CN102147455A - 多天线单元信号分析处理、测向方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多天线单元信号分析处理、测向方法及系统，涉及信号分析处理和无线信号测向领域，该分析和测向方法主要采用两副具有不同方向性的天线；对其同步接收到的信号分别进行在一定长度时间窗口内的短时统计分析，得到二者的短时统计分析值在相应分析域的一分析点处的比值；根据所述比值的变化特征确定信号的组成和/或干扰强度，或者得到比值关于方位角的数据曲线，然后对所述数据曲线进行处理分析，得出信号的来波方向等参数；特别点，本发明提出一种单站定位的方法。本发明通过分析信号的组成和结构，为信号处理和信号测向提供可靠依据；通过对信号源准确可信的测向定位促进对电磁环境的更好认识。

Description

多天线单元信号分析处理、测向方法及系统

技术领域

本发明涉及信号分析处理和无线信号测向领域，具体说涉及一种组合运用包含方向性天线的多天线单元进行空间信号分析处理和信号源测向的方法，以及可以实现该分析处理方法和/或信号源测向方法的系统。

背景技术

目前，主要是利用单一全向天线对各频点处信号的幅度、场强、电平大小等参数进行测量实现对电磁环境的信号分析，这样测到的值是各个信号叠加的结果，无法分清信号的组成与结构，也就很难确定是否存在同频干扰和多径干扰，以及干扰的频率范围和干扰的强度。

目前的测向方法根据体制的不同，性能差异较大。其中一些测向方法只能给出单一示向度，如相位测向、大音点测向等，另一些方法能给出多个示向度，如单天线旋转测向、空间谱估计。但是电磁空间信号存在很大的复杂性，同频信号、多径信号的存在，以及信号本身的频谱变化和传播衰落使得现有测向技术体制面临巨大困境，其测向精度及可靠性随着电磁环境的复杂程度急速下降。现有测向技术体制中空间谱估计的方法虽然能在一定程度上解决这些问题，但由于其对于模型的敏感性及处理能力受天线单元数量限制，在较复杂电磁环境下的应用也受到很大限制，而且空间谱估计的天线阵列体积较大，不利于实现便携式测向。

幅度测向中有一种双信道比幅测向方法，利用两副正交的艾德考克天线接收电势的比值确定来波方向，并利用信道均衡技术消除信道增益不一致的影响。但是，这种实现方式不论从实现成本还是实际效果来看都是不可取的。首先，实现多信道均衡将付出很高的成本代价，另外，在技术效果上存在很多缺陷，一方面，利用接收电势做比值很容易因受到噪声和多径信号的影响而很不稳定，另一方面，利用该比值估算方位将由于多径信号的存在而出现固有的偏差。

发明内容

本发明的一个目的在于解决现有测向方法无预先分析处理而出现测向不准确的技术问题，提供一种能够分析信号的组成、结构的分析处理方法。

本发明采用的技术方案如下：一种多天线单元信号分析处理方法，包括如下步骤：

步骤1，采用第一和第二天线同步接收信号，至少第一天线为定向天线，二副天线具有不同的方向性；

步骤2，对定向天线和另一天线同步接收到的信号分别进行在一定长度时间窗口内的短时统计分析，得到二者的短时统计分析值在相应分析域的一分析点处的比值(如统计分析方法采用短时傅里叶变换时，可以取变换结果中某频点处的幅度谱比值)，其中，所述时间窗口的长度可调节，且大于所有信号(在此指所有主要信号，不考虑经多次反射的极弱信号)的最长多径时延；

步骤3，根据所述比值的变化特征确定信号的组成和/或干扰强度。

优选地，在步骤3中，根据统计值σ²测定信号所受干扰的强度，σ²的一种计算方式为：

其中，

D(δ，t_j，τ)为根据步骤2在第j个时间窗口在一分析点δ处计算的比值；j为自然数，1≤j≤M，M为大于1的自然数；当统计值大于某个门限值C₁时，可认为所述信号存在同频异源信号。在此，如采用频域的频点进行分析，则δ为jω。

式中取对数是为了均衡D(δ，t_j，τ)比值的分子和分母对比值变化的贡献。由于干扰信号比原信号高很多时，比值D(δ，t_j，τ)的变化也将趋缓，所以统计值σ²在一定程度上表征信号的混合程度，当两个同频异源信号的大小相当时，统计值σ²最可能取得最大值。在计算σ²时，要选取D(δ，t_j，τ)中有效的数据，D(δ，t_j，τ)的有效性由第一和第二天线的短时统计分析值的大小测定。

本发明的第二个目的在于提供一种简单、准确的测向方法，该测向方法可以利用通过上述分析处理方法确定的信号组成信息。

本发明采用的技术方案为：一种多天线单元信号测向方法，包括如下步骤：

步骤1，采用第一和第二天线同步接收信号，其中，第一天线为可旋转的定向天线，所述第一天线的指向可相对独立调整，第二天线为全向天线或者指向固定的定向天线，在接收信号时，使第一天线旋转，如第二天线为定向天线，使其旋转至一适当指向后固定；

步骤2，对第一和第二天线同步接收到的信号同步进行在一定长度时间窗口内的短时统计分析，得到二者的短时统计分析值在频域的一频点处的幅度谱比值，其中，所述时间窗口的长度大于所有信号(在此指所有主要信号，不考虑经无穷反射的极弱信号)的最长多径时延；

步骤3，确定幅度谱比值与方位角的对应关系，并据此得到幅度谱比值关于方位角的数据曲线。

优选地，还可以包括步骤4，即根据所述数据曲线估计可能的来波方向数，以及各来波方向信号参数，并将确定的各值作为初值，利用第一天线的方向性函数的加权叠加模型对测得的数据曲线利用数值分析的最优化方法求解，得到来波方向数和各来波方向信号参数的最佳优化值。

本发明的第三个目的在于提供一种可实现上述分析处理方法和/或测向方法的分析处理及测向系统。

本发明采用的技术方案为：一种多天线单元信号分析处理、测向系统，包括天线单元、接收单元、数据处理单元和显示单元，所述天线单元包括至少二副天线，所有天线中至少有一副是定向天线，各定向天线的指向可相对独立调整；所述天线各自测得的信号均通过所述接收单元输入至数据处理单元中进行同步分析处理，所述数据处理单元对定向天线和另一天线同步接收到的信号同步进行在一定长度时间窗口内的短时统计分析，得到二者的短时统计分析值在相应分析域的一分析点处的幅度谱比值，其中，所述时间窗口的长度大于所有信号(在此指所有主要信号，不考虑经多次反射的极弱信号)的最长多径时延；所述数据处理单元分析处理的结果输入至显示单元进行输出显示。

优选地，所述接收单元还包括混频电路和受控于所述数据处理单元的锁相环路，输入至接收单元的各信号先输入至所述混频电路进行逐级下变频，形成与各自相对应的基带信号，各基带信号再输入至数据处理单元进行短时统计分析；所述数据处理单元在开始进行短时统计分析时，向所述接收单元发出本振信号相位锁定信号，停止锁相环路对信号频率相位的跟踪捕获过程，以保持对各信号进行下变频的本振信号的频率和相位不变。

本发明的有益效果为：通过分析信号的组成和结构，为信号处理和信号测向提供可靠依据；通过对信号源准确可信的测向定位促进对电磁环境的更好认识。

附图说明

图1为本发明所述分析处理及测向系统采用双通道接收模式的原理框图；

图2为本发明所述分析处理及测向系统采用单通道快速切换接收模式的原理框图；

图3为图1所示天线单元的一种结构示意图；

图4示出了根据本发明所述分析处理方法的一次信号分析数据；

图5示出了根据本发明所述分析处理方法的另一次信号分析数据；

图6示出了根据本发明所述测向方法的一次信号源测向数据，其中，该次信号测向采用了方向性较弱的天线；

图7示出了根据本发明所述测向方法的另一次信号源测向数据，其中，该次信号测向采用了方向性较强的天线。

具体实施方式

本发明的分析处理方法和测向方法主要根据定向天线的方向图以及多天线的组合运用来实现。下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细描述。

如图1和2所示，本发明的分析处理及测向系统包括天线单元1，接收单元2，数据处理单元3和显示单元4，所述天线单元1包括至少二副天线，分别为第一天线11和第二天线12，所述天线中至少有一副是定向天线，在本实施例中，至少该第一天线11为定向天线，该定向天线的指向可相对独立调整，即可以使其指向固定，也可以使其旋转(以一定速度改变其指向)；所述数据处理单元3对天线单元的至少包含一个定向天线的双天线组合各自测得的信号数据进行同步分析处理；所述显示单元4用于显示数据处理单元分析处理的结果。

该天线单元1较典型的配置为：(1)一副全向天线和一副定向天线，这种组合的特点是既能用于信号分析这种静态的应用，即单次分析中不需要旋转天线的应用，又能用于信号测向的动态应用，即需要旋转天线的应用；同时，该种配置并不会过多增加天线单元1的体积和重量，因此可采用便携式应用形式，当然也可用于车载和固定站等形式；(2)两副可旋转的定向天线，其中，一副定向天线为主旋转天线，用于实现各种角速度的旋转，另一副为辅助旋转天线，用于辅助测量，这种组合也可以再添加一副全向天线，主要用于车载或固定站。

为了能更好地实现信号分析处理与测向功能，该天线单元1中每个定向天线的指向应该可以相对独立调整，且可以由数据处理单元3计算出定向天线的最佳指向。定向天线旋转时，要尽量围绕天线的中心进行，这样可以减小旋转引起的信号相移，从而避免给信号分析和测向带来模型偏差。由于一般的天线形状都具有对称性，所以天线的中心一般指天线的对称中心线。

该接收单元2如图1所示，一般有两个以上接收通道，并包含一个同步控制电路，使得可以同步测量各天线单元的信号参数，在本实施例中采用二副天线，可以对应配置二个接收通道，分写为对应第一天线11的第一接收通道21和对应第二天线12的第二接收通道22，当然，也可以采用如图2所示的单通道，通过单通道的快速切换，在同步电路控制下实现两天线信号的近似同步接收。接收单元包括混频电路和受控于该数据处理单元3的锁相环路，该数据处理单元3在开始分析时向锁相环路发出本振信号相位锁定信号，以便在数据分析开始后，使本振信号的频率和相位保持不变。在此，由于本振信号是用于对采样数据进行下变频的，如果信号采集时锁相环路继续工作，本振信号频率和相位可能发生漂移，导致信号接收特性随时间变化从而影响信号分析的稳定性以及信号源测向的数值模型求解。

以下就两副可旋转定向天线的配置进行说明。利用上述分析处理、测向系统进行信号源测向之前，先对相应频段信号进行信号处理分析，初步判断同频异源信号的有无及大概数量，本发明的对信号分析处理的过程如下：

首先，旋转第一天线11，纪录一频点处的电场强度采样值等指标，初步判断来波的可能方向，并从中筛选出两个可能的同频异源信号的来波方向；然后，将第一和第二天线朝向这两个信号的来波方向，并尽量避免相互影响；最后，通过数据处理单元3对两路天线信号的分析处理，判断是否存在多径信号和同频异源信号，并利用频谱结构差异和信号幅度的变化差异对多径信号和同频异源信号进行区分，利用信号幅度的差异对直达信号和多径信号进行区分，初步判定信号的组成和结构。如果对各个可能来波方向逐一进行判别都没有发现同频异源信号时，可判断空间中此处无同频异源信号或同频异源的干扰信号极小。数据处理单元3主要是根据到达定向天线的不同来波方向信号的增益由定向天线的方向性函数决定这一特性进行分析处理。下面对数据处理单元3的分析处理方法进行详细介绍。

同频异源信号的差异主要表现在频谱结构和频谱变化规律，其中，该频谱结构包括中心频率、频带宽度和频谱形状等；该频谱变化规律主要指信号各频率分量幅度和相位随时间的变化。

在分析处理时，设定信号都采用基带或基带调制信号，不分析其高频调制及解调过程。针对每次筛选出两个可能的同频异源信号的来波方向的方式，设空间中存在两个同频异源信号f₁(t)和f₂(t)，并且这两个信号到达本发明所述系统都存在多径信号。信号f₁(t)的直达信号、各多径信号到达主旋转天线(第一天线11)的衰减因子分别为K₁₁、K₁₂...K_1m，时延分别为T₁₁、T₁₂...T_1m，入射角分别为θ₁₁、θ₁₂...θ_1m，到达辅助旋转天线(第二天线12)的衰减因子分别为K′₁₁、K′₁₂...K′_1m，时延分别为T′₁₁、T′₁₂...T′_1m，入射角分别为θ′₁₁、θ′₁₂...θ′_1m。信号f₂(t)的直达信号、各多径信号到达主旋转天线的衰减因子分别为K₂₁、K₂₂...K_2n，时延分别为T₂₁、T₂₂...T_2n，入射角分别为θ₂₁、θ₂₂...θ_2n，到达辅助旋转天线的衰减因子分别为K′₂₁、K′₂₂...K′_2n，时延分别为T′₂₁、T′₂₂...T′_2n，入射角分别为θ′₂₁、θ′₂₂...θ′_2n。这里信号f₁(t)、f₂(t)的多径信号数量分别为m-1、n-1，m，n均为大于等于1的自然数。

在短时统计分析方法采用短时傅里叶变换时，本发明的分析处理方法的具体步骤如下：

步骤1：保持主旋转天线和辅助旋转天线各自固定指向一定的角度，并大致指向可能的来波方向；其中，二副天线具有不同的方向性，所谓不同方向性可能是两副天线的方向性函数不同(这样任何时候下其方向性都不同)，也可能是两副天线的方向性函数相同，但是天线的指向不同；

步骤2：对二副固定天线同步接收的信号分别作短时统计分析，得到二者的短时统计分析值在一频点处的幅度谱比值，在此，可以根据两副固定天线单元同步接收的信号的短时统计分析值的大小共同确定所述幅度谱比值的有效性。下面分析采用的短时统计分析方法是时间窗口内的短时傅立叶频谱计算值，当然对某些应用也可以采用其他统计值，如时间窗口内电压随时间的积分测量值，小波变换等。

对信号做短时统计分析的时间窗口需要有一定的长度，这个长度要大于所有主要多径信号中最长的时延，对于如图2所示的单信道时间切换的实现方式，所述时间窗口的长度还要大于信道切换的时间间隔。如果时间窗口的长度不能满足上述要求，所述信号短时统计分析值的比值在没有同频异源信号干扰的情况下也可能发生急剧的波动。以多径信号的影响为例说明，对天线信号进行加窗处理时，时延不同的信号数据之间除了存在不同时延以外，在边缘处信号也有差异，例如，对于时间窗口(t₁，t₂)，直达信号的数据为ψ₁(t)(t₁＜t＜t₂)，则延时为τ₀的多径信号数据为ψ₁(t)(t₁+τ₀＜t＜t₂+τ₀)。因此，实际上存在且只存在多径信号时，由于时间窗口内存在相异数据，所述幅度谱比值随时间也会有一定的波动，这也说明现有技术的双信道比幅测向方法利用两副天线测得的实时电压值(相当于时间窗口长度为0)做比值是不可取的，因为可能受多径信号的影响而剧烈波动。根据多径时延的一般分布，我们认为时间窗口长度一般要大于等于3微秒，否则信号短时统计分析值比值的稳定性会受到严重影响。时间窗口长度越大，越有利于减小多径信号对所述比值稳定性的影响。但是，时间窗口太长会导致数据长度过长，从而增大后续数据处理的难度，因此一方面时间窗口不能太长，另一方面，应该对信号进行充分的降频之后再进行数据统计分析，最好能在采样率最低的基带进行。例如对于频带宽度为300kHz的已调信号，可以通过模拟或数字的滤波、混频方法先将信号频带搬移到0Hz至300kHz的位置，再对信号进行统计分析。另外，统计分析采用短时傅立叶变换时，多径时延T对应产生e^-jwT的相移，这给模型分析带来很多困难，同时也使所述信号短时统计分析值的比值随时间波动增大，但是降频到基带处理时，若多径时延也不太大，则该项通常都接近于1，从而简化了信号模型，同时能减小多径时延对比值波动的影响，这里所指基带宽度不超过信号带宽。

设主旋转天线和辅助旋转天线的方向性函数分别为和ξ(θ)，则主旋转天线和辅助旋转天线测得信号的短时傅立叶频谱G₁(jw，t，τ)和G₂(jw，t，τ)可以分别近似表示为：

$G_2(\mathrm{jw},t,\mathrm{\τ})=F_1(\mathrm{jw},t,\mathrm{\τ})\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left[{K^{\′}}_{1i}\mathrm{\ξ}\left({{\mathrm{\θ}}^{\′}}_{1i}\right)e^{-\mathrm{jw}{T^{\′}}_{1i}}\right]+F_2(\mathrm{jw},t,\mathrm{\τ})\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left[{K^{\′}}_{2i}\mathrm{\ξ}\left({{\mathrm{\θ}}^{\′}}_{2i}\right)e^{-\mathrm{jw}{T^{\′}}_{2i}}\right]$

其中，t为数据记录时间起点，τ为数据记录时间窗口长度(一般取1ms)，F₁(jw，t，τ)和F₂(jw，t，τ)分别为信号f₁(t)和f₂(t)的傅立叶变换值。这样，短时傅立叶频谱G₁(jw，t，τ)和G₂(jw，t，τ)在频点w₀处的频谱值分别为：

$G_2(j{w}_0,t,\mathrm{\τ})=F_1({\mathrm{jw}}_0,t,\mathrm{\τ})\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\left[{K^{\′}}_{1i}\mathrm{\ξ}\left({{\mathrm{\θ}}^{\′}}_{1i}\right)e^{-\mathrm{jw}{T^{\′}}_{1i}}\right]+F_2(j{w}_0,t,\mathrm{\τ})\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left[{K^{\′}}_{2i}\mathrm{\ξ}\left({{\mathrm{\θ}}^{\′}}_{2i}\right)e^{-\mathrm{jw}{T^{\′}}_{2i}}\right]$

一般情况下，多径信号的传播路径在短时内是比较稳定的，则

和

均可视为与时间t无关的常数，因此，

G₁(jw₀，t，τ)＝F₁(jw₀，t，τ)M(w₀)+F₂(jw₀，t，τ)N(w₀)

G₂(jw₀，t，τ)＝F₁(jw₀，t，τ)M′(w₀)+F₂(jw₀，t，τ)N′(w₀)

即时间窗口内两副天线所测信号短时频谱在w₀处单频点幅度谱比值为：

$D({\mathrm{jw}}_0,t,\mathrm{\τ})=\frac{\left|G_1({\mathrm{jw}}_0,t,\mathrm{\τ})\right|}{\left|G_2({\mathrm{jw}}_0,t,\mathrm{\τ})\right|}$

这里比值D(jw₀，t，τ)的有效性由G₁(jw₀，t，τ)和G₂(jw₀，t，τ)共同决定，若两者都很小，即一个短时统计分析值小于常数α₁，且另一个短时统计分析值小于常数α₂，则该比值不具有有效性，其中；α₁和α₂的确定方式并不唯一，可以根据实际测量环境选择，如可以为大于背景噪声2～5db的数值，或者为该频点信号频谱统计平均值的1/4等。

其中有一个或两个都比较大则比值有效。由于

与

的值与信号f₁(t)、f₂(t)到达所述系统的路径及两副定向天线的指向等因素都有关，所以绝大部分情况下

与

决定了D(jw₀，t，τ)的变化范围。定向天线的方向性越强，越容易获得

与

之间较大的差值，也就使得D(jw₀，t，τ)具有更大的变化范围。极限情况是，当两副定向天线的方向性足够好，而两个同频异源信号的来波方向相差角度足够大，以至于每副定向天线只收到其中一个信号的直达波和多径信号时，D(jw₀，t，τ)的变化范围为零到无穷大。另外，这个过程中要考虑消除背景噪声的影响，背景噪声的影响是在D(jw₀，t，τ)的分子和分母上都叠加了一个常数，因此分析过程中要先测定背景噪声，然后在D(jw₀，t，τ)的分子和分母上都减去相应的背景噪声估测值。

如果不存在同频异源信号，只存在一个信号源如f₁(t)时，即f₂(t)为f₁(t)的一个多径信号，则D(jw₀，t，τ)将近似为

与

之间的一个常数。当f₁(t)、f₂(t)为同频异源信号且在频点w₀处谱值变化规律不一致时，频点w₀处D(jw₀，t，τ)将会随时间t变化，两个信号源f₁(t)、f₂(t)频谱变化差异越大，D(jw₀，t，τ)变化越明显。其极限情况是对于同频单工通信的两个不同位置的固定发射源，D(jw₀，t，τ)将在两个常数与之间来回跳变，同理，对于n个固定发射源并遵守单工通信规则的情况，则应该是在n个常数间跳变，其中，n为大于等于2的自然数，据此可以估算发射源的数量。如果其中一副天线在其对准方向接收到信号相对很小，可能导致D(jw₀，t，τ)变化不显著且易出现系统性偏差，此时可以对其相应接收通路加适当的固定增益，以使D(jw₀，t，τ)变化显著；也可以通过调节本振信号的相位使之与待接收信号相位尽量接近，以增强待接收信号的接收效果而削弱其他信号的接收效果。

时间窗口内多径信号引起的波动可以通过增大时间窗口的长度来减小，而同频异源信号引起的指标D(jw₀，t，τ)的波动却与时间窗口的长度无关。当指标D(jw₀，t，τ)的波动非常明显时，可以判定为存在同频异源信号。而当指标D(jw₀，t，τ)的波动较小时，波动可能由较小的同频异源信号造成，也可能仅仅由多径信号造成，此时可以根据D(jw₀，t，τ)的波动对时间窗口的长度有无敏感性来判断造成波动的主体是否为同频异源信号。因此，增大时间窗口的长度可以提高系统分辨多径信号与同频异源信号的能力。当同频异源信号的其中一个功率很小时，就要尽量增大这个时间窗口的长度以提高分别率。而当时间窗口并不很大，而频带内各频点处的指标D(jw₀，t，τ)都几乎没有波动时，可以认为只有一个来波方向。由于路径相差1km造成的时延约为3.333μs，分析用的时间窗口可以取参考值1ms。

当需要精细考察一个频段内各频点处是否存在同频异源信号造成的同频干扰或多径信号造成的多径干扰时，可以单独考察该频点w_i处指标D(jw_i，t，τ)随时间的变化情况，包括最大值、最小值以及一段时间(若干个时间窗口)内指标D(jw_i，t，τ)的与方差相关的统计值σ²，

其中，

D(jw_i，t_j，τ)为根据步骤2计算的第j个时间窗口内的比值；j为自然数，1≤j≤M，M为大于1的自然数；当统计值大于常数C₁时，则所述信号必定存在同频异源信号。从而，可以找到受干扰的部分和未受干扰的部分，对于受干扰的部分，可以评估受干扰的程度。另外，还可以据此进行信号分离和还原，例如对于频谱关于中心频率对称的信号，通过前述分析发现当上边频受扰，而下边频未受扰时，就可以利用下边频恢复原信号。

当D(jw_i，t，τ)的随时间t变化时的统计值σ²大于某个值C₁时，可以认为必然存在同频异源干扰。两个信号源到达本系统时信号功率越接近，频谱相对变化越剧烈，统计值σ²就越大。当统计值σ²小于等于某个值C₂时，一般认为只有一个来波方向；当统计值σ²大于常数C₂小于等于C₁时，一般认为不存在同频干扰而存在多径干扰，但是在统计值σ²小于等于C₁时也不排除存在同频异源干扰的可能；其中，C₁和C₂需要根据实际测量环境选取，一般可在实际分析时进行多次预分析，并根据预分析的统计值选取常数C₁和C₂，常数C₁和C₂随M的增大而增大，随时间窗口长度的增大而减小。当时间窗口加长时，C₁、C₂的值都相应变小，也就是分辨率提高了。当然，对于一些时间极短的猝发同频干扰信号，时间窗口也不能太长以至于远大于干扰信号时间长度，导致方差被平滑掉。而如果只是判断频段整体受扰情况，则可以利用频段内主要频点处指标D(jw，t，τ)的平均值

随时间的变化情况来判定，这样可以获得较好的稳定性，其中，N为所选择的频点数量。两个信道的接收频率特性的线性差异并不影响指标D(jw，t，τ)的稳定性，因此对接收信道的均衡性要求较低。

在同一个时间窗口内，对两副天线信号所考察频带内的频谱除以各自最大值做归一化后，得到归一化频谱

和

在存在同频干扰的情况下，归一化频谱和

之间将出现显著差异。在同频干扰不存在而多径干扰存在的情况下，归一化频谱也将出现一定的差异，只是这种差异并不显著。当然，两个信道的接收频率特性的差异(主要由频率非线性等因素造成)也会造成归一化频谱的差异，这可以通过提高接收信道的均衡性来解决。因此，大部分情况下，归一化频谱的差异也可以作为判定同频干扰和多径干扰的重要指标。

当对各个可能来波方向逐一进行判别都没有发现同频异源信号时，可判断空间中此处没有同频异源信号或同频异源的干扰信号极小。

同频异源信号引起的D(jw₀，t，τ)指标波动是随时间快速变化的，在确认没有同频异源信号情况下，如果D(jw₀，t，τ)随时间发生较大波动，可能由两种因素引起：其一，发射源位置的变化，导致传播路径及反射、折射路径的变化；其二，传播信道的变化。但是，一般电磁环境中，传播信道不会发生快速的变化，即使变化也只是影响那些次要的多径信号的传播。因此，普通条件下的主要因素还是发射源位置的变化，据此可判断发射源是否是移动发射源。如果发射源是移动发射源，并且移动过程中因为障碍物的阻挡导致传播的全部或部分路径发生急剧变化，则D(jw₀，t，τ)将出现跳变。这个急剧的变化过程主要发生在传播路径与障碍物边沿交汇时，交汇后，原来可达的路径被阻挡或者原来被阻挡的路径变成可达。而移动过程中的其它时候，传播路径的也会发生相对缓慢的变化，导致D(jw₀，t，τ)出现缓变。根据这个原理，可以对发射源是否是移动源做出判断。

在确认没有同频异源信号且发射源不是移动源的情况下，如果D(jw₀，t，τ)随时间发生较大波动，则只能是由于传播环境发生变化造成的。这在一般的通信环境下不会发生。但如果我们构造一个相对封闭的电磁环境，并于其中放置一个无线信号源和一个或多个本发明所述系统，我们就可能检测出环境中是否出现新的障碍物以及是否发生障碍物的移动。当然，无线信号源与接收系统之间的收发可以采用跳频方式以防止外来的窄带电磁干扰。

在对所考察频段内的信号做了充分的分析后，就可以开始进行下一步的测向过程。本发明的技术方案的重点在于三个关键技术特征：一是采用第一天线和第二天线同步接收信号，其中，至少第一天线为可旋转的定向天线；二是采用一定长度时间窗口内的短时统计分析；三是利用二者短时统计分析值的比值完成分析和测向。由于本发明的技术方案利用的是比值分析法，因此，其中的短时统计分析的具体实施手段并不是实现本发明技术方案的必要技术特征，除采用短时傅立叶频谱分析外，还可以采用小波分析等分析手段，即在尺度域进行各尺度上的分析。

传统的旋转天线幅度测向方法受多种因素影响，测向精度和可靠性存在很大局限性。这些因素包括如旋转过程中信号电平的变化，多径传播以及同频异源信号的干扰等，同时传统方法只考虑通过信号的统计最大值、最小值(即大音点和小音点)来确定来波方向，存在较大局限性。

本发明所述多天线单元信号分析处理及测向系统在上述所述信号分析处理的基础之上，通过对多天线单元的组合运用并结合定向天线的方向性函数对信号进行尽可能准确的测向。并排除多径信号的影响，获取直达信号的方位，其中一种主要的方法是基于幅度方向性函数叠加模型回归分析的幅度测向方法，其中，回归分析为数值分析的最优化方法的一种，在此也可以采用最小二乘法等数值分析方法。

根据前述信号f₁(t)、f₂(t)传播模型，保持辅助旋转天线固定指向一定的角度，并大致指向可能的来波方向，而主旋转天线从某个角度θ＝θ₀开始以一定的角速率ω′旋转。设主旋转天线的幅度方向性函数为

考虑主旋转天线每秒旋转一周的情况，若短时傅立叶变换的时间窗口选为1ms，则时间窗口内天线转过的角度为0.36°，对于一般的方向性函数，这个过程中可以看作一个常数，当然也可以通过减慢主旋转天线的转速或缩短时间窗口来更好地满足这一条件。若将时间窗口内

视为一个常数，则某时间窗口内主旋转天线测得信号的短时傅立叶频谱G₁(jw，t，τ)可以近似表示为：

其在某点w₀处频谱值可表示为

而辅助旋转天线测得信号的短时频谱在w₀处频谱值仍可表示为：

G₂(jw₀，t，τ)＝F₁(jw₀，t，τ)M′(w₀)+F₂(jw₀，t，τ)N′(w₀)

仍然考虑时间窗口内两副天线所测信号短时频谱在w₀处单频点频谱比值：

$D({\mathrm{jw}}_0,t,\mathrm{\τ})=\frac{\left|G_1({\mathrm{jw}}_0,t,\mathrm{\τ})\right|}{\left|G_2({\mathrm{jw}}_0,t,\mathrm{\τ})\right|}$

这个比值也可以用对数差值来表示。这里比值D(jw₀，t，τ)的有效程度由G₂(jw₀，t，τ)决定，实际运用中可设定，若G₂(jw₀，t，τ)小于常数α₃，则认为该比值无有效性。该常数α₃的确定方式并不唯一，可以根据实际测量环境选择，如可以为大于背景噪声2～5db的数值，或者为该频点信号频谱统计平均值的1/4等。

若空间中不存在同频异源信号，即f₂(t)也为f₁(t)的多径信号或f₂(t)＝0，在此均简化为f₂(t)＝0。则加权叠加模型为：

这里每一个来波方向的信号有三个参数：幅度系数K_1i、来波方位θ_1i和延迟时间T_1i，其中，幅度系数K_1i可能已经不再反映空间中信号原来的相对幅度，而是在下变频过程中乘上了一些不同的系数。通过建立模型，可以利用数值分析的最优化分析方法求出针对所测数据的最优解。例如，可以使用非线性最优化数值分析方法根据上述模型对测得的实际数据进行回归分析，从而得到精确的解向量，在此也可以用一些其它类型的数值方法来求得最优解。将主旋转天线旋转一周，就可以测得各个方向上D(jw₀，t，τ)的一组数据，例如以1ms为一个时间窗口，1s旋转一周将测得大约1000个数据。根据前面信号分析的结果可知，当不存在同频干扰并且信号传播路径稳定时，由主旋转天线旋转测得的D(jw₀，t，τ)数据在角度上将以2π为周期，实际上可以多旋转几周，然后选取其中有效性指标较高的数据构成各个方位角对应的比值数据曲线。通过对所述数据曲线的分析，可以估计来波方向数，以及每个方向来波相应的幅度、方位和时间延迟。例如，由方向性较强的主旋转天线旋转一周测得的数据可以估计出各来波方向信号的包络位置和幅度，对于延时一般在一定范围内任意取估值，而幅度最大路径的延时可以取为0。将估计的来波方向数作为模型的维数(即来波方向数)，将估计的各参数值作为初值代入模型进行最优化运算，如采用matlab软件中nlinfit()函数所描述的非线性拟合算法进行最优化运算，就可以得到最优解以及最优解下的误差值。如果误差值较大，可以增加模型的维数进一步优化，一般方法是将原始数据减去低维模型的估算值，然后利用差值估计新的可能的来波信号。在这种情况下，根据来波信号最优解结果随时间的变化，也可以判断信号源是否是移动源。需要强调一点，对于上述模型求解的延迟时间T_1i具有一定的不确定性，其取值以2π/ω₀为周期，当ω₀较小时，可以根据T_1i的取值范围排除周期性造成的模糊，这也是信号基带处理的一个好处。

当我们获得了各个来波方向的来波方位θ_1i和延迟时间T_1i后，可以实现单站定位的功能。其原理简述如下：假定发射源位置为A，本系统所在位置为B，一个只有一次反射的多径信号其发射点位置为C，AB与BC夹角为Δθ，Δθ已测得，则

而|AC|+|BC|-|AB|＝cΔT，其中c为光速，ΔT为BC与AB方向的时延差，ΔT也可由前面求解结果计算得到，所以如果能测量得到|BC|的值，就可以得到|AB|的值，而AB的方位角已知，这样就定出了发射源A的位置。关于|BC|的测量可以测量与BC方向相交的反射物的位置，可通过视距测量等物理测距方式实现。

在没有同频干扰的情况下，由于多径信号的影响，由主旋转天线匀速旋转测得的D(jw₀，t，τ)可能出现一些高频的快速波动，影响了D(jw₀，t，τ)曲线的光滑性，同时也可能对回归分析造成影响。由于标准方向图曲线及其多径叠加曲线的傅立叶变换主值范围都是有限的，因此可以对D(jw₀，t，τ)数据进行滤波，滤除那些多余的分量(一般是高频分量)得到较为光滑的曲线，然后再进行回归分析。

同频干扰存在时，可以通过频域、空域和时域综合选取的方法来获取对其中一个信号源测向所需的数据。这类数据的特征是比较平滑，符合标准方向图曲线及其多径叠加曲线的特征，并且回归分析得到的误差较小、模型吻合度高。如果得到的一组数据(不一定是一个完整的周期)符合上述特征就可以称为一次符合检测。当同频干扰存在时，两个信号源的频谱会发生交叠，但是有可能只是部分交叠，通过前面的信号分析，我们可以找出各自未交叠的部分，并从中选取频点来进行测向。如果频域选取难以达到较好的效果，我们可以考虑利用两副定向天线进行空域选取，即将辅助旋转天线指向其中一个信号源，而尽量避开另一个信号源的来波。如果频域、空域选取的方法都没有达到预期效果，我们可以综合采用频域、空域和时域选取的方法。即按前述方法将辅助旋转天线指向一个较合适的位置或采用全向天线，匀速多次重复旋转主旋转天线，对各个频点w_i测出的D(jw_i，t，τ)曲线进行选取，若某段时间内同频信号的某一频率分量消失或极小时，就可能得到符合测向要求的D(jw，t，τ)曲线数据。其中频域分析方法也可以用小波变换等方法代替。

同频异源信号存在但是信号较小时，同样可以考虑对D(jw₀，t，τ)数据进行滤波，滤除那些高频的分量得到较为光滑的曲线，然后再进行回归分析。而对于该同频异源的干扰信号，可将D(jw_i，t，τ)曲线波动最大的方向(幅度谱比值瞬时改变量最大的点所对应的方位角)作为最大可能来波方向。

本发明的优选实施例之一：

本实施例中，主要通过定向天线和全向天线的组合运用进行信号分析与信号源测向。如图3所示，第一天线1可采用不同形状的方向性天线，但应该轻便易携带。双股电缆14用于传送两路不同的天线信号。防耦合支架16用于保持两副天线在不同的水平面上、并使二者之间保持一定的距离，防止天线接收信号时相互影响。当然，天线单元1的设计也可以用其他方式，例如定向天线采用复合环天线时，可以将复合环天线中校准天线的输出同时作为一路全向天线的输出。图3中的把手13便于手持测向，支架15用于安装定向天线11。防耦合支架16也可以一定弧度向后弯曲，并且有较大的高度，使得使用者手持该设备时，全向天线12竖直位于使用者的头顶上方。

下面对该系统的使用做一简单说明。由手持式测向装置旋转测量结果筛选出可能的信号来波方向，将定向天线依次指向这些方向。然后，根据定向天线与全向天线所测得的信号在各个频点短时频谱比值随时间的稳定性分析是否存在同频异源信号。当定向天线在某来波方向接收到信号相对很小，从而使上述比值变化不显著且易出现系统偏差时，可以对定向天线接收通路加固定的增益，或者在取比值前乘以固定倍数以使D(jw₀，t，τ)变化相对显著。若随时间出现较大的持续快速波动，则认为存在较大的同频异源信号；若随时间出现波动很小，且当加大时间窗口宽度时该波动变小，则说明该方向不存在同频异源信号或者同频异源信号很小；若大部分时间指标波动平缓，只在某些时刻出现较大的跳变，则可能该信号源是移动源。

图4、图5是一次实验的结果图。实验中，采用了三路频率调制的实际语音信号，这三路语音信号都是不相同的，其中一路调制在一个较低的频段，在其通带内只有多径信号的干扰存在，另外两路信号调制在同一个较高的频段，相互构成同频干扰。其中定向天线的方向图采用了标准的心形图，方向性函数为f(θ)＝k₀+k₁cos(θ)，其中，k₀、k₁均为常数，多径反射系数典型值为0.5，多径信号到达方向与直达信号到达方向夹角典型值为45度。图4所示为两个频段内各个频点短时频谱比值D(jw，t，τ)在一段时间内随时间变化的最大、最小值，最大值如实线所示，最小值如虚线所示。其中，一些频谱幅值较小的频点其短时频谱比值D(jw，t，τ)直接赋成了零值。图5中*号线所示为较低频段内某频点处短时频谱比值D(jw，t，τ)随时间变化的情况，该频点由于只受到多径干扰的影响，指标波动较平缓；图5中实线所示为较高频段内某频点处短时频谱比值D(jw，t，τ)随时间变化的情况，该频点由于只存在同频干扰，指标波动较剧烈。

对各个可能来波方向逐一进行判别都没有发现同频异源信号时，可判断空间中此处无同频异源信号或同频异源的干扰信号极小。

若空间中不存在同频异源信号，或者同频异源信号很小，由前文所做分析，在频带内w₀频点处有：

当其中全向天线测的信号在w₀频点处幅度为零或很小时，该比值失去有效性，应该给出信号弱的警示标志。由于一般在对天线信号下变频为基带信号后再做处理，w₀值一般很小，而在手持式测向设备应用下，相对幅度较大的多径信号时延一般也很小，所以

可以近似取为1。则：

此时，如图6和7所示，在匀速旋转情况下，D(jw₀，t，τ)曲线可视为标准方向性函数以不同幅度系数、不同角度偏移和相同的角度伸缩系数叠加而成，这种情况下，可以比较容易的获得D(jw₀，t，τ)数据与天线角度的对应关系。在非匀速旋转情况下，若方向性函数取为f(θ)＝k₀+k₁cos(θ)，叠加结果可表示为|k′₀+k′₁cos(θ-θ₀)|，可以还原为余弦形式，其中，k′₀、k′₁均为常数。此时可以利用余弦函数幅度与角度的对应关系，得到每一个D(jw₀，t_i，τ)相应的天线角度θ_i，即D(jw₀，t，τ)曲线的幅值与余弦函数幅值相同的点对应的天线角度应为余弦函数在该点处的角度值，从而仍然可以通过模型的回归分析获得各个来波方向信号的精确解。

本发明的优选实施例之二

一般的旋转天线幅度测向受多种因素如旋转过程中信号电平的变化，多径信号和同频异源信号的干扰等影响，并且只考虑信号的统计最大或最小值(即大音点和小音点)来确定来波方向，存在较大局限性。

本实施例中，主旋转天线随时间旋转，辅助旋转天线(基本对准来波方向)或全向天线固定不动，同步纪录各天线测得的信号电平及主旋转天线的角度位置。

在单信号(无多径信号影响)条件下，各个时间窗口内两副天线所测信号短时频谱在频点w₀处单频点频谱比值D(jw₀，t_i，τ)与主旋转天线的角度位置θ_i理论上构成主旋转天线的方向图。在多径信号存在而同频异源信号不存在的条件下，上述运算结果可以认为是多个方向图的加权叠加。通过建立模型，并利用最优化方法对模型进行回归分析，可以获得各个来波方向信号的精确解。

当同频干扰存在时，可以通过频域、空域和时域综合选取的方法来获取对其中一个信号源测向所需的数据。

本发明的优选实施例之三

在单信号(或多径信号影响很小)条件下，也可以通过全向天线和两副定向天线的固定运用来测定来波方向，将两副定向天线大致对准来波方向，两定向天线之间张开一定角度。通过事先标定，当定向天线对准来波方向时，定向天线与全向天线同步所测信号短时频谱在频点w₀处频谱比值为D，当信号来波偏离定向天线正向角度θ时，比值为

其中，

为方向性函数，且

考虑到的对称性，根据两副定向天线与全向天线同步测得信号短时频谱在w₀处频谱比值可唯一确定来波方向。这种应用适于单一小信号及瞬发信号。

Claims (12)

1.一种多天线单元信号分析处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，采用第一天线和第二天线同步接收信号，至少第一天线为定向天线，两副天线具有不同的方向性；

步骤2，对第一天线和第二天线同步接收到的信号分别进行在一定长度时间窗口内的短时统计分析，得到二者的短时统计分析值在相应分析域的一分析点处的比值，其中，所述时间窗口的长度可调节，且大于所有信号的最长多径时延；

步骤3，根据所述比值的变化特征确定信号的组成和/或干扰强度。

2.根据权利要求1所述的多天线单元信号分析处理方法，其特征在于，步骤3中确定信号组成的方法为，如果所述比值随时间基本不变化，则在所述分析点上只存在一个信号源，所述信号为信号源的直达信号和多径信号，或者仅为信号源的直达信号；如果所述比值随时间快速变化和/或所述比值对于时间窗口长度基本无敏感性，则在所述分析点上存在同频异源信号；和/或者，如果所述比值随时间发生阶跃性跳变，则信号源为移动源或者多个单工通信的相异信号源。

3.根据权利要求1所述的多天线单元信号分析处理方法，其特征在于，在步骤3中，根据表征信号波动大小的统计值σ²测定信号所受干扰的强度，σ²的计算方式为：

其中，

D(δ，t_j，τ)为根据步骤2在第j个时间窗口在一分析点δ处计算的比值；j为自然数，1≤j≤M，M为大于1的自然数；当统计值大于常数C₁时，则所述信号必定存在同频异源信号。

4.一种多天线单元信号测向方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，采用第一和第二天线同步接收信号，其中，第一天线为可旋转的定向天线，所述第一天线的指向可相对独立调整，第二天线为全向天线或者指向固定的定向天线，在接收信号时，使第一天线旋转；

步骤2，对第一和第二天线同步接收到的信号同步进行在一定长度时间窗口内的短时统计分析，得到二者的短时统计分析值在分析域的一分析点处的比值，其中，所述时间窗口的长度大于所有多径信号的最长时延；

步骤3，确定比值与方位角的对应关系，并据此得到比值关于方位角的数据曲线。

5.根据权利要求4所述的多天线单元信号测向方法，其特征在于，还包括如下的步骤4：

步骤4，根据所述数据曲线估计可能的来波方向数，以及各来波方向信号参数，并将确定的各值作为初值，利用第一天线的方向性函数的加权叠加模型对测得的数据曲线利用数值分析的最优化方法求解，得到来波方向数和各来波方向信号参数的最佳优化值。

6.根据权利要求4或5所述的多天线单元信号测向方法，其特征在于，在步骤3中，首先根据第二天线接收到的信号的短时统计分析值测定所述比值的有效性，若第二天线接收到的信号的短时统计分析值小于常数α₃，则所述比值无有效性；然后，根据有效性的大小，从多次周期扫描所得到的对应同一方位角的各比值数据中，选择有效性最强的数据构成比值关于方位角的数据曲线。

7.根据权利要求4或5所述的多天线单元信号测向方法，其特征在于，所述第一天线采用k₀+k₁cos(θ)形式的方向性函数，其中，k₀、k₁均为常数，θ为方位角；在步骤3中，先将所述数据曲线还原为余弦函数形式，再根据余弦函数幅度与角度的对应关系得到与每一个幅度谱比值相对应的天线角度。

8.根据权利要求5所述的多天线单元信号测向方法，其特征在于，在步骤4中先对所述比值数据曲线进行滤波再估计可能的来波方向数，以及各来波方向信号参数。

9.一种多天线单元信号分析处理、测向系统，包括天线单元、接收单元、数据处理单元和显示单元，其特征在于：所述天线单元包括至少二副天线，所有天线中至少有一副是定向天线，各定向天线的指向可相对独立调整；所述天线各自测得的信号均通过所述接收单元输入至数据处理单元中进行同步分析处理，所述数据处理单元对定向天线和另一天线同步接收到的信号同步进行在一定长度时间窗口内的短时统计分析，得到二者的短时统计分析值在相应分析域的一分析点处的比值，其中，所述时间窗口的长度大于所有信号的最长多径时延；所述数据处理单元分析处理的结果输入至显示单元进行输出显示。

10.根据权利要求9所述的多天线单元信号分析处理、测向系统，其特征在于：所述天线单元包括由一副定向天线和一副全向天线构成的双天线组合。

11.根据权利要求9所述的多天线单元信号分分析处理、测向系统，其特征在于，所述时间窗口的长度大于4微秒。

12.根据权利要求9、10或11所述的多天线单元信号分析处理、测向系统，其特征在于，所述接收单元还包括混频电路和受控于所述数据处理单元的锁相环路，输入至接收单元的各信号先输入至所述混频电路进行逐级下变频，形成与各自相对应的基带信号，各基带信号再输入至数据处理单元进行短时统计分析；所述数据处理单元在开始进行短时统计分析时，向所述接收单元发出本振信号相位锁定信号，停止锁相环路对信号频率相位的跟踪捕获过程，以保持对各信号进行下变频的本振信号的频率和相位不变。

Images