CN113687343B

CN113687343B - 一种基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法

Info

Publication number: CN113687343B
Application number: CN202110940913.1A
Authority: CN
Inventors: 唐荣欣; 袁凯; 牛丽娟; 赵滋阳; 熊嘉伟; 陈日亮; 汪梦
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2021-08-17
Filing date: 2021-08-17
Publication date: 2023-11-28
Anticipated expiration: 2041-08-17
Also published as: CN113687343A

Abstract

本发明公开了一种基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法，包括以下步骤：设置三天线两两正交天线系统；将接收的来波信号根据三个接收通道进行两两分组，根据其幅值比较得到对应的来波方位信息；修正由于天线自旋和相对运动引起的角度误差；在时域内仅通过少数几个采样点求得相对运动引起的多普勒频移；若为主动探测模式，则可根据接收的来波信号确定t时刻运动目标到接收机的距离；根据t时刻多普勒频移计算出目标与接收机之间的相对运动速度(径向速度)；根据临近t时刻的少量采样计算出运动目标的切向速度；将两个速度合成得到运动目标的合速度。本发明能够显著提高查找运动目标的工作效率且实现精确定位。

Description

一种基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法

技术领域

本发明涉及雷达测向系统领域，涉及运动载具上基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法，具体涉及一种运动平台的三通道接收机和全向天线的三维定位定向方法，适用于星载平台、机载平台等运动平台。

背景技术

目标测向定位是雷达探测的一个重要内容，已有的雷达测向系统一般是基于接收机转动平面与目标在同一个平面内的二维平面假设进行测向，只能进行平面内的360°覆盖，而无法进行全空域的360°覆盖。虽然也有对于三维空间定位定向方法的研究与改进，但大多都是地面上多基站联合定位测向，任意空间内使用测向定位的方法还很少，如飞机上进行测向目前仍大多采用的是二维平面内的测向方式，只能测得目标的方位角信息，无法测得空间上的俯仰角信息，还具有很大的局限性。

而运动载具对动目标的空间三维测向定位，目前还没有很好的解决方法。

发明内容

为了解决上述背景技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法，能够直接对动目标回波进行检测和测向，实现全空域360°覆盖，测得动目标的方位信息及距离信息，实现空间定位，显著提高查找运动目标的工作效率且实现精确定位。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法，对于主动探测模式和被动探测模式均适用；本发明的三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法应用于运动载具，其运动可分为平动和自旋，载具的运动状态是已知的，本方法同样也适用于高速运动载具，整个探测系统可搭载在高速运动平台上，如飞机，卫星等。包括以下步骤：

步骤1：设置三天线两两正交天线系统，用于接收来自不同方位的回波信号；

步骤2：将接收的来波信号根据三个接收通道进行两两分组，根据其幅值比较得到对应的来波方位信息；

步骤3：结合天线的自旋信息，修正由于天线自旋引起的角度误差；

步骤4：结合载具与目标之间的相对运动，修正由于相对运动引起的角度误差；

步骤5：在时域内仅通过少数几个采样点即可求得相对运动引起的多普勒频移，(理想情况下，最少可由2个采样点求出)；

步骤6：若为主动探测模式，则可根据接收的来波信号确定t时刻运动目标到接收机的距离；

步骤7：若为主动探测模式，则根据t时刻多普勒频移计算出目标与接收机之间的相对运动速度(径向速度)；根据临近t时刻的少量采样计算出运动目标的切向速度；将两个速度合成即可得到运动目标的合速度；

步骤8：根据以上计算得到的距离信息、方位信息进行空间三维成像，结合每个时刻的速度信息能够更直观感受到三维空间中目标的运动模式。

进一步的，在步骤1中，三天线为三根全向天线，分别称为X,Y,Z天线，三根全向天线两两正交形成XY、YZ、XZ三个平面。

进一步的，在步骤2中，三通道为独立三通道，将三通道内接收到的信号分为三组两通道数据，三组数据分别根据其幅值比较得到对应的来波方位信息。

进一步的，在步骤3中，修正由于天线自旋引起的角度误差，具体包括：

当天线自旋，旋转轴为Z轴，设自旋角速度为ω_r，则Δt时刻后的自旋角度为即由天线自旋引起的角度误差为/>天线自旋时通道I和通道II测得的信号幅值X_r和Y_r为：

其中K₁,K₂分别为通道I和通道II的增益值，分别为通道I和通道II的相位滞后，θ为t₀时刻来波方向与X天线的夹角；

令则

①/②可得：

由三角函数和差角公式可得：

则θ的值为：

以天线的三个轴作为坐标轴时，t₀时刻静止目标所在的位置为(θ₀,φ₀)，t₁时刻静止目标所在的位置为时刻静止目标所在的位置为/>φ_i为t_i时刻俯仰角。

当此系统应用在飞机上时，由于飞机遇到气流等环境因素引起的抖动也可根据此部分进行修正。需要在飞机上搭配角度传感器测得抖动的角速度即可，抖动的角速度即相当于此部分所论述的自旋角速度。

进一步的，在步骤4中，修正由于相对运动引起的角度误差，具体包括：

假设运动引起的角度误差为θ_T，这里的运动包含载具的运动和目标的运动；

可求得：

令最终求得目标运动走过的角度θ_T的值为：

进一步的，在步骤5中，时域少次测量求得相对运动引起的多普勒频移，理想情况下最少可仅有2次采样求得；具体包括：

第一次采样，t₁时刻：

第二次采样，t₂＝t₁+Δt时刻：

联立③⑤可得：

即：

则多普勒频移为：

f_d＝2πω_d

进一步的，在步骤6中，若为主动探测模式，可根据回波时延计算出目标与载具之间的距离。

进一步的，在步骤7中，由多普勒频移可求得运动目标的径向速度V_R，由运动引起的误差角度θ_T可求得切向速度V_T，进而求得合速度V；当以天线的三个轴作为坐标轴时，t₀时刻运动目标与卫星天线的夹角为(θ₀,φ₀)；t₁时刻，天线自旋的角度为目标运动走过的角度为θ_T1，则此时运动目标与卫星天线的夹角为/>以此类推，t_i时刻，天线自旋的角度为/>目标运动走过的角度为θ_T＝∑θ_Ti，则此时运动目标与卫星天线的夹角为/>

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种运动载具上基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法，本发明采用的三通道接收机和全向天线来波测向定位算法，通过对载具和目标的运动引起的角度误差进行修正，可以有效的检测出运动平台下动目标的位置运动轨迹并进行较为精确的测向定位。

本发明采用的三通道比幅算法，可以有效的修正由于高速运动载具中的自旋所引起的测向误差，和由于高速运动所引起的测向误差，进行较为精确的高速运动载具下动目标的方位信息和运动轨迹。

同时本发明也可在时域下，经过少数采样点即可得到待测目标和载具由于相对运动所引起的多普勒频移，无需进行频域转换，所需的采样点也尽可能的少。

附图说明

图1是本发明中运动载具上基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法系统框图；

图2是本发明三通道接收机和全向天线静止平台探测示意图；

图3是本发明三维静止平台XY平面示意图；

图4是本发明三维静止平台YZ平面示意图；

图5是本发明三维静止平台XZ平面示意图；

图6是本发明三维三天线自旋示意图；

图7是本发明三维三天线自旋XY平面示意图；

图8是本发明三通道接收机和全向天线自旋运动目标测向及测速示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明技术方案，并不限于本发明。

如图1所示，根据本发明实施例的运动载具上基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法，本发明运动载具上基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法系统主要由发天线系统，接收机系统，信号处理系统，和三维成像模块部件组成。其中：

天线系统：所采用的天线为三根全向天线，如偶极子天线，螺旋天线，Adock天线等，以偶极子天线为例，三根全向天线采用两两正交形式摆放(见图2～图5)。三根全向天线称为X,Y,Z天线。首先由XY天线发射载波频率为f_s的调制信号，经过射频功放、天线适配器，切换天线开关将信号发射出去，当信号遇到目标时发生反射，XYZ三根天线同时进行接收回波信号。

接收机系统：三根天线分别连接三个接收机通道，三个接收机通道可进行校正测量得出各个通道的增益值K₁,K₂,K₃，各个通道的相位滞后分别为

信号处理系统：根据三通道接收到的来波信号经过两两通道的幅度值测量值之比，获得来波信号的方位角和俯仰角。由于两通道比幅法存在定单向问题，此时可通过第三个通道的接收信号实现定单向。同时也可通过测量回波时延和多普勒频移得到距离信息和速度信息。

三维成像模块：根据信号处理系统中得到的距离信息、方位信息和速度信息，可进行基于运动平台的空间三维成像。

本发明是在现有的双通道幅度比较测向方法技术的基础上，利用正交三天线三通道组合成三维天线来接收来波信号(如图2)，通过两天线确定一个平面的幅度比较测向定位方法来进行空间三维测向定位技术。

来波方向波矢量k，在偶极子天线中感应电场产生电压从而测得电压值。

假设发射信号为s(t)＝cos(ω_st)；

来波方位角为θ，俯仰角为φ；

设t_i时刻对应的方位角为(θ_i,φ_i)。

本发明的具体实施方式的流程如下：

运动载具上基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法，包括以下步骤：

步骤1：计算XY平面上的方位信息；

步骤2：计算YZ平面上的方位信息；

步骤3：计算XZ平面上的方位信息；

步骤4：定单向问题；

步骤5：综合步骤1～3得出方位信息；

步骤6：计算由于天线自旋引起的角度误差；

步骤7：根据步骤6中计算得到角度误差对步骤5中得到方位信息进行修正；

步骤8：根据步骤1～7得出修正自旋后的方位信息；

步骤9：修正由于运动引起的角度误差；

步骤10：根据步骤9中计算得到的由运动引起的角度误差对步骤8中的方位信息进行修正；

步骤11：时域内少量采样求得多普勒频移。理想情况下，最少可由两次采样得到；

步骤12：多普勒频移得到目标相对于载具的径向运动速度；

步骤13：若系统仅为被动接收探测，可得到目标的方位信息、相应的多普勒频移及径向速度；

步骤14：若系统为收发一体雷达探测系统，可得到目标以天线为坐标轴的三维空间信息；

步骤15：若系统为收发一体雷达探测系统，可得到目标相对于载具的运动速度，在已知载具运动速度的情况下，可得到目标相对于地面的运动速度。

具体使用时

步骤1：

分析接收到的信号回波信号计算方位角θ信息(如图3)：

E_x＝e_msinθcosω_st

E_y＝e_mcosθcosω_st

经过接收信道I和接收信道II，信道输出的电压为：

则可由接收两信道的输出电压比得出：

令则可得来波方向的方位角

步骤2：

分析接收到的回波信号计算俯仰角φ信息(如图4)：

E_z＝e_msinφcos(ω_st)

E_y＝e_mcosφcos(ω_st)

经过通道III和通道II，得到的信号为：

通过比幅法得出：

即俯仰角为：

步骤3：

分析接收到的回波信号计算俯仰角φ信息(如图5)：

E_z＝e_msinφcos(ω_st)

E_x＝e_mcosφcos(ω_st)

经过通道III和通道I，得到的信号为：

通过比幅法得出：

即俯仰角为：

步骤4：

定单向。步骤1～步骤3中使用的通过两两通道幅值比较的方法得出的角度信息值还存在定单向的问题，可通过第三个通道内的接收信号进行定单向，当第三个信道内的接收信号在正半周时，则双通道比幅计算结果与实际目标所在的方位信息相符，反之，则不相符，即计算结果要加减π。

步骤5：

通过ZY、ZX两个平面进行俯仰角计算，将计算得到的两个俯仰角φ值进行加权平均，使得俯仰角φ的取值更为精确。或通过比较两个平面内的幅值大小，其中信号幅值更大的一方测得的俯仰角值更精确。

步骤6：

修正由于天线自旋引起的角度误差，天线自旋时，对运动目标的测量(如图6)：

当天线自旋，旋转轴为Z轴，设自旋角速度为ω_r，(如图6～图7)，则Δt时刻后的自旋角度为即由天线自旋引起的角度误差为/>由步骤1可知，

其中θ为t₀时刻来波方向与X天线的夹角。

令则

①/②可得：

由三角函数和差角公式：可得：

又天线自旋角度为已知量则θ的值为：

式中X_r和Y_r为天线自旋时通道I和通道II测得的信号幅值。

步骤7：

天线开始自旋时，方位角θ信息应使用步骤6中的计算方法来进行计算。在ZY平面、ZX平面上，由于旋转轴为Z轴，理论上并无自旋引起的角度损失。t_i时刻俯仰角φ_i依然可用步骤2、步骤3和步骤4中的方法得到。此处不再赘述。

步骤8：

经过以上分析，当以天线的三个轴作为坐标轴时，t₀时刻静止目标所在的位置为(θ₀,φ₀)，t₁时刻静止目标所在的位置为时刻静止目标所在的位置为

步骤9：

修正由于载具和目标运动引起的角度误差：

假设目标运动走过的角度为θ_T，这里的运动包含载具的运动和目标的运动。

可求得：

其中θ及均为可求量，见步骤1，步骤6。

令

最终求得目标运动走过的角度θ_T的值为：

步骤10：

经过以上分析，当以三根正交天线作为坐标轴时，t₀时刻运动目标与卫星天线的夹角为(θ₀,φ₀)。t₁时刻，天线自旋的角度为目标运动走过的角度为θ_T1，则此时运动目标与卫星天线的夹角为/>以此类推，t_i时刻，天线自旋的角度为目标运动走过的角度为θ_T＝∑θ_Ti，则此时运动目标与卫星天线的夹角为

步骤11：

时域内少量测量即可求得多普勒频移。这里的少量在理想情况下可最少达到两次采样即可求出。当实际环境中信噪比较大时，则需要视情况增加多次采样测得。

理想情况下，可在时域内直接通过2次采样求得多普勒频移。

第一次采样(t₁时刻)：

第二次采样(t₂＝t₁+Δt)时刻：

式中：E_x,E_y,ω_s,Δt,都为已知量。θ可由第一次采样测得。仅有ω_d一个未知量。

联立③⑤可得：

即：

则多普勒频移为：

f_d＝2πω_d

步骤12：

根据多普勒频移f_d可得到运动目标相对于自旋平台的相对运动速度，也称为视向速度V_R。

多普勒频移公式：

其中C为电磁波在空间中的传播速度；V_R表示目标的运动速度，方向为目标物体与雷达之间的连线上；λ_s表示发射信号的波长。

由此可得：

其方向在运动目标与探测平台之间的连线上。

步骤13：

若该系统仅为被动接收雷达探测系统时。无法得出距离信息，但仍可得到运动物体的方位信息(θ_i,φ_i)，和相应的多普勒频移及径向速度。

步骤14：

若系统为收发一体雷达探测系统时，可测量雷达与运动目标之间的距离。

根据回波时延得出距离

将通过步骤1～步骤10，计算得出的方位信息(θ_i,φ_i)，距离信息R_i。

步骤15：

若系统为收发一体雷达探测系统，由步骤10求得的Δt时间内走过的角度θ_T，可得目标运动的角速度进而求得切向速度V_T＝ω_TR。通过步骤14，可计算出目标与接收机之间的相对运动速度(径向速度)V_R；将两个速度合成即可得到运动目标相对于运动载具的合速度V＝V_R+V_T；将得到的合速度V减去载具的运动速度即可得到目标相对于地面的运动速度(如图8)。

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为详细和具体，但不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进以及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤5：在时域内仅通过少数几个采样点求得相对运动引起的多普勒频移；

步骤7：若为主动探测模式，则根据t时刻多普勒频移计算出目标与接收机之间的相对运动速度，即径向速度；根据临近t时刻的少量采样计算出运动目标的切向速度；将两个速度合成即可得到运动目标的合速度；

2.根据权利要求1所述的一种基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法，其特征在于：在步骤1中，三天线为三根全向天线，分别称为X,Y,Z天线，三根全向天线两两正交形成XY、YZ、XZ三个平面。

3.根据权利要求1所述的一种基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法，其特征在于：在步骤2中，三通道为独立三通道，将三通道内接收到的信号分为三组两通道数据，三组数据分别根据其幅值比较得到对应的来波方位信息。

4.根据权利要求2所述的一种基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法，其特征在于：在步骤3中，修正由于天线自旋引起的角度误差，具体包括：

其中K₁,K₂分别为通道I和通道II的增益值，,分3别为通道I和通道II的相位滞后，θ为t₀时刻来波方向与X天线的夹角；

令i＝1,2,3，则

①/②可得：

由三角函数和差角公式可得：

则θ的值为：

以天线的三个轴作为坐标轴时，t₀时刻静止目标所在的位置为(θ₀,φ₀)，t₁时刻静止目标所在的位置为…,t_i时刻静止目标所在的位置为/>φ_i为t_i时刻俯仰角。

5.根据权利要求4所述的一种基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法，其特征在于：在步骤4中，修正由于相对运动引起的角度误差，具体包括：

可求得：

令最终求得目标运动走过的角度θ_T的值为：

6.根据权利要求5所述的一种基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法，其特征在于：在步骤5中，时域少次测量求得相对运动引起的多普勒频移，理想情况下最少可仅有2次采样求得；具体包括：

第一次采样，t₁时刻：

第二次采样，t₂＝t₁+Δt时刻：

联立③⑤可得：

即：

则多普勒频移为：

f_d＝2πω_d。

7.根据权利要求1所述的一种基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法，其特征在于：在步骤6中，若为主动探测模式，可根据回波时延计算出目标与载具之间的距离。

8.根据权利要求6所述的一种基于三通道接收机和全向天线的来波测向定位方法，其特征在于：在步骤7中，由多普勒频移可求得运动目标的径向速度V_R，由运动引起的误差角度θ_T可求得切向速度V_T，进而求得合速度V；当以天线的三个轴作为坐标轴时，t₀时刻运动目标与卫星天线的夹角为(θ₀,φ₀)；t₁时刻，天线自旋的角度为目标运动走过的角度为θ_T1，则此时运动目标与卫星天线的夹角为/>以此类推，t_i时刻，天线自旋的角度为/>目标运动走过的角度为θ_T＝∑θ_Ti，则此时运动目标与卫星天线的夹角为/>