CN109902383B - 一种任意阵型干涉仪测向精度仿真计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种任意阵型干涉仪测向精度仿真计算方法，属于无线电监测技术领域，解决了现有技术中不规则阵型测向精度仿真计算困难的问题。方法包括：绘制各天线单元之间两两相连的线段，在所述线段中选取条数与天线单元数相等的线段作为基线；将所述基线进行平移，使各基线的中点重合；根据各基线长度，得到各基线在设定来波信号频率下的无模糊视角和测定精度，并对各基线的无模糊视角和测向精度进行图形化显示；将各基线的无模糊视角和测向精度的图形化显示结果进行重叠，重叠后图形边缘所围成的封闭曲线即为所述待仿真干涉仪在设定来波信号频率下的测向精度仿真计算结果。实现了不规则阵型干涉仪整频段、全方位的测向仿真计算。

Description

一种任意阵型干涉仪测向精度仿真计算方法及系统

技术领域

本发明涉及无线电监测技术领域，尤其涉及一种任意阵型干涉仪测向精度仿真计算方法及系统。

背景技术

无线电监测是采用技术手段对空中无线电信号的频谱特征参数以及频谱使用情况进行测量的活动，是电磁频谱管理机构了解掌握无线电频谱使用情况的基本手段，其主要功能即信号参数获取和信号方向测量。

目前常规的超短波无线电测向设备，其测向天线阵布阵往往是圆阵(均匀/非均匀)、线阵(均匀/非均匀)、十字阵(同L阵)等，这种布阵属于常规布阵，其测向精度的仿真计算往往就是依照公式进行计算。但是目前在工程应用中，由于其承载平台(包括车载、舰载或机载)安装要素的限制，其阵型布置往往是不规则的，其测向精度的仿真就有一定的困难。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种任意阵型干涉仪测向精度仿真计算方法，用以解决现有技术中不规则阵型测向精度仿真计算困难的问题。

一方面，本发明提供了一种任意阵型干涉仪测向精度仿真计算方法，包括以下步骤：

根据待仿真干涉仪各天线单元的位置关系，绘制各天线单元之间两两相连的线段，在所述线段中选取条数与天线单元数相等的线段作为基线；

将所述基线进行平移，使各基线的中点重合；

根据各基线长度，得到各基线在设定来波信号频率下的无模糊视角和测定精度，并对各基线的无模糊视角内的测向精度进行图形化显示；

将各基线的无模糊视角内的测向精度的图形化显示结果进行重叠，重叠后图形边缘所围成的封闭曲线即为所述待仿真干涉仪在设定来波信号频率下的测向精度仿真计算结果。

上述技术方案的有益效果为：解决了不规则阵型测向精度仿真计算困难的问题，方便、快捷的实现了不规则阵型干涉仪整频段、全方位的测向仿真计算，提高了仿真计算精度。

进一步地，根据各基线长度，得到各基线在设定来波信号频率下的无模糊视角，具体包括：利用公式a＝2arcsin(λ/2d)计算各基线在设定来波信号频率下的无模糊视角；其中，λ为设定来波信号波长；d为基线长度，由位于基线两端处的天线单元之间的实际距离得到。

进一步地，根据各基线长度，得到各基线在设定来波信号频率下的测向精度，具体包括：利用公式

计算每条基线在设定来波信号频率下的标准偏差，根据标准偏差得到测向精度，其中，λ为设定来波信号波长，d为基线长度，θ为设定来波信号的入射角，/>

为鉴相误差，σ_θ为设定来波信号入射角θ条件下的标准偏差。

进一步地，对各基线无模糊视角内的测向精度进行图形化显示，具体包括，根据各基线分别确定极坐标，在确定的各所述极坐标系中，得到各基线在各自极坐标系中θ与σ_θ的关系曲线；根据该基线对应的无模糊视角，在所述关系曲线上截取无模糊视角内的一段曲线，得到该基线在无模糊视角内的测向精度曲线。

上述进一步技术方案的有益效果为：通过上述方案可准确、快速地获取基线在无模糊视角内的测向精度曲线，从而保证了测向精度仿真计算准确性和快速性。

进一步地，所述基线为连接相邻天线单元的线段或为连接对角位置两天线单元的线段。

上述进一步技术方案的有益效果为：通过上述方案对基线限定，确保了待仿真干涉仪各天线单元在基线中的涉及次数相等，从而确保了后续测向精度仿真计算的准确性和合理性。

进一步地，在直角坐标系中将待仿真干涉仪各天线单元位置进行标记；所述基线平移后，各基线的中点均重合于所述直角坐标系的原点处。

上述进一步技术方案的有益效果为：通过设置直角坐标系，便于基线的平移以及基线长度的计算。

另一方面，本发明还提供了一种任意阵型干涉仪测向精度仿真计算系统，

基线生成模块，用于根据待仿真干涉仪各天线单元的位置，绘制各天线单元之间两两相连的线段，在所述线段中选取条数与天线单元数相等的线段作为基线；

基线平移模块，用于将所述基线进行平移，使各基线的中点重合；

图形化显示模块，用于根据各基线长度，得到各基线在设定来波信号频率下的无模糊视角和测定精度，并对各基线的无模糊视角内的测向精度进行图形化显示；

图形重叠模块，用于将各基线的无模糊视角内的测向精度的图形化显示结果进行重叠，重叠后图形边缘所围成的封闭曲线即为所述待仿真干涉仪在设定来波信号频率下的测向精度仿真计算结果。

上述技术方案的有益效果为：解决了不规则阵型测向精度仿真计算困难的问题，方便、快捷的实现了整频段、全方位的侧向仿真计算。

进一步地，所述图形化显示模块利用公式a＝2arcsin(λ/2d)计算各基线在设定来波信号频率下的无模糊视角；其中，λ为设定来波信号波长；d为基线长度，由位于基线两端处的天线单元之间的实际距离得到。

进一步地，所述图形化显示模块利用公式

计算每条基线在设定来波信号频率下的标准偏差，根据标准偏差得到测向精度；其中，λ为设定来波信号波长，d为基线长度，θ为设定来波信号的入射角，/>

为鉴相误差，σ_θ为设定来波信号入射角θ条件下的标准偏差。

进一步地，所述图形化显示模块根据各基线分别确定极坐标，在确定的各所述极坐标系中，得到各基线在各自极坐标系中θ与σ_θ的关系曲线；根据该基线对应的无模糊视角，在所述关系曲线上截取无模糊视角内的一段曲线，得到该基线在无模糊视角内的测向精度曲线。

上述进一步地技术方案的有益效果为：通过上述方案可准确、快速地获取基线在无模糊视角内的测向精度曲线，从而保证了测向精度仿真计算准确性和快速性。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例1所述方法的流程示意图；

图2为本发明实施例1所述相位延迟原理示意图；

图3为本发明实施例1所述无模糊视角示意图；

图4为本发明实施例2所述各天线单元位置标记示意图；

图5为本发明实施例2所述天线阵基线选择及分布示意图；

图6为本发明实施例2所述天线阵基线平移后的分布示意图；

图7为本发明实施例2所述基线L₁₃在无模糊视角内的测向精度曲线；

图8为本发明实施例2所述基线L₂₄在无模糊视角内的测向精度曲线；

图9为本发明实施例2所述基线L₃₅在无模糊视角内的测向精度曲线；

图10为本发明实施例2所述基线L₄₁在无模糊视角内的测向精度曲线；

图11为本发明实施例2所述基线L₅₂在无模糊视角内的测向精度曲线；

图12为本发明实施例2所述待仿真干涉仪在500MHz频率条件下的测向精度仿真计算结果；

图13为本发明实施例3所述系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明实施例，公开了一种任意阵型干涉仪测向精度仿真计算方法；所述方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

根据待仿真干涉仪(待测向阵型)各天线单元的位置，绘制各天线单元之间两两相连的线段，在所述线段中选取条数与天线单元数相等的线段作为基线；

将所述基线进行平移，使各基线的中点重合；

根据各基线长度，得到各基线在设定来波信号频率下的无模糊视角和测定精度，并对各基线的无模糊视角内的测向精度进行图形化显示；

将各基线的无模糊视角内的测向精度的图形化显示结果进行重叠，重叠后图形边缘所围成的封闭曲线即为所述待仿真干涉仪在设定来波信号频率下的测向精度仿真计算结果。

绘制各天线单位之间两两相连的线段时，根据各天线单元实际的位置得到，反映了待测向的实际阵型。

在另一个具体实施例中，可在直角坐标系中将待测向阵型的各天线单元位置进行标记，于是所述基线平移后，各基线的中点均重合于所述直角坐标系的原点处；采用这种方式对各天线单元位置进行标记便于后续对基线长度的计算。

优选地，所述基线为连接相邻天线单元的线段或为连接对角位置两天线单元的线段；以这种方式对基线进行限定，确保了待仿真干涉仪各天线单元在基线中的涉及次数相等，从而确保了后续测向精度仿真计算的准确性和合理性。

其中，根据各基线长度，得到各基线在设定来波信号频率下的无模糊视角，具体包括：利用公式a＝2arcsin(λ/2d)计算各基线在设定来波信号频率下的无模糊视角，式中，λ为设定来波信号波长，d为基线长度。

需要说明的是，通信信号测向有三种确定到达方向信息的测量方法：幅度响应、相位延迟、时间延迟，干涉仪就是利用相位延迟信息来实现测向的方法；

利用相位延迟获取方位信息至少需要两付独立的天线。由于平面波入射时与两天线单元基线的法线方向有夹角，其必然先到达其中的一个单元，其到达时间的滞后会产生射频上的相位延迟；

相位延迟原理示意图，如图2所示，设定来波信号以入射角θ入射到天线A上，并产生感应电压V₁exp(jωt)，该平面波再经过dsinθ的距离的传播到达天线B上并产生感应电压

其中/>

为相位延迟，则信号到达A、B两天线的时延为

τ＝d sinθ/c (1)

式中τ为信号时延，d是基线长度，θ为设定来波信号的入射角，c为电磁波传播速度；

则信号在A、B天线产生的感应电压的相位延迟(相位差)为

即

式中f为设定来波信号的频率、λ为设定来波信号的波长。

对于工程实现，简单增加基线长度就实现高精度测向是不可行的，当测向基线长度d＞λ/2，则相位差

是在主值(-π,π)以外，设备参数提取时，不同来波方向产生的相差可能是相同的，其原因在于在进行相位差处理时，将主值以外的相位差也归到了(-π,π)之内，即观测值/>

而实际相位差为/>

而所述无模糊视角即为入射来波信号在测向基线d上产生的相位差为π的最大入射角度范围α，无模糊视角示意图，如图3所示，按照上述无模糊视角的定义，θ＝α/2，/>

将其代入(2)中，则可得到α＝2arcsin(λ/2d)。

根据各基线长度，得到各基线在设定来波信号频率下的测向精度，具体包括：利用公式

计算每条基线在设定来波信号频率下的测向精度，式中，λ为设定来波信号波长，d为基线长度，θ为设定来波信号的入射角，/>

为鉴相误差，通常已知，σ_θ为设定来波信号入射角θ条件下的标准偏差。

需要说明的是，由式(2)可以推导出

由式(3)可以推导出

式中/>

为测量相位差/>

的标准偏差即鉴相误差，σ_λ为设定来波信号波长λ的标准偏差，σ_d为测量基线长度d的标准偏差；由于设定来波信号波长和基线长度都能精确测定，于是

上述所涉及的基线长度由位于基线两端处的天线单元之间的实际距离得到。

在另一个具体实施例中，对各基线无模糊视角内的测向精度进行图形化显示，具体包括，根据基线确定极坐标，在确定的所述极坐标系中，得到各基线在各自极坐标系中θ与σ_θ的关系曲线；根据该基线对应的无模糊视角，在所述关系曲线上截取无模糊视角内的一段曲线，得到该基线在无模糊视角内的测向精度曲线。

需要说明的是，基线的法线同时为无模糊视角的平分线。

示例性地，可以基线作为极轴，基线中点为极点确定极坐标。

实施例2

本发明实施例，公开了一种任意阵型干涉仪测向精度仿真计算方法，以五阵元阵型为例，所述方法包括以下步骤：

以任一测向天线阵单元所在的直线为Y轴，在直角坐标系中将待测向阵型的各天线单元位置进行标记，各天线单元位置标记示意图，如图4所示，各天线单元分别标记为A₁(0，1.5)、A₂(1.5，1)、A₃(1，-1)、A₄(-1,-1.5)、A₅(-1.2,0.5)；绘制各天线单元之间两两相连的线段，在所述线段中选取条数与天线单元数相等的线段作为基线；

需要说明的是，上述基线为连接相邻天线单元的线段或为各天线单元的对角线；由于基线越长测向精度越高，这里选取5条对角线作为基线，分别标记为L₁₃、L₂₄、L₃₅、L₄₁、L₅₂，天线阵基线选择及分布示意图，如图5所示，其中，基线标记的下标与天线单元的下标对应；

将所述基线进行平移，使各基线的中点重合于所述直角坐标系的原点处，天线阵基线平移后的分布示意图，如图6所示；

根据各基线长度，得到各基线在来波信号频率为500MHz条件下的无模糊视角和测定精度，并对各基线的无模糊视角内的测向精度进行图形化显示；

其中，根据各基线长度，得到各基线在设定来波信号频率下的无模糊视角，具体包括：利用公式a＝2arcsin(λ/2d)计算各基线在设定来波信号频率下的无模糊视角，式中，λ＝0.6m，d则为各基线L₁₃、L₂₄、L₃₅、L₄₁或L₅₂的实际长度，取天线单元A₁与A₃、A₂与A₄、A₃与A₅、A₄与A₁、A₅与A₂之间的真实距离；

根据各基线长度，得到各基线在设定来波信号频率下的测向精度，具体包括：利用公式

计算每条基线在设定来波信号频率下的测向精度，式中，λ＝0.6m，d则为基线L₁₃、L₂₄、L₃₅、L₄₁或L₅₂的实际长度；

以基线作为极轴，基线中点为极点确定极坐标，在确定的所述极坐标系中，得到各基线在各自极坐标系中θ与σ_θ的关系曲线；根据该基线对应的无模糊视角，在所述关系曲线上截取无模糊视角内的一段曲线，得到该基线在无模糊视角内的测向精度曲线；如图7-11所示，分别为基线L₁₃、L₂₄、L₃₅、L₄₁和L₅₂在无模糊视角内的测向精度曲线，图7-11中所示的角度数为基线对应的无模糊视角；

将各基线无模糊视角内的测向精度的图形化显示结果，即无模糊视角内的测向精度曲线，进行重叠，重叠后图形边缘所围成的封闭曲线即为所述待仿真干涉仪在500MHz频率条件下的测向精度仿真计算结果，如图12所示；图12中曲线重叠后围成的封闭曲线为测向精度最优值，未能覆盖的扇形为无法解模糊区域即无法准确测向扇区；由图8可知来波信号入射角在360°范围内的测向精度仿真结果。依次类推可以计算出各个频率条件下测向精度仿真结果。

实施例3

本发明实施例，还公开了一种任意阵型干涉仪测向精度仿真计算系统，基线生成模块、基线平移模块、图形化显示模块和图形重叠模块：

所述基线生成模块用于根据待仿真干涉仪各天线单元的位置，绘制各天线单元之间两两相连的线段，在所述线段中选取条数与天线单元数相等的线段作为基线；

所述基线平移模块用于将所述基线进行平移，使各基线的中点重合；

所述图形化显示模块用于根据各基线长度，得到各基线在设定来波信号频率下的无模糊视角和测定精度，并对各基线的无模糊视角内的测向精度进行图形化显示；

所述图形化显示模块利用公式a＝2arcsin(λ/2d)计算各基线在设定频率下的无模糊视角；

所述图形化显示模块利用公式

计算每条基线在设定频率下的测向精度；

所述图形化显示模块根据基线确定极坐标，在确定的所述极坐标系中，得到各基线在各自极坐标系中θ与σ_θ的关系曲线；根据该基线对应的无模糊视角，在所述关系曲线上截取无模糊视角内的一段曲线，得到该基线在无模糊视角内的测向精度曲线；

图形重叠模块用于将各基线的无模糊视角内的测向精度的图形化显示结果进行重叠，重叠后图形边缘所围成的封闭曲线即为所述待仿真干涉仪在设定来波信号频率下的测向精度仿真计算结果。

本发明公开了一种任意阵型干涉仪测向精度仿真计算方法及系统，将干涉仪天线阵型用基线表示，对基线进行平移，使其中点重合，然后获取各基线对应的无模糊视角以及测向精度曲线，再使各个基线对应的在无模糊视角内的测向精度曲线在极坐标上进行重叠；解决了不规则阵型测向精度仿真计算困难的问题，方便、快捷的实现了整频段、全方位的侧向仿真计算，提高了仿真计算精度。

上述各实施例基于相同的原理及发明构思，未重复描述之处可互相借鉴。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种任意阵型干涉仪测向精度仿真计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据待仿真干涉仪各天线单元的位置关系，绘制各天线单元之间两两相连的线段，在所述线段中选取条数与天线单元数相等的线段作为基线；

将所述基线进行平移，使各基线的中点重合；

根据各基线长度，得到各基线在设定来波信号频率下的无模糊视角和测定精度，并对各基线无模糊视角内的测向精度进行图形化显示；

将各基线无模糊视角内的测向精度的图形化显示结果进行重叠，重叠后图形边缘所围成的封闭曲线即为所述待仿真干涉仪在设定来波信号频率下的测向精度仿真计算结果；

所述基线为连接相邻天线单元的线段或为连接对角位置两天线单元的线段。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据各基线长度，得到各基线在设定来波信号频率下的无模糊视角，具体包括：

利用公式a＝2arcsin(λ/2d)计算各基线在设定来波信号频率下的无模糊视角；其中，λ为设定来波信号波长；d为基线长度，由位于基线两端处的天线单元之间的实际距离得到。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据各基线长度，得到各基线在设定来波信号频率下的测向精度，具体包括：

利用公式

计算每条基线在设定来波信号频率下的标准偏差，根据标准偏差得到测向精度，其中，λ为设定来波信号波长，d为基线长度，θ为设定来波信号的入射角，/>

为鉴相误差，σ_θ为设定来波信号入射角θ条件下的标准偏差。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对各基线无模糊视角内的测向精度进行图形化显示，具体包括：

根据各基线分别确定极坐标，在确定的各所述极坐标系中，得到各基线在各自极坐标系中θ与σ_θ的关系曲线；

根据该基线对应的无模糊视角，在所述关系曲线上截取无模糊视角内的一段曲线，得到该基线在无模糊视角内的测向精度曲线。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，在直角坐标系中将待仿真干涉仪各天线单元位置进行标记；所述基线平移后，各基线的中点均重合于所述直角坐标系的原点处。

6.一种任意阵型干涉仪测向精度仿真计算系统，其特征在于，包括：

基线生成模块，用于根据待仿真干涉仪各天线单元的位置，绘制各天线单元之间两两相连的线段，在所述线段中选取条数与天线单元数相等的线段作为基线，所述基线为连接相邻天线单元的线段或为连接对角位置两天线单元的线段；

基线平移模块，用于将所述基线进行平移，使各基线的中点重合；

图形化显示模块，用于根据各基线长度，得到各基线在设定来波信号频率下的无模糊视角和测定精度，并对各基线的无模糊视角内的测向精度进行图形化显示；

图形重叠模块，用于将各基线的无模糊视角内的测向精度的图形化显示结果进行重叠，重叠后图形边缘所围成的封闭曲线即为所述待仿真干涉仪在设定来波信号频率下的测向精度仿真计算结果。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述图形化显示模块利用公式a＝2arcsin(λ/2d)计算各基线在设定来波信号频率下的无模糊视角；其中，λ为设定来波信号波长；d为基线长度，由位于基线两端处的天线单元之间的实际距离得到。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述图形化显示模块利用公式

计算每条基线在设定来波信号频率下的标准偏差，根据标准偏差得到测向精度；其中，λ为设定来波信号波长，d为基线长度，θ为设定来波信号的入射角，/>

为鉴相误差，σ_θ为设定来波信号入射角θ条件下的标准偏差。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述图形化显示模块根据各基线分别确定极坐标，在确定的各所述极坐标系中，得到各基线在各自极坐标系中θ与σ_θ的关系曲线；根据该基线对应的无模糊视角，在所述关系曲线上截取无模糊视角内的一段曲线，得到该基线在无模糊视角内的测向精度曲线。

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