本發(fā)明屬于測(cè)向定位和信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)計(jì)一種能提高測(cè)向精度的多普勒測(cè)向方法，可用于單通道多普勒測(cè)向系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

伴隨著無線電通信信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代應(yīng)用場(chǎng)景的增多，無線電測(cè)向設(shè)備越來越普及，多普勒測(cè)向技術(shù)也得到了長(zhǎng)足地發(fā)展。在過去的一個(gè)世紀(jì)里，多普勒測(cè)向機(jī)的發(fā)展勢(shì)頭非常強(qiáng)勁，國(guó)內(nèi)外的各大廠家都采用了很多的新技術(shù)和算法，很大程度上促進(jìn)了多普勒測(cè)向機(jī)向更加準(zhǔn)確、靈敏、極化誤差小的方向發(fā)展，多普勒測(cè)向機(jī)的性能也因此極大地提升了，這對(duì)于發(fā)展我國(guó)無線電監(jiān)測(cè)事業(yè)非常重要的。

2007年莫景琦發(fā)表的期刊文章“對(duì)一些無線電測(cè)向技術(shù)問題的研討”中對(duì)天線孔徑和天線數(shù)量進(jìn)行了探討，并計(jì)算出如何選擇能達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)化，《中國(guó)無線電》，(2):52-54。2008年賽景波和楊元發(fā)表的期刊文章“多普勒無線電測(cè)向系統(tǒng)”中提出了一種新的單通道多普勒測(cè)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，《電子產(chǎn)品世界》，(10)：124-126。該方法通過高速比較器來消除無線電信號(hào)的幅度調(diào)制信息對(duì)測(cè)向結(jié)果的不利影響，并通過改變電子開關(guān)的開關(guān)頻率來減小測(cè)向結(jié)果的結(jié)算誤差。2009年嚴(yán)鵬發(fā)表的期刊文章“單通道多普勒測(cè)向技術(shù)研究”中提出了一種相位干涉法和多普勒測(cè)向原理相結(jié)合的單通道多普勒測(cè)向技術(shù)，《制導(dǎo)與引信》，30(4):46-48,58。該方法用一路輸入就可以實(shí)現(xiàn)窄帶信號(hào)測(cè)向。2011年孟祥豪、羅景青和吳世龍等發(fā)表的期刊文章“圓陣單通道順序采樣二維超分辨測(cè)向算法”中提出圓陣單通道順序采樣二維超分測(cè)向的算法，《探測(cè)與控制學(xué)報(bào)》，33(4)：56-59，63。該算法將圓陣多次輪巡所得的順序采樣數(shù)據(jù)等效為每個(gè)陣元同時(shí)采樣并進(jìn)行多次快拍的數(shù)據(jù),并通過構(gòu)建單通道圓陣特有的含有開關(guān)切換時(shí)間間隔的導(dǎo)向矢量,采用等效加權(quán)的music算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的測(cè)向。

上述方法在單通道多普勒這一通信場(chǎng)景下存在以下不足：

1、沒有考慮和消除天線相位差對(duì)測(cè)向精度的影響，使得算法的正確率下降甚至失效；

2、沒有考慮不同天線具有不同初始相位，從而在鑒相時(shí)產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致測(cè)向不圓性的發(fā)生；

3、算法復(fù)雜，在小容量fpga芯片上實(shí)現(xiàn)困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有方法的不足，提供一種多普勒測(cè)向方法，以減小多普勒測(cè)向的不圓性，提高測(cè)向精度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方案包括如下：

(1)接收待處理的測(cè)向信號(hào)數(shù)據(jù)s(t)，并對(duì)其進(jìn)行3級(jí)帶通濾波后變?yōu)橹蓄l信號(hào)g(t)；

(2)對(duì)中頻信號(hào)g(t)進(jìn)行數(shù)據(jù)累加預(yù)處理，得到累加后的信號(hào)h(t)：

(3)根據(jù)累加后的信號(hào)h(t)和本振信號(hào)，得到同相信號(hào)i(t)和正交信號(hào)q(t)兩路信號(hào)：

其中為第一本振信號(hào)，為第二本振信號(hào)，f0為本振頻率，為估計(jì)相位，t為相鄰天線開關(guān)選通時(shí)間間隔，t為時(shí)間，n＝0、1、2、3為天線序號(hào)；

(4)將同相信號(hào)i(t)和正交信號(hào)q(t)這兩路信號(hào)分別進(jìn)行低通濾波，得到濾波后的同相信號(hào)|i|和正交信號(hào)|q|為：

|i|＝1/2*a(t)cos(ψ(t+nt)+mcos(2πn/n-θ))，

|q|＝1/2*a(t)sin(ψ(t+nt)+mcos(2πn/n-θ))，

其中，t為相鄰天線開關(guān)選通時(shí)間間隔，n為天線總個(gè)數(shù)，θ為來波方向，a為接收信號(hào)幅度，m為信號(hào)調(diào)制度，ψ為接收信號(hào)相位，t為時(shí)間，n＝0、1、2、3為天線序號(hào)；

(5)將同相信號(hào)|i|和正交信號(hào)|q|這兩路信號(hào)依次進(jìn)行鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)，得到估計(jì)的本振信號(hào)頻率f1和估計(jì)相位并用該f1和分別替換原本振信號(hào)頻率f0和原本振信號(hào)相位以實(shí)現(xiàn)頻率和相位的同步；

(6)利用同相信號(hào)|i|和正交信號(hào)|q|這兩路信號(hào)進(jìn)行反正切計(jì)算，并將反正切計(jì)算的數(shù)據(jù)按天線序號(hào)分成s1、s2、s3和s4這四段數(shù)據(jù)，將分段后的數(shù)據(jù)分為兩路，第一路數(shù)據(jù)為：s1-s2-s3+s4，第二路數(shù)據(jù)為：-s1-s2+s3+s4，再將這兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行反正切計(jì)算，得到來波的方位角θ：

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)：

1、減少了設(shè)備成本：

由于本方法采用了單通道多普勒測(cè)向技術(shù)，不需要額外的校準(zhǔn)天線，減小了設(shè)備體積，因此攜帶安裝更加方便，有利于建設(shè)和維護(hù)，可以用在對(duì)體積重量要求較高的場(chǎng)合；

2、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低：

本發(fā)明由于通過旋轉(zhuǎn)矢量法對(duì)信號(hào)進(jìn)行組合加減，消除相位引起的測(cè)向誤差，相比較于空間譜的music算法，降低了算法復(fù)雜度，從而提高測(cè)向速度。同時(shí)，該方法不需要在高采樣率下進(jìn)行，方法靈活，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；

3、測(cè)向準(zhǔn)確率高：

本發(fā)明通過使用分組鑒相的方法，減小了由于相位差導(dǎo)致的測(cè)向不圓性的問題，相比較于傳統(tǒng)方法，降低了測(cè)向誤差，提高了準(zhǔn)確率。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有單通道多普勒測(cè)向原理圖；

圖2是本發(fā)明的多普勒測(cè)向流程圖；

圖3是現(xiàn)有的叉積自動(dòng)頻率跟蹤環(huán)原理圖；

圖4是現(xiàn)有的環(huán)路濾波器原理圖；

圖5是本發(fā)明和傳統(tǒng)多普勒測(cè)向法在隨機(jī)相位情況下的測(cè)向精度對(duì)比圖；

圖6是本發(fā)明和傳統(tǒng)多普勒測(cè)向法在不同信噪比下的測(cè)向精度對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明詳細(xì)說明，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

參考圖1，現(xiàn)有多普勒測(cè)向原理表示如下：

假設(shè)多普勒測(cè)向陣列天線的圓心為點(diǎn)o，參考方向定義為點(diǎn)o到第一根多普勒測(cè)向天線的方向，θ是來波方向與參考方向的夾角。

圖1中相對(duì)圓心點(diǎn)o，通過第n根天線到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)為：

其中，an為接收信號(hào)幅度，ωc為接收機(jī)中頻，λ為信號(hào)波長(zhǎng)，φ(t)為接收信號(hào)瞬時(shí)相位，c為光速，d為陣列天線圓直徑，n＝1，2，…，n，n為天線總個(gè)數(shù)，θ為來波方向，n為天線序號(hào)；

對(duì)于窄帶信號(hào)，在理想的頻率調(diào)制時(shí)，通過相位的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，求出瞬時(shí)頻率w(t)，表示如下：

其中，wr為天線旋轉(zhuǎn)角頻率，λ為信號(hào)波長(zhǎng)，d為陣列天線圓直徑，θ為來波方向；

將信號(hào)w(t)濾除直流分量wc后得到的解調(diào)信號(hào)sdem為：

將sdem這個(gè)信號(hào)的負(fù)過零點(diǎn)與相同頻率的參考信號(hào)sd＝-sin(wrt)進(jìn)行位置比較，得到方位角θ。

參考圖2，本發(fā)明進(jìn)行多普勒測(cè)向的方法，包括如下步驟：

步驟1，接收待處理的測(cè)向信號(hào)數(shù)據(jù)s(t)，并對(duì)s(t)進(jìn)行3級(jí)帶通濾波，得到中頻信號(hào)g(t)。

接收信號(hào)s(t)表示如下：

s(t)＝a(t)cos(wc(t+nt)+ψ(t+nt)+mcos(2πn/n-θ))，

其中，ωc為載波頻率，t為相鄰天線開關(guān)選通時(shí)間間隔，n為天線總個(gè)數(shù)，θ為來波方向，a為接收信號(hào)幅度，m為信號(hào)調(diào)制度，ψ為接收信號(hào)相位，t為時(shí)間，n＝0、1、2、3為天線序號(hào)。

本發(fā)明中采用低通截止頻率ws、高通截止頻率wp的有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)fir的帶通濾波器，避免使用一個(gè)高階濾波器實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐粋€(gè)濾波器階數(shù)高，檢測(cè)復(fù)雜度高，在硬件有限的資源上實(shí)現(xiàn)較為困難。

根據(jù)接收的測(cè)向信號(hào)s(t)和該帶通濾波器函數(shù)表達(dá)式h(t-ws-wp)，計(jì)算濾波后得到中頻信號(hào)g(t)為：

其中，表示卷積，ωg為濾波后的載波頻率，t為相鄰天線開關(guān)選通時(shí)間間隔，n為天線總個(gè)數(shù)，θ為來波方向，a為接收信號(hào)幅度，m為信號(hào)調(diào)制度。

步驟2，數(shù)據(jù)累加預(yù)處理。

對(duì)中頻信號(hào)g(t)進(jìn)行數(shù)據(jù)累加的預(yù)處理，得到累加后的信號(hào)h(t)，表示如下：

其中，k＝tout/fr，tout為設(shè)備輸出的來波角度值的時(shí)間間隔，fr為天線旋轉(zhuǎn)頻率。

步驟3，將累加后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為同相正交兩路信號(hào)。

根據(jù)累加后的信號(hào)h(t)和本振信號(hào)，得到同相信號(hào)i(t)和正交信號(hào)q(t)兩路信號(hào)：

其中為第一本振信號(hào)，為第二本振信號(hào)，f0為本振頻率，為估計(jì)相位，t為相鄰天線開關(guān)選通時(shí)間間隔。

步驟4，低通濾波。

本發(fā)明中采用高通截止頻率wcp的有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)fir的低通濾波器，根據(jù)同相信號(hào)i(t)、正交信號(hào)q(t)和該低通濾波器函數(shù)表達(dá)式y(tǒng)(t-wcp)，計(jì)算濾波后的同相信號(hào)|i|和正交信號(hào)|q|：

其中，表示卷積，t為相鄰天線開關(guān)選通時(shí)間間隔，n為天線總個(gè)數(shù)，θ為來波方向，a為接收信號(hào)幅度，m為信號(hào)調(diào)制度。

步驟5，使用鎖頻環(huán)估計(jì)信號(hào)頻率，實(shí)現(xiàn)頻率同步。

鎖頻環(huán)估計(jì)方法包括：二階廣義積分器方法、數(shù)字pll方法和叉積頻率跟蹤方法。

本發(fā)明采用叉積頻率跟蹤算法，它是一種常用的頻率自動(dòng)跟蹤算法，可以快速的估計(jì)頻率偏差并改變本地頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤頻率的目的。

參照?qǐng)D3，本步驟的具體實(shí)現(xiàn)如下：

(5a)假設(shè)鎖頻環(huán)輸入信號(hào)頻率與本振頻率的差值，即頻偏為δf，則含頻偏的同相信號(hào)和含頻偏的正交信號(hào)表示為：

其中，t為相鄰天線開關(guān)選通時(shí)間間隔，n為天線總個(gè)數(shù)，θ為來波方向，a為接收信號(hào)幅度，m為信號(hào)調(diào)制度；

(5b)將含頻偏的同相信號(hào)和含頻偏的正交信號(hào)進(jìn)行叉積計(jì)算，得到正交叉積分量dot(t)和同相叉積分量cross(t)：

其中，t為時(shí)間，t-1為延時(shí)一位數(shù)據(jù)時(shí)間，a為接收信號(hào)幅度；

(5c)將正交叉積分量dot(t)和同向叉積分量cross(t)進(jìn)行一次反正切計(jì)算，計(jì)算頻偏：δf＝arctan(cross(t)/dot(t))；

(5d)將頻偏δf與本振頻率本振頻率f0相加，作為新的本振頻率，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻率同步。

步驟6，使用鎖相環(huán)估計(jì)信號(hào)相位，實(shí)現(xiàn)相位同步。

鎖相環(huán)估計(jì)方法包括：數(shù)字dds方法和二階累加方法。

本發(fā)明采用二階累加方法，它是一種常用的相位自動(dòng)跟蹤算法，可以快速的估計(jì)相位偏差并改變本振相位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤相位的目的。

參照?qǐng)D4，本步驟的具體實(shí)現(xiàn)如下：

(6a)將步驟(5c)得到的頻偏δf值代入鎖相環(huán)中，計(jì)算測(cè)向信號(hào)和本振信號(hào)相位差δφ：

其中，k0＝2^-5，k1＝2^-8，f0為本振頻率，*為乘號(hào)。

(6b)將估計(jì)的相位δφ與原本振相位相加，作為新的本振相位，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的相位同步。

步驟7，利用旋轉(zhuǎn)矢量法求解來波角度。

對(duì)同相信號(hào)|i|和正交信號(hào)|q|進(jìn)行反正切計(jì)算，公式如下：

tg^-1(|q|/|i|)＝ψ(t+nt)+mcos(2πn/n-θ)，

對(duì)該公式中的n進(jìn)行賦值n＝0、1、2、3，得到對(duì)應(yīng)四段數(shù)據(jù)相位分別為：

第一段數(shù)據(jù)的相位s1：ψ(t)+mcos(θ)，n＝0，

第二段數(shù)據(jù)的相位s2：ψ(t+t)+mcos(2π/4-θ)＝ψ(t+t)+msin(θ)，n＝1

第三段數(shù)據(jù)的相位s3：ψ(t+2t)+mcos(2π*2/4-θ)＝ψ(t+2t)-mcos(θ)，n＝2，

第四段數(shù)據(jù)的相位s4：ψ(t+3t)+mcos(2π*3/4-θ)＝ψ(t+3t)+msin(θ)，n＝3，

其中，ωc為載波頻率，t為相鄰天線開關(guān)選通時(shí)間間隔，n為天線總個(gè)數(shù)，θ為來波方向，a為接收信號(hào)幅度，m為信號(hào)調(diào)制度，ψ為接收信號(hào)相位，t為時(shí)間，n＝0、1、2、3為天線序號(hào)；

將s1、s2、s3和s4這四段數(shù)據(jù)相位分為兩路，第一路為s1-s2-s3+s4，第二路為-s1-s2+s3+s4，將第一路數(shù)據(jù)的相位進(jìn)行和差化積計(jì)算，得到：

同樣的，將第二路數(shù)據(jù)的相位進(jìn)行和差化積計(jì)算，得到：

再將上述兩路和差化積式結(jié)果進(jìn)行反正切計(jì)算，得到來波方位角θ，即：

本發(fā)明的效果可通過以下仿真進(jìn)一步說明：

1.仿真參數(shù)：

第一種：設(shè)接收的信號(hào)一個(gè)為調(diào)幅調(diào)相信號(hào)，采樣率為3.6mhz，每個(gè)天線上的采樣點(diǎn)數(shù)為60個(gè)，天線初始相位變化范圍為10°：1°：60°。仿真次數(shù)為100次。

第二種：設(shè)接收的信號(hào)為一個(gè)調(diào)幅調(diào)相信號(hào)，采樣率為3.6mhz，每個(gè)天線上的采樣點(diǎn)數(shù)為60個(gè)，信道為高斯白噪聲awgn信道，4個(gè)天線都采用隨機(jī)相位。信噪比變化范圍為5db：5db：30db。仿真次數(shù)為10次。

2.仿真內(nèi)容

仿真1，在第一種仿真參數(shù)條件下，對(duì)比本發(fā)明和傳統(tǒng)方法在天線初始相位變化的情況下測(cè)向精度，結(jié)果如圖5，其中：圖5橫坐標(biāo)表示天線初始相位，縱坐標(biāo)表示測(cè)向精度rmse，星線表示傳統(tǒng)多普勒測(cè)向方法性能曲線，圓線表示采用本發(fā)明后測(cè)向精度的性能曲線。

由圖5可知：隨著天線初始相位的增加，兩種方法的測(cè)向精度都有不同程度的下降，總的來說，本發(fā)明比傳統(tǒng)的多普勒測(cè)向方法在性能上好一個(gè)數(shù)量級(jí)。

仿真2，在第二種仿真參數(shù)條件下，對(duì)比本發(fā)明方法和傳統(tǒng)方法在不同信噪比條件下的測(cè)向精度，結(jié)果如圖6，其中：圖6橫坐標(biāo)表示信噪比，縱坐標(biāo)表示測(cè)向精度rmse，星線表示傳統(tǒng)多普勒測(cè)向方法性能曲線，圓線表示采用本發(fā)明后測(cè)向精度的性能曲線。

由圖6可知：本發(fā)明在仿真的信噪比條件下性能要好于傳統(tǒng)方法。在信噪比為15db時(shí)，測(cè)向誤差大約為5度，相比于傳統(tǒng)方法，本方法能提升5度的測(cè)向精度。

以上描述僅是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)例，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制。顯然對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后，都可能在不背離本發(fā)明原理、結(jié)構(gòu)的情況下，進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。