CN113552534B - 基于脉冲信号的旋转基线干涉仪相位标校方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于脉冲信号的旋转基线干涉仪相位标校方法，能够消除测角误差积累，提高系统测角正确率，保证测角结果误差最小。在基线转速设置为一秒旋转一周下，针对传统在第一次搜索到脉冲信号后就开始持续采集数据的方法容易产生误差积累的问题，本发明通过每两秒钟搜寻一次旋转基线相位干涉仪脉冲信号来消除测角误差积累，提高系统测角正确率；针对传统每搜索到一次脉冲信号采集一秒数据的方法，数据采集初始时刻可能处于脉冲信号中间导致测角错误的问题，本发明通过每两秒钟搜寻一次旋转基线相位干涉仪脉冲信号来消除方位角偏移，保证测角结果误差最小。

Description

基于脉冲信号的旋转基线干涉仪相位标校方法

技术领域

本发明涉及相位干涉仪测向技术领域，具体涉及一种基于脉冲信号的旋转基线干涉仪相位标校方法。

背景技术

旋转相位干涉仪测向方法是通过天线盘绕轴线的旋转，使阵元间真实相位差按余弦规律变化，进而判断极值求出无模糊相位差，实现解模糊的方法。旋转基线法可以同时测量方位角和俯仰角。由旋转基线相位干涉仪测角原理可知，方位角的求取和基线从初始位置旋转到相位差最大值的时刻有关，因此初始位置的标定非常重要，现在多采用脉冲信号进行相位标校。每当基线旋转一圈就会触发一次脉冲信号，将产生脉冲信号的时刻标校为基线旋转初始时刻，同时也是余弦曲线每个周期开始时刻，通过判断一个周期内曲线波峰距离该周期起始时刻基线转过的角度即可求得方位角。

在实际测向时，AD采集卡采样率为50Msps，即每个阵元接收的信号每秒采集50MB数据，图1所示为系统中某一路天线信号与脉冲信号耦合后的时域波形。由图1可知，在4秒200MB的数据中脉冲信号出现四次，也即基线旋转了四圈，因此图2中相位差余弦曲线有四个周期，且图2中基线旋转0度时刻就是图1中第一个脉冲信号出现的时刻。由图1中天线信号耦合脉冲信号后的时域波形可知，脉冲信号并非一个毛刺，而是持续了一段时间，将脉冲信号持续时间导出到Matlab工作区，如图3所示，可以看到脉冲信号持续大概14个采样点，由此可得脉冲信号持续时间大约14/50000000＝26us。

通常情况下会在基线旋转平稳后，将系统搜索到的脉冲信号第一个值出现的时刻作为采样的起始时刻和基线一周旋转的起始时刻，旋转基线相位干涉仪通过计算出现相位差最大值时基线相对于旋转起始点转过的角度判断来波方位角。AD采集卡采样率为50Msps，基线转速设置为一秒旋转一周，因此基线旋转一周采集卡采集50M采样点。假设采集卡时钟域与基线旋转时钟域完全同频，采集数据的过程中，每一次采样时第一个采样值都刚好是脉冲信号的第一个值，则数据采集与脉冲信号搜寻过程及来波方位角的对应关系如图4所示。由图4可以看出，每一次AD采集卡开始采集数据时，脉冲信号刚好产生，余弦波在一次采集过程中刚好完成一个周期，因此每一次采样时相位最大值出现的时刻相对于数据开始采集时刻的时间间隔恒定，所求得的方位角也恒定，不会出现误差。

但是由于采集卡和基线旋转伺服电机有各自的时钟域且两者时钟并不完全同频，导致脉冲信号出现的时刻与采集卡采集数据的初始时刻出现偏差。AD采集卡采样率为50Msps，因此每秒采集信号数据量始终为50M；然而控制基线旋转的伺服电机由于容易受外界环境干扰而产生抖动，这就造成了理论上一秒旋转一周的基线因抖动而延迟或者提前几纳秒或者几微秒。传统的标校方法有两种：一是在第一次搜索到脉冲信号后就开始持续采集数据，不再搜索脉冲；二是每搜索到一次脉冲信号采集一秒数据。这两种方法存在如下问题：

在第一次搜索到脉冲信号后就开始持续采集数据的方法中，随着时间积累脉冲信号的累积延迟时间越久，相位最大值出现时刻也会越往后移或往前移，最终导致测角结果出现较大漂移。

每搜索到一次脉冲信号采集一秒数据的方法，虽然有些情况下测角正确，但在数据采集初始时刻处于脉冲信号中间时不能正常测角，存在很大的测角错误概率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于脉冲信号的旋转基线干涉仪相位标校方法，能够消除测角误差积累，提高系统测角正确率，保证测角结果误差最小。

为实现上述目的，本发明的一种基于脉冲信号的旋转基线干涉仪相位标校方法，采用AD采集卡采集相位数据，基线每旋转一周触发一次脉冲信号，从AD采集卡采集的相位数据点中搜索脉冲信号，以当前产生脉冲信号的时刻标校为当前基准旋转初始时刻，选取当前脉冲信号后的N点相位数据进行本周期的相位计算，然后跳过N/2点，搜索下一个周期的脉冲信号并进行该周期的相位计算，以此重复；其中，N为旋转基线相位干涉仪旋转一周时间T内AD采集卡采集的相位数据点总数。

其中，T为1秒。

其中，所述旋转基线干涉仪为旋转单基线干涉仪或旋转多基线干涉仪。

其中，所述旋转基线干涉仪匀速旋转。

其中，AD采集卡采样率为50Msps。

有益效果：

在基线转速设置为一秒旋转一周下，针对传统在第一次搜索到脉冲信号后就开始持续采集数据的方法容易产生误差积累的问题，本发明通过每1.5秒钟搜寻一次旋转基线相位干涉仪脉冲信号来消除测角误差积累，提高系统测角正确率；针对传统每搜索到一次脉冲信号采集一秒数据的方法，数据采集初始时刻可能处于脉冲信号中间导致测角错误的问题，本发明通过每1.5秒钟搜寻一次旋转基线相位干涉仪脉冲信号来消除方位角偏移，保证测角结果误差最小。

附图说明

图1为天线信号耦合脉冲信号的时域波形示意图。

图2为相位差余弦曲线示意图。

图3为脉冲信号持续长度示意图。

图4为采集卡与基线旋转时钟同频时方位角大小示意图。

图5为在第一次搜索到脉冲信号后就开始持续采集数据，不再搜索脉冲的标校方法中，基线旋转速度低于采集卡的采样速度时测角结果示意图。

图6为在第一次搜索到脉冲信号后就开始持续采集数据，不再搜索脉冲的标校方法中，方位角测量结果随着采样时间逐渐增大示意图。

图7为在第一次搜索到脉冲信号后就开始持续采集数据，不再搜索脉冲的标校方法中，基线旋转速度高于采集卡的采样速度时测角结果示意图。

图8为在第一次搜索到脉冲信号后就开始持续采集数据，不再搜索脉冲的标校方法中，方位角测量结果随着采样时间逐渐减小示意图。

图9为每搜索到一次脉冲信号采集一秒数据的标校方法中，基线旋转速度低于采集卡的采样速度时测角结果示意图。

图10为每搜索到一次脉冲信号采集一秒数据的标校方法中，基线旋转速度高于采集卡的采样速度时，脉冲信号完全落在下一个采样周期之前的情况下测角结果示意图。

图11为每搜索到一次脉冲信号采集一秒数据的标校方法中，基线旋转速度高于采集卡的采样速度时，数据采集初始时刻处于脉冲信号中间的情况下测角结果示意图。

图12为本发明方法中，基线旋转速度低于采集卡的采样速度时测角结果示意图。

图13为本发明方法中，基线旋转速度高于采集卡的采样速度时，脉冲信号完全落在下一个采样周期之前的情况下测角结果示意图。

图14为本发明方法中，基线旋转速度高于采集卡的采样速度时，数据采集初始时刻处于脉冲信号中间的情况下测角结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

对于在第一次搜索到脉冲信号后就开始持续采集数据，不再搜索脉冲的标校方法进行如下分析：

基线旋转速度低于采集卡的采样速度时，如图5所示，当基线旋转平稳后搜索到第一个脉冲信号时开始采样，若基线旋转过程中发生轻微抖动使得基线旋转变慢几微秒或几纳秒，则脉冲信号延迟出现，其周期大于一秒，相位差余弦曲线也会超过一秒才能出现一个完整周期。但系统仍将采集卡每秒采集数据的起始时刻作为相位差余弦波的起点，通过计算出现相位差最大值时基线相对于数据采集起始时刻转过的角度判断来波方位角，此时方位角大小随着脉冲周期的增大而逐渐增大。随着时间积累脉冲信号的累积延迟时间越久，相位最大值出现时刻也会越往后移，最终导致测角结果出现较大漂移。方位角逐渐增大的漂移结果如图6所示。

基线旋转速度高于采集卡的采样速度时，如图7所示，当基线旋转平稳后搜索到第一个脉冲信号时开始采样，若基线旋转过程中发生轻微抖动使得基线旋转变快几微秒或几纳秒，则脉冲信号出现时间提前，其周期小于一秒，相位差余弦曲线不足一秒就会出现一个完整周期。但系统仍将采集卡每秒采集数据的起始时刻作为相位差余弦波的起点，通过计算出现相位差最大值时基线相对于数据采集起始时刻转过的角度判断来波方位角，此时方位角大小随着脉冲周期的减小而逐渐减小。随着时间积累脉冲信号提前时间越久，相位最大值出现时刻也会越往前移，最终导致测角结果出现较大漂移，甚至出现跳周的现象。方位角逐渐减小的漂移结果如图8所示。

对于每搜索到一次脉冲信号采集一秒数据的标校方法进行如下分析：

基线旋转速度低于采集卡的采样速度时，如图9所示，在搜索到一次脉冲信号采集一秒数据的情况下，若基线旋转较慢，则上一秒采样完成时基线还未旋转完一周期，但此时采集卡已完成一秒工作，并停止采集开始搜寻下一个脉冲信号，因此在采集卡采集完一秒数据时余弦波还未出现一个完整周期。搜寻脉冲信号过程中因为停止采集数据，因此余弦波会暂时缺少少量数据，直到搜索到下一个脉冲信号时开始采样，出现下一秒的相位差余弦波。这种情况下虽然缺少了极少量数据导致时间不连续，但仅仅是几纳秒或者几微秒，对整体测向效果影响并不明显。每一次采样时相位最大值出现的时刻相对于数据开始采集时刻的时间间隔恒定，因此方位角大小不受影响。

基线旋转速度高于采集卡的采样速度时，基线旋转较快可以分为两种情况：一是脉冲信号完全落在下一个采样周期之前；二是数据采集初始时刻处于脉冲信号中间。

图10所示为脉冲信号完全落在下一个采样周期之前的情况。在搜索一次脉冲信号采集一秒数据的情况下，若基线旋转较快，则上一秒采样完成时基线已旋转完一周期，并开始下一周期的旋转。从采样周期的角度来看，下一旋转周期的脉冲信号处于上一采样周期中，因此系统在下一周期采样时始终未搜寻到脉冲信号，此时采集卡不能采集数据，只能跳过这一周期，一直到搜索到新的脉冲信号出现才开始采集数据。每一次采样时相位最大值出现的时刻相对于数据开始采集时刻的时间间隔恒定，因此方位角大小不受影响。这种情况下虽然中间会有近一秒时间没有数据无法测角，但在测向系统中测向的速度不需要高达一秒一次，一秒的等待时间是允许存在的。

图11所示为数据采集初始时刻处于脉冲信号中间的情况。在搜索一次脉冲信号采集一秒数据的情况下，若基线旋转较快，则上一秒采样完成时基线已旋转完一周期，并开始下一周期的旋转。从采样周期的角度来看，数据采集初始时刻处于脉冲信号中间，导致系统在完成上一秒采样后立刻搜寻到下一秒脉冲信号，此时采集卡虽然能正常采集数据，但每一次采样时相位最大值出现的时刻相对于数据开始采集时刻的时间间隔逐渐减小，因此方位角会逐渐减小。随着时间积累脉冲信号提前时间越久，相位最大值出现时刻也会越往前移，最终导致测角结果出现较大漂移，甚至出现跳周的现象。

综上所述，每搜索到一次脉冲信号采集一秒数据的方法虽然有些情况下测角正确，但在数据采集初始时刻处于脉冲信号中间时不能正常测角，存在很大的测角错误概率。

有鉴于此，本发明的一种基于脉冲信号的旋转基线干涉仪相位标校方法，每当基线旋转一圈触发一次脉冲信号，将产生脉冲信号的时刻标校为基线旋转初始时刻；旋转基线相位干涉仪通过AD采集卡采集的数据点获得相位最大值出现时刻，利用相位最大值出现时刻相对于基线旋转初始时刻，基线转过的角度计算方位角，所述相位标校方法包括如下步骤：

确定旋转基线相位干涉仪旋转一周用时T；

确定在T时间内AD采集卡采集的数据点数N；

从AD采集卡采集的数据点中选取数据，具体为：

搜索到脉冲信号之后选取N点数据，然后跳过N/2点，搜索下一个脉冲信号，搜索到脉冲信号之后选取N点数据，然后跳过N/2点，搜索下一个脉冲信号，以此重复；

从选取的各个N点数据中获得对应周期的相位最大值出现时刻。

其中，所述旋转基线干涉仪可以为旋转多基线干涉仪，也可以为旋转单基线干涉仪，优选旋转多基线干涉仪。所述旋转基线干涉仪匀速旋转。

本实施例中，旋转基线相位干涉仪旋转一周用时为1秒，在基线旋转平稳后对于AD采集卡采集到的数据，第一次搜索到脉冲信号时采集一秒数据，然后跳过0.5秒，接着搜索下一次脉冲信号，即每1.5秒出一次角度结果。跳过0.5秒是为了保证系统再一次搜索到的脉冲信号一定是基线旋转1.5秒后的脉冲。基线旋转速度低于采集卡的采样速度时，具体搜索过程如图12所示；基线旋转速度高于采集卡的采样速度时，脉冲信号完全落在下一个采样周期之前的情况下测角结果示意图如图13所示，数据采集初始时刻处于脉冲信号中间的情况下测角结果示意图如图14所示。

可见，本实施例每1.5秒搜索一次脉冲信号相比于传统搜索一次脉冲信号后持续采集数据的方法，消除了误差积累；相比于搜索一次脉冲信号采集一秒数据的方法，解决了数据采集初始时刻处于脉冲信号中间时的测角错误问题。综上所述，每1.5秒搜索一次信号能够保证系统测角误差最小。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于脉冲信号的旋转基线干涉仪相位标校方法，采用AD采集卡采集相位数据，基线每旋转一周触发一次脉冲信号，其特征在于，从AD采集卡采集的相位数据点中搜索脉冲信号，以当前产生脉冲信号的时刻标校为当前基准旋转初始时刻，选取当前脉冲信号后的N点相位数据进行本周期的相位计算，然后跳过N/2点，搜索下一个周期的脉冲信号并进行该周期的相位计算，以此重复；其中，N为旋转基线相位干涉仪旋转一周时间T内AD采集卡采集的相位数据点总数。

2.如权利要求1所述的相位标校方法，其特征在于，T为1秒。

3.如权利要求1所述的相位标校方法，其特征在于，所述旋转基线干涉仪为旋转单基线干涉仪或旋转多基线干涉仪。

4.如权利要求1-3任意一项所述的相位标校方法，其特征在于，所述旋转基线干涉仪匀速旋转。

5.如权利要求1-3任意一项所述的相位标校方法，其特征在于，AD采集卡采样率为50Msps。

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