CN112485756A - 基于dbf阵列天线的干涉仪信号处理方法 - Google Patents

基于dbf阵列天线的干涉仪信号处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DBF阵列天线的干涉仪信号处理方法，包括：步骤A，通过使用多条不同长度基线的全部测向结果投票的方法进行解模糊，使得更多不同长度的基线参与解模糊计算，n代表阵元数；步骤B，通过对多条相同长度基线测向结果求平均，得到优于最长基线的测向精度等；本发明使得DBF阵列系统全部通道都参与运算，从而提高解模糊概率和测向精度，本发明与DBF阵列系统共用AD数据，仅需增加少量计算资源，具有良好的工程应用前景。

Description

基于DBF阵列天线的干涉仪信号处理方法
技术领域
本发明涉及数字阵列、相位干涉仪测向领域，更为具体的，涉及一种基于DBF阵列天线的干涉仪信号处理方法。
背景技术
随着科技发展，电子元器件日趋小型化，电子设备集成度日趋提高，基于阵列天线的数字波束形成技术(Digital Beam Forming,DBF)得到了快速的发展和推广应用。数字波束形成技术是一种以数字技术来实现宽带波束形成的技术，它保留了天线阵列单元信号的全部信息，并采用先进的数字信号处理技术对阵列信号进行处理，可以获得优良的波束性能。相比单天线系统，可以同时获得宽空域覆盖和高天线增益；相比模拟阵列系统，具有幅相误差校正更容易、波束控制更灵活、信号处理方式更灵活等优点。
由于DBF技术获得了整个天线阵的增益，通常系统灵敏度较高。但在一些特定应用场景下，需要共用DBF阵列天线孔径，实现近处目标的高精度测向。此时无需太高的天线增益，可以抽取DBF阵列天线的阵元，组成干涉仪测向系统。如何将DBF阵列天线的全部阵元利用起来，提高干涉仪测向系统的解模糊概率和测向精度，即为本发明要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于DBF阵列天线的干涉仪信号处理方法，提高解模糊概率和测向精度，具有良好的工程应用前景等。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种基于DBF阵列天线的干涉仪信号处理方法，包括：
步骤A，通过使用n-1条不同长度基线的全部测向结果投票的方法进行解模糊，使得更多不同长度的基线参与解模糊计算；
步骤B，通过对多条相同长度基线测向结果求平均，得到优于最长基线的测向精度。
进一步地，步骤A中，对于长度为k*d的基线，由相位模糊导致的测向结果个数为
Figure BDA0002790598770000021
个，则n-1条基线最多可得到
Figure BDA0002790598770000022
个测向结果，式中
Figure BDA0002790598770000023
表示向下取整；其中，每条基线可得到1个正确测向结果和多个模糊测向结果，d为阵元间距，n代表阵元数，k为1到n-1之间的整数。
进一步地，步骤A中包括如下子步骤：
步骤A1，将整个测向空域等分为多个子空域，每个子空域作为一个票箱，使用全部测向结果进行投票，得票数最多的票箱即为正确票箱，也即正确测向结果所在子空域；
步骤A2，对于待测向的基线，找出其投入正确票箱中的测向值，即为该基线解模糊后的测向结果。
进一步地，步骤B中包括如下子步骤：
对于m条基线测向结果求平均，m≤n/2，采用如下公式计算使用m条长度同为(n-m)d的基线的最优测向精度
Figure BDA0002790598770000024
为：
Figure BDA0002790598770000025
其中，θ1～θm分别为m条基线的测向结果，λ为目标信号的波长，
Figure BDA0002790598770000026
为接收通道的相位测量误差，d为阵元间距，n代表阵元数。
进一步地，当m＝1时，即为使用最长基线D＝(n-1)d进行测向时的测向精度。
进一步地，将不同m值的测向精度与m＝1的结果相除，得出各m值情况下对应的测向精度变化。
本发明的有益效果是：
本发明使得DBF阵列系统全部通道都参与运算，从而提高解模糊概率和测向精度，本发明与DBF阵列系统共用AD数据，仅需增加少量计算资源，具有良好的工程应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为DBF阵列天线布局示意图；
图2为测向精度随求平均基线数的变化情况图；
图3为不同长度基线在某次解算中的投票结果示意；
图4为本发明的步骤流程图。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征(包括任何附加权利要求、摘要和附图)，或隐含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和/或扩展、替换。
设DBF阵列天线方位面总尺寸为D，目标信号的波长为λ，则DBF阵列测向精度为：
Figure BDA0002790598770000041
式中，γ为测向精度因子，取值在5～10范围。
对于相同口径的干涉仪测向系统，其测向精度为：
Figure BDA0002790598770000042
式中，
Figure BDA0002790598770000043
为两端点阵元的相位差
Figure BDA0002790598770000044
的均方根误差，取值在0～15°范围；θ为目标信号来向，取值在-45°～+45°范围。
对比式(1)和式(2)，γ取7，
Figure BDA0002790598770000045
取15°，θ取45°，可得DBF阵列测向精度约为7.29λ/D，同口径干涉仪测向精度约为3.38λ/D，干涉仪测向精度明显更优。
常用的干涉仪天线阵通常为3元、4元或5元，而DBF阵列天线的阵元数通常为8元、16元、24元，甚至更多。如何将DBF阵列天线的全部阵元利用起来，提高干涉仪测向系统的解模糊概率和测向精度，即为本发明实施例中要解决的问题。
如图1～4所示，一种基于DBF阵列天线的干涉仪信号处理方法，包括：
步骤A，通过使用n-1条不同长度基线的全部测向结果投票的方法进行解模糊，使得更多不同长度的基线参与解模糊计算；
步骤B，通过对多条相同长度基线测向结果求平均，得到优于最长基线的测向精度。
进一步地，步骤A中，对于长度为k*d的基线，由相位模糊导致的测向结果个数为
Figure BDA0002790598770000046
个，则n-1条基线最多可得到
Figure BDA0002790598770000047
个测向结果，式中
Figure BDA0002790598770000048
表示向下取整；其中，每条基线可得到1个正确测向结果和多个模糊测向结果，d为阵元间距，n代表阵元数，k为1到n-1之间的整数。
进一步地，步骤A中包括如下子步骤：
步骤A1，将整个测向空域等分为多个子空域，每个子空域作为一个票箱，使用全部测向结果进行投票，得票数最多的票箱即为正确票箱，也即正确测向结果所在子空域；
步骤A2，对于待测向的基线，找出其投入正确票箱中的测向值，即为该基线解模糊后的测向结果。
进一步地，步骤B中包括如下子步骤：
对于m条基线测向结果求平均，m≤n/2，采用如下公式计算使用m条长度同为(n-m)d的基线的最优测向精度
Figure BDA0002790598770000051
为：
Figure BDA0002790598770000052
其中，θ1～θm分别为m条基线的测向结果，λ为目标信号的波长，
Figure BDA0002790598770000053
为接收通道的相位测量误差，d为阵元间距，n代表阵元数。
进一步地，当m＝1时，即为使用最长基线D＝(n-1)d进行测向时的测向精度。
进一步地，将不同m值的测向精度与m＝1的结果相除，得出各m值情况下对应的测向精度变化。
在本发明的实施例中，针对从DBF阵列天线中抽取部分阵元做干涉仪测向系统时，DBF阵列天线阵元数较多而干涉仪系统使用阵元数较少的问题，本实施例中提出一种干涉仪信号处理方法，通过改进干涉仪信号处理方法步骤，其中包括解算算法等，使得DBF阵列系统全部通道都参与运算，从而提高解模糊概率和测向精度。
本实施例提出的方法，包括以下步骤：
1)根据系统指标需求构建DBF阵列天线。方位面阵元间距为d，阵元数为n，方位面总尺寸D＝(n-1)d，如图1所示。
2)对每个阵元的AD数据，按处理节拍计算相位。由于DBF阵列系统的各个通道设计一致，只存在加工制造误差，因此各接收通道的相位测量误差
Figure BDA0002790598770000061
基本相同，任意两通道之间的相位差
Figure BDA0002790598770000062
的测量误差也基本相同，约为
Figure BDA0002790598770000063
3)使用多条基线测向值投票的方法，提高解模糊概率，具体如下：
DBF阵列天线的n个阵元共可组成
Figure BDA0002790598770000064
条基线，其中共有n-1种不同长度的基线。对于长度相同的基线，对解模糊的贡献相同，因此选择n-1条不同长度的基线用于解模糊计算。对于长度为k*d的基线，由相位模糊导致的测向结果个数为
Figure BDA0002790598770000065
个，则n-1条基线最多可得到
Figure BDA0002790598770000066
个测向结果，式中
Figure BDA0002790598770000067
表示向下取整。其中，每条基线可得到1个正确测向结果和多个模糊测向结果。由于不同长度基线的模糊测向结果不同，而正确测向结果近似相同，因此将整个测向空域等分为多个子空域，每个子空域作为一个票箱，使用全部测向结果进行投票，得票数最多的票箱即为正确票箱，也即正确测向结果所在子空域。
对于待测向的基线，找出其投入正确票箱中的测向值，即为该基线解模糊后的测向结果。此方法使得更多不同长度的基线参与到解模糊计算，从而获得更优的解模糊概率。
4)使用多条基线测向结果求平均的方法，提高测向精度，具体如下：
对于n元DBF阵列天线，拥有1条长度为(n-1)d的最长基线，2条长度为(n-2)d的次长基线，3条长度为(n-3)d的第三长基线，……，n-1条长度为d的最短基线。
由于不同长度基线得到的测向精度不同，因此正确票箱中各个测向结果的精度也不同。其中由DBF阵列天线两端阵元组成基线的测向精度最高，可达到式(2)所示精度。
统计学中常用求平均的方法减小误差，本实施例使用多条基线测向结果求平均的方法提高测向精度。
对于m条基线(m≤n/2)测向结果求平均的情况，经理论推导和仿真测试，发现使用m条长度同为(n-m)d的基线可以获得最优测向精度：
Figure BDA0002790598770000071
式(3)中，θ1～θm分别为m条基线的测向结果。当m＝1时，即为使用最长基线D＝(n-1)d进行测向时的精度。将不同m值的测向精度与m＝1的结果相除，可以得出各m值情况下的测向精度变化。0分别给出了n＝8，16，24，32条件下测向精度随求平均基线数的变化情况，可以看出，随着求平均基线数的上涨，测向精度先变优再恶化。
工程应用时，可根据阵元数n和式(3)，计算出最优求平均基线数。对于阵元数较多的系统，要获得最优测向精度所需要的求平均基线数较大，为了节省运算量，可以适当减少求平均基线数，同样可以获得接近最优的测向精度。
图1为n元DBF阵列天线示意图，方位面阵元间距为d，方位面总尺寸D＝(n-1)d；图2为不同阵元数情况下，测向精度随求平均基线数的变化情况。可以看出，随着求平均基线数的上涨，测向精度先变优再恶化。以8元阵为例，2条长度为6d的基线测向值求平均，测向精度优于最长基线的测向精度；3条长度为5d的基线测向值求平均，测向精度进一步改善；4条长度为4d的基线测向值求平均，测向精度则开始恶化。图3为15条不同长度基线在某次解算中的投票结果示意。票箱设置为-70～+70°空域每5°一个，共29个票箱。此次解算的真实角度为20°，投票结果显示得票最多的就是20°票箱，表明解算正确。
针对从DBF阵列天线中抽取部分阵元做干涉仪测向系统时，DBF阵列天线阵元数较多而干涉仪系统使用阵元数较少的问题，本实施例提出这种干涉仪信号处理方法，即首先通过使用n-1条不同长度基线的全部测向结果投票的方法进行解模糊，使得更多不同长度的基线参与解模糊计算，从而获得更优的解模糊概率；然后通过对多条相同长度基线测向结果求平均的方法，得到优于最长基线的测向精度。该实施例方法与DBF阵列系统共用AD数据，仅需增加少量计算资源，具有良好的工程应用前景。
在本发明的其他实施例中，以2～6GHz频段16元DBF阵列天线为例进行说明。
1)将16个工作频段在3～6GHz的单元天线组成DBF阵列天线。阵元间距d＝29mm，方位面总尺寸D＝15*29＝435mm。
2)对16个通道分别加噪，模拟各通道相位测量误差
Figure BDA0002790598770000081
则任意两通道之间相位差的测量误差为
Figure BDA0002790598770000082
3)16个阵元可得到15条不同长度的基线，长度分别为d、2d、3d、……、14d、15d。对于每个测试频点，最多可以得到
Figure BDA0002790598770000083
个测向结果。以4GHz频点20度方位为例，某次方位解算得到的全部测向结果如表1所示，计算过程中已滤除±70°之外的结果。可以看出，基线长度越大则得到的模糊测向结果越多。
对这些测向结果进行投票，票箱设置为-70～+70°空域每5°一个，共29个票箱，投票结果如图3所示，20°票箱得票数最多，表明20°子空域即为解模糊结果。每条基线在20°子空域附近的测向值，即为该基线解模糊后的测向结果。对不同频率不同角度分别进行10000次蒙特卡罗试验，并统计解模糊概率，结果如表2所示，可见在±60°范围内都可以得到优于99％的解模糊概率。实际工程应用中，相位差的测量误差通常小于15°，因此解模糊概率基本可达到100％。
表1不同长度基线在某次解算中得到的全部测向结果
(已滤除±70°之外的结果)
Figure BDA0002790598770000091
表2不同频率不同角度的解模糊概率
0° 10° 20° 30° 40° 50° 60°
2GHz 100 100 100 100 100 100 99.53
4GHz 100 100 100 100 100 100 99.95
6GHz 100 100 100 100 99.91 100 99.73
4)对m条等长基线的测向结果求平均，对比测向精度的变化情况。当m＝1，只有1-16一条基线；当m＝2，共有1-15和2-16两条基线；当m＝3，共有1-14、2-15、3-16三条基线；以此类推，当m＝8，共有1-9、2-10、3-11、4-12、5-13、6-14、7-15、8-16八条基线。0给出了不同m值在45°方向的测向精度，可以看出，5条等长基线测向结果求平均得到的测向精度最优，相比单一最长基线的测向精度改善了约39％，与理论分析结果相符。
表3不同m值在45°方向的测向精度对比
Figure BDA0002790598770000101
本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，在一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)以及相应的软件中执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，进行测试或者实际的数据在程序实现中存在于只读存储器(Random Access Memory，RAM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)等。

Claims (6)

1.一种基于DBF阵列天线的干涉仪信号处理方法，其特征在于，包括：
步骤A，通过使用多条不同长度基线的全部测向结果投票的方法进行解模糊，使得更多不同长度的基线参与解模糊计算；
步骤B，通过对多条相同长度基线测向结果求平均，得到优于最长基线的测向精度。
2.根据权利要求1所述的基于DBF阵列天线的干涉仪信号处理方法，其特征在于，步骤A中，使用n-1条不同长度基线，对于长度为k*d的基线，由相位模糊导致的测向结果个数为
Figure FDA0002790598760000011
个，则n-1条基线最多可得到
Figure FDA0002790598760000012
个测向结果，式中
Figure FDA0002790598760000013
表示向下取整；其中，每条基线可得到1个正确测向结果和多个模糊测向结果，d为阵元间距，n代表阵元数，k为1到n-1之间的整数。
3.根据权利要求1或2任一所述的基于DBF阵列天线的干涉仪信号处理方法，其特征在于，步骤A中包括如下子步骤：
步骤A1，将整个测向空域等分为多个子空域，每个子空域作为一个票箱，使用全部测向结果进行投票，得票数最多的票箱即为正确票箱，也即正确测向结果所在子空域；
步骤A2，对于待测向的基线，找出其投入正确票箱中的测向值，即为该基线解模糊后的测向结果。
4.根据权利要求1所述的基于DBF阵列天线的干涉仪信号处理方法，其特征在于，步骤B中包括如下子步骤：
对于m条基线测向结果求平均，m≤n/2，采用如下公式计算使用m条长度同为(n-m)d的基线的最优测向精度
Figure FDA0002790598760000014
为：
Figure FDA0002790598760000021
其中，θ1～θm分别为m条基线的测向结果，λ为目标信号的波长，
Figure FDA0002790598760000022
为接收通道的相位测量误差，d为阵元间距，n代表阵元数。
5.根据权利要求4所述的基于DBF阵列天线的干涉仪信号处理方法，其特征在于，当m＝1时，即为使用最长基线D＝(n-1)d进行测向时的测向精度。
6.根据权利要求4所述的基于DBF阵列天线的干涉仪信号处理方法，其特征在于，将不同m值的测向精度与m＝1的结果相除，得出各m值情况下对应的测向精度变化。
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