CN114234904B - 一种基于透镜多波束天线的测角方法、系统及介质 - Google Patents

一种基于透镜多波束天线的测角方法、系统及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于透镜多波束天线的测角方法，包括如下步骤：基于透镜多波束天线构建三维坐标系，且该三维坐标系的原点为O；获取接收通道采集的天线波束数据；通过比幅算法算得原点O到天线波束中多个点N1、N2……Nn之间的相对角位置参数Kn1、Kn2……Knn。一种透镜多波束天线的测角系统。一种计算机可读存储介质。本发明提供了基于透镜多波束天线的测角方法和系统，利用目标信号的比幅法、多点定位的直接法、迭代法进行巧妙的等效转化与结合，实现了基于透镜多波束天线的无源测角方法设计，有利于透镜多波束天线的推广应用，作为相控阵天线的有力补充，能够适应更多的应用场景，可以产生更大的效果。

Description

一种基于透镜多波束天线的测角方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及通信天线技术领域，具体涉及一种基于透镜多波束天线的测角方法、系统及介质。
背景技术
在侦察领域，透镜多波束天线相较于相控阵天线，最大的缺点是测角难。
针对不同的应用环境，而结构共形的要求下，透镜多波束天线可以作为相控阵天线的有力补充，有针对性的基于透镜多波束天线进行测角方法设计及工程实现具有非常重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是透镜多波束天线测角难，目的在于提供一种基于透镜多波束天线的测角方法，以使得透镜多波束天线测角变得容易。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于透镜多波束天线的测角方法，包括如下步骤：
基于透镜多波束天线构建三维坐标系，且该三维坐标系的原点为O；
获取接收通道采集的天线波束数据，且在天线波束中选定多个点N1、N2……Nn，且多个点分别位于对应波束中心轴线位置；
通过比幅算法算得原点O到天线波束中多个点N1、N2……Nn之间的相对角位置参数Kn1、Kn2……Knn；
根据多个点N1、N2……Nn之间的相对角位置参数Kn1、Kn2……Knn，将多个点N1、N2……Nn进行角度信息处理及误差补偿处理，并输出多个点N1、N2……Nn的三维坐标和相互之间的相对角度；
根据多个点N1、N2……Nn的三维坐标和相互之间的相对角度进行角度信息转换处理，并输出多个点N1、N2……Nn的方位角α1、α2……αn和俯仰角β1、β2……βn。
在一些实施方式中，所述步骤获取接收通道采集的天线波束数据，且在天线波束中选定多个点N1、N2……Nn中包括如下子步骤：
将天线波束数据形成的采集数据进行缓存处理；
将缓存处理的采集数据进行接收通道增益修正，形成增益更强的天线波束；
在所述增益更强的天线波束中选定多个点N1、N2……Nn。
在一些实施方式中，所述步骤将天线波束数据形成的采集数据进行缓存处理中包括如下子步骤：
将主通道采集数据进行缓存处理；
将测角接收通道采集数据进行缓存处理。
在一些实施方式中，所述步骤获取接收通道采集的天线波束数据，且在天线波束中选定多个点N1、N2……Nn中选定的点为3个，且选定的3个点为相邻波束中心轴线位置，并呈三角形排布。
一种透镜多波束天线的测角系统，包括：
数据采集模块，所述数据采集模块用于采集接收到的信号数据；
增益补偿模块，所述增益补偿模块用于将接收到的信号数据进行增益补偿处理；
基础计算模块，所述计算模块用于构建基于透镜多波束天线位置的三维坐标系；
比幅算法模块，所述比幅算法模块用于通过比幅算法得到目标在各中心线方向的偏离值；
精确计算算法模块，所述精确计算算法模块用于通过比幅算法计算结果等效为多点定位算法，并采用直接法加迭代法进行对目标的精确测角。
在一些实施方式中，还包括接收机，且所述接收机用于接收天线信号。
在一些实施方式中，所述数据采集模块包括主通道数据采集模块和测角接收通道数据采集模块。
在一些实施方式中，所述增益补偿模块为两个，分别连接于所述主通道数据采集模块和测角接收通道数据采集模块。
一种透镜多波束天线的测角系统，包括用于执行上述的方法的单元。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时，使所述处理器执行上述的方法。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提供了基于透镜多波束天线的测角方法和系统，利用目标信号的比幅法、多点定位的直接法、迭代法进行巧妙的等效转化与结合，实现了基于透镜多波束天线的无源测角方法设计，有利于透镜多波束天线的推广应用，作为相控阵天线的有力补充，能够适应更多的应用场景，可以产生更大的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为本发明一实施例中透镜天线坐标系示意图；
图2为本发明一实施例中测角归一化坐标示意图；
图3为本发明一实施例中天线基本单元量化示意图；
图4-1到4-3为本发明一实施例中测角算法示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
一种基于透镜多波束天线的测角方法，包括如下步骤：
S100、基于透镜多波束天线构建三维坐标系，且该三维坐标系的原点为O。
本步骤中进行坐标系建立，便于后续对点的和线的定位及运算。
S200、获取接收通道采集的天线波束数据，且在天线波束中选定多个点N1、N2……Nn，且多个点分别位于对应波束中心轴线位置。
本步骤中根据天线波束数据数据情况来选定点，以进行计算。
S300、通过比幅算法算得原点O到天线波束中多个点N1、N2……Nn之间的相对角位置参数Kn1、Kn2……Knn。
本步骤中通过比幅算法获取各个点到坐标原点之间连线的相对角位置参数，以便于后续计算。
S400、根据多个点N1、N2……Nn之间的相对角位置参数Kn1、Kn2……Knn，将多个点N1、N2……Nn进行角度信息处理及误差补偿处理，并输出多个点N1、N2……Nn的三维坐标和相互之间的相对角度。
本步骤中，将获取的相对角位置参数进行角度信息处理及误差补偿处理，以达到更加准确的计算结果。
S500、根据多个点N1、N2……Nn的三维坐标和相互之间的相对角度进行角度信息转换处理，并输出多个点N1、N2……Nn的方位角α1、α2……αn和俯仰角β1、β2……βn。
本步骤中，通过数学计算，形成各个点的方位角和俯仰角。
在一些实施方式中，所述步骤S200中包括如下子步骤：
S210、将天线波束数据形成的采集数据进行缓存处理。
本步骤中，将天线波束数据进行缓存处理，以便于后续采用。
S220、将缓存处理的采集数据进行接收通道增益修正，形成增益更强的天线波束。
本步骤中，通过将采集数据进行增益修正，以保证信号数据的强度，进而保证计算效果。
S230、在所述增益更强的天线波束中选定多个点N1、N2……Nn。
在一些实施方式中，所述步骤S210中包括如下子步骤：
S211、将主通道采集数据进行缓存处理。
本步骤中，将主通道采集数据进行缓存处理，以便于后续进行采用和处理。
S212、将测角接收通道采集数据进行缓存处理。
本步骤中，将测角接收通道采集数据进行缓存处理，以便于后续进行采用和处理。
在一些实施方式中，所述步骤获取接收通道采集的天线波束数据，且在天线波束中选定多个点N1、N2……Nn中选定的点为3个，即为图中的A、B和C三点。选定的3个点为相邻波束中心轴线位置，并呈三角形排布。
如图1所述OA为透镜天线某波束中心，其方位、俯仰分别为：α1，β1。
如图1所示，截取OA为1，则A的坐标(x1,y1,z1)为天线波束的中心轴线A的天线坐标：
z1＝cosβ1,y1＝cosα1sinβ1,x1＝sinα1sinβ1；
同理，B的坐标(x2,y2,z2),C的坐标(x3,y3,z3)；
则有：
z2＝cosβ2,y2＝cosα2sinβ2,x2＝sinα2sinβ2；
z3＝cosβ3,y3＝cosα3sinβ3,x3＝sinα3sinβ3。
如图2所示，设A、B、C分别为透镜多波束天线中三个波束中心轴线位置，需要通过比幅算法得到目标在AB、AC方向的偏离值a、b、c。
如图2所示，△ABC为归一化的等边三角形，A、B、C为三个相邻波束的中心轴线；T为坐标原点；O为目标来波在△ABC上的投影点。
如图4-1到4-3所示，根据高斯函数拟合天线方向图的主瓣，设相邻两波束A、B的方向图函数分别为：
Figure BDA0003415872240000051
在测角信息处理过程中，在对两路接收机增益进行补偿之后，目标的角位置函数:
Figure BDA0003415872240000052
式中
Figure BDA0003415872240000053
为常数，通过比幅算法得到k1(θ)的实测值，进而求出角位置信息θ，根据整付天线的坐标规划，通过得到的角位置信息θ换算出如图3中所示的θ'和θ”。
根据计算或实测的天线方向图，可以绘出F2(θ)/F1(θ)和F3(θ)/F1(θ)随角度θ变化的曲线，如图3所示，实际测角过程中把基本单元角度范围(θ1～θ2、θ1～θ3)分成±2k个角度区间，中的实心黑点则代表角度信息取样点。
如图3所示，△ABC近似为三角形。
设
Figure BDA0003415872240000054
向量
Figure BDA0003415872240000055
夹角设为α，
Figure BDA0003415872240000056
如果任意角，
Figure BDA0003415872240000057
可以求出：
同理可求出ρ2,ρ3，任意选取三角形区域中一点为作为测角参考点
Figure BDA0003415872240000058
可求出测角参考点与A、B、C之间的距离为：
Figure BDA0003415872240000059
设O的真实坐标为：(xu,yu,zu)，其与测角参考点的关系为：
Figure BDA00034158722400000510
Figure BDA00034158722400000511
根据Talyer公式展开：
Figure BDA0003415872240000061
Figure BDA0003415872240000062
Figure BDA0003415872240000063
令
Figure BDA0003415872240000064
则有ΔX＝H-1Δρ，可以算出来波方向为：
Figure BDA0003415872240000065
根据天线坐标系的定义可将直角坐标系中(x,y,z)转换为方位角α、俯仰角β：
Figure BDA0003415872240000066
从而得到目标角度。
若将公式1得出的目标点作为新的测角参考点，进行多次迭代处理，可使处理精度进一步提高。
一种透镜多波束天线的测角系统，包括：
数据采集模块，所述数据采集模块用于采集接收到的信号数据；
增益补偿模块，所述增益补偿模块用于将接收到的信号数据进行增益补偿处理；
基础计算模块，所述计算模块用于构建基于透镜多波束天线位置的三维坐标系；
比幅算法模块，所述比幅算法模块用于通过比幅算法得到目标在各中心线方向的偏离值；
精确计算算法模块，所述精确计算算法模块用于通过比幅算法计算结果等效为多点定位算法，并采用直接法加迭代法进行对目标的精确测角。
在一些实施方式中，还包括接收机，且所述接收机用于接收天线信号。
在一些实施方式中，所述数据采集模块包括主通道数据采集模块和测角接收通道数据采集模块。
在一些实施方式中，所述增益补偿模块为两个，分别连接于所述主通道数据采集模块和测角接收通道数据采集模块。
一种透镜多波束天线的测角系统，包括用于执行如上述方法的单元。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时，使所述处理器执行上述方法。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于透镜多波束天线的测角方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于透镜多波束天线构建三维坐标系，且该三维坐标系的原点为T；
获取接收通道采集的天线波束数据，且在天线波束中选定多个点
Figure 8945DEST_PATH_IMAGE001
，且多个点分别位于对应波束中心轴线位置；
所述获取接收通道采集的天线波束数据，且在天线波束中选定多个点
Figure 464066DEST_PATH_IMAGE002
的步骤中，选定的点为3个，且选定的3个点为相邻波束中心轴线位置，并呈三角形排布；
通过比幅算法算得原点T到天线波束中多个点
Figure 190714DEST_PATH_IMAGE003
之间的相对角位置参数
Figure 89400DEST_PATH_IMAGE004
；
根据多个点
Figure 799867DEST_PATH_IMAGE003
之间的相对角位置参数
Figure 793099DEST_PATH_IMAGE004
，将多个点
Figure 905412DEST_PATH_IMAGE003
进行角度信息处理及误差补偿处理，并输出多个点
Figure 506158DEST_PATH_IMAGE003
的三维坐标和相互之间的相对角度；
根据多个点
Figure 703921DEST_PATH_IMAGE003
的三维坐标和相互之间的相对角度进行角度信息转换处理，并输出多个点
Figure 251577DEST_PATH_IMAGE003
的方位角
Figure 470593DEST_PATH_IMAGE005
和俯仰角
Figure 445502DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，所述选定的3个点分别为A、B和C三点，所述3个点为相邻波束中心轴线位置，并呈三角形排布，TA为透镜天线某波束中心，其方位角和俯仰角分别为
Figure 864982DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 13067DEST_PATH_IMAGE008
；
截取TA为1，则A的坐标
Figure 834392DEST_PATH_IMAGE009
为天线波束的中心轴线A的天线坐标：
Figure 229470DEST_PATH_IMAGE010
同理，B的坐标
Figure 136247DEST_PATH_IMAGE011
,C的坐标
Figure 822443DEST_PATH_IMAGE012
；
则有：
Figure 763854DEST_PATH_IMAGE013
所述A、B、C分别为透镜多波束天线中三个波束中心轴线位置，需要通过比幅算法得到目标在AB、AC方向的偏离值a、b、c、d；
△ABC为归一化的等边三角形，A、B、C为三个相邻波束的中心轴线，O为目标来波在△ABC上的投影点；
根据高斯函数拟合天线方向图的主瓣，确定相邻两波束A、B的方向图函数分别为：
Figure 346145DEST_PATH_IMAGE014
在测角信息处理过程中，在对两路接收机增益进行补偿之后，得到目标的角位置函数:
Figure 723906DEST_PATH_IMAGE015
式中
Figure 417055DEST_PATH_IMAGE016
为常数，通过比幅算法得到
Figure 744131DEST_PATH_IMAGE017
的实测值，进而确定角位置信息
Figure 497324DEST_PATH_IMAGE018
，根据整付天线的坐标规划，通过得到的角位置信息
Figure 113113DEST_PATH_IMAGE019
换算出
Figure 859221DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 306383DEST_PATH_IMAGE021
；
获取三角形三点分别到坐标原点T的向量，
Figure 964897DEST_PATH_IMAGE022
根据三角形三点分别到坐标原点T的向量确定向量
Figure 333561DEST_PATH_IMAGE023
，并计算
Figure 102934DEST_PATH_IMAGE023
Figure 670182DEST_PATH_IMAGE024
夹角
Figure 751795DEST_PATH_IMAGE025
，根据夹角
Figure 607755DEST_PATH_IMAGE025
获得：
Figure 180819DEST_PATH_IMAGE026
投影点O到A、B、C三点的距离分别为
Figure 540256DEST_PATH_IMAGE027
；
可以求出：
Figure 602890DEST_PATH_IMAGE028
同理可求出
Figure 929835DEST_PATH_IMAGE029
，任意选取三角形区域中一点作为测角参考点
Figure 306590DEST_PATH_IMAGE030
可求出测角参考点与A、B、C之间的距离为：
Figure 786113DEST_PATH_IMAGE031
设目标来波在△ABC上的投影点O的真实坐标为：
Figure 19648DEST_PATH_IMAGE032
，其与测角参考点的关系为：
Figure 584622DEST_PATH_IMAGE033
得到投影点O与A、B、C之间的实际距离为：
Figure 748756DEST_PATH_IMAGE031
根据Talyer公式展开，
Figure 82785DEST_PATH_IMAGE034
Figure 487222DEST_PATH_IMAGE035
Figure 539491DEST_PATH_IMAGE036
令
Figure 992469DEST_PATH_IMAGE037
获得
Figure 695852DEST_PATH_IMAGE038
,计算出来波方向为：
Figure 474452DEST_PATH_IMAGE039
根据天线坐标系的定义可将直角坐标系中(x,y,z)转换为方位角
Figure 810756DEST_PATH_IMAGE040
、俯仰角
Figure 333004DEST_PATH_IMAGE041
：
Figure 376046DEST_PATH_IMAGE042
从而得到目标来波的角度。
2.根据权利要求1所述的基于透镜多波束天线的测角方法，其特征在于，所述获取接收通道采集的天线波束数据，且在天线波束中选定多个点
Figure 566026DEST_PATH_IMAGE043
的步骤中，包括如下子步骤：
将天线波束数据形成的采集数据进行缓存处理；
将缓存处理的采集数据进行接收通道增益修正，形成增益更强的天线波束；
在所述增益更强的天线波束中选定多个点
Figure 327309DEST_PATH_IMAGE043
。
3.根据权利要求2所述的基于透镜多波束天线的测角方法，其特征在于，所述将天线波束数据形成的采集数据进行缓存处理的步骤中，包括如下子步骤：
将主通道采集数据进行缓存处理；
将测角接收通道采集数据进行缓存处理。
4.一种透镜多波束天线的测角系统，执行如权利要求3所述的基于透镜多波束天线的测角方法，其特征在于，包括：
数据采集模块，所述数据采集模块用于采集接收到的信号数据；
增益补偿模块，所述增益补偿模块用于将接收到的信号数据进行增益补偿处理；
基础计算模块，所述基础计算模块用于构建基于透镜多波束天线位置的三维坐标系；
比幅算法模块，所述比幅算法模块用于通过比幅算法得到目标在各中心线方向的偏离值；
精确计算算法模块，所述精确计算算法模块用于通过比幅算法计算结果等效为多点定位算法，并采用直接法加迭代法进行对目标的精确测角。
5.根据权利要求4所述的一种透镜多波束天线的测角系统，其特征在于，还包括接收机，且所述接收机用于接收天线信号。
6.根据权利要求5所述的一种透镜多波束天线的测角系统，其特征在于，所述数据采集模块包括主通道数据采集模块和测角接收通道数据采集模块。
7.根据权利要求6所述的一种透镜多波束天线的测角系统，其特征在于，所述增益补偿模块为两个，分别连接于所述主通道数据采集模块和测角接收通道数据采集模块。
8.一种透镜多波束天线的测角系统，其特征在于，包括用于执行如权利要求3所述的方法的单元。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时，使所述处理器执行如权利要求3所述的方法。
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