CN105334490A - 一种宽带信号干涉测向的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带信号干涉测向的方法，通过提取宽带信号中不同频率分量的信号进行干涉处理，可以获得多个独立的用于解模糊的方程，等效于获得多基线；从而可以获得足够短的基线，并且可以使用两个天线即完成对宽带信号的测向；本发明充分利用宽带信号本身自带的丰富信息进行波达方向估计，有效地克服了传统测向系统结构复杂、成本高、空间占用大和由模糊引起的目标分辨较差等问题。

Description

一种宽带信号干涉测向的方法

技术领域

本发明涉及无源定位领域，尤其涉及一种对宽带信号进行干涉测向的方法。

背景技术

测向定位是无源定位体制应用中最常见的定位体制之一。其基本原理是将测向得到的卫星到辐射源于地球表面的交点作为辐射源的位置。因此，对辐射源进行测向是测向定位中最关键的一步。对辐射源进行测向的基本原理是利用测向天线对不同方向的来波信号具有的振幅或相位响应来确定来波方向。

现有技术中测向定位的技术体制主要包括为比幅测向、比相测向、阵列测向和多普勒测向等。其中，干涉仪测向技术是通过测量位于不同波前的天线接收信号的相位差，经过处理来获取来波方向，由于它是通过比较2个天线之间的相位来获得方向，因此也称为比相法。干涉仪测向分为单基线干涉仪测向与多基线干涉仪测向。由于干涉仪测向的精度取决于基线的长度，基线长度越长，测向精度越高；但是基线增长，会使得干涉相位超过2π，产生模糊，不能分辨目标真正的方向。因此，常采用多基线干涉仪方法来解决这个问题，这无疑增加了设备成本、系统结构复杂度和增大了空间占用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供了一种宽带信号干涉测向的方法，能够有效降低系统结构复杂度、节约成本、提供空间利用率以及解决了传统双天线干涉仪测向方法中因基线增长而导致的干涉相位超过2π，产生模糊，不能分辨目标真正方向的问题。

本发明包括如下技术方案：

本发明提供一种宽带信号干涉测向的方法，包括以下步骤：

(1)设置天线1和天线2接收宽带信号；

(2)天线1和天线2分别对接收到的宽带信号进行频谱分析，获得宽带信号的中心频率f₀和带宽B；

(3)天线1和天线2分别在接收到的宽带信号中，结合获得的宽带信号的中心频率f₀和带宽B，确定N个频率分量f₁，f₂，f₃…f_N；

(4)天线1和天线2根据所述确定的N个频率分量，采用滤波器分别从接收到的宽带信号中提取所述频率分量对应的分信号s₁(f_n)和s₂(f_n)，其中s₁(f_n)为天线1在频率分量f_n下对应的分信号，s₂(f_n)为天线2在频率分量f_n下对应的分信号，其中n∈1,2,...N；

(5)将每一频率分量f_n对应的分信号s₁(f_n)和s₂(f_n)进行干涉处理，得到由N个独立方程组成的等效多基线方程组；

(6)采用解模糊算法求解所述等效多基线方程组得到模糊数，进而求得宽带信号的来波方位角θ；

所述N的取值等于采用解模糊算法求解所述等效多基线方程组时所需要的方程个数。

进一步的，所述等效多基线方程组为：

$\left\{\begin{array}{c}phase\[s_1\left(f_1\right)s_2^{*}\left(f_1\right)\]=2M_1\mathrm{\π}+{\mathrm{\Φ}}_1=\frac{2{\mathrm{\πdf}}_1}{c}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{2{\mathrm{\πd}}_1}{{\mathrm{\λ}}_0}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ phase\[s_1\left(f_2\right)s_2^{*}\left(f_2\right)\]=M_2\mathrm{\π}+{\mathrm{\Φ}}_2=\frac{2{\mathrm{\πdf}}_2}{c}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{2{\mathrm{\πd}}_2}{{\mathrm{\λ}}_0}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\\ .\\ .\\ .\\ phase\[s_1\left(f_N\right)s_2^{*}\left(f_N\right)\]=2M_N\mathrm{\π}+{\mathrm{\Φ}}_N=\frac{2{\mathrm{\πdf}}_N}{c}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{2{\mathrm{\πd}}_N}{{\mathrm{\λ}}_0}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right.$

上式中，对于n∈1,2,...N而言，为s₂(f_n)的共轭，为分信号s₁(f_n)和s₂(f_n)的干涉相位；M_n为模糊数，M_n取值正整数；Φ_n为相位余量，0≤Φ_n<2π，Φ_n可在所述干涉处理中由干涉仪测得；d为天线1与天线2之间的物理基线的长度；c为真空下电磁波的传播速度；θ为所述宽带信号的来波方位角；d_n为s₁(f_n)和s₂(f_n)之间等效基线的长度；λ₀为宽带信号中心频率f₀对应的中心波长。

进一步的，所述宽带信号的来波方位角θ的表达式为： $\mathrm{\&theta;}=arc\sin \left(\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0({\mathrm{\&Phi;}}_n+2M_n\mathrm{\&pi;})}{2{\mathrm{\&pi;d}}_n}\right).$

进一步的， $f_0-\frac{B}{2}\&le;f_n\&le;f_0+\frac{B}{2}.$

进一步的， $d_n=\frac{f_n}{f_0}d$

本发明与现有技术相比具有如下优点：

通过提取宽带信号的不同频率分量进行干涉处理，可以形成等效的多基线，从而可以解模糊获得信号的来波方向，此方法理论上可以获得任意短的基线，并且最少仅需用两个天线即可实现对宽带信号的测向，从而有效地降低了系统结构复杂度、节约成本并提高空间利用率，本发明还成功克服了传统双天线干涉仪测向方法中因基线增长而导致的干涉相位超过2π，产生模糊，不能分辨目标真正方向的问题。

附图说明

图1为本发明的宽带信号干涉测向的流程示意图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

本发明提出的宽带信号干涉测向方法属于干涉仪测向方法。相比于传统的干涉仪测向方法，该方法通过对宽带信号进行频率分析，然后对宽带信号的不同频率分量的信号分别进行干涉处理，充分利用了宽带信号的自带信息，形成虚拟的等效基线，采用本发明宽带信号干涉测向方法的测向系统最少仅需采用两个阵元(即天线)即可以实现对宽带信号的测向。具体而言，本发明的宽带信号干涉测向方法包括以下步骤：

(1)设置天线1和天线2用于接收宽带信号，所述天线1和天线2之间物理基线的长度为d；

(2)天线1和天线2分别对接收到的宽带信号进行频谱分析，获得宽带信号的中心频率f₀和带宽B；

(3)天线1和天线2分别在接收到的宽带信号中，结合获得的宽带信号的中心频率f₀和带宽B，确定N个频率分量f₁，f₂，f₃…f_N，其中n∈1,2,...N；其中，所述f₁，f₂，f₃…f_N可以在满足n∈1,2,...N的条件下根据实际需要分布，例如f₁，f₂，f₃…f_N可以设置为：在大于等于且小于等于的范围内均匀等间隔分布；

(4)天线1和天线2根据所述确定的N个频率分量，采用滤波器分别从接收到的宽带信号中提取所述频率分量对应的分信号s₁(f_n)和s₂(f_n)，其中s₁(f_n)为天线1在频率分量f_n下对应的分信号，s₂(f_n)为天线2在频率分量f_n下对应的分信号，s₁(f_n)和s₂(f_n)之间的等效基线长度为d_n，其中n∈1,2,...N

(5)将每一频率分量f_n对应的分信号s₁(f_n)和s₂(f_n)进行干涉处理，得到由N个独立方程组成的等效多基线方程组(即解模糊方程组)，如式(1)所示：

$\left\{\begin{array}{c}phase\&lsqb;s_1\left(f_1\right)s_2^{*}\left(f_1\right)\&rsqb;=2M_1\mathrm{\&pi;}+{\mathrm{\&Phi;}}_1=\frac{2{\mathrm{\&pi;df}}_1}{c}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{2{\mathrm{\&pi;d}}_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)\\ phase\&lsqb;s_1\left(f_2\right)s_2^{*}\left(f_2\right)\&rsqb;=M_2\mathrm{\&pi;}+{\mathrm{\&Phi;}}_2=\frac{2{\mathrm{\&pi;df}}_2}{c}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{2{\mathrm{\&pi;d}}_2}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)\\ .\\ .\\ .\\ phase\&lsqb;s_1\left(f_N\right)s_2^{*}\left(f_N\right)\&rsqb;=2M_N\mathrm{\&pi;}+{\mathrm{\&Phi;}}_N=\frac{2{\mathrm{\&pi;df}}_N}{c}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{2{\mathrm{\&pi;d}}_N}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

上式中，对于n∈1,2,...N而言，为s₂(f_n)的共轭，为分信号s₁(f_n)和s₂(f_n)的干涉相位；M_n为模糊数，M_n取值正整数；Φ_n为相位余量，0≤Φ_n<2π，Φ_n可在所述干涉处理中由干涉仪测得；c为真空下电磁波的传播速度；θ为所述宽带信号的来波方位角；λ₀为宽带信号中心频率f₀对应的中心波长；

(6)采用解模糊算法求解所述等效多基线方程组得到模糊数，进而求得宽带信号的来波方位角θ，如式(2)所示：

$\mathrm{\&theta;}=arcsin\left(\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_0({\mathrm{\&Phi;}}_n+2M_n\mathrm{\&pi;})}{2{\mathrm{\&pi;d}}_n}\right)---\left(2\right)$

在上述宽带信号干涉测向方法的步骤中，所述N的取值等于采用解模糊算法求解所述等效多基线方程组时所需要的方程个数；本发明测向系统的测向精度由等效基线中最长的等效基线长度决定，所述最长的等效基线长度为 $(1+\frac{B}{2f_0})d.$

利用解模糊算法求解方程组的过程可由本领域技术人员根据实际情况，选择本领域中现有的解模糊算法进行求解，此处不再赘述。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种宽带信号干涉测向的方法，包括以下步骤：

(1)设置天线1和天线2接收宽带信号；

(2)天线1和天线2分别对接收到的宽带信号进行频谱分析，获得宽带信号的中心频率f₀和带宽B；

(3)天线1和天线2分别在接收到的宽带信号中，结合获得的宽带信号的中心频率f₀和带宽B，确定N个频率分量f₁，f₂，f₃…f_N；

(4)天线1和天线2根据所述确定的N个频率分量，采用滤波器分别从接收到的宽带信号中提取所述频率分量对应的分信号s₁(f_n)和s₂(f_n)，其中s₁(f_n)为天线1在频率分量f_n下对应的分信号，s₂(f_n)为天线2在频率分量f_n下对应的分信号，其中n∈1,2,...N；

(5)将每一频率分量f_n对应的分信号s₁(f_n)和s₂(f_n)进行干涉处理，得到由N个独立方程组成的等效多基线方程组；

(6)采用解模糊算法求解所述等效多基线方程组得到模糊数，进而求得宽带信号的来波方位角θ；

所述N的取值等于采用解模糊算法求解所述等效多基线方程组时所需要的方程个数。

2.如权利要求1所述的宽带信号干涉测向的方法，其特征在于：所述等效多基线方程组为：

$\left\{\begin{array}{c}phase\&lsqb;s_1\left(f_1\right)s_2^{*}\left(f_1\right)\&rsqb;=2M_1\mathrm{\&pi;}+{\mathrm{\&Phi;}}_1=\frac{2{\mathrm{\&pi;df}}_1}{c}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{2{\mathrm{\&pi;d}}_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)\\ phase\&lsqb;s_1\left(f_2\right)s_2^{*}\left(f_2\right)\&rsqb;=2M_2\mathrm{\&pi;}+{\mathrm{\&Phi;}}_2=\frac{2{\mathrm{\&pi;df}}_2}{c}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{2{\mathrm{\&pi;d}}_2}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)\\ .\\ .\\ .\\ phase\&lsqb;s_1\left(f_N\right)s_2^{*}\left(f_N\right)\&rsqb;=2M_N\mathrm{\&pi;}+{\mathrm{\&Phi;}}_N=\frac{2{\mathrm{\&pi;df}}_N}{c}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{2{\mathrm{\&pi;d}}_N}{{\mathrm{\&lambda;}}_0}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)\end{array}\right.$

上式中，对于n∈1,2,...N而言，为s₂(f_n)的共轭，为分信号s₁(f_n)和s₂(f_n)的干涉相位；M_n为模糊数，M_n取值正整数；Φ_n为相位余量，0≤Φ_n<2π，Φ_n可在所述干涉处理中由干涉仪测得；d为天线1与天线2之间的物理基线的长度；c为真空下电磁波的传播速度；θ为所述宽带信号的来波方位角；d_n为s₁(f_n)和s₂(f_n)之间等效基线的长度；λ₀为宽带信号中心频率f₀对应的中心波长。

3.如权利要求2所述的宽带信号干涉测向的方法，其特征在于：所述宽带信号的来波方位角θ的表达式为：

4.如权利要求1所述的宽带信号干涉测向的方法，其特征在于： $f_0-\frac{B}{2}\&le;f_n\&le;f_0+\frac{B}{2}.$

5.如权利要求2所述的宽带信号干涉测向的方法，其特征在于：