涉及無線信號接收系統的陣列綜合測向方法，尤其涉及 由一部分相位同步的子陣列和另一部分相位不同步的子陣列組成的陣列的高分辨率 測向方法。
背景技術：
在無線信號接收系統中，當由多個陣元組成的陣列接收電》茲波、聲波等無線信號 時，各個陣元接收的來波信號與某個指定的參考陣元之間存在一定的相位差。由于信 號的波達方向與該相位差之間存在一一對應的關系，因此可以利用該關系設計陣列測 向技術，通過對陣列接收的信號進行處理，實現陣列測向。在基于這種原理的現有陣 列測向方法中，典型的是具有高分辨率的多信號分類(MUSIC, Multiple Signals Classification)方法。
這種方法的缺點是，當各個陣元的信號接收機本身的相位未保持同步時，將在由 信號波達方向決定的相位差上面附加一個額外的、未知的、隨機的相位差，此時如果 仍利用相位差與波達方向之間的關系設計陣列測向方法，將導致測向性能出現顯著的 惡化。同時，對多個目標同時進行高分辨率測向時，需要使用較大孔徑和陣元數較多 的陣列。由于各個陣元的信號接收機的相位保持同步需要同一本振，當陣列較大、陣 元數較多時，陣列測向系統的成本將顯著增加。
發明內容
本發明的目的是為無線接收系統中相位不完全同步的陣列系統(由一部分相位同 步的子陣列和另一部分相位不同步的子陣列組成的陣列)提供一種較低成本的高分辨 率測向方法。本方法綜合利用參考信號的方向和其他信號與參考信號的方向差，估計 其他信號的波達方向。利用這種方法能在陣列較大、陣元數較多的情況下，盡可能降 低對各個陣元信號接收機之間的相位同步的要求，將在保持高分辨率測向性能的同 時，有效的降低陣列測向系統的成本。 本發明的目的是這樣達到的
首先利用不受相位不完全同步影響的陣列接收信號的模向量，得到其它信號與參考信號的方向差估計，再利用相位完全同步子陣列接收信號的復向量和完整的子空間 正交特性，得到參考信號的方向，從而完成所有信號的波達方向估計。 具體步驟是
第一步，確定相位不完全同步陣列接收信號的模向量及其自相關矩陣，對模自相 關矩陣進行特征分解，確定相位不完全同步陣列的噪聲子空間；
第二步，確定相位不完全同步陣列的搜索向量，利用噪聲子空間與相位不完全同 步陣列的搜索向量之間的正交特性，確定相位不完全同步陣列的方向差空間謙及其峰 值位置，"^值位置確定其他信號與參考信號的方向差；
第三步，確定相位完全同步子陣列接收信號的自相關矩陣，對自相關矩陣進行特 征分解，確定相位完全同步子陣列的噪聲子空間；
第四步，確定相位完全同步子陣列的搜索向量，利用噪聲子空間與相位完全同步 子陣列的搜索向量之間的完整正交特性確定參考信號空間鐠及其峰值位置，峰值位置 確定參考信號的方向；
最后，利用參考信號的方向和其它信號與參考信號的方向差估計其它信號的波達 方向。
參考信號指方向最小的信號。 所勤目位不完全同步陣列接收信號的模向量為
為f時刻相位不完全同步陣列的接收信號向量，
M為相位不完全同步陣列的陣元數，I |2表示取復數的模； 所述相位不完全同步的陣列接收樣本的模自相關矩陣為ifv =丄1>(/)/(0
其中，
其中，[f表示向量轉置，iV為陣列接收數據的快攝數。式中丄可以為任何非零值
計算相位不完全同步的陣列模自相關矩陣的特征分解為:
其中，矩陣力是以特征值為對角元素的對角矩陣，
<formula>formula see original document page 6</formula>
4矩陣2是以對應的特征向量為列向量的矩陣；
所i^目位不完全同步的陣列噪聲子空間為
2 =[&+1 …《M]其中，矩陣^是相位不完全同步的陣列模自相關矩
陣^的M-Z個最小特征值對應的特征向量構成的矩陣。
所勤目位不完全同步的陣列搜索向量為 l
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，d為相臨陣元之間的間距，義為接收信號的波長，上兩式的右邊均 可乘以任何非零常數；
所勤目位不完全同步的陣列的方向差空間譜為
<formula>formula see original document page 7</formula>
所勤目位同步子陣列接收樣本的自相關矩陣為及2 =丄5>(/)^( )
式中的右邊可乘以任何非負值。
其中，柳=
柳
為相位同步子陣列的接收信號向量，[f表示向量共軛轉置；
相位同步子陣列的自相關矩陣的特征分解為
及2=尸12尸" 其中，矩陣i2是以特征值為對角元素的對角矩陣，<formula>formula see original document page 7</formula>
，^ ^…2^ ,矩陣"是以對應的特征向量為列向量的矩陣；
<formula>formula see original document page 7</formula>
所勤目位同步子陣列的噪聲子空間為/ =[仏+1 pA+2…pm]
其中，矩陣戶 是相位同步子陣列的自相關矩陣i z的w-個最小特征值對應的特征向量構成的矩陣； 所述相位同步子陣列的搜索向量為:
<formula>formula see original document page 8</formula>式中的右邊可以乘以任何非零常數。 所述參考信號方向空間譜為gSP^)=
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中的右邊可
<formula>formula see original document page 8</formula>
以乘以任何非零值。
相位不完全相同陣列的方向差空間譜搜索式gISP =
的右邊乘以任何非負數時得到相位不完全相同陣列的方向差空間語的峰值位置，峰值位
置確定其他信號與參考信號的方向差A (z、l,2,…，D-1)，搜索式的右邊乘以任何負數 時是搜索空間譜的谷值位置得到的對應方向。式中，下標ISP表示的是相位不完全同步
的陣列，
參考信號方向空間譜搜索式gSP^)=^:
<formula>formula see original document page 8</formula>的右邊乘以任何非
負參考信號方向差空間譜的峰值位置，峰值位置確定參考信號的方向，搜索式的右邊
乘以任何負數時是搜索空間譜的谷值位置得到的對應方向。式中，下標SP表示相位不完 全同步陣列的同步子陣列。
所述相位不完全同步陣列是均勻線陣列或非均勻線陣列或圓陣列或隨機分布的陣 列，不受形態限制。
本發明的突出優點是
1 、綜合確定相位不完全相同陣列的方向差空間語及其峰值位置和相位同步子陣 列的方向最小的參考信號空間譜及其峰值位置，利用相位不完全同步陣列的方向差空 間譜的峰值位置確定其他信號與參考信號的方向差；利用相位同步子陣列的參考方向 空間謙的峰值位置確定參考信號的方向。進而利用參考信號的方向和其他信號與參考 信號的方向差估計其他信號的波達方向，確保達到高分辨率的效果 2、 能在陣列較大、陣元數較多的情況下，盡可能降低對各個陣元信號接收機之 間的相位同步的要求，做到較低成本。
3、 本方法使用范圍廣闊、不受接收系統陣列形狀的限制。可廣泛應用于增強現 有陣列測向系統的分辨率，從而滿足智能天線陣、聲納陣列、無線電成像陣列等陣列 系統對高分辨率測向性能的要求。
4、根據本發明的綜合方法進行實驗表明，將本方法應用于相位同步的的子陣列陣 元數為6個、相位不同步的子陣列陣元數為26、相鄰陣元間隔都為半波長的相位不 完全同步的均勻線陣，在快攝數等于256的情況下，可以清晰的分辨信噪比都為 6. OdB、方向分別等于7. 0、 18.0、 22. 0度的三個信號，滿足測向系統對高分辨率性 能的要求。而在相同條件下常用的MUSIC方法已經無法分辨這三個信號。
圖1示出本發明的方框流程圖。
圖2示出本發明的相位不完全同步陣列的結構圖。
圖3示出3個信號情況下相位不完全同步陣列系統采用已有的陣列測向方法得到 的歸一化空間i普估計結果圖。
圖4示出3個信號情況下相位不完全同步陣列系統采用本發明的綜合測向方法得 到的歸一化方向差空間譜-估計結果圖。
圖5示出3個信號情況下相位不完全同步陣列系統采用本發明的綜合測向方法得 到的歸一化參考信號空間譜估計結果圖。
具體實施例方式
附圖也即實施例。下面結合附圖對本發明進行詳細說明。 以圖2所示的相位不完全同步的均勻線陣列為例子，陣列的陣元素為M，相臨陣元之 間的間距為"其中w個相臨的陣元構成相位同步的子陣列，另外M-w個相臨的陣 元構成相位不同步的子陣列。假設空間有D個非相干的窄帶信號A(O, K，A ，
到達此線陣，與線陣法線方向的夾角為《。以相位不完全同步的陣列的第一個陣元為 參考陣元，f時刻陣列的接收信號向量為
<formula>formula see original document page 9</formula>1
々(m-l)rfsin(e)
)與(m+l)"n((9)+処
2;r
(2)
(3)
(4)
仍(/ = 1,2，...，^-附)表示相位不同步子陣列各陣元接》|^的隨^目位，[f表示向量轉置，
;i為信號的波長，v(o為加性白噪聲向量，與信號*0)相互獨立。
對應相位不完全同步陣列的相位同步子陣列和相位不同步子陣列，^時刻相位不完全 同步陣列的接收信號向量又可以表示為
其中，z(0 =
竭=
柳 一)
—國
為相位不同
為相位同步子陣列的接收信號向量，M^): 步子陣列的接收信號向量。
參見附圖1。流程開始于步驟201。在步驟2021,先確定相位不完全同步的陣列 接收樣本的模向量為
k(《 |W)|2
(5)
其中，I f表示取復數的模，W為陣列接收數據的快攝數。
在步驟2022，確定相位不完全同步的陣列接收樣本的模自相關矩陣為:<formula>formula see original document page 11</formula>
在步驟2023,計算相位不完全同步的陣列模自相關矩陣的特征分解為
<formula>formula see original document page 11</formula>
其中，矩陣J是以特征值為對角元素的對角矩陣， 、0 … 0 0 ^ … 0
<formula>formula see original document page 11</formula>
矩陣2是以對應的特征向量為列向量的矩陣。
在步驟2024,確定相位不完全同步的陣列噪聲子空間為
<formula>formula see original document page 11</formula>
其中，矩陣2 是相位不完全同步的陣列模自相關矩陣^的M-￡個最小特征值對應
的特征向量構成的矩陣。
在步驟2031,確定相位不完全同步的陣列搜索向量為<formula>formula see original document page 11</formula>
和
湖=
其中<formula>formula see original document page 11</formula>
在步驟2032,先確定本發明設計的綜合測向技術的方向差空間譜:<formula>formula see original document page 12</formula>(11)
其中下標'ISP，表示本發明的陣列測向方法是針對相位不完全同步(Incompletely Synchronized Phase )的陣列。然后通過搜索式(11)表示的方向差空間譜的峰值位置確 定其它信號與參考信號(指方向最小的信號)的方向差-,(/ = 1，2，...，￡>-1)。
在步驟2041，確定相位同步子陣列接收樣本的自相關矩陣為:
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，[f表示向量共軛轉置。
在步驟2042，計算相位同步子陣列的自相關矩陣的特征分解為 i z=i^, (13)
其中，矩陣O是以特征值為對角元素的對角矩陣，
、0 ... 0
0 72 … 0 . . .
.00…"m
矩陣/2是以對應的特征向量為列向量的矩陣。
在步驟2043，確定相位同步子陣列的噪聲子空間為
…A] (")
其中，矩陣/> 是相位同步子陣列的自相關矩陣Uz的w-個最小特征值對應的特征向
量構成的矩陣。
在步驟2051，確定相位同步子陣列的搜索向量為
1
v與—
(15)
其中，-2^0^三，/ = 1，2廣-，￡>-1 2 2在步驟2052,先確定本發明設計的綜合測向技術的參考信號方向空間譜
gSPW)=^l-^- (16)
'■=i
其中下標'SP，表示相位不完全同步陣列的同步子陣列(Synchronous Phase )。然后通 過搜索式(16)表示的參考信號方向空間譜的峰值位置確定參考信號的方向，
在步驟206,利用參考信號的方向和其它信號與參考信號的方向差估計其它信號 的波達方向。
根據本方法的流程結束于步驟207。 下面對本方法的上述實施方式進行更詳細的比較和舉例說明。 已有方法輸出的空間鐠等于
gMUSIC(^=Z^^^ (17)
其中下標'MUSIC，分別表示多信號分類方法(MUSIC), R為樣本自相關矩陣及的 M-Z)個最小特征值對應的特征向量構成的矩陣。
參見圖3、圖4。在相位同步陣元數6，相位異步陣元數26，信號數3，波達方向(度)7.0,18.0,22.0j言""桑比(db)6.0,6.0,6.0的牙目同'清;兄下，與已有的MUSIC才目比，本發 明設計的綜合測向技術具有比MUSIC更高的方向分辨率。從圖3可以看出，已有的MUSIC 存在無法分辨的信號，而利用本發明能夠清晰的分辨所有信號。
對本發明的綜合測向方法雖然已經參考附圖以舉例方式進行了描述，但是本發明不 限于上述這些細節，本申請含蓋權利要求范圍之內的各種變型或改變。
權利要求
1、一種無線信號接收系統的陣列綜合測向方法，其特征在于首先利用不受相位不完全同步影響的陣列接收信號的模向量，得到其它信號與參考信號的方向差估計，再利用相位完全同步子陣列接收信號的復向量和完整的子空間正交特性，得到參考信號的方向，完成所有信號的波達方向估計，具體步驟是第一步，確定相位不完全同步陣列接收信號的模向量及其自相關矩陣，對模自相關矩陣進行特征分解，確定相位不完全同步陣列的噪聲子空間；第二步，確定相位不完全同步陣列的搜索向量，利用噪聲子空間與相位不完全同步陣列的搜索向量之間的正交特性，確定相位不完全同步陣列的方向差空間譜及其峰值位置，峰值位置確定其他信號與參考信號的方向差；第三步，確定相位完全同步子陣列接收信號的自相關矩陣，對自相關矩陣進行特征分解，確定相位完全同步子陣列的噪聲子空間；第四步，確定相位完全同步子陣列的搜索向量，利用噪聲子空間與相位完全同步子陣列的搜索向量之間的完整正交特性，確定參考信號空間譜及其峰值位置，峰值位置確定參考信號的方向；最后，利用參考信號方向和其它信號與參考信號的方向差估計其它信號的波達方向。
2. 根據權利要求l所述的陣列綜合測向方法，其特征在于所述參考信號是指方向 最小的信號。
3. 根據權利要求1或2或3所述的陣列綜合測向方法，其特征在于所述相位不完 全同步陣列接收信號的模向量為'為/時刻相位不完全同步陣列的接收信號向量，M為相位不完全同步陣列的陣元數，I |2表示取復數的模； 所勤目位不完全同步的陣列接收樣本的模自相關矩陣為J v =丄|^(,)/(0<formula>formula see original document page 2</formula>其中，[f表示向量轉置，iV為陣列接收數據的快攝數，式中丄可以為任何非零值； 計算相位不完全同步的陣列模自相關矩陣的特征分解為其中，矩陣J是以特征值為對角元素的對角矩陣，<formula>formula see original document page 3</formula>矩陣g是以對應的特征向量為列向量的矩陣；所勤目位不完全同步的陣列噪聲子空間為O^kw …其中，矩陣込是相位不完全同步的陣列模自相關矩陣A的M-Z個最小特征值對應的特征向量構成的矩陣。
4.根據權利要求1或2所述的陣列綜合測向方法，其特征在于所述相位不完全同 步的陣列搜索向量為<formula>formula see original document page 3</formula>和<formula>formula see original document page 3</formula>其中，d為相臨陣元之間的間距，義為接收信號的波長，os^si，上兩式的右邊均可乘以任何非零常數；所勤目位不完全同步的陣列的方向差空間譜為<formula>formula see original document page 3</formula>式中的右邊可乘以任何非負值.
5.根據權利要求1或2所述的陣列綜合測向方法，其特征在于所勤目位同步子陣列接收樣本的自相關矩陣為及2=丄|> ^(0 其中，洲=列的接收信號向量，[f表示向量共軛轉置；為相位同步子陣相位同步子陣列的自相關矩陣的特征分解為<formula>formula see original document page 0</formula>其中，矩陣D是以特征值為對角元素的對角矩陣，<formula>formula see original document page 4</formula>所勤目位同步子陣列的噪聲子空間為尸 =[^+1 A+2…Pm] 其中，矩陣戶 是相位同步子陣列的自相關矩陣&的m- A個最小特征值對應的特征向量 構成的矩陣。
6.根據權利要求5所述的陣列綜合測向方法，其特征在于所述相位同步子陣列的 搜索向量為<formula>formula see original document page 4</formula>式中的右邊可以乘以任何非零常數。
7.根據權利要求1或2所述的陣列綜合測向方法，其特征在于所勤目位不完全相同的陣列的方向差空間i普搜索式<formula>formula see original document page 4</formula>的右邊乘以任何非負數時得到相位不完全相同信號的峰值位置，峰值位置確定對應信號與參考信號的方向差是^ (/ = 1，2,-.，"-1);搜索式的右邊乘以任何負數時，是搜索空間諳的谷值位置得到的對應方向。
8.根據權利要求1或2所述的陣列綜合測向方法，其特征在于所述參考信號方1向空間譜搜索式<formula>formula see original document page 4</formula>的右邊乘以任何非負數時得到參考信號方向空間譜的峰值位置，峰值位置確定參考信號的方向；搜索式的右邊乘以任 何負數時，是搜索空間譜的谷值位置得到的對應方向。
9.根據權利要求4所述的陣列綜合測向方法，其特征在于所勤目位不完全同步陣 列是均勻線陣列或非均勻線陣列或圓陣列或隨機分布的陣列。
全文摘要
無線信號接收系統的陣列綜合測向方法屬信號接收范疇。步驟確定相位不完全同步陣列接收信號的模向量及其自相關矩陣，通過模自相關矩陣特征分解確定噪聲子空間；利用噪聲子空間與相位不完全同步陣列搜索向量間的正交特性確定方向差空間譜，由其峰值位置確定其它信號與參考信號的方向差；確定相位完全同步子陣列接收信號自相關矩陣，通過自相關矩陣特征分解確定噪聲子空間；利用噪聲子空間與相位完全同步子陣列搜索向量之間完整的正交特性確定參考信號方向空間譜，由其峰值位置確定參考信號方向；利用參考信號方向和其它信號與參考信號的方向差估計其它信號的方向。本方法能降低各信號接收機間的相位同步要求，保持高分辨率，有效降低系統成本。
文檔編號H04B7/04GK101309101SQ200710049079
公開日2008年11月19日 申請日期2007年5月14日 優先權日2007年5月14日
發明者群 萬, 楊萬麟, 楊瑞明, 沈曉峰, 衡 竇 申請人:電子科技大學