CN109298380A - 一种用于干涉仪测角的超宽带天线相位中心校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于干涉仪测角的超宽带天线相位中心校准方法，包括：根据工作频点、阵列天线的单元数、单元间距、虚拟天线的单元数及其单元间距，计算其协方差矩阵；根据最小均方差准则，计算优化内插虚拟天线的均方根误差；根据其实测工作频点的范围，实时控制虚拟天线的基线长度及单元个数；利用阵列天线的实际基线长度，得到此时的测角相位误差；根据虚拟基线及此时频点，得到虚拟基线测得的相位误差；计算出目标入射角及实际基线与虚拟基线测得的测角相位误差的差值；调整虚拟基线长度，计算出新的测角相位误差；利用虚拟基线新的测角误差，计算出测角模糊数及天线相位中心走动量。本发明方法利用阵列天线理论及维纳滤波理论，根据环境及超宽带频点变化，实时调整干涉仪测角的虚拟基线长度，计算天线相位中心走动及干涉仪测角模糊数。本发明技术具有灵活性高及适用性广等优点。

Description

一种用于干涉仪测角的超宽带天线相位中心校准方法

技术领域

本发明涉及一种用于干涉仪测角的阵列天线相位中心校正方法，特别是一种用于超宽带干涉仪测角时工作频点变化范围大的天线相位中心校正方法。

背景技术

在复杂多变的环境及种类繁多的干扰背景下，相位干涉仪测角需要在极大的频谱范围内准确地测量目标的角度位置，解决测角模糊及提高测角精度的要求显得尤为突出。虽然更高的测角精度可以通过拉长测角基线长度来解决，但是长基线意味着更小的测角无模糊范围。此外，工作频点在极大频谱范围内的跳变、多径效应及天线实际研制加工误差，都会引起天线的相位中心的走动，因缺少其相应的校准方法，从而恶化测角无模糊范围，降低测角精度。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于干涉仪测角的阵列天线相位中心校正方法，解决传统测量方法造成的天线相位中心走动及测角精度下降等问题。

有鉴于此，本发明提供的技术方案是：一种用于干涉仪测角的超宽带天线相位中心校准方法，其特征在于，包括：

输入工作频点、阵列天线的单元数、单元间距、虚拟天线的单元数及其单元间距，计算其协方差矩阵；

根据所述协方差矩阵计算优化内插虚拟天线的均方根误差；

接收所述均方根误差，根据实测工作频点的范围，实时控制虚拟天线的基线长度及单元个数；

利用阵列天线的实际基线长度，得到此时的测角相位误差；

根据虚拟基线及此时频点，得到虚拟基线测得的相位误差；

计算出目标入射角及实际基线与虚拟基线测得的测角相位误差的差值；

调整虚拟基线长度，计算出新的测角相位误差；

利用虚拟基线新的测角误差，计算出测角模糊数及天线相位中心走动量。

本发明实现了以下显著的有益效果：

实现简单，包括：输入工作频点、阵列天线的单元数、单元间距、虚拟天线的单元数及其单元间距，计算其协方差矩阵；根据所述协方差矩阵计算优化内插虚拟天线的均方根误差；接收所述均方根误差，根据实测工作频点的范围，实时控制虚拟天线的基线长度及单元个数；利用阵列天线的实际基线长度，得到此时的测角相位误差；根据虚拟基线及此时频点，得到虚拟基线测得的相位误差；计算出目标入射角及实际基线与虚拟基线测得的测角相位误差的差值；调整虚拟基线长度，计算出新的测角相位误差；利用虚拟基线新的测角误差，计算出测角模糊数及天线相位中心走动量。本发明适用于超宽带天线，随着工作频点设计，天线单元间距，优化虚拟天线得到的期望信号向量，灵活快捷。解决了天线相位中心校正的问题，保证测角无模糊范围，提高测角精度。

附图说明

图1为本发明用于干涉仪测角的超宽带天线相位中心校准方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均适用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，为了清楚地说明本发明的内容，本发明特举多个实施例以进一步阐释本发明的不同实现方式，其中，该多个实施例是列举式而非穷举式。此外，为了说明的简洁，前实施例中已提及的内容往往在后实施例中予以省略，因此，后实施例中未提及的内容可相应参考前实施例。

虽然该发明可以以多种形式的修改和替换来扩展，说明书中也列出了一些具体的实施图例并进行详细阐述。应当理解的是，发明者的出发点不是将该发明限于所阐述的特定实施例，正相反，发明者的出发点在于保护所有给予由本权利声明定义的精神或范围内进行的改进、等效替换和修改。同样的元器件号码可能被用于所有附图以代表相同的或类似的部分。

请参照图1，本发明的一种用于干涉仪测角的超宽带天线相位中心校准方法，包括：步骤S101，输入工作频点、阵列天线的单元数、单元间距、虚拟天线的单元数及其单元间距，计算其协方差矩阵；步骤S102，根据所述协方差矩阵计算优化内插虚拟天线的均方根误差；步骤S103，接收所述均方根误差，根据实测工作频点的范围，实时控制虚拟天线的基线长度及单元个数；步骤S104，利用阵列天线的实际基线长度，得到此时的测角相位误差；步骤S105，根据虚拟基线及此时频点，得到虚拟基线测得的相位误差；步骤S106，计算出目标入射角及实际基线与虚拟基线测得的测角相位误差的差值；步骤S107，调整虚拟基线长度，计算出新的测角相位误差；步骤S108，利用虚拟基线新的测角误差，计算出测角模糊数及天线相位中心走动量。

在一个实施例中，所述输入工作频点、阵列天线的单元数、单元间距、虚拟天线的单元数及其单元间距，计算其协方差矩阵包括：输入工作波长为λ，一维线阵的单元数为N，其间距为d，第一个天线单元的坐标为x₀，则其余天线单元的坐标为x₀+d×(0,1,L,N-1)^T；虚拟天线单元数为M，则虚拟天线单元的坐标为[x₀+d₁,x₀+d₂,x₀+d₃,L,x₀+d_M]^T。

在一个实施例中，采用维纳滤波及最小均方根准则，得到所述均方根误差。

在一个实施例中，进一步包括：输入天线单元的接收的信号向量为 r(t)＝[r₀(t),r₁(t),L,r_N-1(t)]^T。

在一个实施例中，根据位干涉仪测角输出的虚拟基线的相位误差得到目标入射角。1.一种天线相位中心校准方法，其特征在于包括步骤：

在一个实施例中，假设工作波长为λ，一维线阵的单元数为N，其间距为d，第一个天线单元的坐标为x₀，则其余天线单元的坐标为 x₀+d×(0,1,L,N-1)^T；虚拟天线单元数为M，则虚拟天线单元的坐标为 [x₀+d₁,x₀+d₂,x₀+d₃,L,x₀+d_M]^T。假设天线单元的接收的信号向量为 r(t)＝[r₀(t),r₁(t),L,r_N-1(t)]^T，虚拟天线单元期望得到的信号向量为 r′(t)＝[r₀′(t),r₁′(t),L,r′_M-1(t)]^T。假设天线单元及虚拟天线单元接收信号的互相关矩阵为P，则

其中J₀为零阶第一类贝塞尔函数。

在一个实施例中，利用维纳滤波及最小均方根准则，可以得到其均方根误差ξ_min，为

ξ_min＝J₀(0)-P^TR-¹P

在一个实施例中，根据实际使用中可接受的均方根误差ξ_min，决定天线单元的间距d，从而得到均方根误差可接受的虚拟天线单元期望得到的信号向量 r′(t)＝[r₀′(t),r₁′(t),L,r′_M-1(t)]^T。

在一个实施例中，所述的虚拟天线期望接收信号向量估计方法，其特征在于，所设步骤S103中所述的信号向量r′(t)＝[r₀′(t),r₁′(t),L,r′_M-1(t)]^T。

在一个实施例中，本发明的方法还包括步骤：

在一个实施例中，假设用来干涉仪测角的天线单元的基线长度为L，目标入射角为θ，天线相位中心走动引起的基线变化为ΔL，目标入射角带来的相位误差为Δφ，天线相位中心走动带来的相位误差为Δφ_{baseline errors}，测角模糊数为k。根据干涉仪测角原理可得其关系表达式如下：

此时相位干涉仪测角输出的相位误差为Δφ+Δφ_{baseline errors}

在一个实施例中，利用权力要求1所述的虚拟天线望接收信号向量估计方法，得到两个虚拟天线单元，且其间距为λ/2，则根据位干涉仪测角输出的这两个虚拟基线的相位误差为Δφ，且得到目标入射角为θ。

在一个实施例中，根据S01及S202就可以计算得到Δφ_{baseline errors}。

在一个实施例中，进一步调整两个虚拟天线的基线长度为L-λ/sinθ，此时虚拟天线输出的相位误差为Δφ’，且Δφ’≈Δφ。根据干涉仪测角原理可得其关系表达式如下：

在一个实施例中，利用S201及S205中的表达式可以得到天线相位中心走动引起的基线变化为ΔL及模糊数k，从而实现校正。

本发明的一种天线相位中心校准方法，包括步骤：

在一个实施例中，假设工作波长为λ，一维线阵的单元数为N，其间距为d，第一个天线单元的坐标为x₀，则其余天线单元的坐标为 x₀+d×(0,1,L,N-1)^T；虚拟天线单元数为M，则虚拟天线单元的坐标为 [x₀+d₁,x₀+d₂,x₀+d₃,L,x₀+d_M]^T。假设天线单元的接收的信号向量为 r(t)＝[r₀(t),r₁(t),L,r_N-1(t)]^T，虚拟天线单元期望得到的信号向量为 r′(t)＝[r₀′(t),r₁′(t),L,r′_M-1(t)]^T。假设天线单元及虚拟天线单元接收信号的互相关矩阵为P，则

其中J₀为零阶第一类贝塞尔函数。

在一个实施例中，利用维纳滤波及最小均方根准则，可以得到其均方根误差ξ_min，为

ξ_min＝J₀(0)-P^TR^-1P

在一个实施例中，根据实际使用中可接受的均方根误差ξ_min，决定天线单元的间距d，从而得到均方根误差可接受的虚拟天线单元期望得到的信号向量

r′(t)＝[r₀′(t),r₁′(t),L,r′_M-1(t)]^T。

在一个实施例中，假设用来干涉仪测角的天线单元的基线长度为L，目标入射角为θ，天线相位中心走动引起的基线变化为ΔL，目标入射角带来的相位误差为Δφ，天线相位中心走动带来的相位误差为Δφ_{baseline errors}，测角模糊数为k。根据干涉仪测角原理可得其关系表达式如下：

此时相位干涉仪测角输出的相位误差为Δφ+Δφ_{baseline errors}

在一个实施例中，得到两个虚拟天线单元，且其间距为λ/2，则根据位干涉仪测角输出的这两个虚拟基线的相位误差为Δφ，且得到目标入射角为θ。

在一个实施例中，根据S201及S202就可以计算得到Δφ_{baseline errors}。

在一个实施例中，进一步调整两个虚拟天线的基线长度为L-λ/sinθ，此时虚拟天线输出的相位误差为Δφ’，且Δφ’≈Δφ。根据干涉仪测角原理可得其关系表达式如下：

在一个实施例中，利用S201及S205中的表达式可以得到天线相位中心走动引起的基线变化为ΔL及模糊数k，从而实现校正。

至此，完成超宽带天线相位中心校正方法。

本发明实现了以下显著的有益效果：

实现简单，包括：输入工作频点、阵列天线的单元数、单元间距、虚拟天线的单元数及其单元间距，计算其协方差矩阵；根据所述协方差矩阵计算优化内插虚拟天线的均方根误差；接收所述均方根误差，根据实测工作频点的范围，实时控制虚拟天线的基线长度及单元个数；利用阵列天线的实际基线长度，得到此时的测角相位误差；根据虚拟基线及此时频点，得到虚拟基线测得的相位误差；计算出目标入射角及实际基线与虚拟基线测得的测角相位误差的差值；调整虚拟基线长度，计算出新的测角相位误差；利用虚拟基线新的测角误差，计算出测角模糊数及天线相位中心走动量。本发明适用于超宽带天线，随着工作频点设计，天线单元间距，优化虚拟天线得到的期望信号向量，灵活快捷。解决了天线相位中心校正的问题，保证测角无模糊范围，提高测角精度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明创造的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于干涉仪测角的超宽带天线相位中心校准方法，其特征在于，包括：

输入工作频点、阵列天线的单元数、单元间距、虚拟天线的单元数及其单元间距，计算其协方差矩阵；

根据所述协方差矩阵计算优化内插虚拟天线的均方根误差；

接收所述均方根误差，根据实测工作频点的范围，实时控制虚拟天线的基线长度及单元个数；

利用阵列天线的实际基线长度，得到此时的测角相位误差；

根据虚拟基线及此时频点，得到虚拟基线测得的相位误差；

计算出目标入射角及实际基线与虚拟基线测得的测角相位误差的差值；

调整虚拟基线长度，计算出新的测角相位误差；

利用虚拟基线新的测角误差，计算出测角模糊数及天线相位中心走动量。

2.根据权利要求1所述的用于干涉仪测角的超宽带天线相位中心校准方法，其特征在于，所述输入工作频点、阵列天线的单元数、单元间距、虚拟天线的单元数及其单元间距，计算其协方差矩阵包括：输入工作波长为λ，一维线阵的单元数为N，其间距为d，第一个天线单元的坐标为x₀，则其余天线单元的坐标为x₀+d×(0,1,L,N-1)^T；虚拟天线单元数为M，则虚拟天线单元的坐标为[x₀+d₁,x₀+d₂,x₀+d₃,L,x₀+d_M]^T。

3.根据权利要求1所述的用于干涉仪测角的超宽带天线相位中心校准方法，其特征在于，采用维纳滤波及最小均方根准则，得到所述均方根误差。

4.根据权利要求1所述的用于干涉仪测角的超宽带天线相位中心校准方法，其特征在于，进一步包括：输入天线单元的接收的信号向量为r(t)＝[r₀(t),r₁(t),L,r_N-1(t)]^T。

5.根据权利要求1所述的用于干涉仪测角的超宽带天线相位中心校准方法，其特征在于，进一步包括：根据位干涉仪测角输出的虚拟基线的相位误差得到目标入射角。