基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统、装置、方法、计算机存储介质和波达信号接收模块，其中信号处理系统包括：阵列天线、电子开关阵列、信号接收机和信号处理装置；阵列天线包括第一天线阵元至第L天线阵元，以及参考天线阵元；信号接收机包括第一接收机和第二接收机，第一接收机与参考天线阵元固定连接；第二接收机通过电子开关阵列与第一天线阵元至第L天线阵元连接；信号处理装置用于基于采样的参考天线阵元接收的波达信号以及分时段依次采样的第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号进行二阶统计量计算，利用计算的二阶统计量构建二阶统计量向量，再基于构建的二阶统计量向量进行波达方向估计得到信源波达角。

【技术实现步骤摘要】
基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统和方法
本专利技术涉及阵列信号处理领域，尤其涉及基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统、装置、方法、计算机存储介质和波达信号接收模块。
技术介绍
阵列信号处理的一个基本问题是空间信号DOA(DirectionOfArrival，波达方向)估计问题，在雷达、声纳、无线电天文、卫星通信、移动通信、智能交通等领域内有着广泛的应用。在谱估计中，利用阵列天线进行DOA估计的方法主要有谱分析法、最大似然法、熵谱分析法及特征值分解法等。所有算法本质是通过目标信号到达阵列天线阵元之间的时间差或者相位差关系实现的。在目前的DOA估计算法中，按照接收机系统结构的不同，分为两类。一类基于单接收机系统结构，另一类基于多接收机系统结构。在基于单接收机的系统结构中，只有一个接收机，其分时与每个阵列天线阵元的输出相连，然后将所有分时得到的输出结果按照天线阵元位置重新排列一并输出，通过DOA算法实现信号到达角的估计。这种系统的优点是硬件成本比较低，其缺点是要求各个分时段发射源信号相同。对于被动信号的定位应用中，由于发射信号不可控，所以单接收机系统结构是没法使用的。另外，此种系统由于单个接收机在各个天线阵元之间来回切换，增加了实时接收、解调、解码实际基带数据帧的难度。在基于多接收机的系统结构中，又包含两个子类，其中一个子类是阵列天线的阵元与接收机一一对应，接收机需要接收、处理全部阵元输出的数据，因此，接收机的数量与天线阵元数量相等。由于系统接收机的数量等于天线阵元的数量，在天线阵元数量需要比较大的应用场合，接收机的数量也相应增大。这样，一方面，系统成本增大，且接收机的总功耗将显著增大，另一方面，如何保证各个接收机之间的匹配，将是极大的挑战。另外一个子类是接收机的数量比阵列天线阵元数少。这种系统，利用时分复用的接收机结构，阵列天线不是直接与接收机相连，而是通过一个程控交换电子开关矩阵与接收机相连。然后，通过子阵列合成法计算出主阵列等效协方差矩阵。此种系统的优点是，既降低系统复杂度和接收机功耗，又使得天线阵元资源得到充分利用，扩大阵列天线的等效孔径，提高DOA估计的分辨率。其缺点是，所有接收机都与电子开关矩阵连接，参与子阵列合成，这样就不存在一个接收机与一个天线固定连接，继而影响基带数据帧的实时接收。另外，电子开关矩阵也使系统控制结构复杂，且子阵列合成处理反而增大了系统计算量。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，一方面，针对现有多接收机系统的硬件成本高或者系统计算量大的缺陷，提出一种不需要计算协方差矩阵的基于二阶统计量的波达信号方向估计方法，另一方面，还能实时接收通信数据帧并进行上层通信协议处理；同时还提供了一种基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统、装置、方法、计算机存储介质和波达信号接收模块。为了解决上述技术问题，本专利技术第一方面，提供了一种基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统，包括：阵列天线、电子开关阵列、信号接收机和信号处理装置；所述阵列天线包括第一天线阵元至第L天线阵元，以及参考天线阵元；所述信号接收机包括第一接收机和第二接收机，所述第一接收机与所述参考天线阵元固定连接，用于采样参考天线阵元接收的波达信号；所述第二接收机通过电子开关阵列与所述第一天线阵元至第L天线阵元连接，用于分时段依次采样第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号；所述信号处理装置与所述电子开关阵列和信号接收机连接，用于控制所述电子开关阵列切换实现第二接收机与第一天线阵元至第L天线阵元的分时段连接，并基于采样的参考天线阵元接收的波达信号以及分时段依次采样的第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号进行二阶统计量计算，利用计算的二阶统计量构建二阶统计量向量，再基于构建的二阶统计量向量进行波达方向估计得到信源波达角。在根据本专利技术所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统中，优选地，所述信号处理装置包括：控制单元，用于控制所述电子开关阵列的节点通断状态，实现第二接收机与第一天线阵元至第L天线阵元的分时段连接；二阶统计量计算单元，用于基于采样的参考天线阵元接收的波达信号以及分时段依次采样的第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号进行二阶统计量计算，并基于计算的二阶统计量构建二阶统计量向量；空间特征估计单元，用于基于构建的二阶统计量进行波达方向估计得到信源波达角。在根据本专利技术所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统中，优选地，所述信号处理装置还包括：上层通信协议处理单元，与所述第一接收机连接，用于通过所述第一接收机接收并处理通信数据帧。在根据本专利技术所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统中，优选地，所述信号处理装置还包括：数据存储单元，用于存储计算的二阶统计量。在根据本专利技术所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统中，优选地，所述控制单元发送信号依次控制：第一天线阵元至第L天线阵元全部关闭连接，用以采集参考天线阵元的N个快拍输出；依次将第一天线阵元至第L天线阵元分别与第二接收机连接，用以在第m天线阵元与第二接收机连接时：采集第m天线阵元的N个快拍输出，并同步采集第m天线阵元连接时参考天线阵元的N个快拍输出，m＝1,2,…,L。在根据本专利技术所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统中，优选地，所述二阶统计量计算单元基于参考天线阵元的自相关二阶统计量，以及第一天线阵元至第L天线阵元分别与参考天线阵元的互相关二阶统计量构建二阶统计量向量。本专利技术第二方面，提供了一种基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理装置，所述信号处理装置包括：控制单元，用于控制电子开关阵列的节点通断状态，实现第二接收机与阵列天线中第一天线阵元至第L天线阵元的分时段连接；二阶统计量计算单元，用于基于第一接收机采样的参考天线阵元接收的波达信号，以及第二接收机分时段依次采样的第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号进行二阶统计量计算，并基于计算的二阶统计量构建二阶统计量向量；空间特征估计单元，用于基于构建的二阶统计量向量进行波达方向估计得到信源波达角。在根据本专利技术所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理装置中，优选地，所述信号处理装置还包括：上层通信协议处理单元，用于通过所述第一接收机接收并处理通信数据帧。在根据本专利技术所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理装置中，优选地，所述控制单元发送信号依次控制电子开关阵列的节点通断状态，使得：第一天线阵元至第L天线阵元全部关闭连接，用以采集参考天线阵元的N个快拍输出；依次将第一天线阵元至第L天线阵元分别与第二接收机连接，用以在第m天线阵元与第二接收机连接时：采集第m天线阵元的N个快拍输出，并同步采集第m天线阵元连接时参考天线阵元的N个快拍输出，m＝1,2,…,L。在根据本专利技术所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理装置中，优选地，所述二阶统计量计算单元基于参考天线阵元的自相关二阶统计量，以及第一天线阵元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统，其特征在于，包括：阵列天线、电子开关阵列、信号接收机和信号处理装置；/n所述阵列天线包括第一天线阵元至第L天线阵元，以及参考天线阵元；/n所述信号接收机包括第一接收机和第二接收机，所述第一接收机与所述参考天线阵元固定连接，用于采样参考天线阵元接收的波达信号；所述第二接收机通过电子开关阵列与所述第一天线阵元至第L天线阵元连接，用于分时段依次采样第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号；/n所述信号处理装置与所述电子开关阵列和信号接收机连接，用于控制所述电子开关阵列切换实现第二接收机与第一天线阵元至第L天线阵元的分时段连接，并基于采样的参考天线阵元接收的波达信号以及分时段依次采样的第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号进行二阶统计量计算，利用计算的二阶统计量构建二阶统计量向量，再基于构建的二阶统计量向量进行波达方向估计得到信源波达角。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统，其特征在于，包括：阵列天线、电子开关阵列、信号接收机和信号处理装置；
所述阵列天线包括第一天线阵元至第L天线阵元，以及参考天线阵元；
所述信号接收机包括第一接收机和第二接收机，所述第一接收机与所述参考天线阵元固定连接，用于采样参考天线阵元接收的波达信号；所述第二接收机通过电子开关阵列与所述第一天线阵元至第L天线阵元连接，用于分时段依次采样第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号；
所述信号处理装置与所述电子开关阵列和信号接收机连接，用于控制所述电子开关阵列切换实现第二接收机与第一天线阵元至第L天线阵元的分时段连接，并基于采样的参考天线阵元接收的波达信号以及分时段依次采样的第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号进行二阶统计量计算，利用计算的二阶统计量构建二阶统计量向量，再基于构建的二阶统计量向量进行波达方向估计得到信源波达角。


2.根据权利要求1所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统，其特征在于，所述信号处理装置包括：
控制单元，用于控制所述电子开关阵列的节点通断状态，实现第二接收机与第一天线阵元至第L天线阵元的分时段连接；
二阶统计量计算单元，用于基于采样的参考天线阵元接收的波达信号以及分时段依次采样的第一天线阵元至第L天线阵元接收的波达信号进行二阶统计量计算，并基于计算的二阶统计量构建二阶统计量向量；
空间特征估计单元，用于基于构建的二阶统计量向量进行波达方向估计得到信源波达角。


3.根据权利要求2所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统，其特征在于，所述信号处理装置还包括：
上层通信协议处理单元，与所述第一接收机连接，用于通过所述第一接收机接收并处理通信数据帧。


4.根据权利要求2所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统，其特征在于，所述控制单元发送信号依次控制：
第一天线阵元至第L天线阵元全部关闭连接，用以采集参考天线阵元的N个快拍输出；
依次将第一天线阵元至第L天线阵元分别与第二接收机连接，用以在第m天线阵元与第二接收机连接时：采集第m天线阵元的N个快拍输出，并同步采集第m天线阵元连接时参考天线阵元的N个快拍输出，m＝1,2,…,L。


5.根据权利要求4所述的基于时分复用的波达信号方向估计的信号处理系统，其特征在于，所述二阶统计量计算单元基于参考天线阵元的自相关二阶统计量，以及第一天线阵元至第L天线阵元分别与参考天线阵元的互相关二阶统计量构建二阶统计量向量。

【专利技术属性】
技术研发人员：秦建军，王树甫，郑巍，
申请(专利权)人：斯凯瑞利北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11