一種多徑傳播環(huán)境中均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)的測定方法
【專利摘要】該發(fā)明屬于電子信息【技術(shù)領(lǐng)域】中天線陣列相位響應(yīng)參數(shù)的測定方法，包括初始化處理，建立第一個方向及余各設(shè)定方向的多徑信號方向差矩陣，確定各設(shè)定方向校正信號源的直達(dá)波信號與非直達(dá)波信號之間的方向差，確定均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)。該發(fā)明由于采用將校正信號源分別置于不同的已知方向上并依次發(fā)射信號，均勻線陣收到該信號源發(fā)射的各次信號后，對各次多徑信號分別進(jìn)行處理，建立各方向差矩陣并確定各校正信號源的多徑信號之間的方向差，進(jìn)而確定均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)向量及歸一化平均向量的共軛向量。從而具有在多徑且非直達(dá)波信號方向未知傳播環(huán)境中，準(zhǔn)確測定均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)且所測參數(shù)與實(shí)際參數(shù)之間的誤差小、相似度高等特點(diǎn)。
【專利說明】一種多徑傳播環(huán)境中均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)的測定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電子信息【技術(shù)領(lǐng)域】中天線陣列相位響應(yīng)參數(shù)的測定方法，特別是在多 徑傳播環(huán)境中多徑非直達(dá)波信號方向未知的情況下，利用直達(dá)波信號的方向和均勻線陣接 收信號向量測定相位響應(yīng)參數(shù)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 對信號測向是天線陣列信號處理的關(guān)鍵技術(shù)之一，在雷達(dá)、通信、聲吶等領(lǐng)域被廣 泛地研究與應(yīng)用。已知天線陣列的實(shí)際方向向量與信號來波方向（簡稱信號方向）之間的 一一對應(yīng)關(guān)系是實(shí)現(xiàn)高分辨測向的前提，而天線陣列的實(shí)際方向向量等于根據(jù)信號方向向 量模型確定的方向向量與天線陣列相位響應(yīng)參數(shù)向量的乘積向量（對應(yīng)元素相乘）。在實(shí) 際應(yīng)用中，天線陣列的方向向量與信號方向之間的一一對應(yīng)關(guān)系受到未知的天線陣列相位 響應(yīng)參數(shù)的影響，導(dǎo)致高分辨測向性能惡化。因此，測定天線陣列相位響應(yīng)參數(shù)在高分辨測 向技術(shù)走向?qū)嵱没陌l(fā)展過程中具有重要意義。
[0003] 在沒有多徑傳播的環(huán)境中，可以在已知方向設(shè)置一個校正信號，先測定天線陣列 接收信號向量，然后對其進(jìn)行歸一化平均處理，確定實(shí)際方向向量，最后利用根據(jù)信號方向 向量模型確定的方向向量及實(shí)際方向向量確定天線陣列相位響應(yīng)參數(shù)向量。但是，在實(shí)際 應(yīng)用中，除了存在直達(dá)波信號之外，往往還存在多徑非直達(dá)波信號，而且多徑非直達(dá)波信號 方向是未知的，對應(yīng)的實(shí)際方向向量也是未知的。在存在多徑非直達(dá)波信號的環(huán)境中，由于 天線陣列接收信號向量是直達(dá)波信號的實(shí)際方向向量與多徑非直達(dá)波信號的實(shí)際方向向 量的線性組合，導(dǎo)致直接利用天線陣列接收信號向量和根據(jù)信號方向向量模型確定的直達(dá) 波波信號的方向向量確定天線陣列相位響應(yīng)參數(shù)向量的方法失效。
[0004] 此外，由于受到未知的天線陣列相位響應(yīng)參數(shù)的影響，利用均勻線陣接收信號向 量的子陣或子空間平滑的多徑信號處理方法也不再適用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對【背景技術(shù)】中存在的多徑傳播環(huán)境中的均勻線陣相位響應(yīng)參 數(shù)的測定問題，開發(fā)研究一種多徑傳播環(huán)境中均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)的測定方法，該方法 將1個校正信號源依次置于不少于2個不同的方向上，分時發(fā)射信號，在存在多徑非直達(dá)波 信號（方向未知）的情況下，實(shí)現(xiàn)多徑傳播環(huán)境中準(zhǔn)確測定均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)的目的。
[0006] 本發(fā)明的解決思路是：首先將校正信號源置于第一個已知（設(shè)定）的方向并發(fā)射 信號，均勻線陣接收到由該校正信號源發(fā)射的信號（直達(dá)波信號和非直達(dá)波信號）、即多徑 信號后，經(jīng)處理、以確定均勻線陣接收信號向量及其歸一化平均向量，并確定歸一化平均向 量及其共軛向量的哈達(dá)瑪乘積（對應(yīng)元素相乘），從而確定與均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)無關(guān) 的無相向量；接著對無相向量進(jìn)行子陣劃分，建立方向差矩陣；其次，改變校正信號源的放 置方向，重復(fù)上述過程，對應(yīng)每個校正信號源的放置方向均分別建立相應(yīng)的方向差矩陣；然 后，利用各方向差矩陣，確定相應(yīng)的校正信號源的直達(dá)波信號與非直達(dá)波信號之間的方向 差；然后，利用所有的直達(dá)波信號方向與其相應(yīng)的非直達(dá)波信號之間的方向差，確定均勻線 陣相位響應(yīng)參數(shù)向量及其歸一化平均向量的共軛向量，從而在存在多徑且方向未知的非直 達(dá)波信號的情況下，實(shí)現(xiàn)多徑傳播環(huán)境中準(zhǔn)確測定均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)的目的。
[0007] 因而本發(fā)明方法包括：
[0008] 步驟1.初始化處理：將均勻線陣的天線數(shù)M，劃分子陣的天線個數(shù)J，均勻線陣的 天線位置坐標(biāo)x m = (m-l)d,d是均勻線陣相鄰天線之間的間隔,m = 1，2, "·，Μ,校正信號源 設(shè)置方向的個數(shù)Κ，校正信號源放置的不同方向0k，k= 1，2，···，Κ，矩陣大奇異值的判斷門 限Π ，以及均勻線陣接收信號向量的個數(shù)L初始化存入內(nèi)存；
[0009] 步驟2.建立第一個方向的方向差矩陣：首先采用I/Q雙通道接收方法或希爾伯特 變換方法對接收到的放置于第一個方向Θ i的校正信號源發(fā)出的含直達(dá)波信號及非直達(dá)波 信號的信號進(jìn)行處理，以確定均勻線陣接收信號向量；然后確定均勻線陣接收信號向量的 歸一化平均向量，并確定歸一化平均向量及其共軛向量的哈達(dá)瑪乘積（對應(yīng)元素相乘），從 而確定與均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)無關(guān)的無相向量；接著對無相向量進(jìn)行子陣劃分，從而建 立該方向的多徑信號方向差矩陣（?);
[0010] 步驟3.建立其余設(shè)定方向的多徑信號方向差矩陣：待步驟2完成后將校正信號源 依次置于其余設(shè)定的方向上，通過校正信號源發(fā)出的信號分別重復(fù)步驟2、從而依次建立其 余方向的多徑信號方向差矩陣；
[0011] 步驟4.確定各設(shè)定方向校正信號源的直達(dá)波信號與非直達(dá)波信號之間的方向 差：首先對步驟2、步驟3所得各多徑信號方向差矩陣分別進(jìn)行奇異值分解、確定大奇異值 的個數(shù)（記為N k)，進(jìn)而分別利用各（Nk)個大奇異值對應(yīng)的奇異向量確定信號子空間；然后 利用信號子空間，分別確定校正信號源放置于各設(shè)定方向時，各校正信號源的直達(dá)波信號 與其非直達(dá)波信號之間的方向差；(k= 1，2，···，Κ，η= l，2，...，Nk);
[0012] 步驟5.確定均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)：利用校正信號源放置的不同方向（Θ k)和步 驟4所得的各方向相應(yīng)的方向差（4 )建立相位恢復(fù)矩陣并從該恢復(fù)矩陣中確定與方向個 數(shù)相同的相位恢復(fù)矩陣的子矩陣；然后對相位恢復(fù)矩陣進(jìn)行奇異值分解，確定相位恢復(fù)矩 陣的最小奇異值對應(yīng)的右奇異向量；再將相位恢復(fù)矩陣的最小奇異值對應(yīng)的右奇異向量按 元素順序分成與方向個數(shù)相同的（K個）子向量，進(jìn)而將相位恢復(fù)矩陣的各（K)個子矩陣與 相應(yīng)的子向量進(jìn)行（作）乘積處理，并確定其歸一化平均向量，最后將均勻線陣相位響應(yīng) 參數(shù)向量轉(zhuǎn)換為歸一化平均向量的共軛向量，共軛向量中各元素即為均勻線陣相位響應(yīng)參 數(shù)。
[0013] 在步驟2中所述首先采用I/Q雙通道接收方法或希爾伯特變換方法對接收到的放 置于第一個方向（θ^的校正信號源發(fā)出的信號進(jìn)行處理，以確定均勻線陣接收信號向量， 其接收信號向量為：
[0014]

【權(quán)利要求】
1. 一種多徑傳播環(huán)境中均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)的測定方法，包括： 步驟1.初始化處理：將均勻線陣的天線數(shù)M，劃分子陣的天線個數(shù)J，均勻線陣的天線 位置坐標(biāo)xm = (m-l)d, d是均勻線陣相鄰天線之間的間隔，m = 1，2, "·，Μ,校正信號源設(shè) 置方向的個數(shù)Κ，校正信號源放置的不同方向0k，k= 1，2，···，Κ，矩陣大奇異值的判斷門限 Π ，以及均勻線陣接收信號向量的個數(shù)L初始化存入內(nèi)存； 步驟2.建立第一個方向的方向差矩陣：首先采用I/Q雙通道接收方法或希爾伯特變換 方法對接收到的放置于第一個方向Θ i的校正信號源發(fā)出的含直達(dá)波信號及非直達(dá)波信號 的信號進(jìn)行處理，以確定均勻線陣接收信號向量；然后確定均勻線陣接收信號向量的歸一 化平均向量，并確定歸一化平均向量及其共軛向量的哈達(dá)瑪乘積，從而確定與均勻線陣相 位響應(yīng)參數(shù)無關(guān)的無相向量；接著對無相向量進(jìn)行子陣劃分，從而建立該方向的多徑信號 方向差矩陣； 步驟3.建立其余設(shè)定方向的多徑信號方向差矩陣：待步驟2完成后將校正信號源依次 置于其余設(shè)定的方向上，通過校正信號源發(fā)出的信號分別重復(fù)步驟2、從而依次建立其余方 向的多徑信號方向差矩陣； 步驟4.確定各設(shè)定方向校正信號源的直達(dá)波信號與非直達(dá)波信號之間的方向差：首 先對步驟2、步驟3所得各多徑信號方向差矩陣分別進(jìn)行奇異值分解、確定大奇異值的個 數(shù)，進(jìn)而分別利用各個大奇異值對應(yīng)的奇異向量確定信號子空間；然后利用信號子空間，分 別確定校正信號源放置于各設(shè)定方向時，各校正信號源的直達(dá)波信號與其非直達(dá)波信號之 間的方向差； 步驟5.確定均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)：利用校正信號源放置的不同方向和步驟4所得 的各方向相應(yīng)的方向差建立相位恢復(fù)矩陣并從該恢復(fù)矩陣中確定與方向個數(shù)相同的相位 恢復(fù)矩陣的子矩陣；然后對相位恢復(fù)矩陣進(jìn)行奇異值分解，確定相位恢復(fù)矩陣的最小奇異 值對應(yīng)的右奇異向量；再將相位恢復(fù)矩陣的最小奇異值對應(yīng)的右奇異向量按元素順序分成 與方向個數(shù)相同的子向量，進(jìn)而將相位恢復(fù)矩陣的各個子矩陣與相應(yīng)的子向量進(jìn)行乘積處 理，并確定其歸一化平均向量，最后將均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)向量轉(zhuǎn)換為歸一化平均向量 的共軛向量，共軛向量中各元素即為均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)。
2. 按權(quán)利要求1所述多徑傳播環(huán)境中均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)的測定方法，其特征在于 步驟2中所述對接收到的放置于第一個方向Θ i的校正信號源發(fā)出的信號進(jìn)行處理，以確 定均勻線陣接收信號向量，其接收信號向量為：
其中：x(1)(t)為校正信號源放置于第一個方向01時的均勻線陣接收信號向量，t為采 樣時刻，t = 1，2,…，L，L表示總的采樣時刻數(shù)，表示均勻線陣接收信號向量x(1) (t)的 第m個元素 ，m = 1，2,…，M，Μ是均勻線陣的天線個數(shù)； 而所述確定均勻線陣接收信號向量的歸一化平均向量，為：
其中，是均勻線陣接收信號向量x(1)(t)的第一個元素，L是均勻線陣接收信號向 量的個數(shù)； 所述確定歸一化平均向量及其共軛向量的哈達(dá)瑪乘積，從而確定與均勻線陣相位響應(yīng) 參 數(shù)無關(guān)的無相向量，為： Ui = r⑴ 〇 r(1)* 其中：r(1)#是平均向量r(1)的共軛向量，Θ表示哈達(dá)瑪乘積（對應(yīng)元素相乘）。
3. 按權(quán)利要求1所述多徑傳播環(huán)境中均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)的測定方法，其特征在于 步驟2中所述對無相向量進(jìn)行子陣劃分，從而建立該方向的多徑信號方向差矩陣，其方向 差矩陣為：
其中：C是平均向量r(1)的第m個元素，m= 1，2,…，M，M為均勻線陣的天線個數(shù)，J是 子陣的天線個數(shù)。
4. 按權(quán)利要求1所述多徑傳播環(huán)境中均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)的測定方法，其特征在于 步驟3中所述依次建立其余方向的多徑信號方向差矩陣，其余各多徑信號方向差矩陣為：
其中：Θ k為校正信號源放置的方向，Uk為方向差矩陣，rf是平均向量r (k)的第m個元 素 ，k = 2,…，K，m = 1，2,…，M，Μ為均勻線陣的天線個數(shù)，J是子陣的天線個數(shù)，r(k)是將 校正信號源放置于方向Θ k時確定的均勻線陣接收信號向量的歸一化平均向量。
5. 按權(quán)利要求1所述多徑傳播環(huán)境中均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)的測定方法，其特征在于 步驟4中所述對所得各多徑信號方向差矩陣分別進(jìn)行奇異值分解，奇異值分解通過下式進(jìn) 行：
其中：矩陣Ak是對角矩陣，對角元素分別對應(yīng)多徑信號方向差矩陣Uk的奇異值， 按降序排列，即矩陣Wk是由多徑信號方向差矩陣Uk的奇異向量 w'K，…,wf構(gòu)成的矩陣，與奇異值一一對應(yīng)，Wf表示矩陣Uk的共軛轉(zhuǎn)置矩陣，k = 1，2,…，K; 而所述確定大奇異值的個數(shù)，大奇異值的個數(shù)Nk由下式?jīng)Q定：
，即Nk是滿足不等式
的最小的D值， 其中，J是子陣的天線個數(shù)，Π 是大奇異值的判斷門限，k= 1，2, ···，!(，0為正整數(shù)。
6. 按權(quán)利要求1所述多徑傳播環(huán)境中均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)的測定方法，其特征在于 步驟4中所述分別利用各個大奇異值對應(yīng)的奇異向量確定信號子空間，信號子空間為：
其中：whwf，···，#為奇異向量，Nk為多徑信號方向差矩陣uk的大奇異值的個數(shù)，k = 1，2,…，K; 而所述各校正信號源的直達(dá)波信號與其非直達(dá)波信號之間的方向差，為：
其中：為矩陣
的特征值，
泠別為信號子空間wf的上面J-1 行向量和下面J-1行向量組成的矩陣，
是矩陣Wf的廣義逆矩陣，angle(i3kn)表示 矩陣
的特征值β kn的相位，η = 1，2,. . .，Nk，k = 1，2,…，K。
7. 按權(quán)利要求1所述多徑傳播環(huán)境中均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)的測定方法，其特征在于 步驟5中所述利用所得的各方向相應(yīng)的方向差之建立相位恢復(fù)矩陣，相位恢復(fù)矩陣用分塊 矩陣的形式表示為：
其中
，是相位恢復(fù)矩陣Q的第k個 子矩陣，
，λ為信號波長，diag 1 (uk)為 矩陣diag(uk)的逆矩陣，diag(uk)為以無相向量uk的元素為對角元素的對角矩陣，η = 1，2, · · ·，Nk, k = 1，2,…，Κ，[]τ 表示向量轉(zhuǎn)置。
8. 按權(quán)利要求1所述多徑傳播環(huán)境中均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)的測定方法，其特征在于 步驟5中所述對相位恢復(fù)矩陣進(jìn)行奇異值分解，奇異值分解通過下式進(jìn)行： Q = SYGh 其中：矩陣Y是對角矩陣，對角元素為相位恢復(fù)矩陣Q的奇異值，按降序排列，矩陣S和 G是分別是由相位恢復(fù)矩陣Q的左奇異向量和右奇異向量構(gòu)成的矩陣，與相位恢復(fù)矩陣Q的 奇異值一一對應(yīng)。
9. 按權(quán)利要求1所述多徑傳播環(huán)境中均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)的測定方法，其特征在于 步驟5中所述確定相位恢復(fù)矩陣的最小奇異值對應(yīng)的右奇異向量，為矩陣G的最右邊的列 向量，記為g ;所述將相位恢復(fù)矩陣的最小奇異值對應(yīng)的右奇異向量按元素順序分成與方 向個數(shù)相同的子向量，子向量分別為：
其中，[]τ表示向量轉(zhuǎn)置，g(i)是向量g的第i個元素，
而所述對通過該恢復(fù)矩陣建立的各個子矩陣與相應(yīng)的子向量進(jìn)行乘積處理，其結(jié)果 為： f(k) = Qkg(k) 其中，Qk是相位恢復(fù)矩陣Q的第k個子矩陣，k = 1，2,…，K。
10. 按權(quán)利要求1所述多徑傳播環(huán)境中均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)的測定方法，其特征在 于步驟5中所述確定其歸一化平均向量為：
其中：f\k為向量f(k)的第1個元素； 而所述將均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)向量轉(zhuǎn)換為歸一化平均向量的共軛向量，共軛向量 為：
其中：f#為向量f的共軛向量，共軛向量中各元素即為均勻線陣相位響應(yīng)參數(shù)。
【文檔編號】G01R31/00GK104142445SQ201410338672
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】萬群, 肖洪坤, 徐保根, 萬義和, 湯四龍, 丁學(xué)科, 龔輝, 殷吉昊, 鄒麟, 饒中初 申請人:電子科技大學(xué), 同方電子科技有限公司