CN111323742B - 一种基于曲线阵列的相位干涉仪及其测向方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于曲线阵列的相位干涉仪及其测向方法，目的是为了实现在天线阵列在非线性排布的情况下进行基线的设计和来波方向测量。根据本专利发明的基线设计方法进行测向时，保证一组3个天线的阵列的纵向间隔相等，在横坐标方向和纵坐标方向分别形成虚拟基线，即可抵消天线位置的纵坐标带来的影响，来波方向的最终计算结果只与天线的横坐标有关，将曲线阵列模型等效为一维阵列模型，从而实现了计算过程的降维。本发明可以解决在相位干涉仪阵列的实际排布过程中受到空间限制，无法进行线性布阵的问题；在相同的空间下，使用本专利发明的方法也可以布放更多的天线，从而达到更高的测向精度和解模糊正确概率。

Description

一种基于曲线阵列的相位干涉仪及其测向方法
技术领域
本发明涉及一种基于曲线阵列的相位干涉仪设计和测向方法，属于相位干涉仪测向技术领域。
背景技术
相位干涉仪测向的基本原理为：在空间中布放天线阵列，每两个天线之间构成一组基线，通过测量目标信号到达每个天线的相位信息，计算出不同基线之间的相位差，从而得出目标信号的来波方向。由于信号相位的周期性，在计算基线间的相位差时会出现相位模糊。为了避免相位模糊，一般情况下会使用多组基线间的相位差相互比较进行解模糊，基线数量越多，正确解模糊的概率越大。目前的测向算法中，相位干涉仪的天线阵列都需要线性布放，基线数量越多，占用的空间越多。然而，在船舶、飞机等实际情境下，可供天线布放的空间是有限的，没有足够多的线性空间满足足够多的天线布放，从而限制了干涉仪的性能甚至无法实现测向功能。在这种情况下，发明一种在曲线阵列布放情况下进行相位干涉仪设计和测向的方法有很强的实际意义。
本专利即在此背景下，发明了一种在曲线阵列相位干涉仪的设计方法，使用本方法，可以实现在曲线基线间构造虚拟基线，完成测向功能并达到预期的效果。
发明内容
本发明的目的是为了在非线性空间进行布阵，克服天线阵列无法进行线性排布的难题而提供一种基于曲线阵列的相位干涉仪设计和测向方法。
本发明的目的是这样实现的：一种基于曲线阵列的相位干涉仪，在曲线的一侧布放3个天线，且满足：相邻天线纵坐标的差值相等，记录下此时相邻天线横坐标的二级差作为虚拟基线Ⅰ，基线Ⅰ的长度不超过目标信号半波长；在曲线的另一侧布放3个天线，且满足：相邻天线纵坐标的差值相等，记录下此时相邻天线横坐标的二级差作为虚拟基线Ⅱ，其中一个天线与上述的一侧中的一个天线纵坐标相同，复用天线构造实基线Ⅲ；在曲线上水平布放2个纵坐标相同的天线，横坐标差值作为实基线Ⅳ。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.一种基于曲线阵列的相位干涉仪的测向方法，步骤如下：
步骤一：布放天线1、2、3，坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)和(x3,y3)，使三者的关系满足Δy1＝y3-y2＝y2-y1，三个天线构造虚拟基线Ⅰ，长度为d1＝Δx2-Δx1＝(x3-x2)-(x2-x1)；
步骤二：布放天线4、5、6，坐标分别为(x4,y4)、(x5,y5)和(x6,y6)，使三者关系满足Δy2＝y6-y5＝y5-y4，三个天线构造虚拟基线Ⅱ，长度为d2＝Δx3-Δx4＝(x5-x4)-(x6-x5)；天线6和天线3纵坐标相同，即y3＝y6，两者构造实基线Ⅲ，长度为d3＝Δx5＝x6-x3；
步骤三：布放天线7、8，坐标分别为(x7,y7)和(x8,y8)，使两者关系满足y7＝y8，两天线构造实基线Ⅳ，长度为d4＝Δx6＝x8-x7；
步骤四：利用上述步骤构造的基线进行测向和解模糊，消去天线纵向间距对测向的影响，
步骤一中三个天线检测到的信号相位分别为
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得到来波信号方向θ，利用多组基线间的相位差信息可以逐级进行解模糊操作。
2.步骤四具体包括：
设天线i(i＝1,2,…,8)检测到来波信号的相位分别为
Figure SMS_13
信号来波方位角为θ，对于天线1、2、3有如下方程组
Figure SMS_14
将两组结果做差，得到：
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对于天线4、5、6有：
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对于天线7、8组成的实基线有：
Figure SMS_17
对于天线3、6组成的实基线有：
Figure SMS_18
用上述四级基线得到来波信号入射角度并进行解模糊。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)使用本发明给出的设计方法，满足在船舶、飞机等非线性空间进行阵列排布的要求，实现测向功能；(2)使用曲线阵列，可以节省线性空间，从而在相同的空间布放更多天线，达到更好的解模糊性能，或者增加长基线长度，达到更高的测向精度，还可以增加天线使用的最小尺寸要求，提高天线增益。(3)抵消天线阵列纵坐标的影响，将二维空间的运算简化为一维运算，提高了运算效率。
附图说明
图1是本发明的曲线阵列相位干涉仪设计示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的目的是这样实现的：合理的排布天线阵列的位置，通过构造虚拟基线的方法消除天线纵向坐标在计算过程中造成的影响，得到只与天线横向坐标有关的测向结果。
曲线阵列相位干涉仪测向，分为如下几个步骤：
步骤一：先在曲线的一侧布放3个天线，使相邻天线纵坐标的差值相等，记录下此时相邻天线横坐标的二级差作为虚拟基线Ⅰ，并要求基线Ⅰ的长度不超过目标信号半波长；
步骤二：在曲线的另一侧布放3个天线，使相邻天线纵坐标的差值相等，记录下此时相邻天线横坐标的二级差作为虚拟基线Ⅱ；其中一个天线与步骤一中的一个天线纵坐标相同，复用天线构造实基线Ⅲ；
步骤三：在曲线上水平布放2个纵坐标相同的天线，横坐标差值作为实基线Ⅳ；
步骤四：利用上述步骤构造的基线进行测向和解模糊，消去天线纵向间距对测向的影响。
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求出来波信号方向θ，利用多组基线间的相位差信息可以逐级进行解模糊操作。
下面结合具体参数给出本发明的实施案例：
步骤一：如图1所示，布放天线1、2、3，坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)和(x3,y3)，使三者的关系满足Δy1＝y3-y2＝y2-y1，三个天线构造虚拟基线Ⅰ，长度为d1＝Δx2-Δx1＝(x3-x2)-(x2-x1)；
步骤二：布放天线4、5、6，坐标分别为(x4,y4)、(x5,y5)和(x6,y6)，使三者关系满足Δy2＝y6-y5＝y5-y4，三个天线构造虚拟基线Ⅱ，长度为d2＝Δx3-Δx4＝(x5-x4)-(x6-x5)；天线6和天线3纵坐标相同，即y3＝y6，两者构造实基线Ⅲ，长度为d3＝Δx5＝x6-x3；
步骤三：布放天线7、8，坐标分别为(x7,y7)和(x8,y8)，使两者关系满足y7＝y8，两天线构造实基线Ⅳ，长度为d4＝Δx6＝x8-x7；
步骤四：设天线i(i＝1,2,…,8)检测到来波信号的相位分别为
Figure SMS_31
信号来波方位角为θ，对于天线1、2、3有如下方程组
Figure SMS_32
将两组结果做差，可得出结果
Figure SMS_33
同理，对于天线4、5、6有
Figure SMS_34
对于天线7、8组成的实基线有
Figure SMS_35
对于天线3、6组成的实基线有
Figure SMS_36
用上述四级基线即可求解出来波信号入射角度并进行解模糊。
综上，本发明公开了一种基于曲线阵列的相位干涉仪设计和测向方法。目的是为了实现在天线阵列在非线性排布的情况下进行基线的设计和来波方向测量。根据本专利发明的基线设计方法进行测向时，保证一组3个天线的阵列的纵向间隔相等，在横坐标方向和纵坐标方向分别形成虚拟基线，即可抵消天线位置的纵坐标带来的影响，来波方向的最终计算结果只与天线的横坐标有关，将曲线阵列模型等效为一维阵列模型，从而实现了计算过程的降维。本发明可以解决在相位干涉仪阵列的实际排布过程中受到空间限制，无法进行线性布阵的问题；在相同的空间下，使用本专利发明的方法也可以布放更多的天线，从而达到更高的测向精度和解模糊正确概率。

Claims (2)

1.一种基于曲线阵列的相位干涉仪的测向方法，其特征在于：在曲线的一侧布放3个天线，且满足：相邻天线纵坐标的差值相等，记录下此时相邻天线横坐标的二级差作为虚拟基线Ⅰ，基线Ⅰ的长度不超过目标信号半波长；在曲线的另一侧布放3个天线，且满足：相邻天线纵坐标的差值相等，记录下此时相邻天线横坐标的二级差作为虚拟基线Ⅱ，其中一个天线与上述的一侧中的一个天线纵坐标相同，复用天线构造实基线Ⅲ；在曲线上水平布放2个纵坐标相同的天线，横坐标差值作为实基线Ⅳ；
步骤如下：步骤一：布放天线1、2、3，坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)和(x3,y3)，使三者的关系满足Δy1＝y3-y2＝y2-y1，三个天线构造虚拟基线Ⅰ，长度为d1＝Δx2-Δx1＝(x3-x2)-(x2-x1)；
步骤二：布放天线4、5、6，坐标分别为(x4,y4)、(x5,y5)和(x6,y6)，使三者关系满足Δy2＝y6-y5＝y5-y4，三个天线构造虚拟基线Ⅱ，长度为d2＝Δx3-Δx4＝(x5-x4)-(x6-x5)；天线6和天线3纵坐标相同，即y3＝y6，两者构造实基线Ⅲ，长度为d3＝Δx5＝x6-x3；
步骤三：布放天线7、8，坐标分别为(x7,y7)和(x8,y8)，使两者关系满足y7＝y8，两天线构造实基线Ⅳ，长度为d4＝Δx6＝x8-x7；
步骤四：利用上述步骤构造的基线进行测向和解模糊，消去天线纵向间距对测向的影响，步骤一中三个天线检测到的信号相位分别为
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Figure FDA00041221648400000112
得到来波信号方向θ，利用多组基线间的相位差信息逐级进行解模糊操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于曲线阵列的相位干涉仪的测向方法，其特征在于：步骤四具体包括：
设天线i(i＝1,2,…,8)检测到来波信号的相位分别为
Figure FDA00041221648400000113
信号来波方位角为θ，对于天线1、2、3有如下方程组
Figure FDA0004122164840000021
将两组结果做差，得到：
Figure FDA0004122164840000022
对于天线4、5、6有：
Figure FDA0004122164840000023
对于天线7、8组成的实基线有：
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/>
对于天线3、6组成的实基线有：
Figure FDA0004122164840000025
用上述四级基线得到来波信号入射角度并进行解模糊。
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