專利名稱：一種超寬帶無頻率色散的doa估計方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天線陣列信號處理領(lǐng)域，具體涉及一種超寬帶無頻率色散的DOA估計方法及其裝置，是一種利用真延時補償波程差的超寬帶目標(biāo)定位方法及裝置。
背景技術(shù)：
基于陣列天線的信號處理方法被廣泛地應(yīng)用于雷達(dá)、通信、聲納、地震探測等領(lǐng)域。其中，電磁波信號波達(dá)方向(DOA: Direction of Arrival)估計問題一直是重要研究方向之一，為此產(chǎn)生了多種算法，其中較經(jīng)典的是多重信號分類法MUSIC (Multiple SignalClassif ication)和基于旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)分類法ESPRIT (Estimation of Signal Parametersvia Rotational Invariance Techniques)。之后，國內(nèi)外眾多學(xué)者在此基礎(chǔ)上又提出了許多改進(jìn)方法，如root-MUSIC、TLS-ESPRIT等，這些方法具有良好的分辨率和相對較小的計算量。但是這些方法大都是局限于窄帶的DOA處理方法，并在信號模型中都假設(shè)噪聲是白噪聲，信號是平穩(wěn)信號且信號之間是互不相關(guān)的。當(dāng)這些假設(shè)其中之一不滿足時，傳統(tǒng)方法因沒有充分利用信號本身蘊含的一些非空域特征，因而其估計性會迅速下降。因此，很有必要研究一些能有效地利用一套覆蓋寬頻段并且不受接收信號限制的陣列天線去處理該頻段內(nèi)所有的信號測向問題的方法。超寬帶(UWB)技術(shù)是一種不用載波而采用時間間隔納秒級的脈沖進(jìn)行通信的新型的無線通信技術(shù)，它通過對具有極抖上升和下降時間的沖激脈沖進(jìn)行直接調(diào)制，使信號具有GHz量級的帶寬。超寬帶技術(shù)具有對信道衰落不敏感、發(fā)射信號功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點，解決了困擾傳統(tǒng)無線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題。故，將此應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)中，將有效改善其傳輸性能，并且對應(yīng)產(chǎn)生新的DOA處理算法。對于窄帶相控陣?yán)走_(dá)，通過補償接收電磁波在陣元之間引入的波程差就能達(dá)到其入射角上的功率最大值，通過掃描空間全范圍得到該最大值，對應(yīng)的角度即為入射角。但是寬帶相控陣?yán)走_(dá)信號頻譜寬，若用中心頻率最佳相位補償波程差，由于不同的頻率分量同樣的波程差產(chǎn)生的相位色散是不一樣的，因此會在接受波的頻率高端和低端造成很大的補償誤差，形成頻率上的色散現(xiàn)象。另外，根據(jù)空間采樣理論，陣元間距都不能超過接收信號頻點對應(yīng)的半波長，否則會出現(xiàn)測量角度的模糊，為了不出現(xiàn)相位模糊現(xiàn)象，需要用接收電磁波的最高頻率對應(yīng)的半波長來設(shè)計陣元間距，這樣做的結(jié)果是在信號低頻處天線有效孔徑小，估算性能低。一個新的思路是用時間補償代替相位補償。基本的解決方法是考慮在各陣元上引入各自時間延時來達(dá)到接收角方向同相相加，功率最大。現(xiàn)在有方法是采用延時線，但是價格昂貴，性能較差，且延時只能為離散值。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種超寬帶無頻率色散的DOA 估計方法及其裝置，克服傳統(tǒng)寬帶情形下DOA估計的信號展寬、頻率色散等問題。技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的第一種技術(shù)方案為一種超寬帶無頻率色散的DOA估計裝置，包括天線陣列和真延時空間變換信號處理單元，所述天線陣列用于接收來波信號并將其傳送給真延時空間變換信號處理單元，對于特定的空間方位角(簡稱“方位角”)，真延時空間變換信號處理單元將天線陣列中各陣元的采樣波形進(jìn)行延時相加，再對得到的波形進(jìn)行脈沖壓縮，并記錄脈沖壓縮后得到的波形的峰值；對空間方位角進(jìn)行掃描，得到空間方位角和峰值的關(guān)系曲線，根據(jù)曲線的極值確定來波方向。進(jìn)一步的，所述天線陣列包括多個直線型排列的陣元。進(jìn)一步的，所述陣元等間隔排列。進(jìn)一步的，所述真延時空間變換信號處理單元對接收的來波信號進(jìn)行采樣；各個空間角度射入的電磁波到達(dá)各個陣列陣元的時間可能有所偏差，通過真延時的時間補償方法對接收信號進(jìn)行時間對齊；所述真延時空間變換信號處理單元計算出每個角度對應(yīng)的各個陣元的對齊時間常數(shù)，在每個角度上分別對齊相加，最終得到多個輸出。本發(fā)明采用的第二種技術(shù)方案為實現(xiàn)超寬帶無頻率色散的DOA估計方法，包括以下步驟:
(1)對于射入的電磁波信號的空間角度，計算出各陣元相對于參考陣元的時間延時；
(2)真延時的時間補償:根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì)，以頻域的相位補償實現(xiàn)時域的延時
補償:若信號的時域延時I,傅立葉變換后在頻域表現(xiàn)為附加相位Φ (O = 2ππ,其中f為
信號的頻率，信號的時域延時I在頻域表現(xiàn)為一個隨頻率線性變化的附加相位，即一個固定的群延時；運用上述真延時進(jìn)行各陣元接收信號的時間對齊，達(dá)到相位同步，并求和，再對得到的波形進(jìn)行脈沖壓縮，并記錄`脈沖壓縮后得到的波形的峰值；
(3)確定波達(dá)方向:重復(fù)步驟(I)和步驟(2)，在整個空間進(jìn)行方位角的掃描，獲得角度-峰值的關(guān)系曲線，根據(jù)曲線的極值確定來波方向，由此進(jìn)行DOA方向估計。有益效果:本發(fā)明采用的時間延時方法為真延時，以頻域的相位補償來實現(xiàn)時域的精確延時。根據(jù)傅立葉變換的時移特性，若信號的時域延時傅立葉變換后在頻域表現(xiàn)
為附加相位φ( ) = 2ττ τ，也就是說，信號的時域延時..1在頻域表現(xiàn)為一個隨頻率線性變化
的附加相位，即一個固定的群延時。本發(fā)明能夠達(dá)到真正意義上的時域延時，不僅可以實現(xiàn)整數(shù)個采樣周期的延時，還能實現(xiàn)分?jǐn)?shù)個采樣周期的延時，延時準(zhǔn)確。并且對輸入信號無特定要求，因而，能有效地處理超寬帶信號的來波方向估計。


圖1為本發(fā)明的超寬帶無頻率色散的DOA估計裝置結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明采用的直線型均勻陣元示意 圖3為本發(fā)明的真延時信號變換器的對應(yīng)一個角度的基本處理單元示意圖，可以采用任意個覆蓋全空間。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。本發(fā)明提供了一種超寬帶無頻率色散的DOA估計裝置，該裝置的陣元采用直線型的均勻線陣排列，共R個。每個陣元獨立接收來自空間任意方向的電磁波信號并將其傳送給真延時空間變換信號處理單元，下面簡稱為“真延時空間變換器”。真延時空間變換器對
輸入的模擬信號以頻率匕進(jìn)行采樣，得到R組數(shù)字信號。各個空間角度射入的電磁波到達(dá)
各個陣元的時間可能有所偏差，通過真延時的時間補償方法對接收信號進(jìn)行時間對齊。將
180=空間角分為M等分，即存在M個離散的來波方向，M越大角度分辨越高。真延時空間變
換器計算出每個角度對應(yīng)的各個陣元的對齊時間常數(shù)，在每個角度上分別對齊相加，最終得到M個輸出。比較輸出量得出來波角度，即為DOA方向估計。本發(fā)明超寬帶無頻率色散的DOA估計方法步驟如下:(I)、對于特定的空間角度，計算出各陣元相對于參考陣元的時間延時；(2)、運用真延時進(jìn)行各陣元接收信號的時間對齊，達(dá)到相位同步并求和，并對求和結(jié)果進(jìn)行脈沖壓縮，并記錄脈沖壓縮后得到的波形的峰值；(3)、重復(fù)第一步和第二步，對空間方位角進(jìn)行掃描，得到空間方位角和峰值的關(guān)系曲線，根據(jù)曲線的極值確定來波方向，由此進(jìn)行DOA方向估計。

圖1是實現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置圖，其中的天線接收單元采用的直線型均勻陣列模型可參照圖2，真延時空間變換器的具體實現(xiàn)流程可參照圖3。參照圖1，本發(fā)明裝置首先通過陣列天線接收空間各方向的來波信號，信號經(jīng)真延時空間變換器處理后輸出為M個方向的延時相加信號，通過比較得出來波方向。參照圖2，本發(fā)明裝置采用直線型均勻陣列模型，在水平X方向均勻排列R個接收
陣元，陣元間距為d。每個陣元獨立接收空間傳播過來的電磁波信號，若信號S(Y)從一與X
正方向成0的角度射入整個接收單元，那么相鄰兩陣元間的波程差為d.。將陣元I設(shè)
為參考陣元，則各個陣元接收到的信號相對于陣元I信號延時kc，其中k=l、2、3......,τ為基
本延時單元，根據(jù)圖示可解得:
權(quán)利要求
1.一種超寬帶無頻率色散的DOA估計裝置，其特征在于:包括天線陣列和真延時空間變換信號處理單元，所述天線陣列用于接收來波信號并將其傳送給真延時空間變換信號處理單元，對于特定的空間方位角，真延時空間變換信號處理單元將天線陣列中各陣元的采樣波形進(jìn)行延時相加，再對得到的波形進(jìn)行脈沖壓縮，并記錄脈沖壓縮后得到的波形的峰值；對空間方位角進(jìn)行掃描，得到空間方位角和峰值的關(guān)系曲線，根據(jù)曲線的極值確定來波方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述超寬帶無頻率色散的DOA估計裝置，其特征在于:所述天線陣列包括多個直線型排列的陣元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述超寬帶無頻率色散的DOA估計裝置，其特征在于:所述陣元等間隔排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述超寬帶無頻率色散的DOA估計裝置，其特征在于:所述真延時空間變換信號處理單元對接收的來波信號進(jìn)行采樣；各個空間角度射入的電磁波到達(dá)各個陣列陣元的時間可能有所偏差，通過真延時的時間補償方法對接收信號進(jìn)行時間對齊；所述真延時空間變換信號處理單元計算出每個角度對應(yīng)的各個陣元的對齊時間常數(shù)，在每個角度上分別對齊相加，最終得到多個輸出。
5.一種利用如權(quán)利要求1所述裝置實現(xiàn)超寬帶無頻率色散的DOA估計方法，其特征在于包括以下步驟: (1)對于射入的電磁波信號的空間角度，計算出各陣元相對于參考陣元的時間延時； (2)真延時的時間補償:根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì)，以頻域的相位補償實現(xiàn)時域的延時補償:若信號的時域延時1，傅立葉變換后在頻域表現(xiàn)為附加相位Φ( = 2π:π,其中f為信號的頻率，信號的時域延時τ在頻域表現(xiàn)為一個隨頻率線性變化的附加相位；運用上述真延時進(jìn)行各陣元接收信號的時間對齊，達(dá)到相位同步，并求和，再對得到的波形進(jìn)行脈沖壓縮，并記錄脈沖壓縮后得到的波形的峰值； (3)確定波達(dá)方向:重復(fù)步驟(I)和步驟(2)，在整個空間進(jìn)行方位角的掃描，獲得角度-峰值的關(guān)系曲線，根據(jù)曲線的極值確定來波方向，由此進(jìn)行DOA方向估計。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超寬帶無頻率色散的DOA估計裝置，其特征在于包括天線陣列和真延時空間變換信號處理單元，所述天線陣列用于接收來波信號并將其傳送給真延時空間變換信號處理單元，對于特定的空間方位角，真延時空間變換信號處理單元將天線陣列中各陣元的采樣波形進(jìn)行延時相加，再對得到的波形進(jìn)行脈沖壓縮，并記錄脈沖壓縮后得到的波形的峰值；對空間方位角進(jìn)行掃描，得到空間方位角和峰值的關(guān)系曲線，根據(jù)曲線的極值確定來波方向。本發(fā)明還公開了一種實現(xiàn)超寬帶無頻率色散的DOA估計方法。本發(fā)明克服傳統(tǒng)寬帶情形下DOA估計的信號展寬、頻率色散等問題。
文檔編號H04B17/00GK103236885SQ20131008759
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者張興敢, 吳秀芬, 柏業(yè)超, 唐嵐, 高玉祥, 魏耀, 杜仲林 申請人:南京大學(xué)