CN106443572A - 基于十字型阵列的空间目标二维角度快速估计方法 - Google Patents

基于十字型阵列的空间目标二维角度快速估计方法 Download PDF

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angle
array
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CN201610812102.2A
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王伶
瞿晓霞
张兆林
王凯
商景瑞
况梅东
谢坚
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Northwestern Polytechnical University
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Northwestern Polytechnical University
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/14—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/46—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using antennas spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems

Abstract

本发明提供了一种基于十字型阵列的空间目标二维角度快速估计方法，通过将十字阵二维角度估计问题分解为两个一维角度估计问题，分别利用十字阵中纵向天线子阵与横向天线子阵进行解算，得到实际俯仰角信息与等效方位角信息，再利用该俯仰角、实际方位角、等效方位角之间的三角函数关系，求解反三角函数，得到实际方位角信息，完成信号波达方向的快速准确估计。本发明在节省了运算量的同时又有效的提高的目标信号估计的准确性。

Description

基于十字型阵列的空间目标二维角度快速估计方法
技术领域
本发明涉及一种空间谱二维估计方法，属于阵列信号处理领域。
背景技术
阵列信号处理是通过将多个信号传感器设置在空间不同位置组成阵列，并利用该阵列对空间信号进行接收和处理，提取阵列所接收空间信号的特征信息。空间谱估计技术是阵列信号处理的一个重要研究方向，目前广泛应用于雷达、声纳、地震信息、无线通信和生物医学工程等多种军事与民用领域。
空间谱二维估计一般将传感器排列成平面阵以实现空间信号二维角度估计，其需要进行空间谱二维搜索，计算复杂度和数据处理量远超过一维搜索。实际应用中，目标侦察与无源定位均需要以精确的角度估计为基础，二维搜索的计算复杂度与庞大的数据量将大大降低系统的实时性，这种影响在高速载体上特别明显。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于十字型阵列的空间目标二维角度快速估计方法，通过将十字阵二维角度估计问题分解为两个一维角度估计问题，分别利用十字阵中纵向天线子阵与横向天线子阵进行解算，得到实际俯仰角信息与等效方位角信息，再利用该俯仰角、实际方位角、等效方位角之间的三角函数关系，求解反三角函数，得到实际方位角信息，完成信号波达方向的快速准确估计。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)计算十字阵列中纵向天线子阵相对于原点的相位差其中，λ表示波长；通过十字阵列中纵向天线子阵接收的数据，利用空间谱估计算法进行一维角度估计，得到信号来向俯仰角θ；
(2)计算十字阵列中横向天线子阵相对于原点的相位差其中，(y，z)表示十字阵列中的天线布阵坐标；通过十字阵列中横向天线子阵接收的数据，利用空间谱估计算法进行一维角度估计，得到等效方位角
(3)利用步骤(1)测出的俯仰角信息补偿步骤(2)测出的等效方位角信息，从而计算出实际方位角
本发明的有益效果是：通过将空间谱二维角度估计分解成两个一维角度估计的方法，极大的减少了计算复杂度和数据处理量，从而节省了运算时间，保证了信息的实时性。同时本发明通过利用实际俯仰角与实际方位角之间的三角函数关系，利用实际俯仰角与等效方位进行反三角函数求解，得到实际方位角，在节省了运算量的同时又有效的提高的目标信号估计的准确性。
附图说明
图1是阵元布局图；
图2是坐标系图；
图3是空间目标二维角度快速估计方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明包括以下步骤：
(1)十字阵中纵向天线在Y轴的坐标均为0，因此纵向天线相对于原点的相位差不受方位角的影响，即纵向天线相对于原点的相位差为
其中，θ表示信号来向俯仰角，表示方位角，λ表示波长，d表示几何中心波程差。通过纵向天线接收的数据，利用空间谱估计算法进行一维角度估计，得到准确俯仰角θ信息。
(2)十字阵中横向天线在Z的坐标均为0，天线相对于原点的相位差不受坐标Z的影响，即实际相位差为
但在实现中采用的相位差为
其中为等效测出的方位角，再通过横向天线接收的数据，利用空间谱估计算法进行一维角度估计，得到等效方位角测向信息。
(3)依据等效方位角和实际方位角间的相位关系，可知
因此，实际方位角为
利用步骤(1)测出的俯仰角信息补偿步骤(2)测出的等效方位角信息，从而计算出实际方位角信息。
本发明的实施例如图1所示，天线阵列的阵元个数为5，分布为半波长等间距十字阵，对应的天线布阵坐标(Y，Z)：天线1(-a，0)、天线2(0，0)、天线3(a，0)、天线4(0，a)、天线5(0，-a)。如图2，天线阵在YOZ平面上放置，定义来波方向与其在法平面XOY的投影夹角为θ(大地坐标的俯仰角)，逆时针为正，定义来波方向在XOY平面投影与X轴的夹角为(大地坐标的方位角)，逆时针为正。Y轴的方向余弦为Z轴的方向余弦sin(θ)，θ和在Z轴向的方向余弦是不耦合。
该方法包括以下步骤：
步骤一：十字阵中天线4(0，a)、天线2(0，0)、天线5(0，-a)接收的数据，相对于原点的相位差
由于该三个天线在Y的坐标均为0，天线4、天线2、天线5相对于原点的相位差不受方位角的影响，即相位差为
从而进行一维波达方向估计，得到俯仰角信息；
步骤二：十字阵中天线1(-a，0)、天线2(0，0)、天线3(a，0)接收的数据，由于该三个天线在Z的坐标均为0，天线1、天线2、天线3相对于原点的相位差不受坐标Z的影响，即实际相位差为
但在实现中由于俯仰角θ未知，计算中采用的相位差为
进行一维波达方向估计，得到等效方位角信息，其中为等效测出的方位角，含有受到俯仰角影响的误差。
步骤三：通过步骤一，获得了俯仰角信息。依据等效方位角测向方法中等效方位角和实际间的相位关系，可知
因此，实际方位角为
利用步骤一测出的俯仰角信息补偿步骤二测出的等效方位角信息，从而计算出实际方位角信息。

Claims (1)

1.一种基于十字型阵列的空间目标二维角度快速估计方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)计算十字阵列中纵向天线子阵相对于原点的相位差其中，λ表示波长；通过十字阵列中纵向天线子阵接收的数据，利用空间谱估计算法进行一维角度估计，得到信号来向俯仰角θ；
(2)计算十字阵列中横向天线子阵相对于原点的相位差其中，(y，z)表示十字阵列中的天线布阵坐标；通过十字阵列中横向天线子阵接收的数据，利用空间谱估计算法进行一维角度估计，得到等效方位角
(3)利用步骤(1)测出的俯仰角信息补偿步骤(2)测出的等效方位角信息，从而计算出实际方位角
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