基于单通道非均匀时间调制阵列的波达方向估计方法技术

本发明专利技术公开一种基于单通道非均匀时间调制阵列的波达方向估计方法，其实现方案为：构建一个单通道的非均匀时间调制阵列，利用非均匀时间调制方法对其进行调制，使得本发明专利技术可以在单射频通道下实现长短基线的到达角度估计，显著降低了系统的硬件成本。利用1

【技术实现步骤摘要】
基于单通道非均匀时间调制阵列的波达方向估计方法


[0001]本专利技术属于雷达通讯
，更进一步涉及波达方向估计
中的一种基于单通道非均匀时间调制阵列的波达方向估计方法。本专利技术可用于对雷达中对接收信号进行波达方向估计。

技术介绍

[0002]波达方向估计是阵列信号处理领域的一个重要分支，它被广泛应用于目标定位与跟踪。在传统雷达、通信等领域，目标的方向主要是通过测量无线电信号的到达角进行估计的，它需要多个射频通道进行信号的采集及计算，这使得系统的硬件复杂度高。而基于时间调制技术的波达方向估计方法，通过充分利用频谱资源，可以将多通道简化为单通道，并极大降低了系统的复杂度。但由于显著地恶化了信号的信噪比，该方法在精度、可行性等方面需要进一步改善。
[0003]Chong He和Jingfeng Chen等人在其发表的论文“High
‑
Accuracy DOA Estimation Based on Time
‑
Modulated Array With Long and Short Baselines”(IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2018,17(8):1391
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1395)中提出一种将时间调制技术应用于长短基线进行DOA估计的方法。该方法由不等间距的三个天线构成，并且每个天线的后面连接了一个射频开关进行时间调制，通过提取谐波信号的幅度实现比幅法测向，并且用到了两个射频通道相互配合来解决存在的角度模糊问题。但是，该方法仍然存在的不足之处是：需要两个射频通道才能实现长短基线的波达方向估计，增加了系统的硬件成本。
[0004]电子科技大学在其申请的专利文献“一种基于压缩感知理论的四维天线阵DOA估计方法”(申请号201811444887.8申请公布号CN 109581277 A)中公开了一种四维天线阵DOA估计方法。该方法通过建立四维天线阵DOA估计的稀疏信号模型，引入矩阵相关性和噪声协方差矩阵定量地分析了不同时序对稀疏信号恢复和噪声的影响，最终采用了占空比为八分之一的射频开关进行调制。该方法存在的不足之处是：该方法采用了射频开关进行时间调制，并且调制占空比为八分之一，使得入射信号的功率被显著衰减，导致雷达回波信号的信噪比恶化严重，从而降低了DOA估计的精度。
[0005]Gang Ni和Chong He等人在其发表的论文“Array Signal Recovery and Direction
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Finding Based on Non
‑
Uniform Period Modulation”(2020 9th Asia
‑
Pacific Conference on Antennas and Propagation(APCAP))中提出了一种非均匀周期的时间调制方法。该方法在每个天线单元上加载了不同的调制频率，使得不同天线单元产生的谐波在频谱上得以区分，最后通过同步采样的方式对阵列信号进行了重建，以实现波达方向估计。该方法存在的不足之处是：由于采用了多个不同的调制频率，接收信号的波形变得过于复杂，难以实现数据采样与调制波形的精确同步，并且需要很高的采样速率来降低量化误差，这给实际的应用造成困难，不具备可行性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种基于单通道非均匀时间调制阵列的波达方向估计方法，用于解决现有技术中需要多个射频通道实现长短基线下到达角估计带来的高成本、雷达回波信号的功率在时间调制的过程中被显著衰减导致的信噪比严重恶化、调制后的雷达回波信号波形过于复杂导致的同步采样不具备可行性问题。
[0007]实现本专利技术目的的技术思路是，将非均匀时间调制技术应用于非均匀间距的线阵中，使得不同天线单元产生的谐波通过信号合成后在频谱中不发生混叠，从而在单通道下实现了长短基线的波达方向估计，以此规避了现有技术需要多个射频通道进行数据采集带来的高成本问题。本专利技术使用了1
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bit移相器作为时间调制单元，它不会直接衰减接收信号的功率，这有助于规避时间调制过程中对接收信号信噪比的显著恶化。由于本专利技术采用的50％占空比的调制信号能够将接收信号功率最大化的转移到一阶谐波中，这有助于充分利用一阶谐波对波达方向进行估计，并显著改善估计精度。本专利技术采用了非同步采样的方式对中频信号进行量化，并通过对正负一阶谐波进行Hadamard乘积运算，抵消了非同步采样下初始采样时刻的影响，从而满足对任意初始采样时刻的需求，以此规避现有技术中由于中频信号波形过于复杂导致的同步采样不具备可行性的问题。
[0008]本专利技术的具体步骤包括如下：
[0009]步骤1，构建单通道的非均匀时间调制阵列：
[0010]使用三个非均匀间距的天线组成阵列，第一个天线与第二个天线的间距为短基线长度D1＝m1(λ/4)，第一个天线与第三个天线的间距为长基线长度D2＝m2(λ/4)，每个天线的后端均连接一个1
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bit移相器的时间调制单元，总共有三个时间调制单元，其中，m1为短基线长度的系数，m2为长基线长度的系数，m1和m2满足互质条件，λ表示雷达接收信号的空间波长，将三个天线通道接收到的雷达回波信号通过功率合成器合成到单个射频通道；
[0011]步骤2，建立每个天线接收到的雷达回波信号经过其连接的时间调制单元后的信号模型；
[0012]步骤3，利用非均匀时间调制方法对每个时间调制单元进行调制：
[0013]对三个时间调制单元分别采用调制频率不同的调制函数进行调制，调制频率分别表示为F
p1
、F
p2
、和F
p3
，且三个调制频率之间是互质的；
[0014]步骤4，生成单通道射频信号：
[0015]三个天线接收到的雷达回波信号通过各自的时间调制单元后，通过功率合成器将其合成为一个单射频通道信号s(t)：
[0016][0017]其中，∑表示求和操作，n表示非均匀时间调制阵列中天线的序号，k表示雷达回波信号经过一个时间调制单元后产生的谐波的阶数，α
k
表示雷达回波信号经过一个时间调制单元后产生的第k阶谐波的傅里叶系数，e
(.)
表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数单位符号，π表示圆周率，F
c
表示雷达回波信号的载波频率，F
pn
表示第n调制函数的调制频率，t表示时间，β表示载波频率F
c
的空间波数，d
n
表示第n个天线距离第一个天线处的相位参考点的距离，sin表示正弦函数，θ表示雷达回波信号的波达方向；
[0018]步骤5，对单通道射频信号进行下变频到中频信号，利用非同步采样采集中频信号
中的一帧数据，并对该帧数据进行傅里叶变换；
[0019]步骤6，从频谱信息中提取雷达回波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单通道非均匀时间调制阵列的波达方向估计方法，其特征在于，构建一个以1
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bit移相器为时间调制单元的单通道非均匀时间调制阵列，利用非均匀时间调制方法对时间调制单元进行调制，利用非同步采样方式对中频信号进行采样；该波达方向估计方法的步骤包括如下：步骤1，构建单通道的非均匀时间调制阵列：使用三个非均匀间距的天线组成阵列，第一个天线与第二个天线的间距为短基线长度D1＝m1(λ/4)，第一个天线与第三个天线的间距为长基线长度D2＝m2(λ/4)，每个天线的后端均连接一个1
‑
bit移相器的时间调制单元，总共有三个时间调制单元，其中，m1为短基线长度的系数，m2为长基线长度的系数，m1和m2满足互质条件，λ表示雷达接收信号的空间波长，将三个天线通道接收到的雷达回波信号通过功率合成器合成到单个射频通道；步骤2，建立每个天线接收到的雷达回波信号经过其连接的时间调制单元后的信号模型；步骤3，利用非均匀时间调制方法对每个时间调制单元进行调制：对三个时间调制单元分别采用调制频率不同的调制函数进行调制，调制频率分别表示为F
p1
、F
p2
、和F
p3
，且三个调制频率之间是互质的；步骤4，生成单通道射频信号：三个天线接收到的雷达回波信号通过各自的时间调制单元后，通过功率合成器将其合成为一个单射频通道信号s(t)如下：其中，∑表示求和操作，n表示非均匀时间调制阵列中天线的序号，k表示雷达回波信号经过一个时间调制单元后产生的谐波的阶数，α
k
表示雷达回波信号经过一个时间调制单元后产生的第k阶谐波的傅里叶系数，e
(.)
表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数单位符号，π表示圆周率，F
c
表示雷达回波信号的载波频率，F
pn
表示第n调制函数的调制频率，t表示时间，β表示载波频率F
c
的空间波数，d
n
表示第n个天线距离第一个天线处的相位参考点的距离，sin表示正弦函数，θ表示雷达回波信号的波达方向；步骤5，对单通道射频信号进行下变频到中频信号，利用非同步采样采集中频信号中的一帧数据，并对该帧数据进行傅里叶变换；步骤6，从频谱信息中提取雷达回波信号经过每个时间调制单元产生的第+k阶谐波：其中，表示从频谱信息中提取的雷达回波信号经过第n个时间调制单元产生的第+k阶谐波，t0表示非同步采样的初始采样时刻；步骤7，生成谐波乘积向量γ；步骤7.1，分别提取频谱中的三个+1阶谐波组成+1阶谐波向量γ
(+1)
：
其中，表示雷达回波信号经过第一个、第二个、第三个时间调制单元产生的+1阶谐波，α1表示雷达回波信号经过一个时间调制单元后产生的第+1阶谐波的傅里叶系数；步骤7.2，分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：李龙，夏得校，王鑫，韩家奇，刘海霞，史琰，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：