CN104122527A - 一种基于查表法的圆阵相位干涉仪宽带瞬时测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信雷达技术领域，提供了一种基于查表法的圆阵相位干涉仪宽带瞬时测向方法，具体包括以下步骤，建立查找表，以2π/(2^L-1)为间隔，在(-π,π]范围内遍历每个相位差，构造相位差组合；对每个相位差组合进行解模糊计算得到相位模糊数；构造表值，建立查找表；鉴相系统测量获取相位差的测量值，查表计算，获取对应表值并分解为相应的模糊数，计算真实相位差；根据频系统输出的波长和真实相位差，计算来波方向的俯仰角和方位角。使用查表法解模糊，避免了公式解模糊的繁琐计算，极大的缩短测向时间，可以将测向时间从十毫秒级缩短到百纳秒级，适应实时应用。

Description

一种基于查表法的圆阵相位干涉仪宽带瞬时测向方法

技术领域

本发明属于通信雷达技术领域，特别涉及无线电监测中的基于圆阵相位干涉仪体制的宽带瞬时测向方法。

背景技术

无线电测向是指测量目标辐射源的位置，广泛应用于民用和军用领域，如移动通信，雷达，声纳等。相对于其他测向方法，相位干涉仪具有结构简单，易于实现，成熟度高的优点。对于二维测向，圆阵相对于其他阵型可以缩小阵列尺寸，易于复合其他装置。

干涉仪测向最核心的是解相位模糊，圆阵解模糊的算法比线阵要稍显复杂，一般会涉及聚类分析。有学者提出基于聚类门限的解模糊方法(见文献：谢立允,王广松,戴旭初.圆阵相位干涉仪二维测向解模糊新方法[J].遥测遥控,2007,28(5):53-59)，但由于门限的设置问题，该方法不具备鲁棒性。另有学者提出了不需门限的聚类解模糊方法(见文献：王琦.圆阵干涉仪测向研究[J].航天电子对抗,2009,25(5):33-35)，该方法虽鲁棒，但解模糊所需的计算量大，测向周期长，不具备实时性。

因此，在保证鲁棒性的同时，提高测向速度成为研究的关键。

发明内容

针对现有的圆阵相位干涉仪存在测向解模糊算法计算量大的技术问题，在保证精度和鲁棒性的前提下提出一种基于查表法的宽带瞬时测向方法，具体技术方案如下：

本发明提供了一种基于查表法的圆阵相位干涉仪宽带瞬时测向方法，其具体包括以下步骤：

第一步，建立查找表，

(S1)取K元阵中的K-1个等长基线对应的相位差Δφ_j，以2π/(2^L-1)为间隔，以(-π,π]为范围，分别遍历K-1个相位差Δφ_j，j＝1,…,K-1，得到每个相位差Δφ_j对应2^L个值，即其中，M_j＝0,1,...,(2^L-1)；从每个Δφ_j对应的2^L个值中任取一个值，构成一种相位差组合，最后得到2^L(K-1)种相位差组合，其中，L表示每个相位差的位数，将每种相位差组合中对应的K-1个M_j值分别转化为L位二进制数，组成位数为L(K-1)位的表地址；

(S2)对步骤(S1)中得到的2^L(K-1)种相位差组合，分别进行解模糊，每种组合得到相邻基线对应相位差Δφ_j与Δφ_j+1的相位模糊数k_j和k_j+1，将k_j和k_j+1组合成一个数值，2^L(K-1)种相位差组合可以对应得到2^L(K-1)个数值；

(S3)根据步骤(S1)中所述的表地址，将步骤(S2)中得到的2^L(K-1)个数值作为表值，建立查找表；

第二步，查表计算，

(S4)鉴相系统测得K-1个相位差Δφ_j′(j＝1,…,K-1)测量值，设测量值的全精度表示为N位，其中N>L值，取所述测量值的高L位，K-1个相位差组成L(K-1)位查表地址，查找所述步骤(S3)建立的查找表，获取对应的表值，并将表值分解为相位模糊数k_j和k_j+1；

(S5)取测量的相位差Δφ_j′的全精度N位数值，结合所述步骤(S4)中得到相位模糊数k_j和k_j+1，计算得到真实的相位差；

(S6)获取测频系统输出的波长λ，根据所述步骤(S5)中得到的真实相位差，计算得到俯仰角和方位角。

优选地，所述步骤(S2)在解模糊过程中的频率取值为频段内的最高频点值。

优选地，所述步骤(S5)中的计算公式为：

φ_t＝φ_m+2kπ，其中φ_t表示真实的相位差，k为相位模糊数，φ_m表示测量的相位差。

优选地，所述步骤(S6)中的计算过程为，根据波长值和阵元之间的参数，构造复数f₁，则求解来波方向俯仰角θ＝arcsin(｜f₁|)，方位角

本发明的有益效果为：

1、使用查表法解模糊，避免了公式解模糊的繁琐计算，极大的缩短测向时间，可以将测向时间从十毫秒级(见文献：张海燕,李正文,许林.五通道相位干涉仪测向算法及其在TMS320C6711上的实现[J].电子技术应用,2003(12):28-31)缩短到百纳秒级，适应实时应用。

2、查表输出的是相位模糊数而不是真实相位值，这样可以让查找表不需要频率地址就能有宽频带适应性。

3、查表时使用短位数，计算时采用全精度长位数，可以保证测向精度，同时减小表的体积。

4、由于建立查找表时采用鲁棒类解模糊算法，故该查表法测向具有很好的稳定性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明相关的五元圆阵模型；

图3为本发明相关的基于查表法的五元阵相位干涉仪测向方法的流程图；

图4为查表法测向的精度示意图；

图5为查表法测向的宽带性能示意图；

图6为查表法测向俯仰角扫描性能示意图；

图7为查表法测向方位角扫描性能示意图；

图8为硬件实现的单次查表法测向所用时间示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

以五元阵(K＝5)为例，为了便于阐述查表法的工作原理，先介绍本发明所采用的鲁棒类相位解模糊法(见文献：王琦.圆阵干涉仪测向研究[J].航天电子对抗,2009,25(5):33-35)。如图2所示，五元阵中的五个阵元均匀位于半径为R的圆周上，标号分别为1到5，以五元阵所在圆周的圆心为坐标原点建立直角坐标系。第一阵元与X轴的夹角γ为18°，阵元与阵元间的夹角ω为72°。向量K为来波方向，其方向用俯仰角θ和方位角来表征，以坐标原点作为相位零点，假设个阵元接收单位幅度的信号，则各天线接收的信号x_p(t)为：

其中，λ为入射波波长，p＝1,...,5。本实施例中选择长基线测角的方式，所以需要求相位差Δφ_p,q(p＝1,...,5，q＝mod(p+2,5))

其中，mod(·)表示取余，arg(·)表示求幅角，在没有相位模糊的情况下，可以直接选择相位差Δφ₁₃和Δφ₂₄进行测向，首先得到两个相位差的和与差

其中，k_sum＝-8πR sinωcos(ω/2)/λ，k_sub＝-8πR sinωsin(ω/2)/λ。然后构造如下复数，其中i为虚数单位

由所构造的复数f₁便可求得来波方向

但是大多数情况下，鉴相器的输出相位差存在模糊，需要解模糊以得到真实的相位差，具体解模糊分如下三个步骤：

首先，结合波长，天线阵面尺寸，测向范围以及公式(2)得到可能的相位模糊数范围为[-m,m],这里的范围值[-m,m]是结合先验知识，预先设置的一个相位模糊数范围，这样模糊数共有2m+1个；

其次，将范围内所有模糊数代入，求出所有可能的相位差集合φ₁₃,φ₂₄，φ₃₅,φ₄₁,φ₅₂，利用两两基线组的相位差集合(φ₁₃,φ₂₄)，(φ₂₄,φ₃₅)，(φ₃₅,φ₄₁)，(φ₄₁,φ₅₂)，(φ₅₂,φ₁₃)，依据公式(5)构造出复数f₁,f₂,f₃,f₄,f₅，这样共有5组复数，每组的复数个数为(2m+1)²，并注意剔除模值大于1的复数。

最后，考虑噪声的影响，每组中只会存在一个复数与其余各组的某个复数接近，即他们聚类程度最高，这几个互相接近的复数对应着真实的来波方向。以第一组f₁为参考，求该组中每个复数到其余各组复数的最短距离，再将每个复数对应的4个最短距离求和，和最小的那个复数即为真实相位差组合(φ₁₃,φ₂₄)所对应的复数，此时可由式(3)(4)(5)逆推出真实相位差φ₁₃和φ₂₄，结合两者测量相位差便可输出相位模糊数k₁₃和k₂₄。

下面结合实施例，说明基于查表法的测向方法。

如图3所示，为基于查表法的圆阵相位干涉仪测向的流程图，包括建立查找表和查表计算两部分，具体包含以下步骤：

一、建立查找表，流程参照图3-a。

步骤1相位输入取相位差φ₁₃,φ₂₄,φ₃₅,φ₄₁，分别用6位表示，组合成24位的表地址，依次遍历所有可能的相位差组合，每个相位差的遍历间隔取Δφ＝2π/(2⁶-1)，遍历范围为(-π,π]，其中φ₅₂＝mod(-(φ₁₃+φ₂₄+φ₃₅+φ₄₁)-π,2π)-π。

步骤2对于每种相位差组合，进行一次解模糊算法，波长取所需频段内最高频点对应的波长，输出参数为相位模糊数k₁₃和k₂₄。

步骤3将k₁₃和k₂₄组合为一个数作为每个表地址对应的查表值。

二、查表计算，流程参照图3-b。

步骤1鉴相系统所测得四个测量相位差φ_m13,φ_m24,φ_m35,φ_m41，假设鉴相系统表示相位差用N(N>6，这里称为全精度表示)位，这里只取其高6位，四个相位差组成24位查表地址，查得对应的表值，并分解为相位模糊数k₁₃和k₂₄。

步骤2根据公式φ_t＝φ_m+2kπ，求得真实相位差φ_t13,φ_t24，这里φ_m取长位数全精度N位表示。

步骤3结合测频系统的所得的波长λ，将φ_t13,φ_t24代入式(3)(4)(5)(6)即可得到俯仰角和方位角其中(6)式中的反正弦计算可根据需要查找反正弦表获得结果。

考虑一个半径为R的五元均匀圆阵，信号波长为λ，分别仿真查表法的测向精度，测向的频带范围，指定空域的测向性能，最后给出硬件实现所需的测向时间。

测向误差使用瞄准误差，用均方根误差表示，即

K_t，K_m分别为真实来波方向和测得来波方向。

仿真中测量相位差φ_m13,φ_m24,φ_m35,φ_m41采用128点FFT计算获得，对信号加入高斯白噪声，但不考虑系统误差的影响。对每种条件均采用500次Monte Carlo实验，仿真结果如图4、图5、图6、图7所示，SNR表示信噪比，在这些图的所有条件下，成功解模糊概率都是100％，故未给出解模糊概率图。图4是对查表法测向和直接计算测向的精度的比较，来波方向俯仰角和方位角为(30°,60°)，仿真频点为R/λ＝1.72。可以看出，两者精度几乎一致，所以查表法测向保持了测向的精度。图5是查表法测向的宽带性能展示，来波方向同上。可见在R/λ∈[0.9,2.54]的范围内都有很好的测向性能。图6是固定来波方向的方位角为60°，仿真频点为R/λ＝1.72，对俯仰角进行扫描仿真。可以看出俯仰角在[0°,30°]范围内均可解模糊测向。图7是固定俯仰角为30°，仿真频点为R/λ＝1.72，对方位角进行扫描仿真。可以看出方位角在[-180°,180°]范围内均可解模糊测向。

最后给出硬件实现的单次测向所需时间，硬件实现平台为FPGA加FLASH，FPGA实现逻辑运算，FLASH存储查找表。单次解模糊测向时间示意图如图8所示，phase_valid信号表示已获取相位差的标志，k_valid表示由查表获取到模糊数的标志，DOA_valid表示测向完成标志，elevation和azimuth分别输出的是俯仰角和方位角，对应的是(30°,60°)。单次解模糊测向时间指的是phase_valid到DOA_valid之间的时间间隔。这里系统处理时钟为200MHz，处理节拍数为36，所以单次解模糊测向时间为180ns。

本发明提出的查表法测向不仅适用于圆阵，对于其他平面阵均可使用。只需预先计算出不同相位差对应的模糊数，然后建表即可。本发明提出的查表法测向具有一定的宽频带适应性，要想进一步扩展频带，只需加入数个关于频率的地址即可。以上所述仅为本发名的较佳实施范例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于查表法的圆阵相位干涉仪宽带瞬时测向方法，其具体包括以下步

骤：

第一步，建立查找表：

(S1)取K元阵中的K-1个等长基线对应的相位差Δφ_j，以2π/(2^L-1)为间隔，以(-π,π]为范围，分别遍历K-1个相位差Δφ_j，j＝1,…,K-1，得到每个相位差Δφ_j对应2^L个值，即其中，M_j＝0,1,...,(2^L-1)；从每个Δφ_j对应的2^L个值中任取一个值，构成一种相位差组合，最后得到2^L(K-1)种相位差组合，其中，L表示每个相位差的位数，将每种相位差组合中对应的K-1个M_j值分别转化为L位二进制数，组成位数为L(K-1)位的表地址；

(S2)对步骤(S1)中得到的2^L(K-1)种相位差组合，分别进行解模糊，每种组合得到相邻基线对应相位差Δφ_j与Δφ_j+1的相位模糊数k_j和k_j+1，将k_j和k_j+1组合成一个数值，2^L(K-1)种相位差组合可以对应得到2^L(K-1)个数值；

(S3)根据步骤(S1)中所述的表地址，将步骤(S2)中得到的2^L(K-1)个数值作为表值，建立查找表；

第二步，查表计算，

(S4)鉴相系统测得K-1个相位差Δφ_j′(j＝1,…,K-1)测量值，设鉴相系统的相位差用N位表示，其中N>L值，取所述测量值的高L位，K-1个相位差组成L(K-1)位查表地址，查找所述步骤(S3)建立的查找表，获取对应的表值，并将表值分解为相位模糊数k_j和k_j+1；

(S5)取测量的相位差Δφ_j′的N位数值，结合所述步骤(S4)中得到相位模糊数k_j和k_j+1，计算得到真实的相位差；

(S6)获取测频系统输出的波长λ，根据所述步骤(S5)中得到的真实相位差，计算得到来波方向的俯仰角和方位角。

2.如权利要求1所述的基于查表法的圆阵相位干涉仪宽带瞬时测向方法，其特征在于：所述步骤(S2)在解模糊过程中的频率取值为频段内的最高频点值。

3.如权利要求1所述的基于查表法的圆阵相位干涉仪宽带瞬时测向方法，其特征在于：所述步骤(S5)中的计算公式为：

φ_t＝φ_m+2kπ，其中φ_t表示真实的相位差，k为相位模糊数，φ_m表示测量的相位差。

4.如权利要求1所述的基于查表法的圆阵相位干涉仪宽带瞬时测向方法，其特征在于：所述K元阵为5元阵。

5.如权利要求4所述的基于查表法的圆阵相位干涉仪宽带瞬时测向方法，其特征在于：所述步骤(S1)取等长基线相位差Δφ₁₃,Δφ₂₄,Δφ₃₅,Δφ₄₁，每个相位差用6位二进制数表示，以2π/(2⁶-1)为间隔，以(-π,π]为范围，分别遍历4个相位差Δφ₁₃,Δφ₂₄,Δφ₃₅,Δφ₄₁，得到每个相位差对应64个值，即其中，M_j＝0,1,...,63，j表示13,24,35,41标号；从每个Δφ_j对应的64个值中任取一个值，构成一种相位差组合，最后得到2²⁴种相位差组合，将每种组合中对应的4个M_j值分别转化为6位二进制数，组成位数为24位的表地址；

所述步骤(S2)中对2²⁴种相位差组合进行解模糊，每种相位差组合进行解模糊后输出都取相位模糊数k₁₃和k₂₄，将k₁₃和k₂₄组合成一个数值，2²⁴种相位差组合对应得到2²⁴个数值。

6.如权利要求1所述的基于查表法的圆阵相位干涉仪宽带瞬时测向方法，其特征在于：所述步骤(S6)中的计算过程为，根据波长值和阵元之间的参数，构造复数f₁，则求解来波方向俯仰角θ＝arcsin(｜f₁｜)，方位角