一种利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的方法

摘要

本发明公开了一种利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的方法，涉及通信技术领域。包括对天线对，采用相干干涉仪的双通道采样两路中频信号；对两路中频信号进行混频、抽取滤波，做加窗FFT，进行相位计算，并对相位计算结果再进行相位解卷绕处理；相位解卷绕处理后的相位计算结果进行相参累积，将累积结果取均值，则根据所有天线对的累计结果的均值计算相位差矢量，进而根据相关系数和相位差矢量的关系式计算测向结果。能在极低信噪比的环境下，提高传统相位测向灵敏度及其捕获低功率信号方位信息的能力，通过对多个测向信号其快速傅立叶变换后的相位结果进行特定的相参累积来实现方位信息的均值处理，以增强对低功率信号降噪处理的能力。

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的方法。

背景技术

无线电测向是无线电监测中的一项重要技术，它被广泛应用于军事和民用领域，能实现对无线电信号定位和跟踪，实时获取感兴趣目标的方位信息。传统的相位测向方法是通过测量两路或多路在不同波前的天线输出信号的相位来完成对宽带信号的测向。在实际工程应用中，需要采用快速傅里叶变换技术(Fast Fourier Transform，FFT)进行处理，比较两路天线接收信号对应的每根谱线的相位，得到相位差值，然后通过测向算法进行相关性处理得到测向结果。传统的测向方法有多种，如幅度比较测向法、相关干涉仪测向法、多普勒测向法和时差测向法等。这些方法在实际的工程应用中对信噪比都有一定的要求，譬如相关干涉仪方法通常要求信号信噪比大于10dB才能完成测向。当测向系统接收信号信噪比较低时，传统的测向方法通过降低接收带宽来减小噪声方差从而提高接收信噪比，这种方式对窄带信号通常是有效的，但是却无法处理宽带低功率信号。

在单频平面电磁波的条件下，接收通道间的相位差和信号的信噪比值(SIGNALNOISE RATIO，SNR or S/N)存在一定的关联，随着SNR降至负数时，相位误差将使得测量结果在2πrad范围内产生模糊，从而无法判断相位差的测量值，导致整个鉴相系统失效。因此，一种简单快速、灵敏度高、抗干扰能力强、能捕获微弱信号的无线电测向方法一直是研究的重点和热点。

发明内容

本发明目的在于，提供一种利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的方法，能在极低信噪比的环境下，提高传统相位测向灵敏度及其捕获低功率信号方位信息的能力，通过对多个测向信号其快速傅立叶变换(fast Fourier transform，FFT)后的相位结果进行特定的相参累积来实现方位信息的均值处理，以增强对低功率信号降噪处理的能力。

为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供一种利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的方法，包括：

对天线阵列中的天线对，采用相干干涉仪的双通道采样两路中频信号；

对两路中频信号进行混频、抽取滤波，得到两路I/Q基带信号；

对两路I/Q信号分别做加窗FFT，得到两路复数FFT结果；

对两路复数FFT结果进行相位计算，并对相位计算结果再进行相位解卷绕处理；

对相位解卷绕处理后的相位计算结果进行相参累积，得到累积结果；

在相参累积的次数大于或等于预设次数后，将累积结果取均值；

在天线阵列中所有天线对都已完成采样时，则根据所有天线对的累计结果的均值计算相位差矢量，进而根据相关系数和相位差矢量的关系式计算测向结果。

优选地，还包括：获取预先场地校准所形成的系统原始相位差矢量样本，得到相关系数；其中，相关系数的最大值对应的方位角即被测信号的方位角。

优选地，相关系数和相位差矢量的关系式为：

其中，ρ

优选地，天线对的相参累积次数小于预设次数时，重复对相应天线对的两路中频信号进行混频、抽取滤波，逐步得到新的累积结果。

优选地，在所述根据所有天线对的累计结果的均值计算相位差矢量，进而根据相关系数和相位差矢量的关系式计算测向结果前，判断所有天线对是否都已完成采样；

若否，重新控制天线阵列进行天线对切换，重复对天线阵列中的天线对，采用相干干涉仪的双通道采样两路中频信号，逐步测算得到对应天线对的累积结果的均值。

第二方面，本发明实施例提供一种利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的装置，包括：

中频信号获取模块，用于对天线阵列中的天线对，采用相干干涉仪的双通道采样两路中频信号；

基带信号获取模块，用于对两路中频信号进行混频、抽取滤波，得到两路I/Q基带信号；

傅里叶变换模块，用于对两路I/Q信号分别做加窗FFT，得到两路复数FFT结果；

相位计算模块，用于对两路复数FFT结果进行相位计算，并对相位计算结果再进行相位解卷绕处理；

相参累积模块，用于对相位解卷绕处理后的相位计算结果进行相参累积，得到累积结果；

均值获取模块，用于在相参累积的次数大于或等于预设次数后，将累积结果取均值；

结果输出模块，用于在天线阵列中所有天线对都已完成采样时，则根据所有天线对的累计结果的均值计算相位差矢量，进而根据相关系数和相位差矢量的关系式计算测向结果。

优选地，还包括：相位差矢量样本获取模块，用于获取预先场地校准所形成的系统原始相位差矢量样本，以得到相关系数；其中，相关系数的最大值对应的方位角即被测信号的方位角。

优选地，还包括：

判断模块，用于判断进行相参累积累加的次数是否大于或等于预设值，还用于判断天线阵列中的所有天线对是否都已完成采样。

优选地，还包括：

采样切换模块，用于控制天线阵列进行天线对切换，重复对天线阵列中的不同天线对采用相干干涉仪的双通道采样两路中频信号。

第三方面，提供了一种电子设备，该电子设备包括：

处理器、存储器和总线；

所述总线，用于连接所述处理器和所述存储器；

所述存储器，用于存储操作指令；

所述处理器，用于通过调用所述操作指令，可执行指令使处理器执行如本申请的第一方面所示的利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的方法对应的操作。

第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本申请第一方面所示的利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的方法。

本发明的实施例，具有如下有益效果：

(1)本发明实施例通过应用相位解卷绕方法解决相位2π跳变问题，为相位相参累积提供基础，大大降低了相位直接累加带来的相位模糊问题，极大提高了测向算法的精度。

(2)本发明实施例通过多次累积相位信息，应用相位解卷绕方法解决相干干涉仪测向算法在低信噪比时出现2π模糊从而无法鉴相的问题，增强了测向算法的鲁棒性。

(3)本发明实施例通过多次累积相位信息，能够增强对非平稳信号的测向能力。

(4)本发明实施例的测向灵敏度比传统相干干涉仪算法提高了10dB以上，在低信噪比环境下，能够显著提高宽带测向灵敏度且测量误差较小，具有较强的微弱信号方位信息捕获能力。

相较于现有技术，本发明实施例提供的一种利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的方法，能够在极低信噪比的环境下，提高传统相位测向灵敏度及其捕获低功率信号方位信息的能力，通过对多个测向信号其快速傅立叶变换后的相位结果进行特定的相参累积来实现方位信息的均值处理，能增强对低功率信号降噪处理的能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明某一实施例提供的干涉仪测向原理示意图；

图2是本发明某一实施例提供的利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的方法架构示意图；

图3是本发明某一实施例提供的阵元遮挡时测向性能对比示意图；

图4是本发明某一实施例提供的低功率宽带信号仿真示意图；

图5是本发明某一实施例提供的利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的方法流程示意图；

图6是本发明某一实施例提供的364.5MHz相关累积测向信号导出示意图；

图7是本发明某一实施例提供的利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的装置结构示意图；

图8是本发明某一实施例提供的利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的装置中运用到的算法流程示意图；

图9是本发明某一实施例提供的利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

为了便于本领域技术人员理解本发明实施例，以下对本发明实施例的相关技术原理进行说明。

相关干涉仪测向其原理如图1所示，某一波长为λ的平面电磁波从与天线视轴夹角为

假设在单频平面电磁波的条件下，两接收通道中的信号分别为：

S

S

式中，f

式中，σ

因此，一种简单快速、灵敏度高、抗干扰能力强、能捕获微弱信号的无线电测向方法一直是研究的重点和热点。

本发明实施例提供的利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的方法是基于利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向，所述利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的方法的架构框图如图2所示。

相参累积增益技术通过把多次接收到的信号进行相参累积的方式使信噪比得到有效的提高。当信号为复数数据时需要考虑其相参性，因此，累积可利用信号的幅度和相位信息。设x[n]由一个复常数信号s[n]＝Ae

x[n]＝s[n]+w[n]＝Ae

N个同类样本的信噪比和z如公式(7)所示。

z包括和为NAe

设w[n]是一个白色随机过程。则，Z的信噪比为

由于N个样本数据的相参累积使得SNR提高为原来的N倍，故称为相参累积增益，如公式(10)所示。

本发明通过对多个测向信号其FFT变换后的相位结果进行特定的相参累积来实现方位信息的均值处理，从而增强对低功率信号降噪处理的能力。工程应用中，相参累积是通过累加器来完成，考虑到相位信息处理过程中会出现2π跳变的问题，此时相位信息为非线性的，直接将相位相加会导致累加结果错误，从而无法进行测向。

为完成相位信息的累加，本发明提出采用“相位解卷绕”方法，使相位在2π处不发生跳变，将相位信息处理为线性变化，从而反应出真实的相位变化。对相位信息进行解卷绕后，再将得到的结果进行累加。由于噪声的随机性，累加的结果是相位信息变强，噪声相位强度变小，从而为测向算法处理提供精确度较高的相位信息。

相干干涉仪测向算法是对固定频点信号进行接收，通过依次切换若干个天线对的采样信号并完成相应计算就能够得到这些天线对信号的相位差，组成相位差矢量

传统相干干涉仪测向算法和相参累积算法的仿真对比如图3所示，仿真条件为阵元被遮挡时的测向环境，可以看到在RMS为2度时，相参累积所需要的信噪比要比相干干涉仪小10dB。图4为低功率宽带信号仿真图，在信号低于底噪的情况下仍可得到信号的示度。

下面，将通过几个具体的实施例对本发明实施例提供的利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的方法进行详细介绍和说明。

第一方面，请参阅图5，本发明实施例提供一种利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的方法，包括：

步骤S101，对天线阵列中的天线对，采用相干干涉仪的双通道采样两路中频信号；

步骤S102，对两路中频信号进行混频、抽取滤波，得到两路I/Q基带信号；

步骤S103，对两路I/Q信号分别做加窗FFT，得到两路复数FFT结果；

步骤S104，对两路复数FFT结果进行相位计算，并对相位计算结果再进行相位解卷绕处理；

步骤S105，对相位解卷绕处理后的相位计算结果进行相参累积，得到累积结果；

步骤S106，在相参累积的次数大于或等于预设次数后，将累积结果取均值；

步骤S107，在天线阵列中所有天线对都已完成采样时，则根据所有天线对的累计结果的均值计算相位差矢量，进而根据相关系数和相位差矢量的关系式计算测向结果。

在一示例中，还包括步骤S108：获取预先场地校准所形成的系统原始相位差矢量样本，得到相关系数；其中，相关系数的最大值对应的方位角即被测信号的方位角。

上述示例提及的相关系数和相位差矢量的关系式为：

其中，ρ

在一示例中，天线对的相参累积次数小于预设次数时，重复对相应天线对的两路中频信号进行混频、抽取滤波，逐步得到新的累积结果。

在一示例中，在所述根据所有天线对的累计结果的均值计算相位差矢量，进而根据相关系数和相位差矢量的关系式计算测向结果前，判断所有天线对是否都已完成采样；若否，重新控制天线阵列进行天线对切换，重复对天线阵列中的天线对，采用相干干涉仪的双通道采样两路中频信号，逐步测算得到对应天线对的累积结果的均值。

在某一具体实施方式中，本发明实施例应用于某监测测向系统中，考察应用运用本发明技术方案的监测测向系统在日常监测及边海防监测的监测测向功能，在较大的覆盖范围内，验证该系统相参累积测向功能对低信噪比信号方位信息的捕获的能力。舟山无线电监测站(岱山站)应用运用本发明技术方案的监测测向系统宽带测向相关功能对距离岱山站75.85公里的嵊泗县枸杞乡的某部门集群(地理位置E：122°46'37.74"N:30°43'12.86")进行实地测向分析。

常发频率364.5MHz，在低信噪比的情况下，利用宽带信号相参累积测向功能功能对岱山站与枸杞乡某部门集群进行测向，如图6所示，图6中箭头标记表示捕获到的信号，该信号隐藏在噪声内，测试数据如表1。

表1枸杞岛测试数据表

第二方面，请参阅图7，本发明实施例提供一种利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的装置，包括：

中频信号获取模块201，用于对天线阵列中的天线对，采用相干干涉仪的双通道采样两路中频信号；

基带信号获取模块202，用于对两路中频信号进行混频、抽取滤波，得到两路I/Q基带信号；

傅里叶变换模块203，用于对两路I/Q信号分别做加窗FFT，得到两路复数FFT结果；

相位计算模块204，用于对两路复数FFT结果进行相位计算，并对相位计算结果再进行相位解卷绕处理；

相参累积模块205，用于对相位解卷绕处理后的相位计算结果进行相参累积，得到累积结果；

均值获取模块206，用于在相参累积的次数大于或等于预设次数后，将累积结果取均值；

结果输出模块207，用于在天线阵列中所有天线对都已完成采样时，则根据所有天线对的累计结果的均值计算相位差矢量，进而根据相关系数和相位差矢量的关系式计算测向结果。

在一示例中的利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的装置，还包括：相位差矢量样本获取模块，用于获取预先场地校准所形成的系统原始相位差矢量样本，以得到相关系数；其中，相关系数的最大值对应的方位角即被测信号的方位角。

在一示例中的利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的装置，还包括：判断模块，用于判断进行相参累积累加的次数是否大于或等于预设值，还用于判断天线阵列中的所有天线对是否都已完成采样。其中，判断进行相参累积累加的次数是否大于或等于预设值，若是，则触发均值获取模块，将累积结果取均值；若否，则重复对相应天线对的两路中频信号进行混频、抽取滤波，逐步得到新的累积结果。判断天线阵列中的所有天线对是否都已完成采样，若是，则触发结果输出模块，根据所有天线对的累计结果的均值计算相位差矢量，进而根据相关系数和相位差矢量的关系式计算测向结果；若否，则重新控制天线阵列进行天线对切换，重复对天线阵列中的天线对，采用相干干涉仪的双通道采样两路中频信号，逐步测算得到对应天线对的累积结果的均值。

在一示例中的利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的装置，还包括：采样切换模块，用于控制天线阵列进行天线对切换，重复对天线阵列中的不同天线对采用相干干涉仪的双通道采样两路中频信号。

在一具体实施方式中，请参阅图8，本发明实施例提供的利用相参累积技术对低信噪比信号进行测向的装置的信号流如图8所示，

在步骤S201中，通过中频信号获取模块201，对天线阵列中的天线对，采用相干干涉仪的双通道采样两路中频信号；

在步骤S202中，通过基带信号获取模块202，对两路中频信号进行混频、抽取滤波，得到两路I/Q基带信号；

在步骤S203中，通过傅里叶变换模块203，对两路I/Q信号分别做加窗FFT，得到两路复数FFT结果；

在步骤S204中，通过相位计算模块204，对两路复数FFT结果进行相位计算，并对相位计算结果再进行相位解卷绕处理；

在步骤S205中，通过相参累积模块205，对相位解卷绕处理后的相位计算结果进行相参累积，得到累积结果；

在步骤S206中，通过均值获取模块206，在相参累积的次数大于或等于预设次数后，将累积结果取均值；

在步骤S207中，通过结果输出模块207，在天线阵列中所有天线对都已完成采样时，则根据所有天线对的累计结果的均值计算相位差矢量，进而根据相关系数和相位差矢量的关系式计算测向结果。

此外还通过判断模块，判断进行相参累积累加的次数是否大于或等于预设值，还用于判断天线阵列中的所有天线对是否都已完成采样。其中，判断进行相参累积累加的次数是否大于或等于预设值，若是，则触发均值获取模块，将累积结果取均值；若否，则重复对相应天线对的两路中频信号进行混频、抽取滤波，逐步得到新的累积结果。判断天线阵列中的所有天线对是否都已完成采样，若是，则触发结果输出模块，根据所有天线对的累计结果的均值计算相位差矢量，进而根据相关系数和相位差矢量的关系式计算测向结果；若否，则进行步骤S200，通过采样切换模块，重新控制天线阵列进行天线对切换，重复对天线阵列中的天线对，采用相干干涉仪的双通道采样两路中频信号，逐步测算得到对应天线对的累积结果的均值。

在一个可选实施例中提供了一种电子设备，如图9所示，图9所示的电子设备310包括：处理器311和存储器313。其中，处理器311和存储器313相连，如通过总线312相连。可选地，电子设备310还可以包括收发器314。需要说明的是，实际应用中收发器314不限于一个，该电子设备310的结构并不构成对本申请实施例的限定。

处理器311可以是CPU，通用处理器，DSP，ASIC，FPGA或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。其可以实现或执行结合本申请公开内容所描述的各种示例性的逻辑方框，模块和电路。处理器311也可以是实现计算功能的组合，例如包含一个或多个微处理器组合，DSP和微处理器的组合等。

总线312可包括一通路，在上述组件之间传送信息。总线312可以是PCI总线或EISA总线等。总线312可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图9中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

存储器313可以是ROM或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，RAM或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、光碟存储(包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等)、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。

存储器313用于存储执行本申请方案的应用程序代码，并由处理器311来控制执行。处理器311用于执行存储器313中存储的应用程序代码，以实现前述任一方法实施例所示的内容。

其中，电子设备包括但不限于：移动电话、笔记本电脑、数字广播接收器、PDA(个人数字助理)、PAD(平板电脑)、PMP(便携式多媒体播放器)、车载终端(例如车载导航终端)等等的移动终端以及诸如数字TV、台式计算机等等的固定终端。

本申请的又一实施例提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当其在计算机上运行时，使得计算机可以执行前述方法实施例中相应内容。本发明提出采用“相位解卷绕”对相位信息进行处理，解决了相位会出现2π跳变而无法进行累加的问题，从而也解决了相干干涉仪测向算法在低信噪比时出现2π模糊从而无法鉴相的问题；采用相位累加的方法，使相位信息变强、噪声相位强度变小，提高了信噪比，增强了算法的测向精度和稳定性。相参累积算法可对极低信噪比的无线信号进行测向，测向灵敏度比现有相干干涉仪测向技术提高10dB以上。本发明所述相参累积测向方法已通过测向应用实例表明，该方法具有提高宽带测向灵敏度、增强捕获低功率信号方位信息能力的特点，适合日常无线电监测对低信噪比低功率宽带信号测向。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。