《電子技術(shù)應(yīng)用》
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強(qiáng)干擾與通道誤差條件下弱信號(hào)DOA估計(jì)的實(shí)驗(yàn)研究
電子技術(shù)應(yīng)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(tǒng)中，當(dāng)弱信號(hào)和強(qiáng)干擾空間臨近時(shí)，空間譜測向系統(tǒng)僅能對(duì)強(qiáng)干擾進(jìn)行波達(dá)方向（Direction of Arrival，DOA）估計(jì)，弱信號(hào)DOA估計(jì)性能下降甚至失效。針對(duì)這一問題，研究了空間譜擴(kuò)展噪聲子空間算法結(jié)合通道幅相誤差校正，在強(qiáng)干擾抑制條件下對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行DOA估計(jì)的方法。該方法對(duì)采樣信號(hào)的噪聲協(xié)方差進(jìn)行去加權(quán)處理，并對(duì)空間譜擴(kuò)展噪聲子空間算法的空間譜導(dǎo)向矢量進(jìn)行修正?；谕ㄓ密浖o線電外設(shè)（Universal Software Radio Peripheral，USRP）和印刷偶極子線形天線陣構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明空間譜擴(kuò)展噪聲子空間算法結(jié)合改進(jìn)的通道幅相誤差校正方法，能對(duì)臨近干擾源進(jìn)行空間譜抑制的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)弱信號(hào)的DOA估計(jì)。
中圖分類號(hào)：TN97 文獻(xiàn)標(biāo)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(qiáng)干擾與通道誤差條件下弱信號(hào)DOA估計(jì)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)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

在無線通信、雷達(dá)系統(tǒng)和聲納系統(tǒng)等領(lǐng)域中，高性能信號(hào)到達(dá)方向估計(jì)對(duì)于目標(biāo)識(shí)別、干擾抑制和信號(hào)增強(qiáng)等任務(wù)至關(guān)重要[1]。然而，在實(shí)際環(huán)境中，天線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(dǎo)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(jì)性能下降，且測角誤差明顯增加。因此，陣列通道誤差校正對(duì)空間譜DOA至關(guān)重要。在空域抗干擾需求下，對(duì)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]。

隨著對(duì)陣列誤差研究[4]的不斷深入，通過建模將陣列誤差校正問題轉(zhuǎn)化為參數(shù)估計(jì)問題，這種校正方法主要分為自校正[5-7]和有源校正[8-10]兩類。自校正方法主要是通過聯(lián)合優(yōu)化實(shí)現(xiàn)誤差校正和方位估計(jì)，利用陣列結(jié)構(gòu)和誤差矩陣的特殊形式進(jìn)行矩陣變換，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二維搜索，運(yùn)算量較大，實(shí)際應(yīng)用有難度。有源校正是已知精確方位信息的輔助信源，通過代數(shù)方法得到通道誤差估計(jì)值，運(yùn)算量小，校正效果好。對(duì)于線形天線陣，對(duì)單輔助源的校正位置無特殊要求，因此單輔助源校正便于實(shí)際應(yīng)用。

針對(duì)強(qiáng)干擾環(huán)境下弱目標(biāo)信號(hào)的DOA估計(jì)，傳統(tǒng)DOA估計(jì)方法如多重信號(hào)分類法和旋轉(zhuǎn)不變子空間算法[11]等，在強(qiáng)干擾條件下往往無法準(zhǔn)確估計(jì)弱信號(hào)DOA，尤其是干擾和目標(biāo)信號(hào)存在同一波束內(nèi)時(shí)，弱目標(biāo)信號(hào)可能被淹沒在強(qiáng)干擾的譜峰中[12]。因此，若要實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)DOA估計(jì)，就必須進(jìn)行干擾抑制。在空間譜估計(jì)領(lǐng)域，有以下處理方法：一是同時(shí)估計(jì)強(qiáng)、弱信號(hào)波達(dá)方向的信號(hào)分離法[13]，但是需要不斷迭代去實(shí)現(xiàn)，存在運(yùn)算量大、復(fù)雜度高難以用于實(shí)際。二是先對(duì)強(qiáng)干擾進(jìn)行空域抑制，然后估計(jì)弱信號(hào)到達(dá)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(jì)目標(biāo)信號(hào)。干擾阻塞法[15-16]通過強(qiáng)干擾先驗(yàn)信息構(gòu)建阻塞矩陣，在陣列流型中抵消干擾；擴(kuò)展噪聲子空間方法通過對(duì)強(qiáng)干擾和噪聲構(gòu)建擴(kuò)展的噪聲子空間[17-18]，然后進(jìn)行空間譜DOA估計(jì)。干擾阻塞法需要精確已知干擾來波方向，否則干擾阻塞矩陣有誤差，對(duì)干擾信號(hào)空間譜抑制有影響，實(shí)際應(yīng)用有難度。擴(kuò)展噪聲子空間算法無需干擾來波的方位信息，從矩陣特征值判斷干擾信號(hào)屬性，實(shí)際應(yīng)用更為便利。但已有研究工作對(duì)上述算法多以理論仿真為主，很少構(gòu)建硬件平臺(tái)進(jìn)行算法驗(yàn)證。

針對(duì)上述問題，本文研究空間譜擴(kuò)展噪聲子空間（Extended Noise Subspace, ENS）算法結(jié)合改進(jìn)的通道幅相誤差校正，在強(qiáng)干擾抑制條件下對(duì)弱信號(hào)的空間譜估計(jì)。由于計(jì)算機(jī)模擬仿真和實(shí)際應(yīng)用有差別，因此需基于硬件平臺(tái)采集數(shù)據(jù)，對(duì)干擾信號(hào)空間譜抑制算法進(jìn)行外場驗(yàn)證。通用軟件無線電[19]外設(shè)具有射頻接收前端和基帶數(shù)據(jù)預(yù)處理能力，以軟件編程方式實(shí)現(xiàn)多種功能，為算法驗(yàn)證提供了理想平臺(tái)。本文在理論仿真基礎(chǔ)上，以USRP、八單元均勻線形天線陣和上位機(jī)構(gòu)建DOA驗(yàn)證系統(tǒng)，在臨近干擾信號(hào)條件下，對(duì)弱目標(biāo)信源進(jìn)行DOA估計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明了改進(jìn)誤差校正算法與擴(kuò)展噪聲子空間算法結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)臨近干擾條件下的弱信號(hào)DOA估計(jì)，具備實(shí)際應(yīng)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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