CN107728105B - 一种基于相控阵技术的六边形阵列doa估计算法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于信号与信息处理技术领域，具体涉及一种能够对高速移动目标与地面测控站之间的角度进行测量的，基于相控阵技术的六边形阵列DOA估计算法。本发明通过对每个相控阵小阵进行馈相，来调整不同的相控阵指向的角度，利用各个小阵之间的相位差的变化，来进行角度的计算。本发明技术方案的核心算法包括：(1)考虑到不同小阵在馈相变化时所产生的相位中心抖动；(2)对系统在不同温度下产生的相位变化进行实时估算；(3)利用天线的六边形阵列排布，对DOA算法进行优化。采用本发明的技术方案，能够增加对于移动目标进行角度估算的精度。

Description

一种基于相控阵技术的六边形阵列DOA估计算法
技术领域
本发明属于信号与信息处理技术领域，具体涉及一种能够对高速移动目标与地面测控站之间的角度进行测量的，基于相控阵技术的六边形阵列DOA估计算法。
背景技术
在当前无线电测距测角方法中，通常采用典型的长基线干涉仪进行测量，测量精度越高要求其距离越远，其距离通常是几公里甚至是十几公里。在这种情况下，设备的展开使用会受到很大的限制。而如果采用相控阵体制的测距测角方法，在一个相控阵天线内部即可以实现，并且计算收敛时间短，特别适合在高动态情况下实现快速测量，具有极为广阔的应用前景。
基于相控阵技术的DOA估计算法，是利用模块化的相控阵天线，按照一定阵列排布模式，根据几个模块化相控阵天线组件对来波方向进行估计，精确地测量出目标的角度信息。本发明利用相控阵小型阵列，对高速移动目标的位置信息进行测量，可以用于无线电导航。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出一种基于相控阵技术的六边形阵列DOA估计算法，以解决如何基于相控阵天线阵列对高速移动的目标进行测距测角的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种六边形相控阵天线阵列DOA估计算法六边形相控阵天线阵列由六个六边形天线本体围成，并且在天线阵列中心设置有校准用六边形天线本体；
DOA估计算法包括如下步骤：
S1、由校准用六边形天线本体发射校准信号，六个六边形天线本体接收校准信号，根据六个六边形天线本体的几何位置关系，将六个六边形天线本体收到校准信号的相位差设置为固定值；以六个六边形天线本体中的一个六边形天线本体作为基准，通过调整馈相值，将其他五个六边形天线本体与作为基准的六边形天线本体的相位差调整为零，同时记录当前设备的温度与馈相值的关系；按照每隔5℃的温度变化，记录不同温度对应的馈相值；校准完成后，校准用六边形天线本体停止发射校准信号；
S2、将六边形相控阵天线阵列通过移相器，按照步骤S1校准的数值将相位差调整为零；对波束进行初始馈相，并读取当前设备的温度和相位值；根据六边形相控阵天线阵列当前的温度，调整对应的初始馈相值；
S3、根据步骤S2接收到的初始馈相值，将六个六边形天线本体接收到的信号相位进行解算，计算出每个六边形天线本体接收到的相位初值，对处在波束内的信号进行DOA算法估计。
进一步地，步骤S3的具体步骤包括：
S31、根据下述公式，计算六边形相控阵天线阵列接收到的信号和：
其中，Y(t)代表六边形相控阵天线阵列接收到的信号和，m代表六个六边形天线本体中的一个天线本体；q代表m以外的其他天线本体；M代表六边形天线本体的总数；P代表六边形天线本体时延次数；t代表第m个六边形天线本体的波达时刻；qT代表第q个六边形天线本体的波达时刻；xm(t-qT)代表t-qT时刻第m个六边形天线本体接收到的信号；wm,q代表第m个六边形天线本体和第q个六边形天线本体的相位关系；
S32、根据天线阵列接收到的信号和，对来波的角度进行谱估计，同时考虑当时设备对应的温度，改变初始馈相值，计算出信号的角度值；选取其中一个六边形天线本体上无时延的信号为参考信号，在数字域对功率的峰值信号进行搜索，搜索到最大功率峰值后，读取其对应的矩阵位置，得到来波的角度信息。
进一步地，在执行步骤S3之前，还包括如下步骤：
通过对信号的能量以及编码方式进行判断，区分六边形相控阵天线阵列同时收到的多个信号是否为有用信号，根据通信所采用的通信协议和编码方进行极性匹配解算，能正常解算的为有用信号，对于通过多次反射情况入射的非直接入射信号，由于反射较多次数后信号强度会较有用信号低，将信号强度较低的信号确定为无用信号，将其剔除；在区分完是否为有用信号后，对无用信号进行陷波。
(三)有益效果
本发明提出的基于相控阵技术的六边形阵列DOA估计算法，通过对每个相控阵小阵进行馈相，来调整不同的相控阵指向的角度，利用各个小阵之间的相位差的变化，来进行角度的计算。本发明技术方案的核心算法包括：(1)考虑到不同小阵在馈相变化时所产生的相位中心抖动；(2)对系统在不同温度下产生的相位变化进行实时估算；(3)利用天线的六边形阵列排布，对DOA算法进行优化。采用本发明的技术方案，能够增加对于移动目标进行角度估算的精度。
附图说明
图1为本发明实施例六边形相控阵天线阵列排布示意图；
图2为本发明实施例有干扰情况下的干扰抑制图；
图3为本发明实施例角度估计图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例提出一种六边形相控阵天线阵列DOA估计算法六边形相控阵天线阵列由六个六边形天线本体围成，并且在天线阵列中心设置有校准用六边形天线本体，其结构如图1所示。其中，两个六边形天线本体中心距为0.4λ0，λ0为天线阵列的天线工作波长。
本实施例的DOA估计算法包括如下步骤：
S1、由校准用六边形天线本体发射校准信号，六个六边形天线本体接收校准信号，根据六个六边形天线本体的几何位置关系，将六个六边形天线本体收到校准信号的相位差设置为固定值；以六个六边形天线本体中的一个六边形天线本体作为基准，通过调整馈相值，将其他五个六边形天线本体与作为基准的六边形天线本体的相位差调整为零，同时记录当前设备的温度与馈相值的关系；按照每隔5℃的温度变化，记录不同温度对应的馈相值；校准完成后，校准用六边形天线本体停止发射校准信号。
S2、将六边形相控阵天线阵列通过移相器，按照步骤S1校准的数值将相位差调整为零；对波束进行初始馈相，并读取当前设备的温度和相位值；根据六边形相控阵天线阵列当前的温度，调整对应的初始馈相值。
通过对信号的能量以及编码方式进行判断，区分六边形相控阵天线阵列同时收到的多个信号是否为有用信号，根据通信所采用的通信协议和编码方进行极性匹配解算，能正常解算的为有用信号，对于通过多次反射情况入射的非直接入射信号，由于反射较多次数后信号强度会较有用信号低，将信号强度较低的信号确定为无用信号，将其剔除；在区分完是否为有用信号后，对无用信号进行陷波。其中，有干扰情况下的干扰抑制图，如图2所示。
S3、根据步骤S2接收到的初始馈相值，将六个六边形天线本体接收到的信号相位进行解算，计算出每个六边形天线本体接收到的相位初值，对处在波束内的信号进行DOA算法估计。通过该步骤得到的角度估计图，如图3所示。其中，步骤S3具体包括：
S31、根据下述公式，计算相控阵天线阵列接收到的信号和：
其中，Y(t)代表六边形相控阵天线阵列接收到的信号和，m代表六个六边形天线本体中的一个天线本体；q代表m以外的其他天线本体；M代表六边形天线本体的总数；P代表六边形天线本体时延次数；t代表第m个六边形天线本体的波达时刻；qT代表第q个六边形天线本体的波达时刻；xm(t-qT)代表t-qT时刻第m个六边形天线本体接收到的信号；wm,q代表第m个六边形天线本体和第q个六边形天线本体的相位关系。
S32、根据天线阵列接收到的信号和，对来波的角度进行谱估计，同时考虑当时设备对应的温度，改变初始馈相值，计算出信号的角度值；选取其中一个六边形天线本体上无时延的信号为参考信号，在数字域对功率的峰值信号进行搜索，搜索到最大功率峰值后，读取其对应的矩阵位置，得到来波的角度信息。
通过本实施例的方法，可以计算出远端无人飞行器的角度和距离信息，以完成相应的测距测角工作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种六边形相控阵天线阵列DOA估计算法，其特征在于，所述六边形相控阵天线阵列由六个六边形天线本体围成，并且在所述天线阵列中心设置有校准用六边形天线本体；
所述DOA估计算法包括如下步骤：
S1、由所述校准用六边形天线本体发射校准信号，六个六边形天线本体接收所述校准信号，根据六个六边形天线本体的几何位置关系，将六个六边形天线本体收到所述校准信号的相位差设置为固定值；以六个六边形天线本体中的一个六边形天线本体作为基准，通过调整馈相值，将其他五个六边形天线本体与作为基准的六边形天线本体的相位差调整为零，同时记录当前设备的温度与馈相值的关系；按照每隔5℃的温度变化，记录不同温度对应的馈相值；校准完成后，所述校准用六边形天线本体停止发射所述校准信号；
S2、将所述六边形相控阵天线阵列通过移相器，按照步骤S1校准的数值将相位差调整为零；对波束进行初始馈相，并读取当前设备的温度和相位值；根据所述六边形相控阵天线阵列当前的温度，调整对应的初始馈相值；
S3、根据步骤S2接收到的初始馈相值，将所述六个六边形天线本体接收到的信号相位进行解算，计算出每个六边形天线本体接收到的相位初值，对处在波束内的信号进行DOA算法估计。
2.如权利要求1所述的DOA估计算法，其特征在于，步骤S3的具体步骤包括：
S31、根据下述公式，计算所述六边形相控阵天线阵列接收到的信号和：
其中，Y(t)代表六边形相控阵天线阵列接收到的信号和，m代表六个六边形天线本体中的一个天线本体；q代表m以外的其他天线本体；M代表六边形天线本体的总数；P代表六边形天线本体时延次数；t代表第m个六边形天线本体的波达时刻；qT代表第q个六边形天线本体的波达时刻；xm(t-qT)代表t-qT时刻第m个六边形天线本体接收到的信号；wm,q代表第m个六边形天线本体和第q个六边形天线本体的相位关系；
S32、根据所述天线阵列接收到的信号和，对来波的角度进行谱估计，同时考虑当时设备对应的温度，改变初始馈相值，计算出信号的角度值；选取其中一个六边形天线本体上无时延的信号为参考信号，在数字域对功率的峰值信号进行搜索，搜索到最大功率峰值后，读取其对应的矩阵位置，得到来波的角度信息。
3.如权利要求1所述的DOA估计算法，其特征在于，在执行步骤S3之前，还包括如下步骤：
通过对信号的能量以及编码方式进行判断，区分所述六边形相控阵天线阵列同时收到的多个信号是否为有用信号，根据通信所采用的通信协议和编码方式进行极性匹配解算，能正常解算的为有用信号，对于通过多次反射情况入射的非直接入射信号，由于反射较多次数后信号强度会较有用信号低，将信号强度较低的信号确定为无用信号，将其剔除；在区分完是否为有用信号后，对无用信号进行陷波。
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