[发明专利]天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及深空探测领域，特别涉及深空信号接收中的计算信号的相位差从而进行天线组阵信号合成的技术。

背景技术

深空探测中远距离的通信与导航以及射电天文科学的迅猛发展，对射电望远镜的性能提出了新的需求。由于开发成本的提高和技术的限制，单个天线G/T值的提高已经到了停滞状态。美国深空网(DSN)战略计划已经明确了可能的增长途径：采用射频频段，通过大量小天线组阵的方法获得更高的天线增益。天线组阵所提供的优点是，能以比用单个天线所接收的更高数据率接收数据，它具有许多令人渴望的优势：更好的性能、更强的工作稳健性、更低的建造费用、更好的计划灵活性和对射电天文科学研究更广泛的支持。天线组阵可以降低对单天线指向精度等指标的要求，采用大规模的小天线可以大大降低建设成本。

由于距离遥远，深空通信中到达地面的信号功率非常微弱，天线阵每个单元的输出信噪比通常很低。当天线距离较近，接收到的其他航天器信号或者其他射电干扰相关时，传统的相位残差估计方法(如SIMPLE和SUMPLE相关)将会产生很大的误差，甚至完全失效，极大降低天线组阵的信号合成性能。

C.H.Lee等采用MUSIC和EIGEN方法实现对干扰信号的辨识和抑制，但计算量很大，实时处理实现困难；同时对BPSK(二进制相移键控)信号的理论研究和对比仿真发现，当天线单元之间存在相关的干扰信号时，对载波相位进行重建的预处理技术能大大提高组阵的性能，尤其是当干扰信号较强时这一效果更加明显。M.K.Simon和V.Vilnrotter等人提出了低信噪比条件下BPSK信号载波相位的同步方法，通过对接收到的二进制数据进行预估，依据统计理论减少状态转移的数量，从而实现信号载波相位跟踪性能的提高。这一方法在一定程度上可以实现较低信噪比情况下的载波相位估计，但算法过于复杂，并且信噪比条件也受到一定程度的限制。

循环平稳信号广泛存在于通信、遥测、雷达和声呐系统中，W.A.Gardner指出信号的循环平稳特性在信号检测和估计方面较传统方法具有明显的优势。循环互相关已成功的应用到了信号子空间拟合DOA估计方法中。

发明内容

为了解决深空探测天线组阵中信号合成相位差估计时的干扰问题，本发明提出了一种基于天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计装置和方法，以及包括该相位差估计装置的信号合成系统和包括该相位差估计方法的信号合成方法，以及一种天线组阵信号接收系统和方法。

各天线中频信号经采样后，通过相位差估计模块获得相位差，通过时延和加权幅值计算模块获得时延和加权幅值，对各路数字信号进行时延调整、相位调整和幅值加权后，经由信号合成器获得合成信号并送往接收机进行解调等后续处理。其中，相位差估计模块中的相位差求解采用循环互相关方法。

基于循环互相关的信号相位差估计法对于任何的循环平稳信号都是适用的，对于BPSK信号其循环频率α可以选择为0、±2f₀和k/T_c(k＝0，±1，±2，...)。

本发明提出一种天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计装置，所述天线组阵包括多个接收天线单元，该装置用于对天线组阵的循环平稳的天线信号的相位差进行计算，该装置包括：

一个或两个匹配滤波器，用于对经过时延、幅值加权和相位调整后的天线信号进行匹配滤波并且对经过时延、幅值加权和相位调整后的信号与参考信号的二者的差信号进行匹配滤波；

循环互相关模块，用于计算经过匹配滤波的所述信号和经过匹配滤波的所述差信号的循环互相关函数；

相位差求解模块，根据所述循环互相关函数计算所述天线信号的相位差。

本发明提出一种天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计方法，所述天线组阵包括多个接收天线单元，该方法用于对天线组阵的循环平稳的天线信号的相位差进行计算，该方法包括步骤：

匹配滤波步骤，用于对经过时延、幅值加权和相位调整后的天线信号进行匹配滤波并且对经过时延、幅值加权和相位调整后的信号与参考信号的二者的差信号进行匹配滤波；

循环互相关步骤，用于计算经过匹配滤波的所述经过时延、幅值加权和相位调整后的天线信号和经过匹配滤波的所述差信号的循环互相关函数；

相位差求解步骤，根据所述循环互相关函数计算所述天线信号的相位差。

本发明提出一种天线组阵的信号合成装置，所述天线组阵包括多个接收天线单元，该信号合成装置包括：

本发明的天线组阵中基于循环互相关的信号相位差估计装置；