《電子技術(shù)應用》
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強干擾與通道誤差條件下弱信號DOA估計的實(shí)驗研究
電子技術(shù)應用
孫家寶1,2,施偉2,王身云1
1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院;2.國防科技大學(xué)第六十三研究所
摘要: 在實(shí)際測向系統中,當弱信號和強干擾空間臨近時(shí),空間譜測向系統僅能對強干擾進(jìn)行波達方向(Direction of Arrival,DOA)估計,弱信號DOA估計性能下降甚至失效。針對這一問(wèn)題,研究了空間譜擴展噪聲子空間算法結合通道幅相誤差校正,在強干擾抑制條件下對弱信號進(jìn)行DOA估計的方法。該方法對采樣信號的噪聲協(xié)方差進(jìn)行去加權處理,并對空間譜擴展噪聲子空間算法的空間譜導向矢量進(jìn)行修正?;谕ㄓ密浖o(wú)線(xiàn)電外設(Universal Software Radio Peripheral,USRP)和印刷偶極子線(xiàn)形天線(xiàn)陣構建實(shí)驗平臺,實(shí)驗結果證明空間譜擴展噪聲子空間算法結合改進(jìn)的通道幅相誤差校正方法,能對臨近干擾源進(jìn)行空間譜抑制的同時(shí),實(shí)現對弱信號的DOA估計。
中圖分類(lèi)號:TN97 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234805
中文引用格式: 孫家寶,施偉,王身云. 強干擾與通道誤差條件下弱信號DOA估計的實(shí)驗研究[J]. 電子技術(shù)應用,2024,50(6):101-106.
英文引用格式: Sun Jiabao,Shi Wei,Wang Shenyun. Experimental validation of spatial spectrum suppression algorithms for interference sources[J]. Application of Electronic Technique,2024,50(6):101-106.
Experimental validation of spatial spectrum suppression algorithms for interference sources
Sun Jiabao1,2,Shi Wei2,Wang Shenyun1
1.School of Electronics and Information Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology;2.The Sixty-third Research Institute, National University of Defense Technology
Abstract: In the actual direction finding system, when the weak signal and the strong interference are spatially close, the spatial spectrum direction finding system can only estimate the direction of arrival (DOA) for the strong interference, and the performance of DOA estimation for the weak signal is degraded or even invalid. To address this problem, the spatial spectrum extended noise subspace algorithm combined with channel amplitude-phase error correction is investigated for DOA estimation of weak signals under strong interference suppression conditions. The method de-weights the noise covariance of the sampled signal and corrects the spatial spectrum guidance vector of the spatial spectral expansion noise subspace algorithm. The experimental platform is constructed based on Universal Software Radio Peripheral (USRP) and printed dipole linear antenna array, and the experimental results demonstrate that the spatial spectrum extended noise subspace algorithm combined with the improved channel amplitude-phase error correction method can realize DOA estimation of weak signals while spatial spectrum suppression of neighboring interference sources.
Key words : channel amplitude-phase error;correction;extended noise subspace;universal software radio peripheral (USRP);spatial spectral direction finding

引言

在無(wú)線(xiàn)通信、雷達系統和聲納系統等領(lǐng)域中,高性能信號到達方向估計對于目標識別、干擾抑制和信號增強等任務(wù)至關(guān)重要[1]。然而,在實(shí)際環(huán)境中,天線(xiàn)陣列射頻接收前端的非理想傳輸特性將引入陣列接收通道的幅相誤差,導致實(shí)際陣列流型偏離理想陣列流型[2],若直接采用空間譜算法,DOA估計性能下降,且測角誤差明顯增加。因此,陣列通道誤差校正對空間譜DOA至關(guān)重要。在空域抗干擾需求下,對陣列通道誤差校正后進(jìn)行測向具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值[3]。

隨著(zhù)對陣列誤差研究[4]的不斷深入,通過(guò)建模將陣列誤差校正問(wèn)題轉化為參數估計問(wèn)題,這種校正方法主要分為自校正[5-7]和有源校正[8-10]兩類(lèi)。自校正方法主要是通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化實(shí)現誤差校正和方位估計,利用陣列結構和誤差矩陣的特殊形式進(jìn)行矩陣變換,需要對數據進(jìn)行二維搜索,運算量較大,實(shí)際應用有難度。有源校正是已知精確方位信息的輔助信源,通過(guò)代數方法得到通道誤差估計值,運算量小,校正效果好。對于線(xiàn)形天線(xiàn)陣,對單輔助源的校正位置無(wú)特殊要求,因此單輔助源校正便于實(shí)際應用。

針對強干擾環(huán)境下弱目標信號的DOA估計,傳統DOA估計方法如多重信號分類(lèi)法和旋轉不變子空間算法[11]等,在強干擾條件下往往無(wú)法準確估計弱信號DOA,尤其是干擾和目標信號存在同一波束內時(shí),弱目標信號可能被淹沒(méi)在強干擾的譜峰中[12]。因此,若要實(shí)現微弱信號DOA估計,就必須進(jìn)行干擾抑制。在空間譜估計領(lǐng)域,有以下處理方法:一是同時(shí)估計強、弱信號波達方向的信號分離法[13],但是需要不斷迭代去實(shí)現,存在運算量大、復雜度高難以用于實(shí)際。二是先對強干擾進(jìn)行空域抑制,然后估計弱信號到達方位角,其中為代表的特征波束法[14],在子陣上進(jìn)行波束形成,產(chǎn)生波束零陷抵消干擾,進(jìn)而估計目標信號。干擾阻塞法[15-16]通過(guò)強干擾先驗信息構建阻塞矩陣,在陣列流型中抵消干擾;擴展噪聲子空間方法通過(guò)對強干擾和噪聲構建擴展的噪聲子空間[17-18],然后進(jìn)行空間譜DOA估計。干擾阻塞法需要精確已知干擾來(lái)波方向,否則干擾阻塞矩陣有誤差,對干擾信號空間譜抑制有影響,實(shí)際應用有難度。擴展噪聲子空間算法無(wú)需干擾來(lái)波的方位信息,從矩陣特征值判斷干擾信號屬性,實(shí)際應用更為便利。但已有研究工作對上述算法多以理論仿真為主,很少構建硬件平臺進(jìn)行算法驗證。

針對上述問(wèn)題,本文研究空間譜擴展噪聲子空間(Extended Noise Subspace, ENS)算法結合改進(jìn)的通道幅相誤差校正,在強干擾抑制條件下對弱信號的空間譜估計。由于計算機模擬仿真和實(shí)際應用有差別,因此需基于硬件平臺采集數據,對干擾信號空間譜抑制算法進(jìn)行外場(chǎng)驗證。通用軟件無(wú)線(xiàn)電[19]外設具有射頻接收前端和基帶數據預處理能力,以軟件編程方式實(shí)現多種功能,為算法驗證提供了理想平臺。本文在理論仿真基礎上,以USRP、八單元均勻線(xiàn)形天線(xiàn)陣和上位機構建DOA驗證系統,在臨近干擾信號條件下,對弱目標信源進(jìn)行DOA估計。實(shí)驗表明了改進(jìn)誤差校正算法與擴展噪聲子空間算法結合,可實(shí)現臨近干擾條件下的弱信號DOA估計,具備實(shí)際應用價(jià)值。


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作者信息:

孫家寶1,2,施偉2,王身云1

(1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210044;2.國防科技大學(xué)第六十三研究所,江蘇 南京 210007)


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