專利名稱：一種搜索最小幅度向量夾角的天線陣列測向方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬無線接收范疇，涉及無線信號接收系統(tǒng)的天線陣列測向方法，尤其涉及一種搜索天線陣列實時接收的信號幅度向量與天線陣列自帶的數(shù)據(jù)庫幅度向量最小夾角來估計單個信號到達(dá)方向的方法。

背景技術(shù)：
利用天線陣列對無線信號測向的技術(shù)已廣泛應(yīng)用于無線電監(jiān)測、天文、聲納、地質(zhì)探測、地震、雷達(dá)、無線通信等領(lǐng)域。根據(jù)常用的天線陣列干涉儀測向原理，需要對天線陣列中的天線進(jìn)行相位校正、互耦校正和天線位置誤差校正，對各個天線后端的信號接收機(jī)進(jìn)行實時相位一致性校正，才能使得各天線接收的信號的相位差僅與信號的到達(dá)方向、信號頻率或波長、各個天線的相對位置有關(guān)，由于可以事先確定信號頻率或波長、各個天線的相對位置，所以就能由各個天線的接收信號的相位差反推信號的到達(dá)方向。天線之間的互耦、通道不一致和天線陣列位置誤差的校正如果不滿足測向要求，都會直接導(dǎo)致常用的天線陣列干涉儀測向性能下降。
然而，天線陣列的這種校正往往需要付出額外的硬件和軟件成本，嚴(yán)重地影響到天線陣列測向的系統(tǒng)成本、控制器和信號處理裝置的復(fù)雜性及信號處理的數(shù)據(jù)量和處理速度。因此，如何降低甚至避免對天線陣列進(jìn)行實時相位校正、幅度校正和互耦校正所需的硬件和軟件成本對實現(xiàn)低成本、低復(fù)雜度、快速的天線陣列測向具有重要的意義。
針對上述缺陷，本申請人在申請?zhí)枮?00710049079、發(fā)明名稱為《無線信號接收系統(tǒng)的陣列綜合測向方法》的專利文獻(xiàn)中公開了一種不受部分相位校正誤差影響的陣列測向的方法。該方法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(fù)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(dá)方向估計。這種方法克服了相當(dāng)部分相位校正誤差對陣列測向性能的影響，提高了測向精度，但需要利用一個相位完全同步的子陣列估計參考信號的方向，而且仍受天線之間的互耦效應(yīng)和天線位置誤差的影響。因而，不適合天線之間存在互耦效應(yīng)和天線位置存在誤差的天線陣列。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種天線陣列的測向方法，這種方法特別適合各個信號接收通道之間存在相位和幅度響應(yīng)不一致誤差、互耦效應(yīng)和天線位置誤差的天線陣列，不受天線之間的互耦效應(yīng)和天線位置誤差的影響。同時，既不需要付出額外的硬件和軟件成本又不需要利用一個相位完全同步的子陣列估計參考信號的方向。
本發(fā)明的目的是這樣達(dá)到的 一種搜索最小幅度向量夾角的天線陣列測向方法，其特征在于建立天線陣列數(shù)據(jù)庫，搜索與實時接收的信號幅度向量夾角最小的數(shù)據(jù)庫中的幅度向量，該幅度向量對應(yīng)的方向作為實時接收信號的到達(dá)方向估計值。首先，在轉(zhuǎn)臺上為各個信號接收通道的天線陣列建立自帶數(shù)據(jù)庫；然后，在應(yīng)用場地測量天線陣列實時接收的信號幅度向量，并確定天線陣列實時接收的信號幅度向量與建立的天線陣列數(shù)據(jù)庫中的所有幅度向量之間的夾角；最后，搜索與天線陣列實時接收的信號幅度向量夾角最小的數(shù)據(jù)庫中的幅度向量，該幅度向量對應(yīng)的到達(dá)方向即是估計的信號到達(dá)方向。所述建立天線陣列數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)包括建立到達(dá)方向和幅度向量的數(shù)據(jù)。
具體步驟是 A.確定天線陣列的到達(dá)方向、幅度向量數(shù)據(jù)庫將天線陣列放在轉(zhuǎn)臺上，將不斷在發(fā)射信號的建立天線陣列自帶數(shù)據(jù)庫的信號源放在天線陣列的遠(yuǎn)場，轉(zhuǎn)臺按一個方向轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)動1次，信號的到達(dá)方向就改變1次，天線陣列就測量一個接收的信號幅度向量，幅度向量經(jīng)過歸一化處理之后在數(shù)據(jù)庫中保存一條到達(dá)方向、幅度向量的記錄。
B.測量天線陣列實時接收的信號幅度向量將完成建立數(shù)據(jù)庫的天線陣列放置于應(yīng)用場地，測量天線陣列實時接收的信號幅度向量，并對幅度向量經(jīng)過歸一化處理。
C.確定天線陣列實時接收的信號幅度向量與天線陣列數(shù)據(jù)庫中的所有幅度向量之間的夾角。
D.搜索與天線陣列實時接收的信號幅度向量夾角最小的天線陣列數(shù)據(jù)庫中的幅度向量，確定信號到達(dá)方向為該幅度向量對應(yīng)的到達(dá)方向。
所述轉(zhuǎn)臺按一個方向轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)動1次信號的到達(dá)方向就改變1次，是指每轉(zhuǎn)動1次信號的到達(dá)方向就改變1度，全向360度總共有360條到達(dá)方向、幅度向量的記錄。
設(shè)天線陣列的天線數(shù)為M，空間有一個窄帶信號s(t)到達(dá)此陣列的方向為θ，t時刻陣列的接收信號向量為 其中，a(θ)是與信號到達(dá)方向θ、天線位置、天線之間的互耦、信號接收通道的幅度和相位響應(yīng)有關(guān)的方向向量，v(t)是噪聲， 上述天線陣列測量建立數(shù)據(jù)庫信號或?qū)崟r接收信號的幅度向量是 其中，||表示絕對值，k＝0時y0(t)表示實時接收信號的幅度向量，k＝1，2，...，360時yk(t)表示每1度到達(dá)方向?qū)?yīng)的建立數(shù)據(jù)庫信號的幅度向量，全向共有360度。
所述天線陣列建立數(shù)據(jù)庫信號或接收信號的幅度向量的歸一化處理結(jié)果是 其中，[]T表示向量的轉(zhuǎn)置，k＝0時z(0)表示實時接收信號的歸一化幅度向量，k＝1，2，...，360時z(k)表示每1度到達(dá)方向?qū)?yīng)的建庫信號的歸一化幅度向量，全向共有360度。
所述數(shù)據(jù)庫中的一條到達(dá)方向，幅度向量的記錄為(k，z(k))，其中，k＝1，2，...，360。
所述天線陣列實時接收的信號幅度向量與天線陣列自帶的到達(dá)方向，幅度向量數(shù)據(jù)庫中的幅度向量之間的夾角為cos-1(φ(k))，其中，φ(k)為 φ(k)＝zT(k)z(0) (4)其中，k＝1，2，...，360。
所述搜索與天線陣列實時接收的信號幅度向量夾角最小的數(shù)據(jù)庫中的幅度向量，是在k＝1，2，...，360范圍內(nèi)搜索φ(k)的最大值，即 最大值

對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的幅度向量

對應(yīng)的到達(dá)方向

即是估計的信號到達(dá)方向。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是 1、采用本發(fā)明估計單個信號的到達(dá)方向不需要付出額外的硬件和軟件成本對天線陣列進(jìn)行實時相位校正、幅度校正、互耦校正和天線位置誤差校正。測向精度高以5根鞭狀天線組成的圓陣列對超短波頻段內(nèi)的頻率等于293MHz的信號進(jìn)行測向為例，各天線水平方向為全向，極化方式為垂直極化，垂直放置，均勻的分布在直徑1.646米的水平圓上。采用本發(fā)明測向誤差小于1度的概率大于97％，而采用背景技術(shù)中不經(jīng)過實時相位校正的天線陣列干涉儀測向方法失效，經(jīng)過復(fù)雜校正的天線陣列干涉儀測向誤差大于1度的概率大于1％。
2、本方法使用方便可靠，適用范圍廣，特別適用于天線之間存在互耦效應(yīng)和天線位置存在誤差的天線陣列。



圖1為本發(fā)明方法流程示意圖。
圖2為本發(fā)明方法具體實施方式
中使用的到達(dá)方向，幅度向量數(shù)據(jù)庫，圖中zm(k)表示轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到k度時，記錄的幅度向量z(k)的第m個元素的值。

具體實施例方式 具體方式以各個信號接收通道之間存在相位和幅度響應(yīng)不一致誤差、互耦效應(yīng)和天線位置誤差的天線陣列進(jìn)行。本例以5根鞭狀天線組成的圓陣列對超短波頻段內(nèi)的頻率等于293MHz的信號進(jìn)行測向，各天線水平方向為全向，極化方式為垂直極化，垂直放置，均勻的分布在直徑1.646米的水平圓上。
A.確定天線陣列的到達(dá)方向、幅度向量數(shù)據(jù)庫。
首先，將天線陣列放在轉(zhuǎn)臺上，將不斷在發(fā)射信號的建庫信號源放在天線陣列的遠(yuǎn)場，轉(zhuǎn)臺按一個方向轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)動1次信號的到達(dá)方向就改變1度，天線陣列就測量一個接收的信號幅度向量 其中，||表示絕對值，k＝1，2，...，360時yk(t)表示每1度到達(dá)方向?qū)?yīng)的建庫信號的幅度向量，全向共有360度。此處， 是t時刻陣列接收的建庫信號向量。
然后，對幅度向量進(jìn)行歸一化處理 其中，k＝1，2，...，360時z(k)表示每1度到達(dá)方向?qū)?yīng)的建庫信號的歸一化幅度向量，全向共有360度。
最后，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動360次后，全向360度總共在數(shù)據(jù)庫中保存了360條到達(dá)方向，幅度向量的記錄，即(k，z(k))，其中，k＝1，2，...，360。
圖2給出了本發(fā)明方法具體實施方式
中使用的到達(dá)方向，幅度向量數(shù)據(jù)庫，圖中zm(k)表示轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到k度時，記錄的幅度向量z(k)的第m個元素的值。
B.測量天線陣列實時接收的信號幅度向量。
將完成建庫的天線陣列放置于應(yīng)用場地，測量天線陣列實時接收的信號幅度向量 并對幅度向量經(jīng)過歸一化處理 此處， 是t時刻陣列實時接收的信號向量。
C.確定天線陣列實時接收的信號幅度向量與天線陣列自帶的到達(dá)方向，幅度向量數(shù)據(jù)庫中的所有幅度向量之間的夾角為cos-1(φ(k))，其中，φ(k)為 φ(k)＝zT(k)z(0) (12) 其中，k＝1，2，...，360。
D.搜索與天線陣列實時接收的信號幅度向量夾角最小的數(shù)據(jù)庫中的幅度向量在k＝1，2，...，360范圍內(nèi)搜索φ(k)的最大值，該幅度向量對應(yīng)的到達(dá)方向即是估計的信號到達(dá)方向，即 采用本發(fā)明測向誤差小于1度的概率大于97％。
對本發(fā)明的天線陣列測向方法雖然已經(jīng)參考附圖以舉例方式進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明不僅限于上述這些細(xì)節(jié)，本申請含蓋權(quán)利要求范圍之內(nèi)的各種變型或改變。
權(quán)利要求
1.一種搜索最小幅度向量夾角的天線陣列測向方法，其特征在于建立天線陣列數(shù)據(jù)庫，搜索與實時接收的信號幅度向量夾角最小的數(shù)據(jù)庫中的幅度向量，該幅度向量對應(yīng)的方向作為實時接收信號的到達(dá)方向估計值首先，在轉(zhuǎn)臺上為各個信號接收通道的天線陣列建立自帶數(shù)據(jù)庫；然后，在應(yīng)用場地測量天線陣列實時接收的信號幅度向量，并確定天線陣列實時接收的信號幅度向量與建立的天線陣列數(shù)據(jù)庫中的所有幅度向量之間的夾角；最后，搜索與天線陣列實時接收的信號幅度向量夾角最小的數(shù)據(jù)庫中的幅度向量，該幅度向量對應(yīng)的到達(dá)方向即是估計的信號到達(dá)方向；所述建立天線陣列自帶數(shù)據(jù)庫是指建立到達(dá)方向、幅度向量數(shù)據(jù)庫；
具體步驟是
A.確定天線陣列的到達(dá)方向、幅度向量數(shù)據(jù)庫將天線陣列放在轉(zhuǎn)臺上，將不斷在發(fā)射信號的建立天線陣列自帶數(shù)據(jù)庫的信號源放在天線陣列的遠(yuǎn)場，轉(zhuǎn)臺按一個方向轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)動1次，信號的到達(dá)方向就改變1次，天線陣列就測量一個接收的信號幅度向量，幅度向量經(jīng)過歸一化處理之后在數(shù)據(jù)庫中保存一條到達(dá)方向、幅度向量的記錄；
B.測量天線陣列實時接收的信號幅度向量將完成建立數(shù)據(jù)庫的天線陣列放置于應(yīng)用場地，測量天線陣列實時接收的信號幅度向量，并對幅度向量經(jīng)過歸一化處理；
C.確定天線陣列實時接收的信號幅度向量與天線陣列數(shù)據(jù)庫中的所有幅度向量之間的夾角；
D.搜索與天線陣列實時接收的信號幅度向量夾角最小的天線陣列數(shù)據(jù)庫中的幅度向量，確定信號到達(dá)方向為該幅度向量對應(yīng)的到達(dá)方向。
2.如權(quán)利要求1所述的搜索最小幅度向量夾角的天線陣列測向方法，其特征在于所述轉(zhuǎn)臺按一個方向轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)動1次信號的到達(dá)方向就改變1次，是指每轉(zhuǎn)動1次信號的到達(dá)方向就改變1度，全向360度總共有360條到達(dá)方向、幅度向量的記錄。
3.如權(quán)利要求1所述的搜索最小幅度向量夾角的天線陣列測向方法，其特征在于設(shè)天線陣列的天線數(shù)為M，空間有一個窄帶信號s(t)到達(dá)此陣列的方向為θ，t時刻陣列的接收信號向量為
其中，a(θ)是與信號到達(dá)方向θ、天線位置、天線之間的互耦、信號接收通道的幅度和相位響應(yīng)有關(guān)的方向向量，v(t)是噪聲，
上述天線陣列測量建立數(shù)據(jù)庫信號或?qū)崟r接收信號的幅度向量是
其中，| |表示絕對值，k＝0時y0(t)表示實時接收信號的幅度向量，k＝1，2，...，360時yk(t)表示每1度到達(dá)方向?qū)?yīng)的建立數(shù)據(jù)庫信號的幅度向量，全向共有360度。
4.如權(quán)利要求1所述的搜索最小幅度向量夾角的天線陣列測向方法，其特征在于所述天線陣列測量的天線數(shù)據(jù)庫信號或接收信號的幅度向量的歸一化處理結(jié)果是
其中，[]T表示向量的轉(zhuǎn)置，k＝0時z(0)表示實時接收信號的歸一化幅度向量，k＝1，2，...，360時z(k)表示每1度到達(dá)方向?qū)?yīng)的建庫信號的歸一化幅度向量，全向共有360度。
5.如權(quán)利要求1所述的搜索最小幅度向量夾角的天線陣列測向方法，其特征在于所述數(shù)據(jù)庫中的一條到達(dá)方向、幅度向量的記錄為(k，z(k))，其中，k＝1，2，...，360，
所述天線陣列實時接收的信號幅度向量與天線陣列數(shù)據(jù)庫中的幅度向量之間的夾角為cos-1(φ(k))，其中，φ(k)為
φ(k)＝zT(k)z(0) 其中，k＝1，2，...，360。
6.如權(quán)利要求1所述的搜索最小幅度向量夾角的天線陣列測向方法，其特征在于所述搜索與天線陣列實時接收的信號幅度向量夾角最小的數(shù)據(jù)庫中的幅度向量，是在k＝1，2，...，360范圍內(nèi)搜索φ(k)的最大值，即
最大值
對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的幅度向量
對應(yīng)的到達(dá)方向
即是估計的信號到達(dá)方向。
全文摘要
搜索最小幅度向量夾角的天線陣列測向方法屬天線陣列測向范疇。建立天線陣列數(shù)據(jù)庫，搜索與實時接收的信號幅度向量夾角最小的數(shù)據(jù)庫中的幅度向量對應(yīng)的到達(dá)方向作為實時接收信號的到達(dá)方向估計值。首先建立天線陣列到達(dá)方向、幅度向量數(shù)據(jù)庫；然后測量實時接收信號幅度向量并確定與天線陣列數(shù)據(jù)庫中的所有幅度向量之間的夾角；最后搜索與天線陣列實時接收的信號幅度向量夾角最小的數(shù)據(jù)庫中的幅度向量，該幅度向量對應(yīng)的到達(dá)方向即是估計的信號到達(dá)方向。本方法不需額外的硬件和軟件對天線陣列進(jìn)行實時相位校正、幅度校正、互耦校正和天線位置誤差校正，測向精度高，5根鞭狀天線組成的圓陣列對超短波頻段內(nèi)的頻率等于293MHz的信號測向誤差小于1度的概率大于97％。
文檔編號H04B17/00GK101826900SQ20101013203
公開日2010年9月8日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月25日
發(fā)明者萬群, 徐保根, 萬義和, 湯四龍, 陳章鑫, 郭賢生, 祝宏志 申請人:電子科技大學(xué), 國營第七一三廠