CN114035149B

CN114035149B - 一种提升干涉仪测向系统灵敏度的方法

Info

Publication number: CN114035149B
Application number: CN202111237865.6A
Authority: CN
Inventors: 哈章; 胡春江; 李和平; 王兵; 卓沛; 王磊; 黎伟; 彭祖国
Original assignee: CETC 29 Research Institute
Current assignee: CETC 29 Research Institute
Priority date: 2021-10-25
Filing date: 2021-10-25
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2041-10-25
Also published as: CN114035149A

Abstract

本发明公开了一种提升干涉仪测向系统灵敏度的方法，包括步骤：S1，对相位干涉仪接收系统接收到的信号进行频率、幅度、方位的测量，获取频域参数检测灵敏度；S2，根据测量得到的频率和方位进行数字波束合成；S3，使用波束合成的结果进行到达时间和脉宽的测量，获取时域参数检测灵敏度。本发明通过将干涉仪系统各个通道的接收信号进行数字波束合成，改善接收信号的信噪比，从而提升时域参数的检测灵敏度，最终达到提升系统灵敏度的目的。

Description

一种提升干涉仪测向系统灵敏度的方法

技术领域

本发明涉及无源测向技术领域，更为具体的，涉及一种提升干涉仪测向系统灵敏度的方法。

背景技术

相位干涉仪测向技术是通过测量信号在各接收阵元间的相位差，再进行相关解算来得到信号的方位角。由于相位干涉仪测向技术具有测向精度高、测向速度快、设备组成简单等特点，因此在电子侦察领域得到了广泛的应用。

电子侦察系统通常需要对目标信号的频率、幅度、方位、到达时间、脉宽等参数进行测量，其系统灵敏度定义为以上5个参数的测量误差都满足指标要求的最小信号功率。对于目前基于数字信号处理的电子侦察系统，信号频率、幅度、各接收阵元间的相位差通常是在做FFT计算之后的频域进行提取，因此频率、幅度、方位测量的灵敏度取决于频域检测灵敏度。为了获得较高的频域检测灵敏度，系统通常采用较大点数的FFT来获取较小的处理带宽，但同时也导致到达时间和脉宽这两个参数无法在频域准确测量。为了提高到达时间和脉宽的测量精度，通常会基于频率测量结果进行窄带滤波，将信号从噪声中滤出来再在时域进行测量，这个窄带滤波器的带宽需要略大于信号带宽，以确保信号脉冲不被截断。为了兼顾常见信号，这个窄带滤波器的带宽通常是频域处理带宽的数倍，因此导致时域检测灵敏度低于频域，最终系统灵敏度受限于到达时间和脉宽的检测灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提升干涉仪测向系统灵敏度的方法，通过将干涉仪系统各个通道的接收信号进行数字波束合成，改善接收信号的信噪比，从而提升时域参数的检测灵敏度，最终达到提升系统灵敏度的目的。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种提升干涉仪测向系统灵敏度的方法，包括步骤：

S1，对相位干涉仪接收系统接收到的信号进行频率、幅度、方位的测量；

S2，根据测量得到的频率和方位进行数字波束合成；

S3，使用波束合成的结果进行到达时间和脉宽的测量。

进一步地，在步骤S1中，包括步骤：

S11，设定所述相位干涉仪接收系统的干涉仪阵元数为n，第1通道为主通道，各个从通道与主通道的阵元间距分别为d₁、d₂、……、d_n-1；

S12，对n个接收通道的AD数据，分别按节拍进行FFT变换，针对主通道进行频率、幅度测量，并测量n-1个从通道相对于主通道的相位差，再根据相位差值计算信号方位；以上三个参数都是在FFT之后的频域进行提取，其频域参数检测灵敏度为P_r1：

P_r1＝-114+10lg(B)+NF+SNR (1)

式(1)中，B为频域处理带宽，NF为系统噪声系数，SNR为检测信噪比。

进一步地，在步骤S2中，包括子步骤：

S21，对于每个阵元，按照下式进行阵因子计算：

式(2)中，d_i为该通道与主通道的阵元间距，f为测量得到的频率，θ为测量得到的方位，c为光速；

S22，将各个通道的FFT数据与对应的阵因子相乘，再把得到的乘积相加，得到波束合成后的频谱。

进一步地，在步骤S3中，包括子步骤：

S31，以测量得到的信号频率f为中心，在波束合成后的频谱中选取m个频点，其余频点置零，然后进行IFFT变换，得到时域波形；

S32，到达时间和脉宽在波束合成数据的时域波形上进行测量，其时域参数检测灵敏度为：

P_r2＝-114+10lg(mB)+NF+SNR-10lg(n) (3)

S33，最终的干涉仪测向系统系统灵敏度为式(1)和式(3)中的较大者；当m<时，系统灵敏度由式(1)所示频域参数检测灵敏度决定，反之则由式(3)所示时域参数检测灵敏度决定。

进一步地，m的选择依据是使得mB大于可能遇到的最大信号带宽。

本发明的有益效果包括：

针对相位干涉仪测向系统的灵敏度通常受限于时域参数(即到达时间和脉宽)检测灵敏度的问题，本发明实施例提出了一种提升干涉仪测向系统灵敏度的方法。即在实施例中首先在频域进行频率和方位的测量，然后根据测得的频率和方位进行数字波束合成，从而改善接收信号的信噪比，最后在波束合成数据上进行到达时间按和脉宽的测量，从而提升了时域参数的检测灵敏度，达到提升系统灵敏度的目的。该实施例方法基于各接收通道已经计算得到的FFT数据，并且仅在测得的频率和方位进行数字波束合成计算，因此计算资源消耗较少，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n元干涉仪测向原理示意图，图中θ为信号入射角，4个天线阵元组成3条基线，长度分别为d₁₂、d₂₃、d₃₄，总基线长度为d₁₄；

图2为频域数字波束合成方法流程示意图，将各个通道的FFT数据与对应的阵因子相乘，再把得到的乘积相加，得到波束合成后的频谱；

图3为干涉仪测向系统4个通道接收到的原始信号波形图，信号频率为5GHz，信号入射角为20°，信噪比为-6dB，信号已完全淹没在噪声中；

图4为干涉仪测向系统4个通道接收信号的中频频谱波形图，信号功率约49dB，噪声功率峰值约38dB；

图5为波束合成后的频谱与原始频谱的对比图，从图5中可以看出，波束合成后的信号功率约58dB，上涨了约9dB，噪声功率峰值约42dB，上涨了约4dB，最终信噪比改善约5dB；

图6为经过窄带滤波之后的信号波形图，滤波带宽为5倍频域处理带宽；

图7为经过窄带滤波之后的信号包络图，即对图6进行检波的结果。可以看出，基于通道1的信号包络已严重变形，无法正确测量脉宽；而波束合成得到的信号包络更好地保留了信号脉冲形状，有利于正确测量脉宽。

图8为本发明的方法步骤流程图。

具体实施方式

本说明书中所有实施例公开的所有特征，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。

实施例1

如图8所示，一种提升干涉仪测向系统灵敏度的方法，包括步骤：

S2，根据测量得到的频率和方位进行数字波束合成；

S3，使用波束合成的结果进行到达时间和脉宽的测量。

实施例2

在实施例1的基础上，在步骤S1中，包括步骤：

P_r1＝-114+10lg(B)+NF+SNR (1)

实施例3

在实施例2的基础上，在步骤S2中，包括子步骤：

S21，对于每个阵元，按照下式进行阵因子计算：

实施例4

在实施例3的基础上，在步骤S3中，包括子步骤：

P_r2＝-114+10lg(mB)+NF+SNR-10lg(n) (3)

实施例5

在实施例4的基础上，m的选择依据是使得mB大于遇到的最大信号带宽。

在实施例1的基础上的其他实施例中，包括以下步骤：

1)根据系统指标需求构建相位干涉仪接收系统，干涉仪阵元数为n，假定第1通道为主通道，各个从通道与主通道的阵元间距分别为d₁、d₂、……、d_n-1，如图1所示。

2)对接收到的信号进行频率、幅度、方位的测量。对n个接收通道的AD数据，分别按节拍进行FFT变换，针对主通道进行频率、幅度测量，并测量n-1个从通道相对于主通道的相位差，再根据相位差值计算信号方位。

以上三个参数都是在FFT之后的频域进行提取，其频域参数检测灵敏度为：

P_r1＝-114+10lg(B)+NF+SNR (1)

式中，B为频域处理带宽，NF为系统噪声系数，SNR为检测信噪比。

3)根据测量得到的频率和方位进行数字波束合成。对于每个阵元，按照下式进行阵因子计算：

式中，d_i为该通道与主通道的阵元间距，f为测量得到的频率，θ为测量得到的方位，c为光速。

将各个通道的FFT数据与对应的阵因子相乘，再把得到的乘积相加，得到波束合成后的频谱，运算方法如图2所示。波束合成后的频谱信噪比理论上将提升10lg(n)。

4)使用波束合成的结果进行到达时间和脉宽的测量。以测量得到的信号频率f为中心，在波束合成后的频谱中选取m个频点，其余频点置零，然后进行IFFT变换，得到时域波形。m的选择依据是使得mB略大于可能遇到的最大信号带宽。该操作相当于对信号进行了带宽为mB的窄带滤波。

到达时间和脉宽是在波束合成数据的时域波形上进行测量，其时域参数检测灵敏度为：

P_r2＝-114+10lg(mB)+NF+SNR-10lg(n) (3)

最终，系统灵敏度为式(1)和式(3)中的较大者。当m<时，系统灵敏度由式(1)所示频域参数检测灵敏度决定，反之则由式(3)所示时域参数检测灵敏度决定。

对于传统的干涉仪测向系统，其时域参数检测灵敏度必然低于频域参数检测灵敏度，因此其系统灵敏度完全取决于时域参数检测灵敏度，取值为：

P_r＝-114+10lg(mB)+NF+SNR (4)

对比式(1)、(3)、(4)可知，当m<时本发明实施例的系统灵敏度提升了10lg(m)，反之则提升了10lg(n)，皆可实现对传统干涉仪测向系统的灵敏度改善。

如何在干涉仪测向系统中提升到达时间和脉宽的检测灵敏度，从而提升整个系统的灵敏度，即为本发明所要解决的主要技术问题。本发明基于实施例1的其他实施例中，又例如，以4元干涉仪为例进行说明，执行如下步骤：

1)根据系统指标构建4元干涉仪接收系统，3个从通道与主通道的阵元间距分别为d₁、d₂、d₃。以信号频率5GHz、信号方位20°、信噪比-6dB为例，4个通道接收到的原始信号波形如图3所示，此时信号已完全淹没在噪声中。

2)对4个接收通道的原始数据进行FFT变换，并进行频率、幅度、方位的测量。4个通道的中频频谱波形如图4所示，测得频率为5.0016GHz，方位为20.2°，基本与设定值相符。

3)使用前一步测得的频率和方位进行数字波束合成，合成后的频谱波形如图5所示，从图5中可以看出，信号功率上涨了约10dB，噪声功率上涨了约5dB，信噪比改善约5dB，接近于6dB的理论改善值。

4)以测量得到的频率为中心，在频谱数据中选取m＝5个频点，经IFFT变换得到时域波形，如图6所示。再对时域波形进行检波得到信号包络，如图7所示。可以看出，经过波束合成的信号具有更优的信噪比，4个原始通道的信号包络在测量脉宽时将出现较大误差，导致时域检测灵敏度下降，而使用波束合成后的信号包络可以较准确地测量出信号脉宽，从而提升时域检测灵敏度，达到提升整个干涉仪测向系统灵敏度的目的。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种提升干涉仪测向系统灵敏度的方法，其特征在于，包括步骤：

S1，对相位干涉仪接收系统接收到的信号进行频率和幅度和方位的测量；在步骤S1中，包括步骤：

P_r1＝-114+10lg(B)+NF+SNR(1)

式(1)中，B为频域处理带宽，NF为系统噪声系数，SNR为检测信噪比；

S2，根据测量得到的频率和方位进行数字波束合成；在步骤S2中，包括子步骤：

S21，对于每个阵元，按照下式进行阵因子计算：

S22，将各个通道的FFT数据与对应的阵因子相乘，再把得到的乘积相加，得到波束合成后的频谱；

S3，使用波束合成的结果进行到达时间和脉宽的测量；在步骤S3中，包括子步骤：

P_r2＝-114+10lg(mB)+NF+SNR-10lg(n)(3)

S33，最终的干涉仪测向系统系统灵敏度为式(1)和式(3)中的较大者；当m＜n时，系统灵敏度由式(1)所示频域参数检测灵敏度决定，反之则由式(3)所示时域参数检测灵敏度决定。

2.根据权利要求1所述的提升干涉仪测向系统灵敏度的方法，其特征在于，m的选择依据是使得mB大于遇到的最大信号带宽。