CN111693935B - 一种射频测向方法及系统 - Google Patents

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CN111693935B CN202010566125.6A CN202010566125A CN111693935B CN 111693935 B CN111693935 B CN 111693935B CN 202010566125 A CN202010566125 A CN 202010566125A CN 111693935 B CN111693935 B CN 111693935B
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Abstract

本发明提供了一种射频测向方法，包括：对于N元均匀圆阵天线，通过鉴相器获得每一路天线与第一路天线的电压相位差；在来波以仰角为0°入射圆阵天线时，记录各相位差为初始相位差；根据电压相位差和初始相位差构造每一路天线对应的复数；根据仰角
Figure DDA0002547905120000011
和方位角
Figure DDA0002547905120000012
计算每路天线与第一路天线的理论相位差；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 DDA0002547905120000013
和方位角
Figure DDA0002547905120000014
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，再次计算理论相位差。本方法优势在于采用复数运算，避免了相位模糊问题，提高了测向精度高；采用迭代算法，避免了逻辑判断等运算。

Description

一种射频测向方法及系统
技术领域
本发明涉及无线电监测技术领域，特别涉及一种射频测向方法及系统。
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。还有最优基线法，根据方位角的不同，选取不同的最优基线组，求解二维入射角(见文献：潘玉剑；张晓发；黄敬健；杨骏；袁乃昌.模拟鉴相圆阵干涉仪测向性能的提高及其验证[J].系统工程与电子技术,37(6),2015)，存在计算复杂以及采用天线应用不充分的问题。
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，提供了一种射频测向方法及系统，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：一种射频测向方法，包括以下过程：
步骤1、对于N元均匀圆阵天线，通过鉴相器获得每一路天线与第一路天线的电压相位差；
步骤2、在来波以仰角为0°入射圆阵天线时，记录通过鉴相器获得的每一路天线与第一路天线的的电压相位差为初始相位差
Figure BDA0002547905100000031
步骤3、根据电压相位差和初始相位差构造每一路天线对应的复数；
步骤4、设初始仰角为
Figure BDA0002547905100000032
初始方位角为
Figure BDA0002547905100000033
迭代次数k为0；
步骤5、迭代次数为k时，根据仰角
Figure BDA0002547905100000034
和方位角
Figure BDA0002547905100000035
计算每路天线与第一路天线的相位差；
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 BDA0002547905100000036
和方位角
Figure BDA0002547905100000037
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 BDA0002547905100000038
和
Figure BDA0002547905100000039
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。
进一步的，所述步骤3中，构造复数的具体方法为：
Figure BDA00025479051000000310
其中，Vi表示第i路天线对应的复数，Φi1表示第i路天线与第一路天线的电压相位差，
Figure BDA00025479051000000311
表示来波以仰角为0°入射圆阵天线时，第i路天线与第一路天线的相位差；i＝2,3,…,N，Vi＝1，i＝1。
进一步的，所述步骤5中，计算每路天线与第一路天线的理论相位差的具体方法为：
Figure BDA00025479051000000312
其中，
Figure BDA00025479051000000313
表示第i路天线与第一路天线的相位差，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，i＝2,3,...,N。
进一步的，所述步骤6中，计算二维入射角的仰角
Figure BDA00025479051000000314
和方位角
Figure BDA00025479051000000315
的具体步骤为：
步骤61、设置向量X(k)＝[x1,x2]T
Figure BDA00025479051000000316
其中T表示矩阵转置；
步骤62、计算方向向量，G＝[g1,g2]T；其中：
Figure BDA0002547905100000041
Figure BDA0002547905100000042
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 BDA0002547905100000043
步骤64、根据X(k+1)计算第k+1次的二维入射角的仰角
Figure BDA0002547905100000044
和方位角
Figure BDA0002547905100000045
Figure BDA0002547905100000046
Figure BDA0002547905100000047
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 BDA0002547905100000048
其中，mod(x,2π)为x对2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，一种射频测向系统，包括N元均匀圆阵天线、N个相位检测模块、N-1个鉴相器、信号处理模块，每一路天线经过对应的相位检测模块与鉴相器连接，所述鉴相器分别连接第i路天线和第1路天线，输出第i路天线与第一路天线的电压相位差；所述处理模块与每个鉴相器连接接收鉴相器输出的电压相位差，用于执行上述测向方法，输出辐射源的仰角和方位角，其中i＝2,3,4…N。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
本发明提供了一种实现简单、精度高的二维入射角测量方法与系统。该方法及系统的优势在于采用复数运算，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是本发明的测向系统架构图。
图2是本发明的均匀圆阵示意图。
图3是本发明的测向坐标系示意图。
图4是固定入射方位角60°，相位噪声：5°、10°、15°、20°，方位角均方根误差与入射仰角关系图。
图5是固定入射方位角60°，相位噪声：5°、10°、15°、20°，仰角均方根误差与入射仰角关系图。
图6是固定入射仰角30°，相位噪声：5°、10°、15°、20°，方位角均方根误差与入射方位角关系图。
图7是固定入射仰角30°，相位噪声：5°、10°、15°、20°，仰角均方根误差与入射方位关系图。
图8是固定入射方位角45°，仰角：10°、20°、30°、40°，方位角均方根误差与入射仰角关系图。
图9是固定入射方位角45°，仰角：10°、20°、30°、40°，仰角均方根误差与入射仰角关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。本发明提供了一种实现简单、精度高的二维入射角测量方法及系统。该方法的优势在于采用复数运算，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；采用如图1所示射频接收系统，其主要功能是将提取空间电磁波转换为到达不同天线的相位，所采用的测向系统可采用、但不仅限于图1的形式。图中N为天线数量，采用鉴相器进行相位检测，获得每个天线与其中某个天线的相位差。不失一般性，每个天线与第一路天线进行鉴相。
不失一般性，天线阵位于xoy面，仰角θs为来波方向与z轴夹角，方位角为φs来波方向与x轴夹角，如图3所示。具体测向方案如下：
一种射频测向方法，包括以下过程：
步骤1、如图2所示，对于N元均匀圆阵天线，通过鉴相器获得每一路天线与第一路天线的电压相位差Φi1；
步骤2、在来波以仰角为0°入射圆阵天线时，记录鉴相器获得的每一路天线与第一路天线的电压相位差为初始相位差
Figure BDA0002547905100000051
步骤3、根据电压相位差和初始相位差构造每一路天线对应的复数；
步骤4、设初始仰角为
Figure BDA0002547905100000052
初始方位角为
Figure BDA0002547905100000053
迭代次数k为0；
步骤5、迭代次数为k时，根据仰角
Figure BDA0002547905100000061
和方位角
Figure BDA0002547905100000062
计算每路天线与第一路天线的相位差；
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 BDA0002547905100000063
和方位角
Figure BDA0002547905100000064
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 BDA0002547905100000065
和
Figure BDA0002547905100000066
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。
进一步的，所述步骤3中，构造复数的具体方法为：
Figure BDA0002547905100000067
其中，Vi表示第i路天线对应的复数，Φi1表示第i路天线与第一路天线的电压相位差，
Figure BDA0002547905100000068
表示来波以仰角为0°入射圆阵天线时，第i路天线与第一路天线的相位差；i＝2,3,…,N。，Vi＝1，i＝1
进一步的，所述步骤5中，计算每路天线与第一路天线的理论相位差的具体方法为：
Figure BDA0002547905100000069
其中，
Figure BDA00025479051000000610
表示第i路天线与第一路天线的相位差，c为空间中波速，ρ表示圆阵天线的半径，如图3所示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，i＝2,3,...,N。
进一步的，所述步骤6中，计算二维入射角的仰角
Figure BDA00025479051000000611
和方位角
Figure BDA00025479051000000612
的具体步骤为：
步骤61、设置向量X(k)＝[x1,x2]T
Figure BDA00025479051000000613
其中T表示矩阵转置；
步骤62、计算方向向量，G＝[g1,g2]T；其中：
Figure BDA00025479051000000614
Figure BDA00025479051000000615
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 BDA0002547905100000071
步骤64、根据X(k+1)计算第k+1次的二维入射角的仰角
Figure BDA0002547905100000072
和方位角
Figure BDA0002547905100000073
Figure BDA0002547905100000074
Figure BDA0002547905100000075
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 BDA0002547905100000076
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。
如图1所示，本发明还提供了一种射频测向系统，包括N元均匀圆阵天线、N个相位检测模块、N-1个鉴相器、信号处理模块，每一路天线经过对应的相位检测模块与鉴相器连接，所述鉴相器分别连接第i路天线和第1路天线，输出第i路天线与第一路天线的电压相位差；所述处理模块与每个鉴相器连接接收鉴相器输出的电压相位差，用于执行上述测向方法，输出辐射源的仰角和方位角，其中i＝2,3,4…N。
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9中。工作频率3GHz，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，方位角均方根误差和仰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＝360mm，相位噪声分别取5°、10°、15°、20°，入射方位角60°。
图6和图7分别为在不同信噪比下，方位角均方根误差和仰角均方根误差与入射方位角的关系。仿真条件为：阵元数N＝7，组阵半径r＝400mm，相位噪声分别取5°、10°、15°、20°，入射仰角30°。
图8和图9分别为在不同入射仰角下，方位角均方根误差和仰角均方根误差与信噪比的关系。仿真条件为：阵元数N＝9，组阵半径r＝500mm，入射仰角：10°、20°、30°、40°，入射方位角45°。
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 (6)

1.一种射频测向方法，其特征在于，包括以下过程：
步骤1、对于N元均匀圆阵天线，通过鉴相器获得每一路天线与第一路天线的电压相位差；
步骤2、在来波以仰角为0°入射圆阵天线时，记录通过鉴相器获得的每一路天线与第一路天线的电压相位差为初始相位差
Figure FDA0004124329010000011
i＝2,3,4,…,N；
步骤3、根据电压相位差和初始相位差构造每一路天线对应的复数；
步骤4、设初始仰角为
Figure FDA0004124329010000012
初始方位角为
Figure FDA0004124329010000013
迭代次数k为0；
步骤5、迭代次数为k时，根据仰角
Figure FDA0004124329010000014
和方位角
Figure FDA0004124329010000015
计算每路天线与第一路天线的电压相位差；
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 FDA0004124329010000016
和方位角
Figure FDA0004124329010000017
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 FDA0004124329010000018
和
Figure FDA0004124329010000019
作为辐射源的仰角和方位角；
所述步骤3中，构造复数的具体方法为：
Figure FDA00041243290100000110
其中，Vi表示第i路天线对应的复数，Φi1表示第i路天线与第一路天线的电压相位差，
Figure FDA00041243290100000111
表示来波以仰角为0°入射圆阵天线时，第i路天线与第一路天线的初始相位差；i＝2,3,4,…,N，i＝1时，Vi＝1；
所述步骤6中，计算二维入射角的仰角
Figure FDA00041243290100000112
和方位角
Figure FDA00041243290100000113
的具体步骤为：
步骤61、设置向量X(k)＝[x1,x2]T
Figure FDA00041243290100000114
其中T表示矩阵转置；
步骤62、计算方向向量，G＝[g1,g2]T；其中：
Figure FDA00041243290100000115
Figure FDA0004124329010000021
其中，
Figure FDA0004124329010000022
表示第i路天线与第一路天线的电压相位差，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，i＝2,3,...,N；
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 FDA0004124329010000023
步骤64、根据X(k+1)计算第k+1次的二维入射角的仰角
Figure FDA0004124329010000024
和方位角
Figure FDA0004124329010000025
Figure FDA0004124329010000026
Figure FDA0004124329010000027
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所述的射频测向方法，其特征在于，所述步骤1中，N元均匀圆阵天线中N≥3。
3.根据权利要求1所述的射频测向方法，其特征在于，所述步骤5中，计算每路天线与第一路天线的电压相位差的具体方法为：
Figure FDA0004124329010000028
其中，
Figure FDA0004124329010000029
表示第i路天线与第一路天线的电压相位差，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，i＝2,3,...,N。
4.根据权利要求1所述的射频测向方法，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 FDA00041243290100000210
其中，mod(x,2π)为x对2π取模后的余数。
5.根据权利要求1所述的射频测向方法，其特征在于，所述步骤7中，门限值为所需测向精度。
6.一种射频测向系统，其特征在于，包括N元均匀圆阵天线、N个相位检测模块、N-1个鉴相器、信号处理模块，每一路天线经过对应的相位检测模块与鉴相器连接，所述鉴相器分别连接第i路天线和第1路天线，输出第i路天线与第一路天线的电压相位差；所述处理模块与每个鉴相器连接接收鉴相器输出的电压相位差，用于执行权利要求1-5之一任一项的测向方法，输出辐射源的仰角和方位角，其中i＝2,3,4,…,N。
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