空间到达角与频谱二维联合的信号感知方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种空间到达角与频谱二维联合的信号感知方法及装置。该方法包括：利用多个天线接收辐射源的辐射信号；对多个天线的接收信号进行下变频处理，确定多个天线的基带接收数据；对多个基带接收数据进行加权处理；将加权处理后的多个基带接收数据组成联合矢量，对联合矢量进行角度和频率投影，获取多个角度

【技术实现步骤摘要】
空间到达角与频谱二维联合的信号感知方法及装置


[0001]本专利技术涉及信号与信息处理
，尤其涉及一种空间到达角与频谱二维联合的信号感知方法及装置。

技术介绍

[0002]随着各类无线业务的飞速发展，巨大的用频需求使得有限的频谱资源变得日益稀缺。如何分配和利用频谱资源，在避免相互干扰的情况下，提升频谱利用效率及承载容量，是目前亟待解决的重要问题。以认知无线通信、认知雷达为代表的认知无线电技术，为上述问题提供了一种可行解决思路。认知无线电技术通过实时感知外界电磁环境，自主调节系统参数以适应环境变化，从而动态搜寻和利用空闲的频率资源。因此，电磁环境感知是认知无线电应用的关键技术。
[0003]对于给定的感知频带，判断其是否被其他辐射信号占用，是电磁环境感知在频率维度的应用模式。当辐射信号形式或统计特性已知且噪声功率能够准确获得时，可以基于假设检验原理，通过似然比检测、循环平稳检测、匹配滤波检测等手段，来判断辐射信号是否存在。在缺少辐射信号先验信息的情况下，能量检测被广泛用于辐射信号存在性的判断。能量检测方法可以进一步分为时域能量检测和频域能量检测。时域能量检测直接对接收端采样的时域信号进行能量累积，并根据在给定虚警概率下计算的判决门限，对信号有无进行判定。频域能量检测需要先对采样信号进行FFT运算，然后在频域对信号进行能量累积，进而通过门限判定辐射信号的有无。此外，还有基于特征值的检测算法、基于协方差的检测算法等，能够在信号与噪声功率均未知的情况下，判断是否有感知频带内是否存在辐射信号。
[0004]当接收机配备阵列天线时，利用辐射信号到达不同天线的相位差，可以实现辐射信号空间到达角的估计，这是电磁环境感知在空间维度的应用模式。其中，基于子空间分解的到达角估计算法，如MUSIC算法、ESPIRST算法及这两类算法的改进，能够突破空域信号的瑞利限，实现高分辨率的角度估计。子空间拟合算法是另一类广泛应用的到达角估计算法，这类算法涉及到复杂的非线性多维搜索，但在低信噪比条件下能够给出更为准确的角度估计。此外，基于稀疏分解和压缩感知的到达角估计算法利用阵列信号的稀疏特性，降低信号采样频率和存储开销。
[0005]目前的电磁感知技术仅独立考虑了频率维度和空间维度的电磁环境感知，针对频谱感知问题，现有技术无法判断辐射源个数和方位，针对到达角估计问题，现有技术难以区分不同方位辐射源所占用的频率。此外，似然比检测、循环平稳检测、匹配滤波检测、能量检测等频谱感知方法，需要已知辐射信号功率、制式以及噪声功率等先验信息，当这些先验信息未知或有偏差时，将会带来显著的性能下降；基于特征值的频谱感知方法和基于协方差的频谱感知方法，需要涉及到复杂的矩阵求逆和特征值分解等运算，计算复杂度通常正比于采样序列长度的三次方，对系统的计算和存储能力的要求较高；基于子空间投影和子空间拟合的到达角估计方法复杂度较高，涉及到复杂的非线性多维搜索；基于稀疏分解和压
缩感知的到达角估计方法所需的信号采样结构复杂，且算法的鲁棒性和抗噪性能较差。

技术实现思路

[0006]为解决上述现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供一种空间到达角与频谱二维联合的信号感知方法及装置。
[0007]第一方面，本专利技术公开了一种空间到达角与频谱二维联合的信号感知方法，所述方法包括：
[0008]利用多个天线接收辐射源的辐射信号；
[0009]对多个所述天线的接收信号进行下变频处理，确定多个所述天线的基带接收数据；
[0010]对多个所述基带接收数据进行加权处理；
[0011]将加权处理后的多个所述基带接收数据组成联合矢量，对所述联合矢量进行角度和频率投影，获取多个角度
‑
频率网格点；
[0012]从多个所述角度
‑
频率网格点中筛选出包含有效辐射信号的角度
‑
频率网格点；
[0013]利用包含有效辐射信号的所述角度
‑
频率网格点估计所述辐射信号的空间到达角；
[0014]利用所述空间到达角进行所述辐射信号的频率响应估计。
[0015]在一些可选的实施方式中，所述利用多个天线接收辐射源的辐射信号，包括：
[0016]在接收机端配置多个天线，利用多个所述天线接收所述辐射源的辐射信号，其中，所述天线为全向天线，所述天线的数量大于所述辐射源的数量。
[0017]在一些可选的实施方式中，设定：第m+1个所述天线在第n+1个采样时刻接收的基带接收数据为y
m,n
，n＝0,1,
…
,N
‑
1，N表示采样时刻数；
[0018]利用加权系数g
m
对所述基带接收数据y
m,n
进行加权处理，得到加权数据其中，所述加权系数g
m
利用公式2确定；
[0019][0020]其中，H为大于等于2的整数，其中，H为大于等于2的整数，为组合数，M为所述天线的数量。
[0021]在一些可选的实施方式中，所述将加权处理后的多个所述基带接收数据组成联合矢量，对所述联合矢量进行角度和频率投影，获取多个角度
‑
频率网格点，包括：
[0022]设定MN阶正交矩阵其中，F
M
为M阶矩阵，矩阵F
M
第u+1行第v+1列元素为u,v＝0,1,
…
,M
‑
1，F
N
为N阶矩阵，矩阵F
N
第u+1行第v+1列元素为u,v＝0,1,
…
,N
‑
1，表示两个矩阵的扩展相乘；
[0023]将加权处理后的多个所述基带接收数据组成联合矢量其中，
表示第M个所述天线在第N个采样时刻接收的基带接收数据对应的加权数据；
[0024]利用公式3将所述联合矢量分别与所述正交矩阵F的各列进行正交投影运算，确定所述联合矢量在所述正交矩阵F各列上的投影值；
[0025][0026]其中，R
i
表示所述联合矢量在所述正交矩阵F第i+1列f
i
上的投影值；
[0027]对所述投影值R
i
进行重排，i＝0,1,
…
,MN
‑
1，得到M
×
N维矩阵
[0028]在一些可选的实施方式中，所述从多个所述角度
‑
频率网格点中筛选出包含有效辐射信号的角度
‑
频率网格点包括：
[0029]设定集合Λ用于记录所筛选出的角度
‑
频率网格点的序号，其中，Λ初始化为空集；
[0030]设定角度
‑
频率网格点R
i
在空间角度维度上的邻域集合为Γ(i)，其中，Γ(i)表示为：
[0031]Γ(i)＝{(i+wN)modMNw＝
‑
H,
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间到达角与频谱二维联合的信号感知方法，其特征在于，包括：利用多个天线接收辐射源的辐射信号；对多个所述天线的接收信号进行下变频处理，确定多个所述天线的基带接收数据；对多个所述基带接收数据进行加权处理；将加权处理后的多个所述基带接收数据组成联合矢量，对所述联合矢量进行角度和频率投影，获取多个角度
‑
频率网格点；从多个所述角度
‑
频率网格点中筛选出包含有效辐射信号的角度
‑
频率网格点；利用包含有效辐射信号的所述角度
‑
频率网格点估计所述辐射信号的空间到达角；利用所述空间到达角进行所述辐射信号的频率响应估计。2.根据权利要求1所述的空间到达角与频谱二维联合的信号感知方法，其特征在于，所述利用多个天线接收辐射源的辐射信号，包括：在接收机端配置多个天线，利用多个所述天线接收所述辐射源的辐射信号，其中，所述天线为全向天线，所述天线的数量大于所述辐射源的数量。3.根据权利要求2所述的空间到达角与频谱二维联合的信号感知方法，其特征在于，设定：第m+1个所述天线在第n+1个采样时刻接收的基带接收数据为y
m,n
，n＝0,1,
…
,N
‑
1，N表示采样时刻数；利用加权系数g
m
对所述基带接收数据y
m,n
进行加权处理，得到加权数据其中，所述加权系数g
m
利用公式2确定；其中，H为大于等于2的整数，其中，H为大于等于2的整数，为组合数，M为所述天线的数量。4.根据权利要求3所述的空间到达角与频谱二维联合的信号感知方法，其特征在于，所述将加权处理后的多个所述基带接收数据组成联合矢量，对所述联合矢量进行角度和频率投影，获取多个角度
‑
频率网格点，包括：设定MN阶正交矩阵其中，F
M
为M阶矩阵，矩阵F
M
第u+1行第v+1列元素为F
N
为N阶矩阵，矩阵F
N
第u+1行第v+1列元素为+1列元素为表示两个矩阵的扩展相乘；将加权处理后的多个所述基带接收数据组成联合矢量其中，其中，表示第M个所述天线在第N个采样时刻接收的基带接收数据对应的加权数据；利用公式3将所述联合矢量分别与所述正交矩阵F的各列进行正交投影运算，确定所述联合矢量在所述正交矩阵F各列上的投影值；
其中，R
i
表示所述联合矢量在所述正交矩阵F第i+1列f
i
上的投影值；对所述投影值R
i
进行重排，i＝0,1,
…
,MN
‑
1，得到M
×
N维矩阵5.根据权利要求4所述的空间到达角与频谱二维联合的信号感知方法，其特征在于，所述从多个所述角度
‑
频率网格点中筛选出包含有效辐射信号的角度
‑
频率网格点包括：设定集合Λ用于记录所筛选出的角度
‑
频率网格点的序号，其中，Λ初始化为空集；设定角度
‑
频率网格点R
i
在空间角度维度上的邻域集合为Γ(i)，其中，Γ(i)表示为：Γ(i)＝{(i+wN)mod MNw＝
‑
H,
‑
H+1,
…
,H
‑
1}公式5；基于所述集合Λ和所述集合Γ(i)，利用贝叶斯信息准则，设定所述角度
‑
频率网格点R
i
的判决度量为BIC(R
i
)，其中，BIC(R
i
)表示为：||Λ||0表示所述集合Λ中包含的元素个数；基于所述集合Λ、所述集合Γ(i)和所述判决度量BIC(R
i
)，筛选出包含有效辐射信号的角度
‑
频率网格点。6.根据权利要求5所述的空间到达角与频谱二维联合的信号感知方法，其特征在于，所述基于所述集合Λ、所述集合Γ(i)和所述判决度量BIC(R
i
)，筛选出包含有效辐射信号的角度
‑
频率网格点，包括：全局搜索步骤：从不属于所述集合Λ的网格点中找出能量最大的网格点利用公式7确定网格点的序号i...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建，李献斌，范广腾，曹璐，张飞，刘勇，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：