國防科技大學(xué)劉振團(tuán)隊(duì)：基于均勻圓陣的近場源定位技術(shù)研究進(jìn)展 | 《電子與信息學(xué)報(bào)》佳文速遞

研究背景

陣列信號(hào)處理在通信、聲吶和雷達(dá)等領(lǐng)域的電子偵察環(huán)節(jié)中發(fā)揮著非常重要的作用。如圖1所示，空間中的輻射源按照與接收陣列距離分為遠(yuǎn)場源和近場源。遠(yuǎn)場源近似為平面波，對遠(yuǎn)場源定位只需要對波達(dá)方向進(jìn)行估計(jì)；而近場源處于陣列的菲涅耳區(qū)，對近場源定位除了需要對波達(dá)方向進(jìn)行估計(jì)，還需要對距離參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。在信號(hào)形式上，相較于窄帶信號(hào)，寬帶信號(hào)更有利于目標(biāo)檢測、參量估計(jì)和目標(biāo)特征提取。線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulated, LFM)信號(hào)是一種典型的寬帶信號(hào)，具備較強(qiáng)的抗多徑效應(yīng)、抗頻譜彌散和抗干擾等特性。

圖1 遠(yuǎn)場信源和近場信源傳播示意圖

在陣列結(jié)構(gòu)上，均勻線陣的分辨力主要集中在法線方向，當(dāng)波達(dá)方向?yàn)椤?0°時(shí)，分辨力會(huì)下降一半。均勻圓陣下近場源定位場景如圖2所示，相較于均勻線陣只能對一維DOA進(jìn)行估計(jì)，均勻圓陣可以實(shí)現(xiàn)方位角和俯仰角等二維DOA估計(jì)，并且在不同方位角的分辨率具有各向同性。

圖2 均勻圓陣下近場源定位場景示意圖

近日，國防科技大學(xué)劉振教授團(tuán)隊(duì)在《電子與信息學(xué)報(bào)》發(fā)表最新綜述文章：《基于均勻圓陣的近場源定位技術(shù)研究進(jìn)展》點(diǎn)擊閱讀原文，從旋轉(zhuǎn)短基線和多子陣結(jié)果聚類等方面介紹了近場源定位解模糊方法，從時(shí)域、頻域、分?jǐn)?shù)階傅里葉域等方面闡述了近場LFM信號(hào)的三維位置參數(shù)估計(jì)方法。

基于均勻圓陣的近場源定位解模糊方法

針對陣列的孔徑大于輻射源的半波長，相位模糊會(huì)導(dǎo)致輻射源位置參數(shù)估計(jì)算法失效的問題，作者團(tuán)隊(duì)提出了基于旋轉(zhuǎn)短基線的解模糊方法。此外，為了同時(shí)解決定頻和調(diào)頻近場源定位的問題，作者團(tuán)隊(duì)提出了基于模糊度搜索下多子陣結(jié)果聚類的解模糊方法。

1. 基于旋轉(zhuǎn)短基線的解模糊方法

針對近場源定位，作者團(tuán)隊(duì)提出一種利用旋轉(zhuǎn)均勻圓陣形成虛擬短基線的解模糊方法，流程圖如圖3所示。相比于基于MUSIC算法下的旋轉(zhuǎn)解模糊方法，利用相位差解模糊方法的計(jì)算復(fù)雜度更小，但是需要接收旋轉(zhuǎn)前后兩組數(shù)據(jù)，因此只適用于頻率不變的定頻近場源的參數(shù)估計(jì)。

圖3基于旋轉(zhuǎn)短基線的解模糊方法流程圖

2. 基于多子陣結(jié)果聚類的解模糊方法

為了解決旋轉(zhuǎn)短基線方法只適用于定頻近場源參數(shù)軌跡場景，作者團(tuán)隊(duì)提出了一種基于模糊度搜索下多子陣結(jié)果聚類的解模糊方法，流程圖如圖4所示。該方法能夠同時(shí)解決定頻和調(diào)頻近場源定位場景。基于模糊度搜索下多子陣結(jié)果聚類解模糊算法能夠解模糊的范圍廣，并且計(jì)算復(fù)雜度較小，估計(jì)的性能較好。

圖4 基于多子陣結(jié)果聚類的解模糊方法流程圖

基于均勻圓陣的近場LFM信號(hào)定位方法

在綜合現(xiàn)有的寬帶和窄帶下近場源參數(shù)估計(jì)算法的基礎(chǔ)之上，作者團(tuán)隊(duì)從時(shí)域、頻域、分?jǐn)?shù)階傅里葉域?qū)⒕鶆驁A陣下的寬帶LFM信號(hào)進(jìn)行窄帶化處理，通過多種方式提取窄帶化模型下的相位信息，結(jié)合相位差反演參數(shù)估計(jì)算法，提出了基于聚焦變換的近場LFM信號(hào)定位方法、基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的近場LFM信號(hào)定位方法、以及基于時(shí)延的近場LFM信號(hào)定位方法。

1. 基于聚焦變換的近場LFM信號(hào)定位方法

傳統(tǒng)的基于聚焦變換的寬帶信號(hào)參數(shù)估計(jì)算法在獲得聚焦協(xié)方差矩陣后均采用基于譜峰搜索的MUSIC算法估計(jì)得到輻射源信號(hào)的參數(shù)信息，如果延用3D-MUSIC算法，計(jì)算復(fù)雜度將成倍增加。相較而言，基于相位差反演的近場LFM信號(hào)三維位置參數(shù)估計(jì)方法具有在計(jì)算復(fù)雜度和估計(jì)精度上的優(yōu)勢。因此，將聚焦協(xié)方差矩陣和相位差反演參數(shù)估計(jì)算法結(jié)合起來，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的近場LFM信號(hào)參數(shù)估計(jì)。瞄準(zhǔn)非相干寬帶近場LFM信號(hào)的三維位置參數(shù)估計(jì)問題，作者團(tuán)隊(duì)在雙邊相干變換算法的基礎(chǔ)之上對其加以改進(jìn)，提出了基于聚焦變換的近場LFM信號(hào)定位方法，流程圖如圖5所示。該方法無需LFM信號(hào)位置參數(shù)的先驗(yàn)信息，突出算法對寬帶近場LFM信號(hào)參數(shù)估計(jì)的精準(zhǔn)性和實(shí)時(shí)有效性。

圖5 基于聚焦變換的寬帶近場LFM信號(hào)定位方法流程圖

2.?基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的近場LFM信號(hào)定位方法

針對非相干的寬帶近場LFM信號(hào)，利用其在分?jǐn)?shù)階傅里葉域的能量聚焦性，作者團(tuán)隊(duì)提出了基于FRFT的近場LFM信號(hào)定位方法，流程圖如圖6所示。相對于傳統(tǒng)的譜估計(jì)方法，計(jì)算復(fù)雜度得到了極大的降低，但分?jǐn)?shù)階傅里葉域峰值點(diǎn)搜索需要消耗一定的時(shí)間，對單個(gè)LFM信號(hào)位置估計(jì)的計(jì)算效率低于基于聚焦變換的方法，但針對多個(gè)非相干的寬帶LFM信號(hào)，該方法無需采用帶通濾波器對LFM信號(hào)進(jìn)行分離，降低了硬件成本。

圖6 基于FRFT的寬帶近場LFM信號(hào)定位方法流程圖

為了驗(yàn)證解模糊的有效性，將基于FRFT算法的三維位置參數(shù)估計(jì)的RMSE與基于聚焦變換(FOcus SHift, FOSH)算法以及基于FRFT結(jié)合三維MUSIC方法(FRFT-3DMUSIC)進(jìn)行了對比。從圖7可以看出，基于FRFT結(jié)合三維MUSIC算法的無模糊估計(jì)范圍比相位差反演參數(shù)估計(jì)算法更廣，能夠?qū)崿F(xiàn)對超過無模糊估計(jì)閾值頻率的LFM信號(hào)的精確參數(shù)估計(jì)。此外，基于聚焦變換和基于FRFT定位算法對超過無模糊估計(jì)閾值頻率的LFM信號(hào)進(jìn)行三維位置參數(shù)估計(jì)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)相位模糊的情況，導(dǎo)致算法失效。在采用解模糊算法后，基于FRFT的算法和基于聚焦變換的算法均能實(shí)現(xiàn)對LFM信號(hào)三維位置參數(shù)的無模糊估計(jì)，從而證明了算法采用解模糊方法后對超過無模糊估計(jì)閾值頻率的LFM信號(hào)進(jìn)行定位的有效性。

圖7 近場LFM信號(hào)三維位置參數(shù)估計(jì)的RMSE

3.?基于時(shí)延的近場LFM信號(hào)定位方法

針對非相干寬帶近場LFM信號(hào)的高頻段大帶寬的定位問題，作者團(tuán)隊(duì)結(jié)合“去斜”的基本原理，提出了基于時(shí)延的寬帶近場源定位方法，流程圖如圖8所示。該算法直接在時(shí)域?qū)FM信號(hào)進(jìn)行時(shí)延混頻處理，通過提取類窄帶信號(hào)模型下頻域輸出的峰值實(shí)現(xiàn)對非相干LFM信號(hào)的分離，同時(shí)利用峰值相位構(gòu)建相鄰陣元相位差矩陣建立與相位差反演參數(shù)估計(jì)算法的聯(lián)系，得到LFM信號(hào)三維位置參數(shù)的估計(jì)值。

圖8 基于時(shí)延的寬帶近場源定位方法流程圖

基于均勻圓陣的近場LFM信號(hào)定位算法單次運(yùn)行的時(shí)間的如表1所示，可以看出，基于時(shí)延的算法耗時(shí)最少，基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換算法和ISSM-3DMUSIC算法的計(jì)算復(fù)雜度相對較大。

表1?單次運(yùn)行平均時(shí)間對比

總結(jié)與展望

本文主要圍繞均勻圓陣下的近場源的三維位置參數(shù)估計(jì)展開研究，具有一定的理論和應(yīng)用價(jià)值。為了進(jìn)一步完善陣列信號(hào)處理的理論體系，從以下兩個(gè)方面對下一步工作進(jìn)行展望：

（1）多徑效應(yīng)等因素會(huì)產(chǎn)生完全相干或部分相干的輻射源信號(hào)同時(shí)入射到陣元的情形，需要考慮能夠估計(jì)相干輻射源位置參數(shù)的算法。

（2）入射到陣元的寬帶輻射源信號(hào)并非只處于陣列的近場菲涅爾區(qū)，可能存在近場和遠(yuǎn)場輻射源同時(shí)存在的情形，此時(shí)需要算法能夠?qū)h(yuǎn)場混合輻射源進(jìn)行分類識(shí)別并估計(jì)出相應(yīng)的位置參數(shù)。

團(tuán)隊(duì)介紹

劉振

國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)識(shí)別與對抗，陣列信號(hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)。

陳鑫

航天飛行器生存技術(shù)與效能評估實(shí)驗(yàn)室助理研究員，主要研究方向?yàn)殛嚵行盘?hào)處理和無源定位.

蘇曉龍

國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院在讀博士生，主要研究方向?yàn)殛嚵行盘?hào)處理和深度學(xué)習(xí)。

戶盼鶴

國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、陣列信號(hào)處理和深度學(xué)習(xí)。

劉天鵬

國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院副研究員，主要研究方向是雷達(dá)信號(hào)處理、電子對抗和交叉眼干擾。

彭勃

國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院副研究員，主要研究方向是信號(hào)處理、微多普勒特性分析和模式識(shí)別。

劉永祥

國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院教授，主要研究方向是雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別、雷達(dá)微動(dòng)特性、陣列信號(hào)處理。

美編 | 趙 唯、陳 倩

聲明

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