CN113504554A - 基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法 - Google Patents

基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法 Download PDF

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CN113504554A CN202110757276.4A CN202110757276A CN113504554A CN 113504554 A CN113504554 A CN 113504554A CN 202110757276 A CN202110757276 A CN 202110757276A CN 113504554 A CN113504554 A CN 113504554A
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Abstract

本发明提供了一种基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法，包括：利用通信相控阵的阵列资源确定干涉仪基线；对通信相控阵进行划分，形成非均匀相控阵子阵；依据地面目标位置的粗略先验信息，对相控阵子阵的接收信号进行信号合成，形成合成信号；对合成信号分别采用频域积累方式鉴相；根据所述干涉仪基线完成二维合成干涉仪测向，以在星上资源受限情况下实现对弱信号的高效实时测向。

Description

基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法
技术领域
本发明涉及航天卫星技术领域，特别涉及一种基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法。
背景技术
近年来，随着高科技技术的迅猛发展，地面辐射源目标逐渐向小型化和低功耗趋势发展，在瞬息万变的复杂电磁环境中高效感知这类目标具有重要意义。星载侦察系统可大面积侦收无线电信号，从而有效感知电磁环境。然而由于现代电磁环境日益复杂多变且发射源装备小型化后辐射能量微弱，导致卫星相控阵天线接收的电磁信号功率十分微弱，因而对微弱目标信号的可靠探测成为星载侦察系统的重要任务之一。实际工程中，为增强星载侦察系统对微弱目标信号的感知能力，通常需要大型阵列天线提高信号接收增益。但星载设备重量、功耗和成本等受到严格限制，因而在星上资源限定条件下实现微弱信号的高精度测向是当前侦察卫星面临的严峻挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法，以解决现有的侦察卫星难以实现微弱信号的高精度测向的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法，包括：
利用通信相控阵的阵列资源确定干涉仪基线；
对通信相控阵进行划分，形成非均匀相控阵子阵；
依据地面目标位置的粗略先验信息，对相控阵子阵的接收信号进行信号合成，形成合成信号；
对合成信号分别采用频域积累方式鉴相；
根据所述干涉仪基线完成二维合成干涉仪测向，以在星上资源受限情况下实现对弱信号的高效实时测向。
可选的，在所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法中，还包括：
选取通信相控阵中的4条干涉仪基线，以构成二维长短组合基线干涉仪；
出于建模简便以及测向精度的考虑，4条干涉仪基线中的长基线优先选取通信相控阵阵面中二维坐标轴上的最长基线；
对通信相控阵进行非均匀子阵划分，选取通信相控阵中N个阵元构成相控阵主阵，以形成高增益波束，根据干涉仪基线分别选取M个阵元构成5个相控阵子阵；
根据先验已知的粗略辐射源来向信息，计算相控阵子阵合成的加权值，以对各个相控阵子阵接收信号进行合成；相控阵主阵与相控阵子阵合成后，使得所述合成信号采用频域互相关的方式进行鉴相，得到鉴相结果；
采用干涉仪体制根据所述鉴相结果进行二维解模糊测向。
可选的，在所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法中，还包括：
由先验已知的粗略辐射源来向信息
Figure BDA0003147603130000021
计算出各个相控阵子阵的合成加权值，合成加权值的计算方法如下：
Figure BDA0003147603130000022
其中，(x0，y0)为子阵阵元相对于参考阵元的坐标，λ为目标信号的波长。
可选的，在所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法中，还包括：
根据合成加权值对各个相控阵子阵进行合成，相控阵子阵加权合成后结果如下：
Arrayout＝ωHX
其中，X为子阵接收信号，H为共轭转置操作；
相控阵主阵合成表示为：
Figure BDA0003147603130000031
其中5个相控阵子阵合成表示为：
SubArray(i)out＝ω(i)HX(i)，
其中i＝1，2，…，5，分别对应于5个相控阵子阵。
可选的，在所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法中，还包括：
二维一共5个相控阵子阵构成二维长短基线干涉仪，首先进行二维子阵间相位差测量。
可选的，在所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法中，还包括：
对相控阵主阵与各个相控阵子阵的信号分别进行傅里叶变换，得到频域信号；
其中相控阵主阵频域信号为
MainArrayFreq＝DFT(MainArrayout)；
其中相控阵子阵频域信号为
SubArray(i)Freq＝DFT(SubArray(i)out)；
其中，MainArrayout为主阵合成信号，DFT表示傅里叶变换，MainArrayFreq为主阵频域信号，SubArray(i)out为第i个子阵合成信号，SubArray(i)Freq为第i个子阵频域信号；
找出相控阵主阵频域信号中幅值最大的信号值作为第一信号值，找出相控阵子阵频域信号中幅值最大的信号值作为第二信号值。
可选的，在所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法中，还包括：
对第一信号值分别和第二信号值互相关，得到带有相位差的互相关信号，分别为Freq_Sig1main和Freq_Sig2main；
对Freq_Sig1main和Freq_Sig2main分别进行相加积累，互相关信号得以增强；
对积累增强后的信号取相位，得到相控阵主阵和相控阵子阵间的相位差，分别为
Figure BDA0003147603130000041
和
Figure BDA0003147603130000042
对
Figure BDA0003147603130000043
和
Figure BDA0003147603130000044
相减，得到各个相控阵子阵之间相位差
Figure BDA0003147603130000045
可选的，在所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法中，还包括：
根据二维鉴相结果
Figure BDA0003147603130000046
进行二维干涉仪解模糊测向，得到俯仰和方位角。
在本发明提供的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法中，通过利用通信相控阵丰富的阵列资源确定干涉仪基线，划分非均匀相控阵子阵并依据地面目标位置的粗略先验信息进行子阵接收信号合成，对合成后的信号分别采用频域积累方式鉴相，最后完成二维合成干涉仪测向，可以在星上资源受限情况下实现对弱信号的高效实时测向。
基于实际工程中为增强星载侦察系统对微弱目标信号的感知能力，通常需要大型阵列天线提高信号接收增益，但星载设备重量、功耗和成本等受到严格限制的现实，考虑到我国目前广泛建设的通信卫星星座以及相控阵天线在通信卫星中的广泛应用，以及卫星呈现多功能一体化的发展趋势，本发明充分利用通信卫星相控阵天线的阵列孔径和丰富的阵元资源，合理构造干涉仪基线，并对通信相控阵进行非均匀子阵划分。然后依据地面目标位置的粗略先验信息计算权值，从而对各子阵接收信号进行合成，有效提高弱信号的输出功率。最后采用相位干涉仪频域积累鉴相方式获取微弱信号的相位差，最终实现对微弱目标信号的高效测向。
附图说明
图1是本发明一实施例中的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法流程示意图；
图2是本发明一实施例中的子阵合成前后信号能量对比示意图；
图3是本发明一实施例中的不同鉴相方式性能对比示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的目的在于提供一种基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法，以解决现有的侦察卫星难以实现有限资源下微弱信号的高精度测向的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法，包括：利用通信相控阵的阵列资源确定干涉仪基线；对通信相控阵进行划分，形成非均匀相控阵子阵；依据地面目标位置的粗略先验信息，对相控阵子阵的接收信号进行信号合成，形成合成信号；对合成信号分别采用频域积累方式鉴相；根据所述干涉仪基线完成二维合成干涉仪测向，以在星上资源受限情况下实现对弱信号的高效实时测向。
本发明提供一种基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法，图1是基于星载相控阵的子阵合成干涉仪测向算法的流程图，如图1所示，包括：利用通信相控阵的阵列资源确定干涉仪基线；对通信相控阵进行划分，形成非均匀相控阵子阵；依据地面目标位置的粗略先验信息，对相控阵子阵的接收信号进行信号合成，形成合成信号；对合成信号分别采用频域积累方式鉴相；根据所述干涉仪基线完成二维合成干涉仪测向，以在星上资源受限情况下实现对弱信号的高效实时测向。
在本发明的一个实施例中，基于星载相控阵的子阵合成干涉仪测向算法的具体步骤如下：首先选取通信相控阵中的4条干涉仪基线，以构成二维长短组合基线干涉仪；出于建模简便以及测向精度的考虑，4条干涉仪基线中的长基线优先选取通信相控阵阵面中二维坐标轴上的最长基线；对通信相控阵进行非均匀子阵划分，通信相控阵中N个阵元构成相控阵主阵，以形成高增益波束，根据干涉仪基线分别选取M个阵元构成5个相控阵子阵；根据先验已知的粗略辐射源来向信息，计算相控阵子阵合成的加权值，以进行各个相控阵子阵接收信号进行合成；相控阵主阵与相控阵子阵合成后，使用所述合成信号采用频域互相关的方式进行鉴相，得到鉴相结果；采用干涉仪体制根据所述鉴相结果进行二维解模糊测向。
在本发明的一个实施例中，在所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法中，还包括：由先验已知的粗略辐射源来向信息
Figure BDA0003147603130000061
计算出各个相控阵子阵的合成加权值，合成加权值的计算方法如下：
Figure BDA0003147603130000071
其中，(x0，y0)为相对于参考阵元的坐标，λ为目标信号的波长。
在本发明的一个实施例中，在所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法中，还包括：根据合成加权值对各个相控阵子阵进行合成，相控阵子阵加权合成后结果如下：
Arrayout＝ωHX
其中，X为子阵接收信号，H为共轭转置操作；
相控阵主阵合成表示为：
Figure BDA0003147603130000072
其中5个相控阵子阵合成表示为：
SubArray(i)out＝ω(i)HX(i)，
其中i＝1，2，…，5，分别对应于5个相控阵子阵。子阵合成前后信号能量如图2所示，其中蓝色为单阵元接收信号强度、玫红色为M1个阵元子阵合成后信号强度，红色为M2个阵元子阵合成后信号强度(M2＞M1)，可见经过子阵合成可有效提高接收信号的信噪比。
在本发明的一个实施例中，在所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法中，还包括：二维一共5个相控阵子阵构成二维长短基线干涉仪，首先进行二维子阵间相位差测量。
在本发明的一个实施例中，在所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法中，还包括：相位差测量采用非均匀子阵频域积累鉴相方式，以y轴短基线
Figure BDA0003147603130000073
的估计为例，介绍鉴相方法如下，其他基线对应相位差的估计方法相同。对相控阵主阵与各个相控阵子阵(子阵1、子阵2)的信号分别进行傅里叶变换(DFT)，得到频域信号；
其中相控阵主阵频域信号为
MainArrayFreq＝DFT(MainArrayout)；
其中相控阵子阵频域信号为
SubArray(i)Freq＝DFT(SubArray(i)out)；
其中，MainArrayout为主阵合成信号，DFT表示傅里叶变换，MainArrayFreq为主阵频域信号，SubArray(i)out为第i个子阵合成信号，SubArray(i)Freq为第i个子阵频域信号；
找出相控阵主阵频域信号中幅值最大的信号值作为第一信号值，找出相控阵子阵频域信号中幅值最大的信号值作为第二信号值。
在本发明的一个实施例中，在所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法中，还包括：对第一信号值分别和第二信号值互相关，得到带有相位差的互相关信号，分别为Freq_Sig1main和Freq_Sig2main；对Freq_Sig1main和Freq_Sig2main分别进行相加积累；对积累后的信号取相位，得到相控阵主阵和相控阵子阵间的相位差，分别为
Figure BDA0003147603130000085
和
Figure BDA0003147603130000086
对
Figure BDA0003147603130000082
和
Figure BDA0003147603130000081
相减，得到各个相控阵子阵(子阵1和子阵2)之间相位差
Figure BDA0003147603130000083
对比在相同约束条件下的鉴相仿真结果可知，非均匀子阵优于均匀子阵，积累优于非积累，频域优于时域。因而，非均匀子阵频域积累鉴相方法在低SNR下性能较好。
在本发明的一个实施例中，在所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法中，还包括：根据二维鉴相结果
Figure BDA0003147603130000084
进行二维干涉仪解模糊测向，得到俯仰和方位角。所提非均匀子阵合成干涉仪方法可以利用通信相控阵的孔径资源，能够在低SNR下实现对微弱信号快速低成本测向。
在本发明提供的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法中，通过利用通信相控阵丰富的阵列资源确定干涉仪基线，划分非均匀相控阵子阵并依据地面目标位置的粗略先验信息进行子阵接收信号合成，对合成后的信号分别采用频域积累方式鉴相，最后完成二维合成干涉仪测向，可以在星上资源受限情况下实现对弱信号的高效实时测向。
基于实际工程中为增强星载侦察系统对微弱目标信号的感知能力，通常需要大型阵列天线提高信号接收增益，但星载设备重量、功耗和成本等受到严格限制的现实，考虑到我国目前广泛建设的通信卫星星座以及相控阵天线在通信卫星中的广泛应用，以及卫星呈现多功能一体化的发展趋势，本发明充分利用通信卫星相控阵天线的阵列孔径和丰富的阵元资源，合理构造干涉仪基线，并对通信相控阵进行非均匀子阵划分。然后依据地面目标位置的粗略先验信息计算权值，从而对各子阵接收信号进行合成，有效提高弱信号的输出功率。最后采用相位干涉仪的方法获取相位差，最终实现对微弱目标信号的高效测向。
综上，上述实施例对基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法，其特征在于，包括：
利用通信相控阵的阵列资源确定干涉仪基线；
对通信相控阵进行划分，形成非均匀相控阵子阵；
依据地面目标位置的粗略先验信息，对相控阵子阵的接收信号进行信号合成，形成合成信号；
对合成信号分别采用频域积累方式鉴相；
根据所述干涉仪基线完成二维合成干涉仪测向，以在星上资源受限情况下实现对弱信号的高效实时测向。
2.如权利要求1所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法，其特征在于，还包括：
选取通信相控阵中的4条干涉仪基线，以构成二维长短组合基线干涉仪；
出于建模简便以及测向精度的考虑，4条干涉仪基线中的长基线优先选取通信相控阵阵面中二维坐标轴上的最长基线；
对通信相控阵进行非均匀子阵划分，选取通信相控阵中的N个阵元构成相控阵主阵，以形成高增益波束，根据干涉仪基线分别选取M个阵元构成若干个相控阵子阵；
根据先验已知的粗略辐射源来向信息，计算相控阵子阵合成的加权值，以对各个相控阵子阵接收信号进行合成；相控阵主阵与相控阵子阵合成后，使得所述合成信号采用频域互相关的方式进行鉴相，得到鉴相结果；
采用干涉仪体制根据所述鉴相结果进行二维解模糊测向。
3.如权利要求2所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法，其特征在于，还包括：
由先验已知的粗略辐射源来向信息
Figure FDA0003147603120000011
计算出各个相控阵子阵的合成加权值，合成加权值的计算方法如下：
Figure FDA0003147603120000012
其中，(x0，y0)为相对于参考阵元的坐标，λ为目标信号的波长。
4.如权利要求3所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法，其特征在于，还包括：
根据合成加权值对各个相控阵子阵进行合成，相控阵子阵加权合成后结果如下：
Arrayout＝ωHX
其中，X为子阵接收信号，H为共轭转置操作；
相控阵主阵合成表示为：
Figure FDA0003147603120000021
其中5个相控阵子阵合成表示为：
SubArray(i)out＝ω(i)HX(i)，
其中i＝1,2,…,5，分别对应于5个相控阵子阵。
5.如权利要求4所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法，其特征在于，还包括：
二维一共5个相控阵子阵构成二维长短基线干涉仪，首先进行二维子阵间相位差测量。
6.如权利要求5所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法，其特征在于，还包括：
对相控阵主阵与各个相控阵子阵的信号分别进行傅里叶变换，得到频域信号；
其中相控阵主阵频域信号为
MainArrayFreq＝DFT(MainArrayout)；
其中相控阵子阵频域信号为
SubArray(i)Freq＝DFT(SubArray(i)out)；
其中，MainArrayout为主阵合成信号，DFT表示傅里叶变换，MainArrayFreq为主阵频域信号，SubArray(i)out为第i个子阵合成信号，SubArray(i)Freq为第i个子阵频域信号；
找出相控阵主阵频域信号中幅值最大的信号值作为第一信号值，找出相控阵子阵频域信号中幅值最大的信号值作为第二信号值。
7.如权利要求6所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法，其特征在于，还包括：
对第一信号值分别和第二信号值互相关，得到带有相位差的互相关信号，分别为Freq_Sig1main和Freq_Sig2main；
对Freq_Sig1main和Freq_Sig2main分别进行相加积累；
对积累后的信号取相位，得到相控阵主阵和相控阵子阵间的相位差，分别为
Figure FDA0003147603120000031
和
Figure FDA0003147603120000032
对
Figure FDA0003147603120000033
和
Figure FDA0003147603120000034
相减，得到各个相控阵子阵之间相位差
Figure FDA0003147603120000035
8.如权利要求7所述的基于星载相控阵的非均匀子阵合成干涉仪测向方法，其特征在于，还包括：
根据二维鉴相结果
Figure FDA0003147603120000036
进行二维干涉仪解模糊测向，得到俯仰和方位角。
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