不同阵列布局的空间谱测向方法的抗多径性能研究.pdf
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1、 年 无线电工程 第 卷 第 期:引用格式:崔宏,马杰不同阵列布局的空间谱测向方法的抗多径性能研究无线电工程,():,():不同阵列布局的空间谱测向方法的抗多径性能研究崔宏,马杰(青岛市无线电监测站,山东 青岛)摘要:城市复杂传播环境导致的多径衰落问题对于无线电辐射源的定位效果有着显著的影响。基于空间谱的测向体制有着对不同波达方向同频信号的测向和多径分离能力。从理论上推导任意阵列流型空间谱估计算法对信号多径效应的适用性,并重点针对圆阵和随机阵列布局,通过仿真验证了多径传播下的性能,定量评估了不同时延和径数对多径测向的影响。为在实际复杂场景下进行高效、可靠的测向工作做出了有益的探索。关键词:多径
2、传播;阵列布局;空间谱测向技术中图分类号:文献标志码:开放科学(资源服务)标识码():文 章 编 号:(),(,):,:;收稿日期:基金项目:国家自然科学基金重点项目():()引言在城市复杂环境中,无线电波的传输具有时、频、空域的复杂性,反射、绕射等现象会引起显著的多径传播效应,导致在监测接收端会收到从不同方向入射的同一信号的多径分量,此时会对测向系统造成严重的影响,产生偏差较大乃至错误的结果。空间谱测向系统具有一定的同频信号和信号的多径分量分离能力,是应对该问题的一类有效方法,在多个领域得到了成功的应用,成为近二十年无线电测向技术的研究热点。等给出了空间谱估计的理论框架。文献给出了典型空间谱
3、细子算法的性能比较,并对其工程实现的相关考虑进行了研究。文献给出了在复杂无线电监测场景下应用空间谱测向算法的思考,指出了当前的局限性和发展趋势。针对同频多信源和多径类复杂场景,文献和文献分别研究了空间谱算法的适用性,文献进一步研究了存在强干扰和多径这一复杂电磁环境下,对应的改进测向算法。同时,在如何优化阵列,提高其性能和估计能力方面,也有文献做出了深入的探索。其中文献提出了基于矩阵重构技术的新型算法,使其具备波达方向和扩展角同时估计的能力;文专题:智能频谱监测 献提出了一种新型的互质阵列,在同样阵元数下,能够实现更大的阵列孔径、更高的测向精度、更高的自由度以及更高的分辨率;文献针对非均匀圆阵这
4、一较为特殊的阵列,研究了相应测向算法的性能;文献则另辟蹊径,提出了利用粒子滤波进行测向算法的抗多径,取得了一定的效果。根据上述分析,有必要进一步考虑任意阵列流型这一最具普适性的阵列结构,深入研究存在多径,特别是时延较小的强相干多径模式下,算法的抗多径性能。可通过理论与仿真相结合的方式,针对典型测向阵列流型,对不同时延、不同径数下的性能进行深入评估,从而为实际场景下有效区分多径信号提供必要的理论依据。本文第一节首先对现有传统阵列结构进行拓展,首次给出了任意阵列这一更具一般性的阵列布局下,对应的空间谱测向算法。第二节重点针对圆型阵列布局,通过仿真来深入地定量评估不同多径时延和径数下的测向性能,特别
5、是对时延小于一个符号周期的多径分量强相干的情况,率先进行了深入研究;同时也进一步探索了随机阵列对于多径信号区分的可行性。最后进行了小结。多径传播环境下任意阵列流型的信号测向算法设计 多径模式下阵列模型考虑三维空间模型,假设阵元有个,考虑把第一个阵列对应的位置作为坐标零点,可以记为,依次可以把其他的阵元位置标记为,(,)。另外,考虑入射的径数为(),第个点相对坐标零点的方位角和俯仰角向量记为,(,)。考虑水平方向构成平面,高度为平面,定义俯仰角为入射电波与平面的夹角,方位角为入射电波与轴的夹角。基于此模型,对应的三维方位矢量可以表示为 ,。此时若考虑第个阵元接收到的信号,则()可以表示为:()(
6、)()(),()式中:为第个信源的中心频率,()为第个入射信源,()为第个接收阵元的噪声,一般为加性高斯白噪声;为第个信源和第个接收阵元相对于坐标零点的时延。(),()式中:为光速。根据上述分析,可以定义第个信源的阵列流型向量(,)和阵列流型矩阵分别为:(,)(,),(,),(,),()(,)(,)(,)。()根据上述模型,信号向量和噪声向量可以分别表示为()和(),故可以定义接收信号向量()为:()(),(),(),()()(),(),(),()()(),(),()。()因此,在多径环境下,空间多阵元的阵列模型可以写为:()()()。()上述模型即为在多径传播环境下,多阵元的接收阵列模型,可
7、以通过该式设计相应的波达方向估计算法。基于算法的多阵元多径信号来波方向估计本节基于式()的模型,推导对应的算法,给出多径传播条件下多阵元模型的估计步骤:步骤:假设连续进行了次采样,每一时刻各个阵元得到的接收信号向量为(),那么可以估计得到其协方差矩阵如下:()()。()步骤:采用奇异值分解的方法,对矩阵进行分解,得到对应的特征值和特征向量,并降序进行组合排列。步骤:对于个特征值,采用信息论准则()进行理论上多径数的估计。理想情况下,应该只有按照降序排列的前个特征值为非零值,剩余的个特征值应均为零。考虑到样本个数有限,最小的个特征值接近零但不相等,并与前个特征值差距较大,可根据进行判定确定。步骤
8、:得到的估计值后,构造其他个特征值对应的特征向量矩阵,。步骤:根据式()定义的方位向量(,),以及步骤得到的噪声子空间矩阵,构建以、为变量的二维方位俯仰估计的谱函数如下:专题:智能频谱监测 年 无线电工程 第 卷 第 期(,)(,)(,)。()步骤:基于式(),在和得到的二维平面上进行搜索,依次得到幅度最大的个谱峰的位置,进一步对应查找得到方位和俯仰值,即为各个发射源来波方向和俯仰的估计值。仿真评估首先在 节验证 节理论推导的正确性,然后在 节针对最常用的圆型阵列,定量仿真评估其在不同径数和时延下抗多径测向的能力。随机阵仿真结果 仿真参数设置信号频率为,采用随机阵进行仿真,符号数为,过采样倍数
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