CN110187303B - 一种单脉冲比幅比相联合测向方法 - Google Patents

一种单脉冲比幅比相联合测向方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单脉冲比幅比相联合测向方法，利用比幅测向获得粗角度，估计出干涉仪模糊数，然后用干涉仪原理获得无模糊的高精度测向能力。本发明通过覆盖不同区域的阵元构成信道，覆盖全方位范围的测向。通过测向模拟仿真实验，在相位差模糊的情况下，利用比幅确定相位差模糊数，用干涉仪原理实现无模糊到达方向估计，典型测向精度优于1°。

Description

一种单脉冲比幅比相联合测向方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体为一种综合幅度比和相位差获取高精度方向估计的方法。
背景技术
单脉冲比幅测向是一种辐射源侦察系统的测向技术。对于全向应用，典型情况用4或6个天线覆盖360°，采用幅度较大的两信道幅度比获得辐射源方向，测向精度较低(见文献：赵国庆.雷达对抗原理(第二版).西安电子科技大学出版社,2012.09)。
一种改进的比幅测向方法利用三个信道的幅度进行比幅测向，在测向精度上稍有提高，但由于波束密集覆盖需要更多的信道才能覆盖相同的方位跨度(见文献：潘继飞等.一种改进的比幅测向方法.电子侦察干扰,2010,31(4),5-15)。
干涉仪测向是无线电测向的一种通用技术，通常需要多条基线实现干涉仪解模糊处理。可以利用多基线，采用参差基线法或虚拟基线法解模糊实现高精度干涉仪测向(见文献：贾朝文等.高概率宽带相位干涉仪测向解模糊算法.电子信息对抗技术，2015,30(4),58-62.赵小华，梁广真.干涉仪测向技术研究.舰船电子对抗，2016,39(3),7-10)。
由于相位差测量存在2π角度模糊问题，导致干涉仪在阵元间距大于半波长时出现测向模糊，现有干涉仪测向系统需要利用3个或以上阵元信息，典型情况4阵元构成多基线干涉仪，长基线或虚拟长基线实现高精度的方向估计，短基线或虚拟短基线实现解模糊处理，才能实现高精度干涉仪测向。
综上所述，比幅测向精度低，干涉仪测向精度较高但在天线间距大于半波长时存在角度模糊，解模糊需要更多基线。
发明内容
本发明在比幅基础上，利用最大幅度信道和次大幅度信道相位差信息，在常规干涉仪处理存在模糊的情况下，可实现无模糊的干涉仪测向，获得高精度测向能力。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种单脉冲比幅比相联合测向方法，利用比幅测向获得粗角度，估计出干涉仪模糊数，然后用干涉仪原理获得无模糊的高精度测向能力。
作为优选方式，具体实现步骤如下：
步骤一：寻找最大幅度和相邻的次大幅度；
步骤二：计算最大幅度和相邻的次大幅度信道的相位差，通过比幅估计粗到达角并确定相位模糊数；
步骤三：根据模糊数补偿得到无模糊的相位差；
步骤四：根据干涉仪测向公式得到达角。
作为优选方式，采用方向图的特性用幅度比值关系实现粗测向，估计出模糊数，然后用常规干涉仪公式实现无模糊测向。
作为优选方式，当两个天线用常规干涉仪测向方法存在模糊时，在共视区用本单脉冲比幅比相联合测向方法可实现高精度测向。
作为优选方式，针对4信道情况，4信道全方位比幅测向，天线与信道一一对应，最大幅度信道确定接收信号的角度区间，次大幅度信道确定角度二分区间的哪一个部分，见表1，再采用幅度比确定入射信号的粗角度估计
Figure BDA0002104262930000021
即两个天线共视区内的角度估计；
表1 4信道比幅测向幅度大小比较结果与方向区间对应表
Figure BDA0002104262930000022
阵元接收信号相位差公式
Figure BDA0002104262930000023
式中λ为波长，φ为相位差，θ为辐射源信号入射角，D为阵元间距；当
Figure BDA0002104262930000024
时，相位差计算值φο存在角度模糊问题；
根据幅度比初步估计信号到达角可以确定干涉仪测向模糊数n，从而得到无模糊的相位差估计
Figure BDA0002104262930000025
再根据干涉仪测向公式
Figure BDA0002104262930000026
可实现无模糊的测向，式中
Figure BDA0002104262930000031
为无模糊的方向估计，λ为波长，
Figure BDA0002104262930000032
无模糊的相位差估计，D为阵元间距。
作为优选方式，
频率f：1GHz；信号入射角θ：35°；阵元间距D：12dm；采样率(复采样)fs：2GSPS；设入射信号为脉冲串，脉宽1μs，脉冲重复周期6μs；最大幅度信道的信噪比：20dB；假定各通道增益和噪底相同；
具体步骤如下：
1)寻找最大幅度和相邻的次大幅度，确定到达角所属角度区间；
得到4个信道的幅度估计分别如下：
信道1:1.0056V
信道2:0.1538V
信道3:0.0461V
信道4:0.3224V
最大幅度信道为信道1，次大幅度信道为信道4；由表1可知，信号到达角区间为0°～45°；
2)计算最大幅度和相邻的次大幅度信道的相位差，通过比幅估计粗到达角并确定相位模
糊数；
由信道1和信道4采样数据通过相关可得干涉仪相位差为1.8586角弧度；
最大信道与次大信道幅度比：
Figure BDA0002104262930000033
由幅度比与角度的关系可得角度为30°，精确到1°；
根据干涉仪基本原理可得频率1GHz在干涉仪构型中模糊区间如表2：
表2频率1GHz时本例干涉仪构型中的模糊区间
Figure BDA0002104262930000034
30°处在第二模糊区间，模糊数为2，因此干涉仪相位差补偿4π；
3)根据模糊数补偿得到无模糊的相位差
补偿4π后，得到补偿后的相位差4π+1.8586≈14.4250角弧度；
4)根据干涉仪测向公式得到达角
由干涉仪测向公式
Figure BDA0002104262930000041
可得，到达角为35.0263°；
在最大幅度通道接收信噪比20dB情况下，能够得到精确的角度估计值。
本发明的有益效果是：
本发明通过覆盖不同区域的阵元构成信道，覆盖全方位范围的测向。通过测向模拟仿真实验，在相位差模糊的情况下，利用比幅确定相位差模糊数，用干涉仪原理实现无模糊到达方向估计，典型测向精度优于1°。
附图说明
图1为4阵元360°方位覆盖构型；
图2为4阵元360°方位测向单元天线方向图及幅度比，注：幅度比＝最大信道幅度/次大信道幅度；
图3为4信道采样信号；
图4为4信道采样信号数字平方率检波幅度；
图5为最大幅度通道信噪比20dB条件下100次角度估计结果(给定角度为35°)。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
一种单脉冲比幅比相联合测向方法，利用比幅测向获得粗角度，估计出干涉仪模糊数，然后用干涉仪原理获得无模糊的高精度测向能力。
在一个优选实施例中，干涉仪在阵元间距大于半波长时存在测向模糊，本发明通过幅度比估计出干涉仪相位差模糊数，从而实现无模糊的干涉仪测向。具体实现步骤如下：
步骤一：寻找最大幅度和相邻的次大幅度；
步骤二：计算最大幅度和相邻的次大幅度信道的相位差，通过比幅估计粗到达角并确定相位模糊数；
步骤三：根据模糊数补偿得到无模糊的相位差；
步骤四：根据干涉仪测向公式得到达角。
在一个优选实施例中，采用方向图的特性用幅度比值关系实现粗测向，估计出模糊数，然后用常规干涉仪公式实现无模糊测向。
在一个优选实施例中，当两个天线用常规干涉仪测向方法存在模糊时，在共视区用本单脉冲比幅比相联合测向方法可实现高精度测向。
在一个优选实施例中，
图1给出了天线构型，图2上半部分给出了4天线实现360°方位测向的方向图，下半部分为最大幅度信道和次大幅度信道的幅度比，单个天线方向图呈余弦平方形状，为清晰起见，只画出了主瓣部分波束；
针对4信道情况，4信道全方位比幅测向，天线与信道一一对应，最大幅度信道确定接收信号的角度区间(象限)，次大幅度信道确定角度二分区间的哪一个部分，见表1，再采用幅度比确定入射信号的粗角度估计
Figure BDA0002104262930000051
即两个天线共视区内的角度估计；
表1 4信道比幅测向幅度大小比较结果与方向区间对应表
Figure BDA0002104262930000052
阵元接收信号相位差公式
Figure BDA0002104262930000053
式中λ为波长，φ为相位差，θ为辐射源信号入射角，D为阵元间距；当
Figure BDA0002104262930000054
时，相位差计算值φο存在角度模糊问题；
根据幅度比初步估计信号到达角可以确定干涉仪测向模糊数n，从而得到无模糊的相位差估计
Figure BDA0002104262930000055
再根据干涉仪测向公式
Figure BDA0002104262930000061
可实现无模糊的测向，式中
Figure BDA0002104262930000062
为无模糊的方向估计，λ为波长，
Figure BDA0002104262930000063
无模糊的相位差估计，D为阵元间距。
在一个优选实施例中，频率f：1GHz(对应的信号波长3dm)；信号入射角θ：35°；阵元间距D：12dm；采样率(复采样)fs：2GSPS；设入射信号为脉冲串，脉宽1μs，脉冲重复周期6μs；最大幅度信道的信噪比：20dB；假定各通道增益和噪底相同；
具体步骤如下：
1)寻找最大幅度和相邻的次大幅度，确定到达角所属角度区间；
采样信号如图3所示，图4是数字平方率检波幅度，得到4个信道的幅度估计分别如下：
信道1:1.0056V
信道2:0.1538V
信道3:0.0461V
信道4:0.3224V
最大幅度信道为信道1，次大幅度信道为信道4；由表1可知，信号到达角区间为0°～45°；
2)计算最大幅度和相邻的次大幅度信道的相位差，通过比幅估计粗到达角并确定相位模
糊数；
由信道1和信道4采样数据通过相关可得干涉仪相位差为1.8586角弧度；
最大信道与次大信道幅度比：
Figure BDA0002104262930000064
由图2幅度比与角度的关系可得角度为30°，精确到1°；
根据干涉仪基本原理可得频率1GHz在干涉仪构型中模糊区间如表2：
表2频率1GHz时本例干涉仪构型中的模糊区间
Figure BDA0002104262930000065
30°处在第二模糊区间，模糊数为2，因此干涉仪相位差补偿4π；
3)根据模糊数补偿得到无模糊的相位差
补偿4π后，得到补偿后的相位差4π+1.8586≈14.4250角弧度；
4)根据干涉仪测向公式得到达角
由干涉仪测向公式
Figure BDA0002104262930000071
可得，到达角为35.0263°；
在最大幅度通道接收信噪比20dB情况下，100次测量估计结果如图5所示，能够得到精确的角度估计值。
需要说明的是，某些频率未知的情况下，首先需要进行频率估计，然后利用上面的4个步骤得到角度估计值。
实施实例中给出了4天线4信道覆盖360°的全方位测向，可用于其他数量天线和信道的全方位测向，也可用于非全方位天线视场共视区域的测向。
本发明通过4方向图覆盖不同区域的阵元构成4信道(不限于4阵元4信道)，覆盖全方位360°(不限于覆盖360°)范围的测向。通过测向模拟仿真实验，在相位差模糊的情况下，利用比幅确定相位差模糊数，用干涉仪原理实现无模糊到达方向估计，典型测向精度优于1°
以上所述仅为本发明的实施实例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种单脉冲比幅比相联合测向方法，其特征在于：利用比幅测向获得粗角度，采用方向图的特性用幅度比值关系实现粗测向，估计出干涉仪模糊数，然后用干涉仪原理获得无模糊的高精度测向能力；
针对4信道情况，4信道全方位比幅测向，天线与信道一一对应，最大幅度信道确定接收信号的角度区间，次大幅度信道确定角度二分区间的哪一个部分，见表1，再采用幅度比确定入射信号的粗角度估计
Figure FDA0003914068770000011
即两个天线共视区内的角度估计；
表1 4信道比幅测向幅度大小比较结果与方向区间对应表
Figure FDA0003914068770000012
阵元接收信号相位差公式
Figure FDA0003914068770000013
式中λ为波长，φ为相位差，θ为辐射源信号入射角，D为阵元间距；当
Figure FDA0003914068770000014
时，相位差计算值φο存在角度模糊问题；
根据幅度比初步估计信号到达角确定干涉仪测向模糊数n，从而得到无模糊的相位差估计
Figure FDA0003914068770000015
式中
Figure FDA0003914068770000016
为无模糊的相位差估计，n为模糊数，φο为相位差计算值，根据干涉仪测向公式
Figure FDA0003914068770000017
可实现无模糊的测向，式中
Figure FDA0003914068770000018
为无模糊的方向估计，λ为波长，
Figure FDA0003914068770000019
无模糊的相位差估计，D为阵元间距；
频率f：1GHz；信号入射角θ：35°；阵元间距D：12dm；采样率fs：2GSPS；设入射信号为脉冲串，脉宽1μs，脉冲重复周期6μs；最大幅度信道的信噪比：20dB；假定各通道增益和噪底相同；
具体步骤如下：
1)寻找最大幅度和相邻的次大幅度，确定到达角所属角度区间；
得到4个信道的幅度估计分别如下：
信道1:1.0056V
信道2:0.1538V
信道3:0.0461V
信道4:0.3224V
最大幅度信道为信道1，次大幅度信道为信道4；由表1可知，信号到达角区间为0°～45°；
2)计算最大幅度和相邻的次大幅度信道的相位差，通过比幅估计粗到达角并确定相位模糊数；
由信道1和信道4采样数据通过相关可得干涉仪相位差为1.8586角弧度；
最大信道与次大信道幅度比：
Figure FDA0003914068770000021
由幅度比与角度的关系可得角度为30°，精确到1°；
根据干涉仪原理得频率1GHz在干涉仪构型中模糊区间如表2：
表2 频率1GHz时本例干涉仪构型中的模糊区间
Figure FDA0003914068770000022
30°处在第二模糊区间，模糊数为2，因此干涉仪相位差补偿4π；
3)根据模糊数补偿得到无模糊的相位差
补偿4π后，得到补偿后的相位差4π+1.8586≈14.4250角弧度；
4)根据干涉仪测向公式得到达角
由干涉仪测向公式
Figure FDA0003914068770000031
可得，到达角为35.0263°；
在最大幅度通道接收信噪比20dB情况下，能够得到精确的角度估计值。
2.根据权利要求1所述的一种单脉冲比幅比相联合测向方法，其特征在于：具体实现步骤如下：
步骤一：寻找最大幅度和相邻的次大幅度；
步骤二：计算最大幅度和相邻的次大幅度信道的相位差，通过比幅估计粗到达角并确定相位模糊数；
步骤三：根据模糊数补偿得到无模糊的相位差；
步骤四：根据干涉仪测向公式得到达角。
3.根据权利要求1所述的一种单脉冲比幅比相联合测向方法，其特征在于：当两个天线用干涉仪测向方法存在模糊时，在共视区用本单脉冲比幅比相联合测向方法可实现高精度测向。
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