CN114415107B - 用于提高阵列测向精度的极化测量方法、系统及存储介质 - Google Patents

用于提高阵列测向精度的极化测量方法、系统及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于提高阵列测向精度的极化测量方法、系统及存储介质，该方法包括：构建干涉仪天线阵；对所述干涉仪天线阵进行校正，获取所述干涉仪天线阵在不同极化状态下的阵列流型；通过干涉仪测向方法测量来波方向，根据所述阵列流型和来波方向获取来波方向对应的校正值；根据来波方向对应的校正值，计算得到所述来波的极化参数。本发明无需要求两个天线单元正交且相位中心重合，无需要求天线旋转90°，对天线本身极化纯度和天线阵平台环境不敏感，适用于超宽带、大视场范围的极化测量，其结合天线阵本身的校正值和来波测向结果，可以较为方便、准确的实时测量来波信号的极化特征。

Description

用于提高阵列测向精度的极化测量方法、系统及存储介质
技术领域
本发明涉及天线工程或阵列信号处理技术领域，特别是一种用于提高阵列测向精度的极化测量方法、系统及存储介质。
背景技术
频率、重频、脉宽、幅度、来波方向和极化等信息是雷达信号的重要属性，通常频率、重频、脉宽、幅度可以通过数字接收机直接测量得到，来波方向一般通过干涉仪测向方法可以测量得到，但极化信息不容易测得，同时，极化是影响干涉仪测向精度的重要因素之一。
干涉仪测向方法广泛应用于电子对抗领域。受天线加工组装误差、互耦、天线罩、平台电磁环境等因素影响，干涉仪阵中不同天线单元对电磁波的极化响应不同，导致实际的相位基线偏离理想的相位基线。基线偏离主要与极化有关，因为不同极化的来波响应不同，导致干涉仪测向误差偏大，尤其是在低频段。如果在干涉仪测向系统里提前存储好不同极化在不同角度的响应，然后又能测量出来波极化，通过对基线进行修正，则能极大地提高阵列的测向精度。
传统干涉仪天线阵一般是单极化的，不能测量来波的极化特征。王建涛等人在《系统工程与电子技术》上发表的“基于相位干涉仪的极化和到达角的联合估计”论文中提出在传统干涉仪天线阵的基础上增加一个正交极化天线，构成极化干涉仪，以实现同时测量来波的极化和到达角，但未考虑实际天线特性。
工程上通过正交极化天线实现极化测量受到诸多因素限制，例如要求两个天线相位中心重合、天线本身的极化纯度要求高、难以适应超宽带极化测量、容易受周边安装平台环境电磁反射影响等。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种用于提高阵列测向精度的极化测量方法、系统及存储介质，结合天线阵本身的校正值和来波测向结果，可以较为方便、准确的实时测量来波信号的极化特征。
本发明公开了一种用于提高阵列测向精度的极化测量方法，包括以下步骤：
步骤1、构建干涉仪天线阵；
步骤2、对所述干涉仪天线阵进行校正，获取所述干涉仪天线阵在不同极化状态下的阵列流型；
步骤3、通过干涉仪测向方法测量来波方向，根据所述阵列流型和来波方向获取来波方向对应的校正值；
步骤4、根据来波方向对应的校正值，通过极化分解计算水平极化分量和垂直极化分量，从而得到所述来波的极化参数。
可选的，所述步骤1包括：
在传统单极化干涉仪天线阵中增加一个不同极化的天线单元或多个不同极化的天线单元。
可选的，对所述干涉仪天线阵进行校正包括对所述干涉仪天线阵进行水平和垂直极化校正或其它正交极化校正。
可选的，所述阵列流型包括校正的角度范围与测向视场范围一致，校正的频段与要求的测量频段一致，阵列流型处理为表格。
可选的，所述来波方向为来波真实方向和测向误差之和。
可选的，所述根据所述阵列流型获取来波方向对应的校正值，包括：
设定与来波方向最为接近的校正角度，从阵列流型中获取来波方向对应的校正值。
可选的，所述阵列流型为所述干涉仪天线阵中各阵元单元分别在所述校正角度接收的水平极化波和垂直极化波或其它正交极化波。
可选的，所述步骤4包括：
将所述来波分解为两个正交的水平/垂直极化波，得到所述来波在所述来波方向对应的校正值上的水平极化分量和垂直极化分量；
根据水平极化分量和垂直极化分量，经过最小二乘法运算之后，再计算所述来波的极化参数；其中所述极化参数包括极化辅助角和极化相位角；
其中，所述极化参数的计算公式为：
Figure 767277DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 802229DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure DEST_PATH_IMAGE003
均为极化参数，分别表示极化辅助角和极化相位角，
Figure 307160DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure DEST_PATH_IMAGE005
分别表示水平极化分量和垂直极化分量。
本发明还公开了一种用于提高阵列测向精度的极化测量系统，包括：
构建模块，用于构建干涉仪天线阵；
获取模块，用于对干涉仪天线阵进行校正，获取干涉仪天线阵在不同极化状态下的阵列流型；
校正模块，用于通过干涉仪测向方法测量来波方向，根据阵列流型获取来波方向对应的校正值；
计算模块，用于根据来波方向对应的校正值，通过极化分解计算水平极化分量和垂直极化分量，从而得到来波的极化参数。
本发明还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的方法。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：（1）用于工程上超宽频段的极化实时测量，且克服平台环境电磁反射、天线相位中心不重合、天线本身极化纯度不高等不利因素影响。该方法结合天线阵本身的校正值和来波测向结果，可以较为方便、准确的实时测量来波信号的极化特征；（2）用于干涉仪天线阵中，对比现有极化测量方法，本案提出的测量方法无需要求两个天线单元正交且相位中心重合，无需要求天线旋转90°，对天线本身极化纯度不敏感，对天线阵平台环境不敏感，适用于超宽带、大视场范围的极化测量，且极化测量精度较高、实时性好、方便实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种用于提高阵列测向精度的极化测量方法示意图；
图2为本发明实施例的一种包含双（多）极化天线的4单元天线阵布阵示意图；
图3为本发明实施例的一种极化参数的测试结果和理论结果对比示意图；
图4为本发明实施例的一种用于提高阵列测向精度的极化测量系统的结构示意图。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
实施例一：
参见图1，本发明提供了一种用于提高阵列测向精度的极化测量方法的实施例，该方法包括以下步骤：
S1、构建干涉仪天线阵；
S2、对干涉仪天线阵进行校正，获取干涉仪天线阵在不同极化状态下的阵列流型；
具体地，对干涉仪天线阵进行校正包括对干涉仪天线阵进行水平和垂直极化校正或其它正交极化校正。其中，其它正交极化可以是左右旋圆极化或±45度斜极化。
具体地，阵列流型为干涉仪天线阵中各阵元单元分别在校正角度接收的水平极化波和垂直极化波或其它正交极化波。
S3、通过干涉仪测向方法测量来波方向，根据阵列流型获取来波方向对应的校正值；
需要说明的是，干涉仪测向方法测量来波方向采用的是现有的传统干涉仪侧向方法。
S4、根据来波方向对应的校正值，计算得到来波的极化参数。
以下将更为具体地阐述该方法实施的具体过程：
根据电磁理论，任意极化的电磁波可以分解为两个正交的极化波，例如分解为水平/垂直极化波，或左/右旋圆极化波，或±45度斜极化波。
以分解为水平/垂直极化波为例，任意极化波E可以表达为如下形式
Figure 870997DEST_PATH_IMAGE006
（1）
上式中E H 和E V 分别表示水平极化波和垂直极化波单位矢量，
Figure 726957DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 831179DEST_PATH_IMAGE005
分表表示水平极化波和垂直极化波的加权分量，
Figure 190617DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 456513DEST_PATH_IMAGE005
均为复数。
如果通过某种方式，得到电磁波在水平和垂直的极化分量后，则电磁波的极化特性可以通过相位描述子（
Figure 534190DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 442103DEST_PATH_IMAGE003
）表示，计算公式如下
Figure 921626DEST_PATH_IMAGE007
（2）
上式中
Figure 624003DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 188977DEST_PATH_IMAGE003
分别表示极化辅助角和极化相位角。
下面结合阵列流型（定义为阵列环境中每个天线单元在某种极化下的方向图，包括幅度和相位信息）和阵列测向结果阐述一种来波极化实时测量方法。
假设某干涉仪天线阵包含N个天线，其中第1~N-1个天线极化相同，第N个天线与其它N-1个天线极化不同（不一定极化正交），采用传统干涉仪方法测得来波方位为θ。
第i单元在θ方向接收水平极化波和垂直极化波的响应分别为
Figure 635001DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 969031DEST_PATH_IMAGE009
（阵列单元i在θ方向的方向图），同时第i单元在θ方向接收来波（入射的任意极化波）的响应分别为
Figure 576730DEST_PATH_IMAGE010
，上述三个数均是复数。
根据电磁波的极化分解理论有
Figure 894579DEST_PATH_IMAGE011
（3）
上式中x和y分别表示来波分解成水平极化波和垂直极化波时的加权分量。用矩阵形式表示为
Figure 613136DEST_PATH_IMAGE012
（4）
令
Figure 332830DEST_PATH_IMAGE013
（5）
Figure 111430DEST_PATH_IMAGE014
（6）
Figure 916575DEST_PATH_IMAGE015
（7）
则有
Figure 268902DEST_PATH_IMAGE016
（8）
上式中A、X、B均为复数矩阵。这样极化求解问题转变为复数域的最小二乘法问题。将复数矩阵的实部和虚部进行展开得到
Figure 577523DEST_PATH_IMAGE017
（9）
其中下标Re表示实部，Im表示虚部。令上式两边的实部相等，虚部相等，得到
Figure 792604DEST_PATH_IMAGE018
（10）
令
Figure 553886DEST_PATH_IMAGE019
（11）
Figure 145405DEST_PATH_IMAGE020
（12）
Figure 574112DEST_PATH_IMAGE021
（13）
则
Figure 694515DEST_PATH_IMAGE022
（14）
上式中P是一个2Nx4的实矩阵，Q是一个2Nx1实矩阵，Y是一个4x1的实矩阵。根据最小二乘法有
Figure 208673DEST_PATH_IMAGE023
（15）
通过下式可以计算来波的极化参数
Figure 338303DEST_PATH_IMAGE025
和和
Figure 355937DEST_PATH_IMAGE027
。
Figure 912821DEST_PATH_IMAGE028
（16）
上式中Y括号里面数表示矩阵Y中元素序号。
实施例二：
下面结合一个4单元天线阵的实施实例进行说明。
参见图2，该天线阵包含3个左旋圆极化螺旋天线和1个右旋圆极化螺旋天线，其中的3个左旋圆极化螺旋天线构成传统的3单元单极化干涉仪天线阵。在3单元单极化干涉仪天线阵基础上增加了右旋圆极化螺旋天线。
在微波暗室中对干涉仪天线阵进行水平和垂直极化校正，获取阵列在水平和垂直极化状态下的阵列流型
Figure 914275DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 582016DEST_PATH_IMAGE030
。校正的角度范围与测向视场范围一致，校正的频段与要求的测量频段一致，阵列流型处理为表格。
假设有一水平极化的来波，方向未知，通过干涉仪测向方法测量来波的方向，测向误差小于1°。
取测向角度最为接近的校正角度，查表获取对应的校正值。
基于实施例一中的公式（5）（7）（11）（12）（15）（16）计算来波极化参数
Figure 719737DEST_PATH_IMAGE031
（测试值）。
假设来波方向从-30°到30°，角度步进为0.5°，来波极化的理论值与测试值对比情况如图3所示，可以看到，测试的
Figure 447521DEST_PATH_IMAGE031
和理论
Figure 670692DEST_PATH_IMAGE031
基本吻合，由于噪声的影响，测试的
Figure 142125DEST_PATH_IMAGE031
与理论值略有不同。
实施例三：
参见图4，本发明还提供了一种用于提高阵列测向精度的极化测量系统的实施例，包括：
构建模块101，用于构建干涉仪天线阵；
获取模块102，用于对干涉仪天线阵进行校正，获取干涉仪天线阵在不同极化状态下的阵列流型；
校正模块103，用于通过干涉仪测向方法测量来波方向，根据阵列流型获取来波方向对应的校正值；
计算模块104，用于根据来波方向对应的校正值，通过极化分解计算水平极化分量和垂直极化分量，从而得到来波的极化参数。
实施例四：
本发明还提供了一种可读存储介质的实施例，可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现实施例一和实施例二中的方法。
上述实施例提出的极化测量方法可以用于任意形式的多极化天线阵中，其要求天线阵具备测向功能，先完成测向，后进行极化测量；可以适用于超宽带、大视场范围，只需在校正步骤完成对应频段对应视场范围的校正即可；对天线相位中心是否重合不做限定；对天线本身极化纯度不做限定；对天线阵平台环境不做限定。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于提高阵列测向精度的极化测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、构建干涉仪天线阵，在传统单极化干涉仪天线阵中增加一个不同极化的天线单元或多个不同极化的天线单元；
步骤2、对所述干涉仪天线阵进行校正，获取所述干涉仪天线阵在不同极化状态下的阵列流型，对所述干涉仪天线阵进行校正包括对所述干涉仪天线阵进行水平和垂直极化校正或其它正交极化校正；
步骤3、通过干涉仪测向方法测量来波方向，根据所述阵列流型和来波方向获取来波方向对应的校正值；
步骤4、根据来波方向对应的校正值，通过极化分解计算水平极化分量和垂直极化分量，从而得到所述来波的极化参数，具体计算过程如下：
假设某干涉仪天线阵包含N个天线，其中第1~N-1个天线极化相同，第N个天线与其它N-1个天线极化不同，不一定极化正交，采用传统干涉仪方法测得来波方位为θ；
第i单元在θ方向接收水平极化波和垂直极化波的响应分别为
Figure 550135DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 811352DEST_PATH_IMAGE002
，即阵列单元i在θ方向的方向图，同时第i单元在θ方向接收来波的响应分别为
Figure 480231DEST_PATH_IMAGE003
，上述三个数均是复数，令
Figure 473595DEST_PATH_IMAGE004
（5）
Figure 86979DEST_PATH_IMAGE005
（7）
Figure 823991DEST_PATH_IMAGE006
（11）
Figure 347376DEST_PATH_IMAGE007
（12）
其中下标Re表示实部，Im表示虚部；
Figure 42799DEST_PATH_IMAGE008
（14）
Figure 284425DEST_PATH_IMAGE009
（15）
上式中P是一个2Nx4的实矩阵，Q是一个2Nx1实矩阵，Y是一个4x1的实矩阵；
通过下式计算来波的极化参数γ和η；
Figure 265336DEST_PATH_IMAGE014
（16）
上式中Y括号里面数表示矩阵Y中元素序号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阵列流型包括校正的角度范围与测向视场范围一致，校正的频段与要求的测量频段一致，阵列流型处理为表格。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述来波方向为来波真实方向和测向误差之和。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述阵列流型获取来波方向对应的校正值，包括：
设定与来波方向最为接近的校正角度，从阵列流型中获取来波方向对应的校正值。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的用于提高阵列测向精度的极化测量方法的系统，其特征在于，所述系统包括：
构建模块，用于构建干涉仪天线阵；
获取模块，用于对干涉仪天线阵进行校正，获取干涉仪天线阵在不同极化状态下的阵列流型；
校正模块，用于通过干涉仪测向方法测量来波方向，根据阵列流型获取来波方向对应的校正值；
计算模块，用于根据来波方向对应的校正值，通过极化分解计算水平极化分量和垂直极化分量，从而得到来波的极化参数。
6.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-4任一项所述的方法。
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