CN113945884A - 一种融合dbf测向与干涉仪测向的数字阵列方法及系统 - Google Patents

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CN113945884A CN202011428762.3A CN202011428762A CN113945884A CN 113945884 A CN113945884 A CN 113945884A CN 202011428762 A CN202011428762 A CN 202011428762A CN 113945884 A CN113945884 A CN 113945884A
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胡梦中
张道成
袁淼
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Abstract

本发明公开了一种融合DBF测向与干涉仪测向的数字阵列方法及系统，包括：利用当前干涉仪确定目标信号的干涉仪阵列，确定干涉仪阵列阵元间距和干涉仪阵列中的每一个阵元接收信号的相位；对干涉仪阵列阵元间距进行优化，根据优化后的干涉仪阵列阵元间距进行虚拟正元处理，得到虚拟干涉仪；对阵元接收信号的相位进行稀疏DBF处理，得到虚拟DBF阵列；获取目标宽带信号的信噪比，在目标信号的信噪比高与阈值时采用虚拟干涉仪进行测向，在目标宽带信号的信噪比不高于阈值时采用虚拟DBF阵列进行测向。优点：通过稀疏DBF处理和虚拟阵元处理可以实现宽带宽角（±90°）高概率解模糊干涉仪测量的同时，也可实现DBF体制的测向，总体测向性能更优。

Description

一种融合DBF测向与干涉仪测向的数字阵列方法及系统
技术领域
本发明涉及一种融合DBF测向与干涉仪测向的数字阵列方法及系统，属于天线技术领域。
背景技术
通过截获无线电信号，确定辐射源所在方向过程称为无线电测向，简称测向。测向是电子对抗侦察的重要任务之一，它在电子对抗具有诸多作用：为辐射源的分选和识别提供可靠的依据；为电子干扰和摧毁攻击提供引导；为作战人员提供威胁告警；为辐射源的定位提供参数等。电子对抗侦察中的测向实质是确定或估计空间中的辐射源来波方向信号到达方向。DBF(Digital Beam Forming,数字波束形成)测向和相位法测向是两种常见的电子对抗侦察测向方法。
DBF测向技术基于阵列天线，通过数字信号处理技术处理多路数字信号，实现辐射源信号的测向。DBF测向具有诸多优势：相扫、无机械惯性，快速波束捷变，多波束，高可靠性、抗干扰，高灵敏性、远距离等，但同时DBF测向技术对信号采集处理速度提出了高要求，要求信号处理板高速、超高速地采集传输处理数字阵列信号。因此DBF阵列天线系统往往设计极为复杂，成本昂贵。
干涉仪测向技术是一种在工程上相对易于实现且付出的代价相对较小的测向技术，根据接收信号的相位差来确定信号的到达方向，具有原理简单运算量小，测向精度高等优点。相位干涉仪天线阵的设计原则是利用最少的天线达到测向性能指标。一般的单基线干涉仪为了克服测向模糊，要求基线长度不能超过频段内最短波长的一半。另一个方面，测向精度是我们追求的目标，为了提高测向精度，需要增大基线长度。提高测向精度和克服测向模糊之间相互矛盾。现有方案虚拟基线干涉仪构造虚拟基线，然而为了保证测量精度要求等，受限于阵列尺寸，干涉仪往往无法实现大范围解模糊。参差基线相位干涉仪方案可以突破基线长度的限制，在保证测向精度前提下，实现较大范围解模糊，但仍然难以实现±90°全向性解模糊。除此之外，不管哪种相位干涉仪都存在一个无法解决的劣势，随着接收信号信噪比的恶化，干涉仪会出现大量误测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种融合DBF测向与干涉仪测向的数字阵列方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明提供一种融合DBF测向与干涉仪测向的数字阵列方法，包括：
获取目标宽带信号，利用当前干涉仪确定目标信号的干涉仪阵列，根据所述干涉仪阵列确定干涉仪阵列阵元间距和干涉仪阵列中的每一个阵元接收信号的相位；
对所述干涉仪阵列阵元间距进行优化，根据优化后的干涉仪阵列阵元间距进行虚拟正元处理，得到虚拟干涉仪；
对阵元接收信号的相位进行稀疏DBF处理，得到虚拟DBF阵列；
获取目标宽带信号的信噪比，在目标信号的信噪比高于预先确定的信噪比阈值时采用虚拟干涉仪进行测向，在目标宽带信号的信噪比低于该阈值时采用虚拟DBF阵列进行测向。
进一步的，所述干涉仪采用三基线四单元线阵干涉仪。
进一步的，所述对所述干涉仪阵列阵元间距进行优化，根据优化后的干涉仪阵列阵元间距进行虚拟正元处理，得到虚拟干涉仪的过程包括：
利用智能优化算法优化对所述干涉仪阵列阵元间距进行优化，得出优化后的干涉仪阵列分布，根据该优化后的干涉仪阵列分布利用虚拟阵元技术构建虚拟干涉仪。
进一步的，所述对阵元接收信号的相位进行稀疏DBF处理，得到虚拟DBF阵列的过程包括：
根据干涉仪第一个阵元接收信号相位φ1和第二个阵元接收信号相位φ2之间相位差获得3×0.6λfmax空间距离对应的第一相位差，根据第一相位差和所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元构建相对应的虚拟DBF阵元，得到虚拟DBF阵列中的第一阵元，第七阵元，第九阵元，第十二阵元和第十三阵元；其中，λfmax为最高信号频率对应的波长；
根据相位干涉仪第二个阵元接收信号相位φ2和第三个阵元接收信号相位φ3之间相位差可以获得4×0.6λfmax空间距离对应的第二相位差，根据第二相位差和所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元构建相对应的虚拟DBF阵元，得到虚拟DBF阵列中的第三阵元，第十一阵元和第十四阵元；
根据相位干涉仪第三个阵元接收信号相位φ3和第四个阵元接收信号相位φ4之间相位差可以获得5×0.6λfmax空间距离对应的第三相位差，根据第三相位差和所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元构建相对应的虚拟DBF阵元，得到虚拟DBF阵列中的第二阵元，第五阵元和第八阵元；
所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元依次对应第四阵元，第六阵元，第十阵元和第十五阵元；
第一至第十五阵元组成最终的虚拟DBF阵列。
一种融合DBF测向与干涉仪测向的数字阵列系统，包括：
获取模块，用于获取目标宽带信号，利用当前干涉仪确定目标信号的干涉仪阵列，根据所述干涉仪阵列确定干涉仪阵列阵元间距和干涉仪阵列中的每一个阵元接收信号的相位；
第一确定模块，用于对所述干涉仪阵列阵元间距进行优化，根据优化后的干涉仪阵列阵元间距进行虚拟正元处理，得到虚拟干涉仪；
第二确定模块，用于对阵元接收信号的相位进行稀疏DBF处理，得到虚拟DBF阵列；
测向模块，用于获取目标宽带信号的信噪比，在目标信号的信噪比高于预先确定的信噪比阈值时采用虚拟干涉仪进行测向，在目标宽带信号的信噪比低于该阈值时采用虚拟DBF阵列进行测向
进一步的，所述干涉仪采用三基线四单元线阵干涉仪。
进一步的，所述第一确定模块包括：
优化模块，用于利用智能优化算法优化对所述干涉仪阵列阵元间距进行优化，得出优化后的干涉仪阵列分布；
第一构建模块，用于根据该优化后的干涉仪阵列分布利用虚拟阵元技术构建虚拟干涉仪。
进一步的，所述第二确定模块包括：
阵元确定模块一，用于根据干涉仪第一个阵元接收信号相位φ1和第二个阵元接收信号相位φ2之间相位差获得3×0.6λfmax空间距离对应的第一相位差，根据第一相位差和所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元构建相对应的虚拟DBF阵元，得到虚拟DBF阵列中的第一阵元，第七阵元，第九阵元，第十二阵元和第十三阵元；其中，λfmax为最高信号频率对应的波长；
阵元确定模块二，用于根据相位干涉仪第二个阵元接收信号相位φ2和第三个阵元接收信号相位φ3之间相位差可以获得4×0.6λfmax空间距离对应的第二相位差，根据第二相位差和所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元构建相对应的虚拟DBF阵元，得到虚拟DBF阵列中的第三阵元，第十一阵元和第十四阵元；
阵元确定模块三，用于根据相位干涉仪第三个阵元接收信号相位φ3和第四个阵元接收信号相位φ4之间相位差可以获得5×0.6λfmax空间距离对应的第三相位差，根据第三相位差和所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元构建相对应的虚拟DBF阵元，得到虚拟DBF阵列中的第二阵元，第五阵元和第八阵元；
第二构建模块，用于确定所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元依次对应第四阵元，第六阵元，第十阵元和第十五阵元，通过第一至第十五阵元组成最终的虚拟DBF阵列。
本发明所达到的有益效果：
本发明采用参差基线干涉仪设计，通过稀疏DBF处理和虚拟阵元处理可以实现宽带宽角(±90°)高概率解模糊干涉仪测量的同时，也可实现DBF体制的测向，弥补信噪比低时干涉仪测向性能差的问题，通过稀疏DBF处理，对于干涉仪，灵敏度相对干涉仪提高约5～6dB，同时DBF测向不存在解模糊概率问题，稳定性更好，本发明总体测向性能更优。
附图说明
图1是本发明的融合示意图；
图2是虚拟DBF阵列构造示意图；
图3是本发明干涉仪天线±90°范围解模糊概率；
图4是本发明干涉仪天线±90°范围测向精度；
图5是干涉仪天线±90°范围测向精度(SNR＝9～10dB)；
图6是干涉仪与DBF融合系统信号级仿真(SNR＝3～4dB)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明的基于三基线四单元干涉仪设计通过虚拟基线技术和稀疏DBF处理技术构建虚拟干涉仪和虚拟DBF阵列(15阵元)来实现宽带宽角(±90°)高概率解模糊干涉仪测向和DBF测向，如图1所示，具体方法如下：
对于目标宽带信号，该干涉仪阵列阵元间距为
X＝[3 7 12]×0.6λfmaxλfmax为最高信号频率对应的波长。
第一、通过智能优化算法(粒子群算法)优化得出当干涉仪阵列分布为X＝[3 5.512]×0.6λfmax时，通过虚拟阵元技术构建虚拟干涉仪，使用该基线参差解模糊，相位干涉仪可以实现±90°高概率解模糊测向。
第二、根据稀疏DBF处理技术构建虚拟DBF阵列，如下所示：
构建方法如下图2所示，根据相位干涉仪第一个阵元接收信号相位
Figure BDA0002825835290000051
和第二个阵元接收信号相位
Figure BDA0002825835290000052
之间相位差可以获得3×0.6λfmax空间距离对应的相位差，根据该相位差和相位干涉仪的四个实阵元可以构建相对应的虚拟DBF阵元，即虚拟DBF阵列中的阵元1，阵元7，阵元9，阵元12和阵元13。根据相位干涉仪第二个阵元接收信号相位
Figure BDA0002825835290000053
和第三个阵元接收信号相位
Figure BDA0002825835290000054
之间相位差可以获得4×0.6λfmax空间距离对应的相位差，根据该相位差和相位干涉仪的四个实阵元可以构建相对应的虚拟DBF阵元，即虚拟DBF阵列中的阵元3，阵元11和阵元14。根据相位干涉仪第三个阵元接收信号相位
Figure BDA0002825835290000055
和第四个阵元接收信号相位
Figure BDA0002825835290000056
之间相位差可以获得5×0.6λfmax空间距离对应的相位差，根据该相位差和相位干涉仪的四个实阵元可以构建相对应的虚拟DBF阵元，即虚拟DBF阵列中的阵元2，阵元5和阵元8。
以三基线四单元线阵干涉仪系统为例，布阵采用优化后的结果布阵，该三基线优化设计结果为：
X＝[3 7 12]×0.6λfmax
通过虚拟基线构建，实际参差解模糊使用基线为：
X＝[3 5.5 12]×0.6λfmax
系统采用干涉仪测向时，分别以SNR＝12、16及20dB时检测概率、解模糊错误次数及测角精度仿真分析结果如图3和图4所示，能够得出：
通过优化设计的干涉仪天线阵采用3基线4单元参差布阵天线阵，具体性能参数如下表所示：
Figure BDA0002825835290000061
采用稀疏DBF处理技术构建的DBF阵列为：15单元稀疏阵列或11单元常规线阵，通过同时数字多波束或阵列信号处理技术可实现宽角宽带DBF测向。
两种体制同时测向时测向精度信号级仿真如图5和6所示，通过信号级仿真可以发现，当信噪比SNR＝9～10dB时，干涉仪系统因解模糊概率问题将出现错误测向结果，而本发明的方法稳定可靠，当信噪比SNR＝3～4dB时，干涉仪系统因解模糊概率问题将出现大量错误测向结果，而本发明的方法仍然稳定可靠。
综上，本发明的在目标信号SNR高于阈值9dB时采用虚拟干涉仪进行测向，在信噪比不高于阈值9dB时采用虚拟DBF测向体制。
相应的本发明还提供一种融合DBF测向与干涉仪测向的数字阵列系统，包括：
获取模块，用于获取目标宽带信号，利用当前干涉仪确定目标信号的干涉仪阵列，根据所述干涉仪阵列确定干涉仪阵列阵元间距和干涉仪阵列中的每一个阵元接收信号的相位；
第一确定模块，用于对所述干涉仪阵列阵元间距进行优化，根据优化后的干涉仪阵列阵元间距进行虚拟正元处理，得到虚拟干涉仪；
第二确定模块，用于对阵元接收信号的相位进行稀疏DBF处理，得到虚拟DBF阵列；
测向模块，用于获取目标宽带信号的信噪比，在目标信号的信噪比较高时采用虚拟干涉仪进行测向，在目标宽带信号的信噪比较低时采用虚拟DBF阵列进行测向。
所述干涉仪采用三基线四单元线阵干涉仪。
所述第一确定模块包括：
优化模块，用于利用智能优化算法优化对所述干涉仪阵列阵元间距进行优化，得出优化后的干涉仪阵列分布；
第一构建模块，用于根据该优化后的干涉仪阵列分布利用虚拟阵元技术构建虚拟干涉仪。
所述第二确定模块包括：
阵元确定模块一，用于根据干涉仪第一个阵元接收信号相位φ1和第二个阵元接收信号相位φ2之间相位差获得3×0.6λfmax空间距离对应的第一相位差，根据第一相位差和所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元构建相对应的虚拟DBF阵元，得到虚拟DBF阵列中的第一阵元，第七阵元，第九阵元，第十二阵元和第十三阵元；
阵元确定模块二，用于根据相位干涉仪第二个阵元接收信号相位φ2和第三个阵元接收信号相位φ3之间相位差可以获得4×0.6λfmax空间距离对应的第二相位差，根据第二相位差和所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元构建相对应的虚拟DBF阵元，得到虚拟DBF阵列中的第三阵元，第十一阵元和第十四阵元；
阵元确定模块三，用于根据相位干涉仪第三个阵元接收信号相位φ3和第四个阵元接收信号相位φ4之间相位差可以获得5×0.6λfmax空间距离对应的第三相位差，根据第三相位差和所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元构建相对应的虚拟DBF阵元，得到虚拟DBF阵列中的第二阵元，第五阵元和第八阵元；
第二构建模块，用于确定所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元依次对应第四阵元，第六阵元，第十阵元和第十五阵元，通过第一至第十五阵元组成最终的虚拟DBF阵列。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种融合DBF测向与干涉仪测向的数字阵列方法，其特征在于，包括：
获取目标宽带信号，利用当前干涉仪确定目标信号的干涉仪阵列，根据所述干涉仪阵列确定干涉仪阵列阵元间距和干涉仪阵列中的每一个阵元接收信号的相位；
对所述干涉仪阵列阵元间距进行优化，根据优化后的干涉仪阵列阵元间距进行虚拟正元处理，得到虚拟干涉仪；
对阵元接收信号的相位进行稀疏DBF处理，得到虚拟DBF阵列；
获取目标宽带信号的信噪比，在目标信号的信噪比高于预先确定的信噪比阈值时采用虚拟干涉仪进行测向，在目标宽带信号的信噪比低于该阈值时采用虚拟DBF阵列进行测向。
2.根据权利要求1所述的融合DBF测向与干涉仪测向的数字阵列方法，其特征在于，所述干涉仪采用三基线四单元线阵干涉仪。
3.根据权利要求2所述的融合DBF测向与干涉仪测向的数字阵列方法，其特征在于，所述对所述干涉仪阵列阵元间距进行优化，根据优化后的干涉仪阵列阵元间距进行虚拟正元处理，得到虚拟干涉仪的过程包括：
利用智能优化算法优化对所述干涉仪阵列阵元间距进行优化，得出优化后的干涉仪阵列分布，根据该优化后的干涉仪阵列分布利用虚拟阵元技术构建虚拟干涉仪。
4.根据权利要求2所述的融合DBF测向与干涉仪测向的数字阵列方法，其特征在于，所述对阵元接收信号的相位进行稀疏DBF处理，得到虚拟DBF阵列的过程包括：
根据干涉仪第一个阵元接收信号相位φ 1和第二个阵元接收信号相位φ 2之间相位差获得3×0.6λfmax空间距离对应的第一相位差，根据第一相位差和所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元构建相对应的虚拟DBF阵元，得到虚拟DBF阵列中的第一阵元，第七阵元，第九阵元，第十二阵元和第十三阵元；其中，λfmax为最高信号频率对应的波长；
根据相位干涉仪第二个阵元接收信号相位φ 2和第三个阵元接收信号相位φ 3之间相位差可以获得4×0.6λfmax空间距离对应的第二相位差，根据第二相位差和所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元构建相对应的虚拟DBF阵元，得到虚拟DBF阵列中的第三阵元，第十一阵元和第十四阵元；
根据相位干涉仪第三个阵元接收信号相位φ 3和第四个阵元接收信号相位φ 4之间相位差可以获得5×0.6λfmax空间距离对应的第三相位差，根据第三相位差和所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元构建相对应的虚拟DBF阵元，得到虚拟DBF阵列中的第二阵元，第五阵元和第八阵元；
所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元依次对应第四阵元，第六阵元，第十阵元和第十五阵元；
第一至第十五阵元组成最终的虚拟DBF阵列。
5.一种融合DBF测向与干涉仪测向的数字阵列系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取目标宽带信号，利用当前干涉仪确定目标信号的干涉仪阵列，根据所述干涉仪阵列确定干涉仪阵列阵元间距和干涉仪阵列中的每一个阵元接收信号的相位；
第一确定模块，用于对所述干涉仪阵列阵元间距进行优化，根据优化后的干涉仪阵列阵元间距进行虚拟正元处理，得到虚拟干涉仪；
第二确定模块，用于对阵元接收信号的相位进行稀疏DBF处理，得到虚拟DBF阵列；
测向模块，用于获取目标宽带信号的信噪比，在目标信号的信噪比高于预先确定的信噪比阈值时采用虚拟干涉仪进行测向，在目标宽带信号的信噪比低于该阈值时采用虚拟DBF阵列进行测向。
6.根据权利要求5所述的融合DBF测向与干涉仪测向的数字阵列系统，其特征在于，所述干涉仪采用三基线四单元线阵干涉仪。
7.根据权利要求6所述的融合DBF测向与干涉仪测向的数字阵列系统，其特征在于，所述第一确定模块包括：
优化模块，用于利用智能优化算法优化对所述干涉仪阵列阵元间距进行优化，得出优化后的干涉仪阵列分布；
第一构建模块，用于根据该优化后的干涉仪阵列分布利用虚拟阵元技术构建虚拟干涉仪。
8.根据权利要求6所述的融合DBF测向与干涉仪测向的数字阵列系统，其特征在于，所述第二确定模块包括：
阵元确定模块一，用于根据干涉仪第一个阵元接收信号相位φ 1和第二个阵元接收信号相位φ 2之间相位差获得3×0.6λfmax空间距离对应的第一相位差，根据第一相位差和所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元构建相对应的虚拟DBF阵元，得到虚拟DBF阵列中的第一阵元，第七阵元，第九阵元，第十二阵元和第十三阵元；其中，λfmax为最高信号频率对应的波长；
阵元确定模块二，用于根据相位干涉仪第二个阵元接收信号相位φ 2和第三个阵元接收信号相位φ 3之间相位差可以获得4×0.6λfmax空间距离对应的第二相位差，根据第二相位差和所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元构建相对应的虚拟DBF阵元，得到虚拟DBF阵列中的第三阵元，第十一阵元和第十四阵元；
阵元确定模块三，用于根据相位干涉仪第三个阵元接收信号相位φ 3和第四个阵元接收信号相位φ 4之间相位差可以获得5×0.6λfmax空间距离对应的第三相位差，根据第三相位差和所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元构建相对应的虚拟DBF阵元，得到虚拟DBF阵列中的第二阵元，第五阵元和第八阵元；
第二构建模块，用于确定所述三基线四单元线阵干涉仪的四个实阵元依次对应第四阵元，第六阵元，第十阵元和第十五阵元，通过第一至第十五阵元组成最终的虚拟DBF阵列。
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