基于阵列天线的无人机跳频遥控信号侦收方法与设备技术

本发明专利技术涉及基于阵列天线的无人机跳频遥控信号侦收方法与设备，属于反无人机技术领域，将无人机跳频遥控信号的时域接收信号变换到时频域来丰富信号特征，然后根据信号的空域特征将将所有时频点进行分类，得到每个时频域信号的单源点集合，并利用单源点集合估计时频域信号的期望信号延迟矢量，并构造干扰加噪声协方差矩阵。最后，根据求得的期望信号导向矢量和干扰加噪声协方差矩阵进行跳频信号波束形成，有效实现对遥控信号的空域滤波，提高信噪比，更有利于后续的特征提取和目标识别。

【技术实现步骤摘要】
基于阵列天线的无人机跳频遥控信号侦收方法与设备
本专利技术属于反无人机
，具体涉及基于阵列天线的无人机跳频遥控信号侦收方法与设备。
技术介绍
反无人机技术包括对无人机的侦察和对无人机操作者(即“黑手”)的侦察，其中，对“黑手”的侦察更为有效和直接，对“黑手”的侦察也就是对无人机调频遥控信号(简称遥控信号)的侦察，包括测向定位和信号侦收两个方面，一方面，通过测向定位能够发现“黑手”位置，从而对其进行逮捕；另一方面，利用信号侦收可以提取遥控信号的特征和规律，从而对“黑手”进行识别并对无人机发射欺骗信号，诱导其直接降落。通常“黑手”会隐匿在偏远的区域，导致侦收设备接收到的遥控信号比较微弱，需要对遥控信号进行增强。此外，在遥控信号所处的频段还包含了WIFI等干扰信号，需要对这些干扰信号进行抑制。波束形成技术是信号增强方面有着先天的优势，它可以在增强期望信号的同时抑制干扰信号，但常规的波束形成算法需要准确已知期望信号导向矢量和协方差矩阵，在实际中这是很难满足的，导致波束形成的性能急剧下降甚至失效。现有技术中，公布号为CN107167778A的中国专利申请提出的“一种基于协方差矩阵重构和导向矢量估计的稳健波束形成方法”能够很好地解决这些问题，但它要求阵列流型准确已知，且不能直接应用于跳频遥控信号，且通过接收的遥控信号通常存在角度误差和位置误差，因此，在信号角度误差和阵元位置误差条件下上述方法无法实现遥控信号的增强和WIFI等干扰信号的抑制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供基于阵列天线的无人机跳频遥控信号侦收方法与设备，用于解决现有的无人机跳频遥控信号侦收方法在信号入射角度测量不准确且存在阵元位置误差的条件下，无法实现遥控信号的有效侦收问题。为解决上述技术问题，本专利技术提出基于阵列天线的无人机跳频遥控信号侦收方法，包括以下步骤：1)利用阵列天线接收无人机跳频遥控信号，将无人机跳频遥控信号进行时频变换，得到无人机跳频遥控信号的时频域信号，求取每个时频点上的空时频分布矩阵；2)获取所述空时频分布矩阵的主特征矢量，根据该主特征矢量得到所述时频域信号的无延迟导向矢量；根据该无延迟导向矢量的相位构造所述时频域信号的延迟矢量；3)根据接收无人机跳频遥控信号的入射角度和阵元位置求取无延迟导向矢量的预设值，并结合所述时频域信号的无延迟导向矢量，将所有时频点进行分类，划分成期望信号时频点和干扰信号时频点；对期望信号时频点和干扰信号时频点分别进行单源点提取，对单源点分类得到期望信号时频点的单源点集合；4)利用单源点集合和所述时频域信号的延迟矢量，计算时频域信号的期望信号延迟矢量，进而求解时频域信号的期望信号导向矢量，结合根据期望信号导向矢量构造的干扰加噪声协方差矩阵，采用波束形成算法接收的无人机跳频遥控信号进行空域滤波。为解决上述技术问题，本专利技术还提出基于阵列天线的无人机跳频遥控信号侦收设备，包括处理器，该处理器用于执行计算机程序以实现以上步骤1)-步骤4)。本专利技术将无人机跳频遥控信号的时域接收信号变换到时频域来丰富信号特征，然后根据信号的空域特征将将所有时频点进行分类，得到每个时频域信号的单源点集合，并利用单源点集合估计时频域信号的期望信号延迟矢量，并构造干扰加噪声协方差矩阵。最后，根据求得的期望信号导向矢量和干扰加噪声协方差矩阵进行跳频信号波束形成，有效实现对遥控信号的空域滤波，提高信噪比，更有利于后续的特征提取和目标识别。为实现骤3)中所有时频点的分类，给出如下分类计算公式：式中，为所述无延迟导向矢量的预设值，为无人机跳频遥控信号的入射角度，为阵元位置，f为频率，c为光速，M为阵元数，T表示求转置，H表示求共轭转置，为所述时频域信号的无延迟导向矢量，ε1为设定阈值，||·||表示求范数。为实现步骤3)中进行单源点的识别和提取，给出如下单源点识别和提取的公式：式中，Dxx(t,f)为所述空时频分布矩阵，λi{Dxx(t,f)}为所述空时频分布矩阵的特征值，λmax{Dxx(t,f)}为所述空时频分布矩阵的最大特征值，M为阵元数，ε2为设定阈值，|·|表示求绝对值。为求取时频域信号的期望信号延迟矢量，步骤3)中时频域信号的单源点集合是通过k均值聚类方法对单源点分类得到的。步骤4)中进行波束形成得到无人机跳频遥控信号的加权系数，利用该加权系数对无人机跳频遥控信号进行加权，实现无人机跳频遥控信号的空域滤波。上述无人机跳频遥控信号的加权系数的计算式如下：式中，wopt为无人机跳频遥控信号的加权系数，为干扰加噪声协方差矩阵，C为约束矩阵，h为响应矢量，H表示求共轭转置。附图说明图1是本专利技术的基于阵列天线的无人机跳频遥控信号侦收方法流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的说明。侦收方法实施例：本实施例的基于阵列天线的无人机跳频遥控信号侦收方法如图1所示，包括以下步骤：1)利用阵列天线接收无人机跳频遥控信号，包括接收信号x(t)和无延迟接收信号其中无延迟接收信号为第一列阵元的接收信号，将无人机跳频遥控信号进行高分辨率的非线性时频变换，将无延迟接收信号变换到时频域，得到无人机跳频遥控信号的时频域信号，求取每个时频点上的空时频分布矩阵公式如下：式中，为无人机跳频遥控信号的时频域信号(简称时频域信号)，φ(j,l)为核函数，可选为矩形窗、三角窗等形式，j、l表示时间的索引，H表示求共轭转置。在单源点(tas,fas)上，空时频分布矩阵的能量仅有一个信号产生，因此，单源点上的空时频分布矩阵是秩为1的矩阵，满足下式：式中，为阵列入射信号sk在tas和fas上的时频变换，为在单源点(tas,fas)上时频域信号的无延迟导向矢量。2)获取空时频分布矩阵的主特征矢量，根据该主特征矢量得到时频域信号的无延迟导向矢量；根据该无延迟导向矢量的相位构造时频域信号的延迟矢量。具体的，时频域信号在不同频率点的无延迟导向矢量可通过下式求得：式中，uP(tas,fas)为的主特征矢量，uP(tas,fas,1)表示uP(tas,fas)的第一个元素。进一步，时频域信号的延迟矢量为：式中，τk(tas,fas)为单源点(tas,fas)上时频域信号的延迟矢量，angle()表示求取相位。3)根据接收无人机跳频遥控信号的入射角度和阵元位置求取无延迟导向矢量的预设值，并结合所述时频域信号的预设无延迟导向矢量，将所有时频点进行分类，划分成期望信号时频点和干扰信号时频点。其中，将所有时频点进行分类的公式如下：式中，为无延迟导向矢量的预设值(虽然有一定的偏差，但相比与干扰信号和噪声，期望信号的导向矢量仍与更为接近)，为无人机跳频遥控信号的入射角度，为阵元位置(和均为已知的测量量，且存在误差)，f为频率，c为光速，M为阵元数，T表示求转置，H表示求共轭转置，为时频域信号的无延迟导向矢量，ε1为设定阈值(该阈值小于1，通常取ε1＝0.8)，||·||表示求范数。利用上式可将所有的时频点分成两类：期望信号时频点和干扰信号时频点(包括干扰信号和/或噪声的时频点)。对期望信号时频点和干扰信号时频点分别进行单源点提取，进行单源点提取的公式如下：式中，Dxx(t,f)为空时频分布矩阵，λi{Dxx(t,f)}为所述空时频分布矩阵的特征值，λmax{Dxx(t,f)}本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于阵列天线的无人机跳频遥控信号侦收方法，其特征在于，包括以下步骤：1)利用阵列天线接收无人机跳频遥控信号，将无人机跳频遥控信号进行时频变换，得到无人机跳频遥控信号的时频域信号，求取每个时频点上的空时频分布矩阵；2)获取所述空时频分布矩阵的主特征矢量，根据该主特征矢量得到所述时频域信号的无延迟导向矢量；根据该无延迟导向矢量的相位构造所述时频域信号的延迟矢量；3)根据接收无人机跳频遥控信号的入射角度和阵元位置求取无延迟导向矢量的预设值，并结合所述时频域信号的无延迟导向矢量，将所有时频点进行分类，划分成期望信号时频点和干扰信号时频点；对期望信号时频点和干扰信号时频点分别进行单源点提取，对单源点分类得到期望信号时频点的单源点集合；4)利用单源点集合和所述时频域信号的延迟矢量，计算时频域信号的期望信号延迟矢量，进而求解时频域信号的期望信号导向矢量，结合根据期望信号导向矢量构造的干扰加噪声协方差矩阵，采用波束形成算法接收的无人机跳频遥控信号进行空域滤波。

【技术特征摘要】
1.基于阵列天线的无人机跳频遥控信号侦收方法，其特征在于，包括以下步骤：1)利用阵列天线接收无人机跳频遥控信号，将无人机跳频遥控信号进行时频变换，得到无人机跳频遥控信号的时频域信号，求取每个时频点上的空时频分布矩阵；2)获取所述空时频分布矩阵的主特征矢量，根据该主特征矢量得到所述时频域信号的无延迟导向矢量；根据该无延迟导向矢量的相位构造所述时频域信号的延迟矢量；3)根据接收无人机跳频遥控信号的入射角度和阵元位置求取无延迟导向矢量的预设值，并结合所述时频域信号的无延迟导向矢量，将所有时频点进行分类，划分成期望信号时频点和干扰信号时频点；对期望信号时频点和干扰信号时频点分别进行单源点提取，对单源点分类得到期望信号时频点的单源点集合；4)利用单源点集合和所述时频域信号的延迟矢量，计算时频域信号的期望信号延迟矢量，进而求解时频域信号的期望信号导向矢量，结合根据期望信号导向矢量构造的干扰加噪声协方差矩阵，采用波束形成算法接收的无人机跳频遥控信号进行空域滤波。2.根据权利要求1所述的基于阵列天线的无人机跳频遥控信号侦收方法，其特征在于，步骤3)中将所有时频点进行分类的公式如下：式中，为所述无延迟导向矢量的预设值，为无人机跳频遥控信号的入射角度，为阵元位置，f为频率，c为光速，M为阵元数，T表示求转置，H表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜绍岩，杨纳川，王永华，邵佳，袁航，牛原野，张宝山，魏峰，
申请(专利权)人：河南宏泰控飞信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41