CN111693934B - 一种基于数字干涉系统的测向方法及系统 - Google Patents

一种基于数字干涉系统的测向方法及系统 Download PDF

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CN111693934B CN202010565297.1A CN202010565297A CN111693934B CN 111693934 B CN111693934 B CN 111693934B CN 202010565297 A CN202010565297 A CN 202010565297A CN 111693934 B CN111693934 B CN 111693934B
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    • G01S3/14—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/46—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using antennas spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems
    • G01S3/48—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using antennas spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems the waves arriving at the antennas being continuous or intermittent and the phase difference of signals derived therefrom being measured

Abstract

本发明提供了一种基于数字干涉系统的测向方法，包括：对于N元均匀圆阵天线，空间电磁波转换为数字电压信号，将电压信号处理得到每路天线的电压相位；在来波以仰角为0°入射圆阵天线时，记每一路天线的相位为测试相位；根据电压相位和测试相位构造每路天线对应的复数；根据仰角
Figure DDA0002547610730000011
方位角
Figure DDA0002547610730000012
初始相位
Figure DDA0002547610730000013
计算每路天线的理论相位；引入向量X和方向向量G，结合构造的复数计算迭代次数k+1的二维入射角的仰角
Figure DDA0002547610730000014
和方位角
Figure DDA0002547610730000015
计算迭代次数为k+1与迭代次数为k的二维入射角之差，并于门限值比较，小于门限值进入输出仰角和方位角；否则，k的值加1，再次计算相位差。本方法优势在于采用复数运算，避免了相位模糊问题及逻辑判断等运算，提高了测向精度。

Description

一种基于数字干涉系统的测向方法及系统
技术领域
本发明涉及无线电监测技术领域，特别涉及一种基于数字干涉系统的测向方法及系统。
背景技术
干涉仪测向体制属于相位测向体制，利用来波到达测向天线阵时，不同天线空间位置不同导致各天线单元接收的信号相位不同来求解来波的方向信息。干涉仪测向技术因其精度高、原理清晰、频带宽等特点在无源测向领域得到了广泛的应用。
相位干涉仪由于具有很高的测向精度，是目前测向系统中普遍采用的测向方法。线性最小二乘法由于运算简单，采用最小二乘对圆阵的相位信息进行处理，可得二维入射角(见文献：Y.Wu,H.C.So.Simple and accurate two-dimensional angle estimationfor a single source with uniform circular array[J].IEEE Antennas Wireless andPropagation Letters,2008,7(1):78–80；B.Liao,Y.T.Wu,S.C.Chan.A generalizedalgorithm for fast two-dimensional angle estimation of a single source withuniform circular arrays[J].IEEE Antennas Wireless Propagation Letters,2012,11(1):984–986)。但基于相位的最小二乘法未考虑相位模糊问题，不适用于大口径圆阵。
对于大口径圆阵，由于鉴相器的鉴相范围只有2π，当天线间距足够大而导致实际相位差超过2π时，鉴相器输出的相位值会以2π为周期翻转，出现多值模糊，这就造成真实相位与实际接收相位之间是多对一映射。当圆阵半径时，相位值域即会超过2π，从而出现相位模糊。要获得高的测角精度，两天线间的距离要越长；要实现相位不超过2π，两天线间的距离就要足够小，这与提高测向精度的条件相矛盾。
目前已报道的文献报道采用了多基线法(见文献：夏韶俊,杨晶.一维搜索与长短基线相结合的干涉仪设计方法[J].火控雷达技术,2013,42(02):33-37；季晓光,高晓光.一种机载无源定位方法——干涉仪定位[J].火力与指挥控制,2008,33(11):158-161；张刚兵,刘渝,刘宗敏.基线比值法相位解模糊算法[J].南京航空航天大学学报,2008,(05):665-669；李兴华,顾尔顺.干涉仪解模糊技术研究[J].现代防御技术,2008,(03):92-96；姜超.基于干涉仪测向的机载单站无源定位系统研究与应用[D].导师：陆起涌；赵波.复旦大学,2008；谢立允,王广松,戴旭初.圆阵相位干涉仪二维测向解模糊新方法[J].遥测遥控,2007,(05):53-59；赵国伟.高精度机载单站无源定位技术研究[D].导师：李勇.西北工业大学,2007；袁孝康.相位干涉仪测向定位研究[J].上海航天,1999,(03):3-9)、平行基线法(见文献：张艺帆.弹载雷达测向技术研究[D].导师：江朝抒.电子科技大学,2018；蒲刚.平行基线解模糊干涉仪测向算法及实现[D].导师：韩春林.电子科技大学,2013；电子科技大学.一种基于平行基线的圆阵相位干涉仪二维测向方法:中国,CN201110235023.7[P].2012-04-18；中国航天科技集团公司第五研究院第五一三研究所.一种组合相位差测向和空间谱测向的测向定位系统:中国,CN201510182536.4[P].2015-07-01)、扩展基线法(见文献：电子科技大学.一种扩展基线解模糊的相位干涉仪测向方法:中国,CN201110226585.5[P].2012-04-11)、相关法(见文献：谈文韬,林明,黎仁刚.奇偶阵元数均匀圆阵测向性能研究[J].现代雷达,2016,38(11):24-29；桂新涛.基于均匀圆阵的二维测向算法研究[D].导师：何子述.电子科技大学,2014；刘满超.无线电测向方法研究[D].导师：杨建红.兰州大学,2013；韩广,王斌,王成.相关运算在相位干涉仪解模糊中的应用[J].声学技术,2010,29(05):538-542；电子科技大学.一种基于相位差增量的相关干涉仪测向方法:中国,CN201310116050.1[P].2013-08-07)、虚拟基线法(见文献：蒋林鸿.基于GPU的宽带干涉仪信号处理及测向算法研究[D].导师：何子述.电子科技大学,2012；吴奉微,程婷,贾可新,何子述.基于虚拟阵列变换的干涉仪测向算法[J].现代雷达,2012,34(03):42-45；Li Peng-Fei.Broadband direction of arrival estimation based on virtual baselinetransformation and RBFNN[J].Journal of Astronautics,2012,33(2):210-216)等。
对高精度测向而言，要求天线间的距离足够大，这就会造成相位的模糊区间很大，一个相位差对应很多种可能的入射角，这就要求增加多组天线去除入射角的多值。而对于上述多基线、平行基线、扩展基线、虚拟基线等解模糊方法，精度越高，天线数越多，而角度测量仅使用了部分天线，其余的天线只是为了排除多值，导致硬件资源的不充分利用，无法通过增加的天线提高测角精度。
总之，以上方法存在搜索、聚类门限设置、逻辑判断等步骤，存在计算复杂以及天线应用不充分导致精度不高的问题。
发明内容
针对上述存在的问题，提供了一种基于数字干涉系统的测向方法及系统，达到高精度实时二维测向的目的。
本发明采用的技术方案如下：一种基于数字干涉系统的测向方法，包括以下过程：
步骤1、对于N元均匀圆阵天线，将数字干涉仪系统接收天线的空间电磁波转换为数字电压信号，将每一路天线接收的数字电压信号进行离散傅氏变换后取相位得到每路天线的电压相位；
步骤2、在来波以仰角为0°入射圆阵天线时，记每一路天线的相位为测试相位
Figure BDA0002547610710000021
步骤3、根据电压相位和测试相位构造每一路天线对应的复数；
步骤4、设初始仰角为
Figure BDA0002547610710000031
初始方位角为
Figure BDA0002547610710000032
初始相位为
Figure BDA0002547610710000033
迭代次数k为0；
步骤5、迭代次数为k时，根据仰角
Figure BDA0002547610710000034
方位角
Figure BDA0002547610710000035
初始相位为
Figure BDA0002547610710000036
计算每路天线的理论相位；
步骤6、引入向量X和方向向量G结合构造的复数计算迭代次数k+1的二维入射角的仰角
Figure BDA0002547610710000037
和方位角
Figure BDA0002547610710000038
步骤7、计算迭代次数为k+1与迭代次数为k的二维入射角之差，并将结果与门限值比较，若小于门限值，则进入步骤8；否则，迭代次数k的值加1，进入步骤5；
步骤8、输出二维入射角
Figure BDA0002547610710000039
和
Figure BDA00025476107100000310
作为辐射源的仰角和方位角。
进一步的，所述步骤1中，N元均匀圆阵天线中N≥3，得到每路天线的电压相位的具体方法为：
Figure BDA00025476107100000311
其中Φ′i表示第i路天线的电压相位，i＝1,2,3…N，arg为复数相位运算，M为采样点个数，M≥3，f为信号频率，j为虚数单位，
Figure BDA00025476107100000312
进一步的，所述步骤3中，构造复数的具体方法为步骤31、计算每个天线接收电压归一化相位值，
Figure BDA00025476107100000313
步骤32、对归一化相位值构建复数：
Figure BDA00025476107100000314
其中，Vi表示第i路天线相位值对应的复数。
10.所述步骤5中，计算每路天线理论相位的具体方法为：
Figure BDA00025476107100000315
其中，
Figure BDA00025476107100000316
表示第i路天线的理论相位，c为空间中波速，ρ表示圆阵天线的半径，αi表示第i路天线的角度位置，其中，第一路天线的角度位置为0。
进一步的，所述步骤6中，计算二维入射角的仰角
Figure BDA00025476107100000317
和方位角
Figure BDA00025476107100000318
的具体步骤为：
步骤61、设置向量
Figure BDA00025476107100000319
Figure BDA00025476107100000320
其中T表示矩阵转置；
步骤62、计算方向向量G＝[g1,g2,g3]T，其中：
Figure BDA0002547610710000041
Figure BDA0002547610710000042
Figure BDA0002547610710000043
步骤63、更新向量X，得到第k+1次向量X的值；
X(k+1)＝X(k)+G
其中，
Figure BDA0002547610710000044
步骤64、根据X(k+1)计算第k+1次的二维入射角的仰角
Figure BDA0002547610710000045
和方位角
Figure BDA0002547610710000046
Figure BDA0002547610710000047
Figure BDA0002547610710000048
Figure BDA0002547610710000049
其中，||表示复数模值，real表示取复数实部运算，arg表示求复数相位运算。
进一步的，所述步骤7中，计算迭代次数为k+1与迭代次数为k的二维入射角之差的具体方法为：
Figure BDA00025476107100000410
其中，mod(x,2π)为x对2π取模后的余数。
进一步的，所述步骤7中，门限值为所需测向精度。
进一步的，所述步骤1中的干涉系统包括N路低噪放大器、N路混频器、N路LPF(低通滤波器)、N路增益控制放大器、N路ADC(模数转换器)以及本振电路、同步信号产生电路；每一路天线依次连接一路低噪放大器、混频器、LPF、增益控制放大器、ADC，由ADC输出转换后的数字信号，所述本振电路与每一路混频器连接，所述同步信号产生电路与每一路ADC连接。
本发明还提供了一种基于数字干涉系统的测向系统，包括：N元均匀圆阵天线、N路低噪放大器、N路混频器、N路LPF、N路增益控制放大器、N路ADC以及本振电路、同步信号产生电路、信号处理模块，每一路天线依次连接一路低噪放大器、混频器、LPF、增益控制放大器、ADC，由ADC输出转换后的数字信号，发送至信号处理模块，所述本振电路与每一路混频器连接，所述同步信号产生电路与每一路ADC连接；所述信号处理模块用于上述测向方法，输出辐射源的仰角和方位角。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：采用复数运算，从而避免了相位模糊问题；利用的圆阵上全部天线的信息，提高了测向精度高；采用迭代算法，避免了逻辑判断等运算。
附图说明
图1为本发明的基于数字式干涉仪测向系统。
图2为本发明中的测向坐标系。
图3为本发明中的均匀圆阵示意图
图4仰角均方根误差与入射仰角关系(固定入射方位角60°，信噪比：0、5、10、15、20dB)
图5方位角均方根误差与入射仰角关系(固定入射方位角60°，信噪比：0、5、10、15、20dB)
图6仰角均方根误差与信噪比关系(固定入射方位角30°，仰角：10°、20°、30°、40°)
图7方位角均方根误差与信噪比关系(固定入射方位角30°，仰角：10°、20°、30°、
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明采用如图1所示的数字式干涉仪系统，包含N路在圆阵上均匀分布的天线、N路相互关联的测量通道、数字采样、信号处理等。接收机采用数字式外差接收机，天线采集到的信号通过低噪放后送入混频器，通过与本振混频以及低通滤波器(LPF)变频为中频信号(IF)，经过增益控制放大器后再进行模数转换器(ADC)，通过同步时钟获得同步信号并进行数字采样。将数字采样信号进行测向信号处理，得到二维入射角。
数字式干涉仪系统的主要功能是将空间电磁波转换为数字信号，所采用的测向系统可采用、但不仅限于图1的形式。
不失一般性，定义仰角θs为来波方向与z轴夹角，方位角φs为来波方向与x轴夹角，如图2所示。
对一个位于xoy面的N元均匀圆阵，N≥3，半径为ρ，第i个天线的角度位置为αi，不失一般性，令第1个天线位置为0，如图3所示。具体测向方法如下：
一种基于数字干涉系统的测向方法，包括以下过程：
步骤1、对于N元均匀圆阵天线，将数字干涉仪系统接收天线的空间电磁波转换为数字电压信号，将每一路天线接收的数字电压信号进行离散傅氏变换后取相位得到每路天线的电压相位；
步骤2、在来波以仰角为0°入射圆阵天线时，记每一路天线的相位为测试相位；
步骤3、根据电压相位和测试相位构造每一路天线对应的复数；
步骤4、设初始仰角为
Figure BDA0002547610710000061
初始方位角为
Figure BDA0002547610710000062
初始相位为
Figure BDA0002547610710000063
迭代次数k为0；
步骤5、迭代次数为k时，根据仰角
Figure BDA0002547610710000064
方位角
Figure BDA0002547610710000065
初始相位为
Figure BDA0002547610710000066
计算每路天线的理论相位；
步骤6、引入向量X和方向向量G结合构造的复数计算迭代次数k+1的二维入射角的仰角
Figure BDA0002547610710000067
和方位角
Figure BDA0002547610710000068
步骤7、计算迭代次数为k+1与迭代次数为k的二维入射角之差，并将结果与门限值比较，若小于门限值，则进入步骤8；否则，迭代次数k的值加1，进入步骤5；
步骤8、输出二维入射角
Figure BDA0002547610710000069
和
Figure BDA00025476107100000610
作为辐射源的仰角和方位角。
在一个优选实施例中，所述步骤1中，N元均匀圆阵天线中N≥3，得到每路天线的电压相位的具体方法为：
Figure BDA00025476107100000611
其中Φ′i表示第i路天线的电压相位，i＝1,2,3…N，arg为复数相位运算，M为采样点个数，M≥3，f为信号频率，j为虚数单位，
Figure BDA00025476107100000612
在一个优选实施例中，所述步骤3中，构造复数的具体方法为步骤31、计算每个天线接收电压归一化相位值，
Figure BDA00025476107100000613
步骤32、对归一化相位值构建复数：
Figure BDA00025476107100000614
其中，Vi表示第i路天线相位值对应的复数。
11.所述步骤5中，计算每路天线理论相位的具体方法为：
Figure BDA0002547610710000071
其中，
Figure BDA0002547610710000072
表示第i路天线的理论相位，c为空间中波速，ρ表示圆阵天线的半径，αi表示第i路天线的角度位置，其中，第一路天线的角度位置为0。
在一个优选实施例中，所述步骤6中，计算二维入射角的仰角
Figure BDA0002547610710000073
和方位角
Figure BDA0002547610710000074
的具体步骤为：
步骤61、设置向量
Figure BDA0002547610710000075
Figure BDA0002547610710000076
其中T表示矩阵转置；
步骤62、计算方向向量G＝[g1,g2,g3]T，其中：
Figure BDA0002547610710000077
Figure BDA0002547610710000078
Figure BDA0002547610710000079
步骤63、更新向量X，得到第k+1次向量X的值；
X(k+1)＝X(k)+G
其中，
Figure BDA00025476107100000710
步骤64、根据X(k+1)计算第k+1次的二维入射角的仰角
Figure BDA00025476107100000711
和方位角
Figure BDA00025476107100000712
Figure BDA00025476107100000713
Figure BDA00025476107100000714
Figure BDA00025476107100000715
其中，||表示复数模值，real表示取复数实部运算，arg表示求复数相位运算。
在一个优选实施例中，所述步骤7中，计算迭代次数为k+1与迭代次数为k的二维入射角之差的具体方法为：
Figure BDA00025476107100000716
其中，mod(x,2π)为x对2π取模后的余数。
在一个优选实施例中，所述步骤7中，门限值为所需测向精度。
在一个优选实施例中，所述步骤1中的干涉系统包括N路低噪放大器、N路混频器、N路LPF、N路增益控制放大器、N路ADC以及本振电路、同步信号产生电路；每一路天线依次连接一路低噪放大器、混频器、LPF、增益控制放大器、ADC，由ADC输出转换后的数字信号，所述本振电路与每一路混频器连接，所述同步信号产生电路与每一路ADC连接。
本发明还提供了一种基于数字干涉系统的测向系统，包括：N元均匀圆阵天线、N路低噪放大器、N路混频器、N路LPF、N路增益控制放大器、N路ADC以及本振电路、同步信号产生电路、信号处理模块，每一路天线依次连接一路低噪放大器、混频器、LPF、增益控制放大器、ADC，由ADC输出转换后的数字信号，发送至信号处理模块，所述本振电路与每一路混频器连接，所述同步信号产生电路与每一路ADC连接；所述信号处理模块用于上述测向方法，输出辐射源的仰角和方位角。
为了验证本发明的效果，通过1000次蒙特卡洛仿真，计算测向误差的均方根，结果显示于图4至图7中。工作频率6GHz，采用点数M＝256，信号噪声为高斯白噪声。
图4和图5分别为在不同信噪比下，仰角均方根误差和方位角均方根误差与入射仰角的关系。仿真条件为：阵元数N＝5，组阵半径r＝180mm，信噪比0、5、10、15、20dB，入射方位角60°。
图6和图7分别为入射仰角分别为10°、20°、30°、40°下，仰角均方根误差和方位角均方根误差与信噪比的关系。仿真条件为：阵元数N＝8，组阵半径r＝240mm，入射方位角30°。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (8)

1.一种基于数字干涉系统的测向方法，其特征在于，包括以下过程：
步骤1、对于N元均匀圆阵天线，将数字干涉仪系统接收天线的空间电磁波转换为数字电压信号，将每一路天线接收的数字电压信号进行离散傅氏变换后取相位得到每路天线的电压相位；
步骤2、在来波以仰角为0°入射圆阵天线时，记每一路天线的相位为测试相位
Figure FDA0003725629540000011
步骤3、根据电压相位和测试相位构造每一路天线对应的复数；
步骤4、设初始仰角为
Figure FDA0003725629540000012
初始方位角为
Figure FDA0003725629540000013
初始相位为
Figure FDA0003725629540000014
迭代次数k为0；
步骤5、迭代次数为k时，根据仰角
Figure FDA0003725629540000015
方位角
Figure FDA0003725629540000016
初始相位为
Figure FDA0003725629540000017
计算每路天线的理论相位；
步骤6、引入向量X和方向向量G，结合构造的复数计算迭代次数k+1的二维入射角的仰角
Figure FDA0003725629540000018
和方位角
Figure FDA0003725629540000019
步骤7、计算迭代次数为k+1与迭代次数为k的二维入射角之差，并将结果与门限值比较，若小于门限值，则进入步骤8；否则，迭代次数k的值加1，进入步骤5；
步骤8、输出二维入射角
Figure FDA00037256295400000110
和
Figure FDA00037256295400000111
作为辐射源的仰角和方位角；
所述步骤6中，计算二维入射角的仰角
Figure FDA00037256295400000112
和方位角
Figure FDA00037256295400000113
的具体步骤为：
步骤61、设置向量
Figure FDA00037256295400000114
Figure FDA00037256295400000115
其中T表示矩阵转置；
步骤62、计算方向向量G＝[g1,g2,g3]T，其中：
Figure FDA00037256295400000116
Figure FDA00037256295400000117
Figure FDA00037256295400000118
其中，c为空间中波速，ρ表示圆阵天线的半径，αi表示第i路天线的角度位置，f均表示信号频率，Ei表示第i路天线相位值对应的复数，
Figure FDA00037256295400000119
表示第i路天线的理论相位；
步骤63、更新向量X，得到第k+1次向量X的值；
X(k+1)＝X(k)+G
其中，
Figure FDA0003725629540000021
步骤64、根据X(k+1)计算第k+1次的二维入射角的仰角
Figure FDA0003725629540000022
和方位角
Figure FDA0003725629540000023
Figure FDA0003725629540000024
Figure FDA0003725629540000025
Figure FDA0003725629540000026
其中，||表示复数模值，real表示取复数实部运算，arg表示求复数相位运算。
2.根据权利要求1所述的基于数字干涉系统的测向方法，其特征在于，所述步骤1中，N元均匀圆阵天线中N≥3，得到每路天线的电压相位的具体方法为：
Figure FDA0003725629540000027
其中Φ′i表示第i路天线的电压相位，i＝1,2,3…N，arg为复数相位运算，M为采样点个数，M≥3，f为信号频率，j为虚数单位，
Figure FDA0003725629540000028
3.根据权利要求1所述的基于数字干涉系统的测向方法，其特征在于，所述步骤3中，构造复数的具体方法为
步骤31、计算每个天线接收电压归一化相位值，
Figure FDA0003725629540000029
步骤32、对归一化相位值构建复数：
Figure FDA00037256295400000210
其中，Ei表示第i路天线相位值对应的复数。
4.根据权利要求2所述的基于数字干涉系统的测向方法，其特征在于，所述步骤5中，计算每路天线理论相位的具体方法为：
Figure FDA00037256295400000211
其中，
Figure FDA00037256295400000212
表示第i路天线的理论相位，c为空间中波速，f均表示信号频率，ρ表示圆阵天线的半径，αi表示第i路天线的角度位置，其中，第一路天线的角度位置为0。
5.根据权利要求4所述的基于数字干涉系统的测向方法，其特征在于，所述步骤7中，计算迭代次数为k+1与迭代次数为k的二维入射角之差的具体方法为：
Figure FDA0003725629540000031
其中，mod(x,2π)为x对2π取模后的余数。
6.根据权利要求1所述的基于数字干涉系统的测向方法，其特征在于，所述步骤7中，门限值为所需测向精度。
7.根据权利要求1所述的基于数字干涉系统的测向方法，其特征在于，所述步骤1中的干涉系统包括N路低噪放大器、N路混频器、N路LPF、N路增益控制放大器、N路ADC以及本振电路、同步信号产生电路；每一路天线依次连接一路低噪放大器、混频器、LPF、增益控制放大器、ADC，由ADC输出转换后的数字信号，所述本振电路与每一路混频器连接，所述同步信号产生电路与每一路ADC连接。
8.一种基于数字干涉系统的测向系统，其特征在于，包括：N元均匀圆阵天线、N路低噪放大器、N路混频器、N路LPF、N路增益控制放大器、N路ADC以及本振电路、同步信号产生电路、信号处理模块，每一路天线依次连接一路低噪放大器、混频器、LPF、增益控制放大器、ADC，由ADC输出转换后的数字信号，发送至信号处理模块，所述本振电路与每一路混频器连接，所述同步信号产生电路与每一路ADC连接；所述信号处理模块用于执行权利要求1-7任一项的测向方法，输出辐射源的仰角和方位角。
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