一种分布式阵列部分互耦自校正直接定位方法

1.本发明涉及无线电信号定位领域，具体涉及一种分布式阵列存在部分未知电磁耦合效应下的多辐射源直接定位方法。


背景技术：

2.根据估计辐射源位置的步骤，可以将无源定位技术分为两类，即传统两步定位与直接定位(direct position determination,dpd)。dpd的目标是通过直接处理接收的原始数据实现辐射源位置估计，而无需借助中间参量。相较于传统两步定位，dpd能够有效避免数据关联问题，同时dpd没有中间处理环节，能够有效利用各观测站接收数据间的相关性。此外，在相同阵元数情况下，分布式阵列直接定位辐射源数目比两步式测向交叉定位更多，且具备更高的定位性能，可显著缩小观测站体积，有效减少平台的载荷。然而在实际应用中，互耦效应会造成传统的dpd方法性能严重下降。为了提高直接定位算法的稳健性，现有的利用单个运动天线阵列对多目标辐射源的直接定位算法，能够实现阵列互耦参量和目标位置参量的解耦合估计，提高了dpd精度。但是，现有算法仅适用于局域窄带直接定位模型，无法处理全局窄带直接定位模型。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是：
4.由于dpd方法需要获取准确的数据模型，而互耦效应会引起导向矢量失配，从而难以实现对辐射源位置的高精度估计。当分布式阵列中部分阵列存在互耦效应时，传统的子空间算法定位性能严重下降。为解决全局窄带模型中部分阵列存在互耦效应时的dpd问题，本发明基于降秩(rank reduced,rare)原理和互耦矩阵变换原理提供了一种多辐射源dpd方法。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
6.一种分布式阵列部分互耦自校正直接定位方法，其特征在于步骤如下：
7.s1：建立分布式阵列全局窄带接收信号模型；
8.s2：计算接收信号的采样协方差矩阵对进行特征值分解计算噪声子空间；
9.s3：利用互耦矩阵变换公式，分离辐射源位置参数与互耦系数；
10.s4：利用rare原理构建代价函数，通过二维空间搜索估计辐射源位置。
11.本发明进一步的技术方案：s1所述的分布式阵列全局窄带接收信号模型具体为：
12.假设平面内分布有n个互不相关的静止窄带远场辐射源，l个静止分布式观测站，每个观测站天线阵列是具有m个阵元且阵元间距为半波长的均匀线阵，且n《m；信号与噪声之间互不相关；在第k快拍内联合l个站观测数据x(k)表示为：
[0013][0014]
其中，
[0015][0016][0017]
ρn＝[ρ
1,n
,ρ
2,n
,...,ρ
l,n
]
t
[0018]
其中blkdiag(
·
)表示构造分块对角矩阵；b表示全局阵列导向矩阵；表示第n个辐射源的导向矩阵；ρn表示第n个辐射源到各基站的信道衰落矢量；s(k)为辐射源发出的信号；n(k)为加性复高斯白噪声；为第l个观测站接收第n个辐射源信号的阵列导向矢量；c
l
为第l个观测站互耦系数的toeplitz矩阵，k为采样快拍数。
[0019]
本发明进一步的技术方案：s2具体为：
[0020]
求联合观测数据的协方差矩阵并对其进行特征值分解：
[0021][0022]
其中，us为l个站联合观测数据的信号子空间，σs和σv分别为l个站接收信号的信号和噪声的特征值组成的对角阵，uv为l个站联合观测数据的噪声子空间，(
·
)h表示求矩阵的共轭转置。
[0023]
本发明进一步的技术方案：s3具体为：
[0024]
设p＝[x,y]为观测站观测范围内任意一点，在互耦未知的情况下，根据均匀线阵互耦矩阵的带状对称toeplitz结构，全局阵列导向矩阵其中表示点p到各基站的信道衰落矢量，且基站的信道衰落矢量，且表示点p不含信道衰落参数的导向矩阵，变换为：
[0025][0026]
其中，e(p)为转换后仅与辐射源位置相关的导向矩阵，c
blk
为包含l个观测站互耦系数的矩阵；t
l
(p)为只与位置相关与互耦系数无关的转换矩阵，l＝1,2,...,l，且矩阵t
l
(p)的维度为m
×ml
，t
l
(p)是两个m
×ml
维矩阵和之和；
[0027][0028]
本发明进一步的技术方案：s4具体为：
[0029]
根据子空间原理，入射信号的全局阵列导向矩阵子空间和经过矩阵分解后计算得到的信号子空间可以等效为同一个空间，在理想条件下噪声子空间uv与信号子空间us满足相互正交的关系，故入射信号的全局阵列导向矩阵正交于噪声子空间uv，则有：
[0030][0031]
把代入上式，得到其中：
[0032][0033]
由于噪声的存在，实际中与uv并不能完全正交，因此求辐射源位置是以最小化搜索实现的，即：
[0034][0035]
其中，argmin{f(x)}表示计算使目标函数f(x)取最小值时的变量值x；由于上式中c
blk
的不确定性，上述表达式并不能够直接求解；利用rare思想，当搜索位置与目标真实位置重合时中间部分的矩阵q(p)秩亏损，因此利用如下替代表达式求解目标位置：
[0036][0037]
根据上式，构造定位空间谱函数为：
[0038]
f(p)＝det[q(p)]-1
[0039]
f的最大峰值对应坐标为估计的目标辐射源位置det[
·
]表示矩阵的行列式。
[0040]
一种分布式阵列部分互耦自校正直接定位方法的应用，其特征在于该方法适用于辐射源信号对于所有基站组成的全局分布式阵列呈窄带特性的条件，在处理中仅需利用信号的角度信息，无需对各站进行接收同步。
[0041]
一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。
[0042]
一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。
[0043]
本发明的有益效果在于：
[0044]
现有dpd算法大多仅适用于局域窄带直接定位模型，难以处理全局窄带直接定位问题，并且在未知电磁互耦效应下会产生严重的性能下降现象，本发明基于互耦矩阵变换处理和rare思想对辐射源位置进行了估计。针对分布式阵列，本发明在部分阵列存在互耦误差时，相较于未进行互耦矩阵变换的rare直接定位方法，能够获得更好的定位准确度。
附图说明
[0045]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0046]
图1目标辐射源和观测站位置分布图；
[0047]
图2定位算法空间谱图；
[0048]
图3存在未知互耦效应时定位估计精度与信噪比关系图；
[0049]
图4存在未知互耦效应时定位估计精度与快拍数关系图；
[0050]
图5本发明实施流程图。
具体实施方式
[0051]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0052]
本发明所述辐射源直接定位方法包括四个部分：1、全局阵列接收数据建模；2、求解数据的协方差矩阵并进行特征分解；3、借助互耦矩阵变换公式进行部分阵列的互耦校正；4、求解互耦变换后构建的定位代价函数。该方法适用于辐射源信号对于所有基站组成的全局分布式阵列呈窄带特性的条件，在处理中仅需利用信号的角度信息，无需对各站进行接收同步。
[0053]
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
[0054]
s1、建立分布式阵列接收信号模型；
[0055]
s2、计算接收信号的采样协方差矩阵对进行特征值分解计算噪声子空间；
[0056]
s3、借助互耦矩阵变换公式分离导向矢量与互耦系数；
[0057]
s4、利用rare思想结合变换后导向矢量及噪声子空间可得到仅关于目标位置参数的数学优化模型，通过求解定位代价函数可获得辐射源的直接定位结果。
[0058]
进一步，所述步骤s1包括以下步骤：
[0059]
假设平面内分布有n个互不相关的静止窄带远场辐射源，l个静止分布式观测站，每个观测站天线阵列是具有m个阵元且阵元间距为半波长的均匀线阵，且n《m。信号与噪声之间互不相关。假设采样快拍数为k，第n个辐射源的位置为p
en
＝[xn,yn]，n＝1,2,
…
,n，第l个观测站阵列几何中心的位置为第l个观测站阵列有m
l
个非零互耦系数，l＝1,2,
…
,l，且m
l
＜m，记第l个观测站阵列互耦系数向量为第l个观测站互耦系数的toeplitz矩阵为c
l
：
[0060][0061]
设第l个观测站接收第n个辐射源信号的阵列导向矢量为则k
l,n
为信号波束矢量，(
·
)
t
表示向量转置运算，为第l个观测站阵列中第i个阵元的坐标位置，i＝1,2,...,m。
[0062]
其中，
[0063][0064][0065][0066]
设从第n个辐射源到第l个观测站的未知复信道衰落参数为ρ
l,n
，s(k)为辐射源发出的信号，n(k)为加性复高斯白噪声。则在第k快拍内联合l个站观测数据x(k)可表示为：
[0067][0068]
其中，
[0069][0070][0071]
ρn＝[ρ
1,n
,ρ
2,n
,...,ρ
l,n
]
t
[0072]
其中blkdiag(
·
)表示构造分块对角矩阵；b表示全局阵列导向矩阵；表示第n个辐射源的导向矩阵；ρn表示第n个辐射源到各基站的信道衰落矢量。
[0073]
进一步，所述步骤s2包括以下步骤：
[0074]
求联合观测数据的协方差矩阵并对其进行特征值分解：
[0075][0076]
其中，us为l个站联合观测数据的信号子空间，σs和σv分别为l个站接收信号的信号和噪声的特征值组成的对角阵，uv为l个站联合观测数据的噪声子空间，(
·
)h表示求矩阵的共轭转置。
[0077]
进一步，所述步骤s3包括以下步骤：
[0078]
设p＝[x,y]为观测站观测范围内任意一点，在互耦未知的情况下，根据均匀线阵互耦矩阵的带状对称toeplitz结构，全局阵列导向矩阵其中表示点p到各基站的信道衰落矢量，且基站的信道衰落矢量，且表示点p不含信道衰落参数的导向矩阵，可以变换为：
[0079][0080]
其中，e(p)为转换后仅与辐射源位置相关的导向矩阵，c
blk
为包含l个观测站互耦系数的矩阵。t
l
(p)(l＝1,2,...,l)为只与位置相关与互耦系数无关的转换矩阵，且矩阵t
l
(p)的维度为m
×ml
，t
l
(p)是两个m
×ml
维矩阵和之和；
[0081][0082]
进一步，所述步骤s4包括以下步骤：
[0083]
根据子空间原理，入射信号的全局阵列导向矩阵子空间和经过矩阵分解后计算得到的信号子空间可以等效为同一个空间，在理想条件下噪声子空间uv与信号子空间us满足相互正交的关系，故入射信号的全局阵列导向矩阵正交于噪声子空间uv，则有：
[0084][0085]
把代入上式，得到其中：
[0086][0087]
由于噪声的存在，实际中与uv并不能完全正交，因此求辐射源位置是以最小化搜索实现的，即：
[0088][0089]
其中，argmin{f(x)}表示计算使目标函数f(x)取最小值时的变量值x。由于上式中c
blk
的不确定性，上述表达式并不能够直接求解。利用rare思想，当搜索位置与目标真实位置重合时中间部分的矩阵q(p)秩亏损，因此可利用如下替代表达式求解目标位置：
[0090][0091]
根据上式，可构造定位空间谱函数为：
[0092]
f(p)＝det[q(p)]-1
[0093]
f的最大峰值对应坐标为估计的目标辐射源位置det[
·
]表示矩阵的行列式。
[0094]
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步说明。
[0095]
实验基本设置为：在同一平面内，利用3个分布式基站接收2个独立的辐射源信号，各基站携带一个5阵元全向均匀线阵，阵元间距为半波长，背景噪声是高斯白噪声。辐射源与观测站的几何关系如图1所示。其中，两个目标辐射源的真实位置分别为(-100,400)、(100,100)，观测站位置分别为(-200,0)、(0,-100)、(200,0)(单位为米)。假设仅处于(-200,0)的一个基站存在互耦效应，互耦系数为[1,-0.6545+0.4755i,-0.4414-0.3414i]。实验中对比方法为基于rare思想的未进行互耦矩阵变换的dpd算法。
[0096]
实验一：假设信号快拍数固定为200，信噪比固定为20db，图2为本发明方法的定位谱图，x、y轴分别表示平面内的坐标轴，从图中可以看出，本发明方法在目标辐射源处形成较高的谱峰，说明利用本发明进行直接定位具有可行性。
[0097]
实验二：假设信号快拍数固定为200，信噪比在-10db与20db之间变化，仿真中的每个点通过800次独立的蒙特卡洛实验得到。图3显示了定位精度随信噪比的变化，横坐标为信噪比，纵坐标为定位均方根误差(root mean squared error，rmse)。可以看出随着信噪比的增加，所提方法rmse逐渐减小。rmse计算公式为：
[0098][0099]
其中，表示第n个目标信源位置坐标估计值，w表示蒙特卡洛实验次数，||
·
||表示向量的2-范数。
[0100]
实验三：假设信噪比固定为10db，信号快拍数在50到500之间变化，仿真中的每个点通过800次独立的蒙特卡洛实验得到。图4显示了定位精度随快拍数的变化，横坐标为采样快拍数，纵坐标为rmse。从图3和图4可以看出，本发明可以解决存在未知互耦效应下的全局窄带模型直接定位问题，实现对辐射源的高精度定位。
[0101]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种分布式阵列部分互耦自校正直接定位方法，其特征在于步骤如下：s1：建立分布式阵列全局窄带接收信号模型；s2：计算接收信号的采样协方差矩阵对进行特征值分解计算噪声子空间；s3：利用互耦矩阵变换公式，分离辐射源位置参数与互耦系数；s4：利用rare原理构建代价函数，通过二维空间搜索估计辐射源位置。2.根据权利要求1所述的一种分布式阵列部分互耦自校正直接定位方法，其特征在于：s1所述的分布式阵列全局窄带接收信号模型具体为：假设平面内分布有n个互不相关的静止窄带远场辐射源，l个静止分布式观测站，每个观测站天线阵列是具有m个阵元且阵元间距为半波长的均匀线阵，且n<m；信号与噪声之间互不相关；在第k快拍内联合l个站观测数据x(k)表示为：其中，其中，ρ
n
＝[ρ
1,n
,ρ
2,n
,...,ρ
l,n
]
t
其中blkdiag(
·
)表示构造分块对角矩阵；b表示全局阵列导向矩阵；表示第n个辐射源的导向矩阵；ρ
n
表示第n个辐射源到各基站的信道衰落矢量；s(k)为辐射源发出的信号；n(k)为加性复高斯白噪声；为第l个观测站接收第n个辐射源信号的阵列导向矢量；c
l
为第l个观测站互耦系数的toeplitz矩阵，k为采样快拍数。3.根据权利要求2所述的一种分布式阵列部分互耦自校正直接定位方法，其特征在于：s2具体为：求联合观测数据的协方差矩阵并对其进行特征值分解：其中，u
s
为l个站联合观测数据的信号子空间，σ
s
和σ
v
分别为l个站接收信号的信号和噪声的特征值组成的对角阵，u
v
为l个站联合观测数据的噪声子空间，(
·
)
h
表示求矩阵的共轭转置。4.根据权利要求3所述的一种分布式阵列部分互耦自校正直接定位方法，其特征在于：s3具体为：设p＝[x,y]为观测站观测范围内任意一点，在互耦未知的情况下，根据均匀线阵互耦矩阵的带状对称toeplitz结构，全局阵列导向矩阵其中表示点p到各基站
的信道衰落矢量，且的信道衰落矢量，且表示点p不含信道衰落参数的导向矩阵，变换为：其中，e(p)为转换后仅与辐射源位置相关的导向矩阵，c
blk
为包含l个观测站互耦系数的矩阵；t
l
(p)为只与位置相关与互耦系数无关的转换矩阵，l＝1,2,...,l，且矩阵t
l
(p)的维度为m
×
m
l
，t
l
(p)是两个m
×
m
l
维矩阵t
l1
(p)和之和；5.根据权利要求4所述的一种分布式阵列部分互耦自校正直接定位方法，其特征在于：s4具体为：根据子空间原理，入射信号的全局阵列导向矩阵子空间和经过矩阵分解后计算得到的信号子空间可以等效为同一个空间，在理想条件下噪声子空间u
v
与信号子空间u
s
满足相互正交的关系，故入射信号的全局阵列导向矩阵正交于噪声子空间u
v
，则有：把代入上式，得到其中：由于噪声的存在，实际中与u
v
并不能完全正交，因此求辐射源位置是以最小化搜索实现的，即：其中，argmin{f(x)}表示计算使目标函数f(x)取最小值时的变量值x；由于上式中c
blk
的不确定性，上述表达式并不能够直接求解；利用rare思想，当搜索位置与目标真实位置重合时中间部分的矩阵q(p)秩亏损，因此利用如下替代表达式求解目标位置：根据上式，构造定位空间谱函数为：f(p)＝det[q(p)]-1
f的最大峰值对应坐标为估计的目标辐射源位置det[
·
]表示矩阵的行列式。6.一种权利要求1-5所述的任一项分布式阵列部分互耦自校正直接定位方法的应用，其特征在于该方法适用于辐射源信号对于所有基站组成的全局分布式阵列呈窄带特性的条件，在处理中仅需利用信号的角度信息，无需对各站进行接收同步。
7.一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1-5所述的任一项方法。8.一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求1-5所述的任一项方法。

技术总结
本发明涉及一种分布式阵列部分互耦自校正直接定位方法，涉及无线电信号定位领域。包括全局阵列接收数据建模、求解数据的协方差矩阵并进行特征分解、借助互耦矩阵变换公式进行部分阵列的互耦校正、利用RARE思想结合变换后导向矢量及噪声子空间可得到仅关于目标位置参数的数学优化模型，通过求解定位代价函数可获得辐射源的直接定位结果。本发明基于互耦矩阵变换处理和RARE思想对辐射源位置进行了估计。针对分布式阵列，本发明在部分阵列存在互耦误差时，相较于未进行互耦矩阵变换的RARE直接定位方法，能够获得更好的定位准确度。能够获得更好的定位准确度。能够获得更好的定位准确度。


技术研发人员：汪跃先 时乾渊 张兆林 王伶 韩闯 杨欣 宫延云 贺成艳
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/9/7