CN111610487B - 均匀线阵虚拟合成短时大孔径高精度测向方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了均匀线阵虚拟合成短时大孔径高精度测向方法，具体步骤如下：利用高速开关逻辑驱动器，来驱动一个高速开关，以Δt为高速开关转换时间，轮巡切换接通各个天线阵元，循环的获取到各个天线阵元的接收数据；对获取的各个天线阵元的接收数据进行相位补偿校准和幅度均衡控制，来形成虚拟短时大孔径，并获取到基于虚拟短时大孔径得到的取样数据；对获取的基于虚拟短时大孔径得到的取样数据进行下变频和数字化处理；本发明是基于均匀线阵，利用高速开关轮巡切换接通各个天线阵元，经过相位补偿校准和幅度均衡控制，虚拟形成短时大孔径，并由虚拟短时大孔径得到的取样数据，通过信号处理来实现高精度测向。

Description

均匀线阵虚拟合成短时大孔径高精度测向方法
技术领域
本发明涉及电子侦察技术领域，是对辐射源信号的测向方法，具体为均匀线阵虚拟合成短时大孔径高精度测向方法。
背景技术
辐射源信号的波达角估计是利用电子侦察接收到的辐射源信号，通过信号处理来估计辐射源信号的到达方向；目前，辐射源信号的波达角估计方法主要有振幅法测向、相位法测向和空间谱估计测向等方式。
振幅法测向是利用接收到的信号幅度信息进行测向，其测向精度与阵列的方向图有关，当阵元间距一定时，阵元数目越大，阵列的孔径也越大，方向图主瓣越窄，测向精度越高，这种方法的测向精度相对较低，现代测向系统的应用较少；相位法测向是利用天线阵接收到的相位差信息进行测向，典型的有多基线相位干涉仪测向，其利用多基线解决不模糊测向范围及测向精度间的矛盾，短基线决定不模糊测向范围，而测向精度与最长基线长度成反比，也就是阵列的基线越长，测向精度越高，这种方法测向精度相对较高，现代工程方面的应用较多；空间谱估计测向是利用现代谱估计技术进行测向，其测向精度与阵列孔径相关，阵列孔径越大，测向精度越高，这类方法理论上可实现极高的测向精度，但现代工程方面的应用尚有许多问题待解决，即工程应用较少；
上述辐射源信号测向方法的共同特点是测向精度与天线阵列的孔径大小密切相关，要获得高精度测向结果，必须保证阵列的孔径足够大，这也导致很多现代雷达电子系统的天线做得越来越庞大；
而在天线孔径一定的情况下，为了提高测向系统的测向精度，来提出一种均匀线阵虚拟合成短时大孔径高精度测向方法，该方法是基于均匀线阵，利用高速开关轮巡切换接通各个天线阵元，经过相位补偿校准和幅度均衡控制，虚拟形成短时大孔径，并由虚拟短时大孔径得到的取样数据，通过信号处理来实现高精度测向；
为了解决上述缺陷，现提供一种技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供均匀线阵虚拟合成短时大孔径高精度测向方法，本发明是基于均匀线阵，利用高速开关轮巡切换接通各个天线阵元，经过相位补偿校准和幅度均衡控制，虚拟形成短时大孔径，并由虚拟短时大孔径得到的取样数据，通过信号处理来实现高精度测向。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
均匀线阵虚拟合成短时大孔径高精度测向方法，具体步骤如下：
步骤一：利用高速开关逻辑驱动器，来驱动一个高速开关，以Δt为高速开关转换时间，轮巡切换接通各个天线阵元，循环的获取到各个天线阵元的接收数据；
步骤二：对获取的各个天线阵元的接收数据进行相位补偿校准和幅度均衡控制，来形成虚拟短时大孔径，并获取到基于虚拟短时大孔径得到的取样数据，且相位补偿校准为现有的相位补偿的校准方式，幅度均衡控制也可通过现有的幅度均衡器来设置操作，主要是将接收数据来形成虚拟短时大孔径，并获取其中的取样数据；
步骤三：对获取的基于虚拟短时大孔径得到的取样数据进行下变频和数字化处理，且取样数据的下变频和数字化处理，以及后续的广义傅里叶变换方式均为现有技术，并通过广义傅里叶变换，得到目标信号的空间谱，再依据谱峰搜索，完成对目标信号到达方向的估计，实现目标信号的高精度测向，即利用广义傅里叶变换后的空间谱，来对其到达方位的一维搜索，实现对到达方向的估计和高精度测向。
本发明的有益效果：
本发明是利用高速开关逻辑驱动器，来驱动一个高速开关，以极短的时间间隔，从均匀线阵的第一个天线阵元开始，顺序的切换接通各个天线阵元，循环获取各个天线阵元的接收数据，再对接收数据进行相位补偿校准和幅度均衡控制，形成虚拟短时大孔径得到的取样数据，基于取样数据，经广义傅里叶变换方式的信号处理，来实现高精度测向；即本发明与传统的均匀线阵测向方法相比较，能够形成更大的虚拟孔径；且本发明的测向精度高，在相同阵列条件下，比传统的均匀线阵测向方法的测向误差降低至少50％。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明；
图1为本发明的天线阵列布阵示意图；
图2为本发明的虚拟短时大孔径原理图；
图3为本发明的空间谱估计结果示意图；
图4为本发明的测向误差与信噪比关系示意图。
具体实施方式
数学模型：
假定观测站的位置固定，测向天线为一维均匀线阵，其阵元数为L，阵元间距为d，测向阵列模型如图1所示，观测目标满足远场条件；
假设信号频率为fs，入射角为
Figure BDA0002502586100000031
某个接收单元位于x处，则接收到的信号可表示为：
Figure BDA0002502586100000041
其中，s(t,x)为时间t和位移x的函数，当x固定时，即阵元空间不动，s(t,x)为时间的函数，ωs决定单位时间内的电波相位变化的弧度数；当t固定时，即时间不动，s(t,x)为空间位移的函数，Ω0决定单位长度上的电波相位变化的弧度数；ω0为信号角频率，而
Figure BDA0002502586100000042
为空间角频率；
如果接收机是在运动中接收信号，则位置x是时间的函数，接收信号模型可表示为：
s(t,x)＝Aexp[jωst+jΩ0x(t)+Φ0]
其中，x(t)表示t时刻的接收天线阵元所在的位置。
虚拟合成短时大孔径高精度测向原理：
步骤一：利用高速开关逻辑驱动器，来驱动一个高速开关，以Δt为高速开关转换时间，轮巡切换接通各个天线阵元，循环的获取到各个天线阵元的接收数据，其具体方式如下：
利用高速开关逻辑驱动器，来驱动一个高速开关从均匀线阵的第一个天线阵元开始，顺序的切换接通各个天线阵元，获取各个天线阵元的接收数据；当所有天线阵元取样结束后，控制该高速开关继续切换到第一个天线阵元，重复进行顺序取样，如此循环反复；
当第一个天线阵元的位置为x＝0，高速开关按1#,2#,…,L#天线阵元的顺序轮巡切换接通各个天线阵元，高速开关转换时间为Δt，tn＝nΔt时刻的高速开关位于x(tn)处，而x(tn)的表示形式如下：
x(tn)＝d mod(n/L)
其中，n表示tn时刻为第n次取样；
即第n次取样时刻的各个天线阵元的接收数据表示如下：
s(n)＝Aexp[jωsnΔt+jΩ0x(tn)+Φ0]
当0≤n＜L时
s(n)＝Aexp[jωsnΔt+jΩ0dn+Φ0]
＝Aexp[jωsnΔt+jω0n+Φ0]
其中，
Figure BDA0002502586100000051
为“归一化空间角频率”；
当kL≤n＜(k+1)L-1时
s(n)＝Aexp[jωsnΔt+jΩ0d(n-kL)+Φ0]
＝Aexp[jωsnΔt+jω0n+Φ0-jkω0L]
则其与无限长的线性阵列相比较，在n＝kL时刻产生一个相位突变，其值为kω0L，其中，k＝[n/L]为取整函数；
步骤二：对获取的各个天线阵元的接收数据进行相位补偿校准和幅度均衡控制，来形成虚拟短时大孔径，并获取到基于虚拟短时大孔径得到的取样数据，且相位补偿校准为现有的相位补偿的校准方式，幅度均衡控制也可通过现有的幅度均衡器来设置操作，主要是将接收数据来形成虚拟短时大孔径，并获取其中的取样数据；
即虚拟短时大孔径原理图为图2所示，基于虚拟短时大孔径得到的取样数据，再将其传输至接收机，通过信号处理来实现高精度测向；
步骤三：对获取的基于虚拟短时大孔径得到的取样数据进行下变频和数字化处理，且取样数据的下变频和数字化处理，以及后续的广义傅里叶变换方式均为现有技术，并通过广义傅里叶变换，得到目标信号的空间谱，再依据谱峰搜索，完成对目标信号到达方向的估计，实现目标信号的高精度测向，其具体方式如下：
对s(n)进行广义傅里叶变换，得到目标信号的空间谱：
Figure BDA0002502586100000061
当Ω＝Ω0时，
Figure BDA0002502586100000062
即利用广义傅里叶变换后的空间谱，即利用广义傅里叶变换后的空间谱，来对其到达方位的一维搜索，实现对到达方向的估计和高精度测向。
验证实验：
辐射源辐射信号的频率fS＝1GHz，信号方位角
Figure BDA0002502586100000063
阵元数L＝11，阵元间距d＝1.1cm，高速开关切换时间为1ns，轮巡切换10个周期，取样点数为110；
如图3所示，其为SNR＝0dB时的空间谱，如图4所示为不同信噪比条件下的测向误差，则当信噪比SNR>-10dB时，本发明的测向误差低于0.05°；
将本发明与传统方法做性能比较，基于上述的实验条件，选择典型的基于均匀线阵的相位法测向和空间谱测向进行对比实验，实验中的信号入射角在(-60，60)范围内选择7个不同的角度，在信噪比SNR＝-10dB时的三种不同方法的测向误差实验结果如表1所示：
表1-三种不同方法的测向误差实验结果表
Figure BDA0002502586100000064
Figure BDA0002502586100000071
实验结果表明，均匀线阵虚拟合成短时大孔径高精度测向方法，当信噪比SNR>-10dB时，其测向误差低于0.05°，而均匀线阵的传统测向方法的测向误差高于0.1°；即本发明通过虚拟合成短时大孔径，可实现高精度测向，在相同阵列条件下，比传统的均匀线阵测向方法的测向误差降低至少50％。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.均匀线阵虚拟合成短时大孔径高精度测向方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：利用高速开关逻辑驱动器，来驱动一个高速开关，以Δt为高速开关转换时间，轮巡切换接通各个天线阵元，循环的获取到各个天线阵元的接收数据；
步骤二：对获取的各个天线阵元的接收数据进行相位补偿校准和幅度均衡控制，来形成虚拟短时大孔径，并获取到基于虚拟短时大孔径得到的取样数据；
步骤三：对获取的基于虚拟短时大孔径得到的取样数据进行下变频和数字化处理，并通过
Figure FDA0003651428910000011
当Ω＝Ω0时，即利用广义傅里叶变换后的空间谱，来对其到达方位的一维搜索，得到目标信号的空间谱，再依据谱峰搜索，完成对目标信号到达方向的估计，实现目标信号的高精度测向；
式中s(n)＝Aexp[jωsnΔt+jΩ0dn+Φ0]＝Aexp[jωsnΔt+jΩ0n+Φ0]；
j为虚数部；ωs决定单位时间内的电波相位变化的弧度数；
Ω0决定单位长度上的电波相位变化的弧度数；
Ω为长度上的电波相位变化的弧度数；
x(tn)＝d mod(n/L)，其中L为阵元数，d为阵元间距，tn为第n次取样的时刻。
2.根据权利要求1所述的均匀线阵虚拟合成短时大孔径高精度测向方法，其特征在于，所述步骤一中的循环的获取到各个天线阵元的接收数据，其具体方式如下：
利用高速开关逻辑驱动器，来驱动一个高速开关从均匀线阵的第一个天线阵元开始，顺序的切换接通各个天线阵元，循环获取各个天线阵元的接收数据；当所有天线阵元取样结束后，控制该高速开关继续切换到第一个天线阵元，重复进行顺序取样，如此循环反复；
当第一个天线阵元的位置为x＝0，高速开关按1#,2#,…,L#天线阵元的顺序轮巡切换接通各个天线阵元，高速开关转换时间为Δt，tn＝nΔt时刻的高速开关位于x(tn)处，
第n次取样时刻的各个天线阵元的接收数据表示如下：
s(n)＝Aexp[jωsnΔt+jΩ0x(tn)+Φ0]
当0≤n＜L时
s(n)＝Aexp[jωsnΔt+jΩ0dn+Φ0]
＝Aexp[jωsnΔt+jΩ0n+Φ0]
其中，ω0＝(2πdsin
Figure FDA0003651428910000021
)/λ为归一化空间角频率；
当kL≤n＜(k+1)L-1时
s(n)＝Aexp[jωsnΔt+jΩ0d(n-kL)+Φ0]
＝Aexp[jωsnΔt+jω0n+Φ0-jkω0L]
则其与无限长的线性阵列相比较，在n＝kL时刻产生一个相位突变，其值为kω0L，其中，k＝[n/L]为取整函数。
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