舰载平台时变多径信号DOA估计

李东海，李杰然

(中国人民解放军91404部队，河北 秦皇岛 066001)

0 引言

在电磁环境监测、雷达侦察、通信侦察和阵列天线等领域中，信号波达方向估计(DOA)是一项重要任务。有关信号波达方向的研究很多，主要有振幅法测向、相位干涉仪测向以及空间谱估计等方法[1]。针对高分辨波达方向估计，阵列信号的空间谱估计方法引起了广泛的重视[2]。最大似然法[3](ML)、多重信号分类法[4](MUSIC)和旋转不变子空间算法[5](ESPRIT)相继提出，促进了阵列信号波达方向估计的发展。为适应复杂电磁环境下可能存在信号源相关的情况，专家们又提出了矩阵降维[6]和空间平滑[7]等方法，一定程度上解决了相关信号源的DOA估计，但存在运算量较大、工程实现困难的问题[8]。舰载平台电磁监测系统测向存在多径现象，给实际信号DOA 估计带来了新的挑战。面对多径信号DOA估计，国内学者也做了大量工作。文献[2]利用频域谱峰3 dB内的数据作快拍，提出加权子空间投影实现对谱峰存多信源时到达角估计的方法。文献[3]针对多径环境提出了自适应波束形成的方法克服非期望方向信号的影响。虽然有了许多研究成果，但真正应用到实际工程算例较少。本文针对舰载平台环境，提出了可用于工程实际的电磁环境监测系统的测向方法。舰载平台下的电磁环境监测系统测向面临如下难点：① 由于舰体上装备系统繁多，存在同频段干扰信号和舰体反射信号，若不抑制则严重影响对信号的测向监测；② 由于不同海况与海浪运动，造成时变的多径环境，从时变多径环境中提取直达波的来波方向将极其困难；③ 由于发射功率差异以及辐射源远近效应，造成某些频带上强弱信号并存，同一子带的强信号影响弱信号测向，导致测向精度下降甚至失效。为克服以上测向面临的难点，拟采用数字自适应波束形成的方式，抑制非期望干扰信号，采用频域快拍技术，结合MUSIC算法，提出了加权频域多目标分辨算法，该算法避免了谱峰搜索，便于工程实现。

1 数字波束赋形测向

复杂电磁环境下的舰载目标信号测向面临以下难题：舰体上装备系统繁多，同频段的干扰信号及其舰体反射，若不抑制则严重影响窄带测向接收机对雷达目标的监测。针对此问题，采用基于人工注入功率方向图综合的波束赋形方法[9-10]，即波束形成(Digital Beam Forming，DBF)类测向方法[11-12]。根据不同舰载平台以及安装位置，以及测量获得的干扰来波方向先验信息，对干扰方向形成零陷，对测向范围内感兴趣的方向形成主瓣[13-14]。该方法能够根据干扰功率大小、分布情况设计方向图模板，通过人工注入功率的方式优化出各指向的波束赋形权值并存储，在工作模式下调用波束赋形权值。

考虑到舰载环境的复杂性，装备上舰后一段时间内录取舰载己方设备的电磁环境，结合干扰的先验信息库，通过自适应功率控制获得抗干扰的波束赋形权[15-16]。波束赋形权的优化通过如下自适应功率控制的方式：

(1)

采用8元圆形阵列，做仿真结果如图1所示。

图1 方向图对比

图1中，+代表干扰方向；*表示期望方向。虚线代表常规波束形成的方向图，实线代表波束赋形的方向图。对比可见，自适应功率控制的波束赋形方向图，干扰零陷深且宽，相比常规波束形成的方向图，具有更好的干扰抑制性能。

传统的干涉仪测向与波束形成测向的性能差异如图2和图3所示。其中干涉仪测向解模糊采取3种方案：直接干涉空间解模糊；特征矢量空间解模糊；阵元去噪空间解模糊。波束形成采取3种方案：相关矩阵匹配波束形成；时域去噪匹配波束形成；特征矢量匹配波束形成。

图2 2种测向方法测向精度随相位误差的变化

图3 2种测向方法测向精度随位置误差的变化

从图2和图3可见，随着最大相位误差的加大，干涉仪测向误差在相位误差大于5°或位置误差大于4 mm后明显增大，而波束形成测向则对相位误差与位置误差具有更好的鲁棒性。

由于干涉仪通常为两单元间的比幅(利用幅度信息)或比相(利用相位信息)，DBF测向方法联合利用多天线单元的幅度与相位信息，因此DBF测向方法性能对幅相误差与位置误差更鲁棒。

2 多目标分辨技术

在多径或突发同频带干扰情况下，需要采用多目标分辨测向方法[17-18]。为此采用谱峰快拍的超分辨测向方法[19-20]，具体步骤如下：对时域有效样本采用快速傅里叶变换，获取频域峰值快拍，利用下式估计多目标的波达方向(Direction of Arrival，DOA)，即

(2)

式中，θi∈Θ，Θ为搜索角度范围。

搜索导向矢量的投影矩阵表示为：

(3)

投影正交补矩阵表示为：

(4)

式中，IL为L维单位阵。

采用8元圆形阵列，仿真结果如图4所示。

图4 小样本情况下8元阵多目标分辨

由于小样本情况(仿真中只有12次快拍)以及通道间存在随机幅相误差，MUSIC的空间3个谱峰不明显，而采用谱峰快拍测向方法，3个信源的空间谱峰突出明显。波达方向估计结果如表1所示。

表1 波达方向估计结果 (°)

测向结果表明，MUSIC法的测角误差偏大，谱峰快拍测向方法的测角误差小于0.5°。

3 结束语

在舰载平台环境下，采用数字波束形成测向方法可有效抑制同频干扰和反射干扰，采用频域取样的谱峰快拍测向方法能够有效地分辨多目标，并能有效克服幅相误差影响。仿真试验验证了该方法的有效性，采用8元圆形阵列，在小样本快拍采样条件下，测角误差小于0.5°，优于传统MUSIC方法，便于工程实际应用。