CN111679243B - 一种基于滑动区间的单通道相关干涉仪测向方法及系统 - Google Patents

一种基于滑动区间的单通道相关干涉仪测向方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种基于滑动区间的单通道相关干涉仪测向方法及系统，包括：判断基线长度与半波长关系；当基线长度小于半波长时，根据理论相位差最大值对干涉仪的实测相位差进行预处理；对预处理后的实测相位差剔除不可信区间的样本数据；对剩余样本数据进行分组和相关性匹配，获取匹配相关系数最大的值；相关系数最大的值所对应的方向为来波方向；使得单通道相关干涉仪具有较强的抗波前失真能力，大量减少相关匹配时间，针对全频段可有效减少波前失真对测向精度的影响，可适配定向阵元、全向阵元，灵活性强，应用的分类算法根据频率、基线距离自适应，搜索区间准确。

Description

一种基于滑动区间的单通道相关干涉仪测向方法及系统
技术领域
本公开涉及一种基于滑动区间的单通道相关干涉仪测向方法及系统。
背景技术
相关干涉仪无源测向技术广泛运用于军、民领域，具有精度高、性能稳定的特点。单通道算法利用移相器、合路器模拟多通道数据，样本全匹配时效性低。同时，相关干涉仪算法抗波前失真能力较弱，将失真信号引入相关计算会引发匹配错误。
单通道相关干涉仪测向方法存在时效性低、测向精度与无相位模糊条件矛盾、抗波前失真能力弱的问题，现有算法无法解决上述问题，用户只能根据不同的使用环境现场采样，影响了测向系统的灵活性和适用性。
现有技术方案：对于时效性问题，使用短基线解模糊，确定模糊区间，在模糊区间内进行搜索，获取方位角；对于抗波前失真能力，无现有解决方案；对于时效性低的解决方案，低信噪比情况下利用短基线解模糊有失败概率。
发明内容
为了解决上述技术问题，本公开根据基线距离与波长的关系，通过相位、幅度对天线阵元接收的信号进行预处理，引入分类算法，使得单通道相关干涉仪具有较强的抗波前失真能力，大量减少相关匹配时间。
第一方面，本公开提供了一种基于滑动区间的单通道相关干涉仪测向方法，包括：
获取干涉仪的基线长度数据和半波长数据，判断基线长度与半波长关系；
当基线长度小于半波长时，根据理论相位差最大值对干涉仪的实测相位差进行预处理，当基线长度大于半波长时，使用基于幅度的滑动区间进行预处理；
对预处理后的实测相位差剔除不可信区间的样本数据；
对剩余样本数据进行分组和相关性匹配，获取匹配相关系数最大的值；相关系数最大的值所对应的方向为来波方向。
第二方面，本公开还提供了一种基于滑动区间的单通道相关干涉仪测向系统，包括：
数据采集模块，被配置为：获取干涉仪的基线长度数据和半波长数据，判断基线长度与半波长关系；
预处理模块，被配置为：当基线长度小于半波长时，根据理论相位差最大值对干涉仪的实测相位差进行预处理，当基线长度大于半波长时，使用基于幅度的滑动区间进行预处理；
数据处理模块，被配置为：对预处理后的实测相位差剔除不可信区间的样本数据；
测向模块，别配置为：对剩余样本数据进行分组和相关性匹配，获取匹配相关系数最大的值；相关系数最大的值所对应的方向为来波方向。
第三方面，本公开提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成如第一方面所述的单通道相关干涉仪测向方法。
第四方面，本公开还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成如第一方面所述的单通道相关干涉仪测向方法。
与现有技术对比，本公开具备以下有益效果：
1、本公开采用根据基线距离与波长的关系，通过相位、幅度对天线阵元接收的信号进行预处理，引入分类算法，解决了单通道相关干涉仪测向方法存在时效性低、测向精度与无相位模糊条件矛盾、抗波前失真能力弱的问题，使得单通道相关干涉仪具有较强的抗波前失真能力，大量减少相关匹配时间。
2、本公开通过判断基线长度与半波长关系；当基线长度小于半波长时，根据理论相位差最大值对干涉仪的实测相位差进行预处理；当基线长度大于半波长时，使用基于幅度的滑动区间进行预处理；解决了无法实现抗波前失真能力，和低信噪比情况下利用短基线解模糊有失败概率问题，针对全频段可有效减少波前失真对测向精度的影响。
3、本方法中基于幅度滑动搜索的预处理方法可适配定向阵元、全向阵元，灵活性强，应用的分类算法根据频率、基线距离自适应，搜索区间准确。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本公开的基于滑动区间的单通道相关干涉仪测向方法的流程图；
图2是本公开的基于相位滑动搜索的预处理方法结果示意图；
图3是本公开的基于幅度滑动搜索的预处理方法结果示意图；
图4是背景技术中波前失真引发的错误匹配示意图；
图5是本公开的五阵元均匀圆阵二维模型；
图6是本公开的五阵元均匀圆阵底部投影；
图7是本公开的单通道算法阵元处理流程图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
本公开根据基线距离与波长的关系，通过相位、幅度对天线阵元接收的信号进行预处理，引入分类算法，使得单通道相关干涉仪具有较强的抗波前失真能力，大量减少相关匹配时间。
当基线长度小于半波长时，阵元间相位差可以被现有仪器准确测量，不存在相位模糊。通过理论计算引入相位差最大值，根据理论相位差最大值对实测相位差进行预处理，剔除不可信区间，在可信区间中与样本数据进行分组相关匹配，获取相关性最大的结果为来波方向。如图1、图2所示，基线长度小于半波长时，阵元5、6出现了波前失真，利用理论相位差作为阈值进行预处理，剔除掉失真数据后，实测值域样本值高度重合，匹配成功。
如附图1所示，一种基于滑动区间的单通道相关干涉仪测向方法，包括：
步骤S1:获取干涉仪的基线长度数据和半波长数据，判断基线长度与半波长关系；
步骤S2:当基线长度小于半波长时，根据理论相位差最大值对干涉仪的实测相位差进行预处理；
步骤S3:对预处理后的实测相位差剔除不可信区间的样本数据；
步骤S4:对剩余样本数据进行分组和相关性匹配，获取匹配相关系数最大的值；相关系数最大的值所对应的方向为来波方向。
进一步的，当基线长度小于半波长时的测向方法具体实现步骤包括：
步骤S201：普通阵元通过移相器与参考阵元形成一组相位差幅度值，并求解出对应的相位差，获取若干相位差形成相位差矩阵；参考阵元在阵列中固定的一个阵元，普通阵元为阵列中其他阵元。如图5-图7中O为参考阵元，A、B、C、D和E为普通阵元，普通阵元中阵元和移相器进行轮切。在单通道算法中，参考阵元为直通信号，参考阵元为经过移相器的信号，接收机收到的信号为参考阵元和普通阵元的合路信号。
步骤S202：获取相位差矩阵的阵列中最大的相位差理论值；
步骤S301：根据最大相位差理论值与设定阈值系数对进行野点处理；当不满足设定阈值条件时，剔除阵元数据；根据剔除阵元数据后的结果，将剩余阵元数据的阵元进行顺序分组；
步骤S401：在不同的方位角区间内使用顺序分组后的阵元相位差数据，匹配相关系数最大的值对应来波方向。
进一步的，步骤S201中形成相位差矩阵的具体步骤包括：重复普通阵元通过移相器与参考阵元形成一组相位差幅度值，并求解出对应的相位差的步骤，直至所有阵元全部切换完成，形成相位差矩阵。
进一步的，步骤S202中获取相位差矩阵的阵列中最大的相位差理论值的具体步骤为：根据相位差矩阵的频点、基线距离计算出相位差矩阵的阵列中最大的相位差理论值。具体的，根据当前频点、基线距离计算出阵列中最大的相位差理论值γ:
Figure BDA0002543649160000061
Figure BDA0002543649160000062
根据最大相位差理论值γ与阈值系数k对阵元相位差组进行野点处理。当不满足‖φi‖<γ*(1+k)时，对φi剔除，并将其对应的方位区间列为不信任区间，匹配时跳过处理，其中φi阵元间实测相位差，i为阵元索引，Azimuth为来波方向，Elevation为俯仰角(取0)，Frequency是载波频率,N为圆周阵元数目。
进一步的，步骤S301中进行顺序分组的具体步骤为：根据最大相位差理论值与设定阈值系数对进行野点处理；当不满足设定阈值条件时，剔除阵元数据，并将其对应的方位区间列为不信任区间，匹配时跳过对不信任区间处理；除了不信任区间外的剩余区间为信任区间，将信任区间对应的阵元进行顺序分组。
进一步的，步骤S2还包括：当基线长度大于半波长时，使用基于幅度的滑动区间进行预处理；将预处理后的数据利用单通道合成信号的幅度比较算法，获取各阵元间的合成幅度，形成顺序固定的幅度组合；
利用附图7中的流程可以对其中一组阵元(例如A、B)求得相位差，根据下表中公式推导，可得一组阵元的合成幅度，如下表所示：
Figure BDA0002543649160000063
Figure BDA0002543649160000071
轮切一周获得合成幅度组后，对其进行大小比较，由于O2为固定值，那么即可根据O2+A2、O2+B2、O2+C2、O2+D2、O2+E2的值判断出A、B、C、D、E的大小。
引入分类算法对幅度组合进行分类，根据分类结果获取搜索区间；具体的，对所有阵元组合的合成幅度值进行统计，根据统计结果进行分类，分类依据包括最大幅度阵元索引、前三幅度阵元分布和最小幅度阵元等。
分类算法：以五阵元均匀圆阵为例，每一个圆上的阵元分别对应360/5＝72°区间，索引号从A-E分别对应索引[1,2,3,4,5]。以合成幅度大小排序，当最大合成幅度索引为1时，当第二、第三索引与第一索引相连时(123、512、451)，认为是优秀置信区间，区间对应以最大索引为中心周围72*2＝144°搜索区间(-72°至72°)；当第二或第三索引与第一索引相连时(124、513)，认为是普通置信区间，区间对应以最大索引为中心周围72*2.5＝180°搜索区间(-90°至90°)；当第一索引与第二、第三索引均不相连时，认为是独立置信区间(134)，区间对应以最大索引为中心周围72*3＝216°搜索区间(-108°至108°)。
对搜索区间内的阵元进行相位差矩阵匹配，获取相位矩阵匹配后的最大相关系数；最大相关系数所对应的方向为来波方向。
进一步的，当基线长度大于半波长时的测向方法具体实现步骤如下：
步骤S211：步骤普通阵元通过移相器与参考阵元形成一组相位差幅度值，并求解出对应的相位差；
步骤S212：重复步骤S211，直至所有阵元全部切换完成，获取所有阵元的相位差，形成相位差矩阵；
步骤S213：对所有阵元组合的相位差幅度值进行统计，根据统计结果进行分类；
步骤S214：根据基线距离与波长比，确定选择的阵元数N；
步骤S215：根据步骤S213的分类结果，选择最优的M个阵元(M≤N)；具体的，优秀置信区间存在时，以合成幅度排序取第一、第二、第三这三个阵元与参考阵元的相位差组合成新的相位差组合；普通置信区间存在时，以合成幅度排序取用第一、第二或第三这两个阵元，另外一个阵元根据第三或第二的索引所在的方向选取临近阵元；独立置信区间存在时，以合成幅度排序取第一阵元，另外两个阵元根据第二、第三阵元与第一阵元的远近关系选取近方向的临近阵元。阵元选取完毕后，样本库对应顺序进行整理，计算相关系数，获取计算结果。
步骤S216：使用M个阵元进行相位差矩阵匹配，获取相位矩阵匹配后的最大相关系数；最大相关系数所对应的方向为来波方向。
实施例2
一种基于滑动区间的单通道相关干涉仪测向系统，包括：
数据采集模块，被配置为：获取干涉仪的基线长度数据和半波长数据，判断基线长度与半波长关系；
预处理模块，被配置为：当基线长度小于半波长时，根据理论相位差最大值对干涉仪的实测相位差进行预处理；
数据处理模块，被配置为：当基线长度小于半波长时，对预处理后的实测相位差剔除不可信区间的样本数据；
测向模块，别配置为：当基线长度小于半波长时，对剩余样本数据进行分组和相关性匹配，获取匹配相关系数最大的值；相关系数最大的值所对应的方向为来波方向。
进一步的，预处理模块，还被配置为：当基线长度大于半波长时，使用基于幅度的滑动区间进行预处理；
数据处理模块，还被配置为：当基线长度大于半波长时，将预处理后的数据利用单通道合成信号的幅度比较算法，获取各阵元间的合成幅度，形成顺序固定的幅度组合；引入分类算法对幅度组合进行分类，根据分类结果获取搜索区间；
测向模块，还被配置为：当基线长度大于半波长时，对搜索区间内的阵元进行相位差矩阵匹配，获取相位矩阵匹配后的最大相关系数；最大相关系数所对应的方向为来波方向。
进一步的，所述数据采集模块、预处理模块、数据处理模块和测向模块所被配置的具体方式分别对应上述实施例中所述的单通道相关干涉仪测向方法的具体步骤。
在其他实施例中，本公开还提供了：
一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成如上述实施例中所述的单通道相关干涉仪测向方法。
一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成如上述实施例中所述的单通道相关干涉仪测向方法。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种基于滑动区间的单通道相关干涉仪测向方法，其特征在于，包括：
获取干涉仪的基线长度数据和半波长数据，判断基线长度与半波长关系；
当基线长度小于半波长时，根据理论相位差最大值对干涉仪的实测相位差进行预处理；
对预处理后的实测相位差剔除不可信区间的样本数据；
对剩余样本数据进行分组和相关性匹配，获取匹配相关系数最大的值；相关系数最大的值所对应的方向为来波方向；
当基线长度大于半波长时，使用基于幅度的滑动区间进行预处理；将预处理后的数据利用单通道合成信号的幅度比较算法，获取各阵元间的合成幅度，形成顺序固定的幅度组合；
引入分类算法对幅度组合进行分类，根据分类结果获取搜索区间；
对搜索区间内的阵元进行相位差矩阵匹配，获取相位矩阵匹配后的最大相关系数；最大相关系数所对应的方向为来波方向；
具体地，
当基线长度小于半波长时的测向方法具体实现步骤包括：
普通阵元通过移相器与参考阵元形成一组相位差幅度值，并求解出对应的相位差，获取若干相位差形成相位差矩阵；
获取相位差矩阵的阵列中最大的相位差理论值；
根据最大相位差理论值与设定阈值系数对进行野点处理；当不满足设定阈值条件时，剔除阵元数据；根据剔除阵元数据后的结果，将剩余阵元数据的阵元进行顺序分组；
在不同的方位角区间内使用顺序分组后的阵元相位差数据，匹配相关系数最大的值对应来波方向；
当基线长度大于半波长时的测向方法具体实现步骤如下：
普通阵元通过移相器与参考阵元形成一组相位差幅度值，并求解出对应的相位差；获取所有阵元的相位差，形成相位差矩阵；
对所有阵元组合的相位差幅度值进行统计，根据统计结果进行分类；
根据基线距离与波长比，确定选择的阵元数N；
根据将统计结果进行分类后得到的分类结果，选择最优的M个阵元，其中M≤N；
使用M个阵元进行相位差矩阵匹配，获取相位矩阵匹配后的最大相关系数；最大相关系数所对应的方向为来波方向。
2.如权利要求1所述的单通道相关干涉仪测向方法，其特征在于，形成相位差矩阵的具体步骤包括：重复普通阵元通过移相器与参考阵元形成一组相位差幅度值，并求解出对应的相位差的步骤，直至所有阵元全部切换完成，形成相位差矩阵。
3.如权利要求1所述的单通道相关干涉仪测向方法，其特征在于，获取相位差矩阵的阵列中最大的相位差理论值的具体步骤为：根据相位差矩阵的频点、基线距离计算出相位差矩阵的阵列中最大的相位差理论值。
4.一种基于滑动区间的单通道相关干涉仪测向系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，被配置为：获取干涉仪的基线长度数据和半波长数据，判断基线长度与半波长关系；
预处理模块，被配置为：当基线长度小于半波长时，根据理论相位差最大值对干涉仪的实测相位差进行预处理；
数据处理模块，被配置为：对预处理后的实测相位差剔除不可信区间的样本数据；
测向模块，别配置为：对剩余样本数据进行分组和相关性匹配，获取匹配相关系数最大的值；相关系数最大的值所对应的方向为来波方向；
所述预处理模块，还被配置为：当基线长度大于半波长时，使用基于幅度的滑动区间进行预处理；
所述数据处理模块，还被配置为：将预处理后的数据利用单通道合成信号的幅度比较算法，获取各阵元间的合成幅度，形成顺序固定的幅度组合；引入分类算法对幅度组合进行分类，根据分类结果获取搜索区间；
所述测向模块，还被配置为：对搜索区间内的阵元进行相位差矩阵匹配，获取相位矩阵匹配后的最大相关系数；最大相关系数所对应的方向为来波方向；
具体地，
当基线长度小于半波长时的测向方法具体实现步骤包括：
普通阵元通过移相器与参考阵元形成一组相位差幅度值，并求解出对应的相位差，获取若干相位差形成相位差矩阵；
获取相位差矩阵的阵列中最大的相位差理论值；
根据最大相位差理论值与设定阈值系数对进行野点处理；当不满足设定阈值条件时，剔除阵元数据；根据剔除阵元数据后的结果，将剩余阵元数据的阵元进行顺序分组；
在不同的方位角区间内使用顺序分组后的阵元相位差数据，匹配相关系数最大的值对应来波方向；
当基线长度大于半波长时的测向方法具体实现步骤如下：
普通阵元通过移相器与参考阵元形成一组相位差幅度值，并求解出对应的相位差；获取所有阵元的相位差，形成相位差矩阵；
对所有阵元组合的相位差幅度值进行统计，根据统计结果进行分类；
根据基线距离与波长比，确定选择的阵元数N；
根据将统计结果进行分类后得到的分类结果，选择最优的M个阵元，其中M≤N；
使用M个阵元进行相位差矩阵匹配，获取相位矩阵匹配后的最大相关系数；最大相关系数所对应的方向为来波方向。
5.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时，完成如权利要求1-3任一所述的单通道相关干涉仪测向方法。
6.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成如权利要求1-3任一所述的单通道相关干涉仪测向方法。
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