CN102419432B - 一种基于虚拟基线的圆阵相位干涉仪二维测向方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信雷达技术领域,特别涉及无线电监测中的宽频段相位干涉仪二维测向方法。本发明提出了一种基于虚拟基线解模糊的最小二乘相位干涉仪二维测向的方法。该方法首先对在短基线上实测得到的、存在相位模糊的相位差向量进行一次或多次虚拟基线变换,进而获得无模糊的对应于短基线的虚拟相位差向量,然后根据该虚拟相位差向量依次对存在模糊的虚拟相位差向量、相邻基线相位差向量和最长基线相位差向量解模糊,最后根据无模糊的最长基线相位差矢量,采用最小二乘方法估计入射方向。应用本发明的基于虚拟基线变换的解模糊算法,能在存在测角模糊的情形下获得高精度且无模糊的二维测向结果,是一种高效的二维测角算法。
Description
技术领域
本发明属于通信雷达技术领域,特别涉及一种基于平行基线的圆阵相位干涉仪二维测向方法。
背景技术
在现有的测向体制中,相位干涉仪具有测向精度高、算法简单、速度快等优点,因此在军事和民用领域都得到广泛的应用。在军事领域,它可对雷达、通信、测控等辐射源进行定位,能在实施针对性电子干扰和军事打击中发挥重要作用;而在民用领域,它可用于交通管制、生命救援、无线电电频谱管理等方面。
在实际测向中,当基线长度大于半波长时,会因鉴相器的固有特性而导致所谓的相位模糊问题。为满足宽频段内测向精度的要求,相位干涉仪测向算法中通常会采用大孔径的圆阵阵列,因此这将会导致实测相位差出现模糊(见文献:Unambiguous Accuracy of an Interferometer Angle-Measuring System, Kendall; William B; IEEE Trans. Space Electronics and Telemetry, Volume:SET-11, Issue:2, 1965, Page(s):62-70)。一种简单而又经典的解模糊方案就是采用多基线相位干涉仪测向方法。它采用短基线粗略估计相位差,根据该相位差,对长基线测得的相位差进行解模糊,估计信号入射方向。为了能够成功解模糊,短基线的阵元间距要求小于最高工作频率的半波长,而长基线的阵元间距也受到最低工作频率的约束。这一特点就限制了多基线干涉仪在宽频段(如1MHz-3GHz)测向中的应用(见文献:Novel wideband multimode hybrid interferometer system, K. M. Pasala; R. Penno; S. W. Schneider; IEEE transactions on aerospace and electronic systems, Volume: 39, Issue: 4,2003, Page(s):1396-1406)。为了突破线性阵列在多基线相位差解模糊中对各基线长度比值的约束,基于均匀圆阵的相位干涉仪测向方法被得到广泛的应用 (见文献:一种基于余弦函数的相位干涉仪阵列DOA估计算法,魏合文,王军,叶尚福;电子与信息学报,2007,29(11): Pages(s): 2665-2668;The fast correlative interferometer direction finder using I/Q demodulator , Cheol Sun Park,Dae Yong Kim;Asia-Pacific conference on communications,2006,Page(s):1-5)。因此,如何对圆阵中实测相位差进行解模糊是相位干涉仪测向算法的关键问题之一。
目前存在许多圆阵中相位差解模糊方法,如基于多组基线组聚类的方法(见文献:五元均匀圆阵干涉仪加权测向算法及解相位模糊的条件,谌丽,陈昊,肖先赐;电子对抗,2004,(1): Pages(s): 8-12),该方法利用多基线之间组合加权的方法提高测向精度,并且通过多基线对的比较法解决了相位模糊,但其仅限于五阵元并且对噪声及孔径的限制较为严格;基于模糊方向向量投影聚类的解模糊方法(见文献:圆阵相位干涉仪二维测向解模糊新方法,谢立允,王广松,戴旭初;遥测遥控,2007,28(5): Pages(s): 53-59),该方法利用了模糊方向的方向向量投影分布规律,对不同基线组得到的模糊投影进行聚类来解模糊,相比传统的聚类解模糊方法减少了所需的运算量,但其解模糊能力依然被限定在一个较窄的范围,并且不具备叠代特性;基于圆阵的虚拟基线变换方法(见文献:DOA Estimation By Exploiting Virtual Baseline Transform of UCA, Linhong Jiang; Zishu He; Kexin Jia; Ting Cheng; EESP2011 Conference.), 其在均匀圆阵上应用虚拟基线变换将存在模糊的相邻阵元间相位差向量变换成无模糊的虚拟阵元间相位差向量,但因多次虚拟基线变换导致测向精度变差使得该方法在实际应用中存在一些限制。前述基于圆阵的虚拟基线变换方法是基于线阵的虚拟基线变换方法(见文献:基于虚拟基线的宽带被动导引头测向方法, 曲志昱, 司锡才;弹箭与制导学报, 2007, 27(4):Pages(s):92-95)的直接推广,它通过虚拟基线变换将圆阵中存在模糊的相邻相位差向量变换为无模糊的虚拟相位差向量,并根据该虚拟相位差向量进行入射方向估计。
现有技术的各种测向方法中,都存在使用范围受限或者计算量大的问题,同时测向的精度也难以保证。
发明内容
针对现有技术中的各种测向方法中,存在使用范围受限或者计算量大,同时测向的精度也难以保证的技术问题,因此提供一种基于虚拟基线的圆阵相位干涉仪二维测向方法。
本发明公开了一种基于虚拟基线的圆阵相位干涉仪二维测向方法,所述方法具体包含以下步骤:
优选地,上述平面阵为均匀圆阵。
优选地,上述步骤2具体包括
优选地,上述步骤3具体包括
优选地,当对各次虚拟变换的相位差向量进行解模糊时,令
当对长基线相位差向量进行解模糊时,令
本发明的有益效果为:通过一次或多次虚拟基线变换获得无模糊的虚拟相位差向量,然后根据该虚拟相位差向量依次对存在模糊的虚拟相位差向量、实际相邻基线相位差向量和最长基线相位差向量解模糊,最后根据无模糊的最长基线相位差向量,采用最小二乘方法估计入射方向。通过本发明可以在宽频段范围内对实测相位差正确解模糊,使得相位干涉仪系统可在宽频段范围内获得很高的测向精度。本发明给出的算法其测向性能可较好地逼近该理论下限。
附图说明
图1为基于虚拟基线的圆阵相位干涉仪二维测向方法的流程图。
图3为九元圆阵的虚拟变换。
图4为九元圆阵在不同信噪比下的最高无模糊频率。
图5为九元圆阵的虚拟阵列变换次数与最小允许的信噪比之间的关系曲线。
图6为在入射方向为时,方位角测向精度随频率的变化曲线。
具体实施方式
下面结合说明书附图详细说明本发明的具体实施方式。
为描述方便,首先进行如下定义:
相位干涉仪测向:相位干涉仪测向是指根据所测得的电磁波到达各阵元间的空间相位差,计算信号到达方向的方法。
虚拟基线变换:虚拟基线变换是指根据所测得的电磁波到达相邻阵元间的空间相位差,构造虚拟阵列中相邻阵元间的空间相位差的过程,这些虚拟空间相位差是不存在模糊的。
相邻基线相位差向量:相邻基线相位差是指电磁波到达相邻阵元间的空间相位差,由所有相邻基线相位差进行排列所构成的向量,即为相邻基线相位差向量。
最长基线相位差向量:最长基线相位差是指电磁波到达相距最远的两个阵元之间的空间相位差,由所有最长基线空间相位差进行排列所构成的向量,即为最长基线相位差向量。
如图1所示的基于虚拟基线的圆阵相位干涉仪二维测向方法的流程图。所述方法具体包含以下步骤:
本发明的上述方法首先通过一次或多次虚拟基线变换获得无模糊的虚拟相位差向量,然后根据该虚拟相位差向量依次对存在模糊的虚拟相位差向量、实际相邻基线相位差向量和最长基线相位差向量解模糊,最后根据无模糊的最长基线相位差向量,采用最小二乘方法估计入射方向。通过本发明可以在宽频段范围内对实测相位差正确解模糊,使得相位干涉仪系统可在宽频段范围内获得很高的测向精度。
优选地,上述平面阵为均匀圆阵。
优选地,上述步骤2具体包括
优选地,上述解模糊的过程进一步包括
设相位差向量的各个元素不存在相位模糊,其中为所测角度的方向余弦,为一个的矩阵,其每一行与一个阵元选取组合相对应,假设某行对应于阵元和阵元组合,则该行第1个元素为,第2个元素为,的取法一共有种组合,为阵元个数;为相位噪声项;而相位差向量,的含义类似于。其中存在相位模糊,其实际测量值为。
(5)
本发明的工作原理如下
1.虚拟基线变换
当的取值为满足下式的正整数时
可将虚拟均匀圆阵中两个相邻阵元间的相位差表示为如下(9)式
其中即为虚拟均匀圆阵的半径。
设原始阵列中所有相邻相位差均存在相位模糊,执行一次虚拟阵列变换后,虚拟阵列中的相邻相位差不存在模糊,这等效于将圆阵半径减小,从而使得最高无模糊测向频率增加,如图3所示。因此,第个阵元与第个阵元之间的无模糊相位差为,测量相位差为,第个阵元与第个阵元之间的无模糊相位差为,测量相位差为,且和满足(8),则有
由于式(12)获得了无模糊的相位差,可以利用该相位差,采取类似于长短基线解模糊的方法求解圆阵各基线相位差向量的无模糊值。特别地,为了提高算法的测向精度,利用最终解得的无模糊长基线相位差,并结合最小二乘法求得精确的信号入射方向。
2.噪声情形下的无模糊条件
当存在噪声时,两阵元间的相位差可表示为:
将式(15)代入式(14)中,可得
故式(16)可近似等效为
即
故式(19)可重写为
(21)
即
化简上式,可得
时,能够保证相邻阵元的相位差至少以的概率不存在模糊。例如当,,,,时,不同信噪比下最高无模糊频率如图4所示。在每个信噪比下进行5000次蒙特卡罗实验,图4同样给出了阵元1和2之间相位差的最高无模糊频率的仿真结果,它与由式(24)确定的理论值吻合。
3.噪声情况下虚拟基线变换的无模糊条件
在噪声存在的情况下,类似于式(24)的推导,可得当
时,能够保证虚拟变换后相邻阵元的相位差至少以的概率不存在模糊。
即
(29)
本发明提出的算法不仅适合于均匀圆阵,其思想能可拓展用于其它形式的平面阵。
下面详细说明本发明方案的技术效果。
考虑一个9元均匀圆阵,阵列直径为50米。信号源为单频信号,入射的方位角和俯仰角分别为100度和10度,其载波频率在内按的步进变化。分别采用传统虚拟基线变换方法(见文献:DOA Estimation By Exploiting Virtual Baseline Transform of UCA, Linhong Jiang; Zishu He; Kexin Jia; Ting Cheng; EESP2001 Conference.)和本文提出的算法测量入射信号角度。
当由长基线获得的向位差向量不存在模糊时,测向结果的精度是最高的。因此,当用长基线进行干涉仪二维测向存在模糊时,可以通过本发明所提到的方法先经过虚拟基线变换获得较短基线的向位差向量,然后再由此求得长基线真实的相位差向量,从而在保证无测角模糊的同时又能获得长基线高精度的优点。图6与图7给出了在信噪比从5dB变化到15dB的条件下,两种测向算法所获得的方位角和俯仰角测角标准差随信号入射频率的变化曲线。从图中可见,本发明提出的算法较传统方法有更高的测向精度。图6与图7中,随着频率的继续增大,两种算法的测向精度会有所下降,此时可以进行多次虚拟基线变换以保证能够得到无模糊的相位差向量。
为进一步考察本发明提出算法的测向精度,将其测向性能与克拉美劳下限进行对比。假设方位角在之间按的步进取9个值,而俯仰角在之间按的步进取8个值,即共72组不同的入射方向。在不同频率,信噪比下,对每组入射方向分别执行10000次蒙特卡洛实验,并对所有组合的入射方向和相应的方向余弦的标准差取平均,结果如图8和图9所示。其中同时给出了方向余弦估计的克拉美劳下限,可见本发明给出的算法其测向性能可较好地逼近该理论下限。另外,可以看到在信噪比为5dB和10dB时,误差性能曲线在基线波长比为5.5时出现了上扬,其对应的无模糊频率上限于理论计算结果接近。
本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何组合,以及披露的任一方法或过程的步骤或任何组合。
Claims (3)
1.一种基于虚拟基线的圆阵相位干涉仪二维测向方法,所述方法具体包含以下步骤:
所述步骤2具体包括
所述步骤3具体包括
当对各次虚拟变换的相位差向量进行解模糊时,令
当对最长基线相位差向量进行解模糊时,令
2.如权利要求1所述的基于虚拟基线的圆阵相位干涉仪二维测向方法,其特征在于所述平面阵为均匀圆阵。
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