CN115542243A - 基于阵列天线的干涉仪测向方法及系统 - Google Patents

基于阵列天线的干涉仪测向方法及系统 Download PDF

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汪小林
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Abstract

本发明公开了基于阵列天线的干涉仪测向方法及系统，涉及电子对抗技术领域，其技术方案要点是：从阵列天线中选取至少三个阵元，重构短基线与长基线结合的干涉仪天线阵；所述干涉仪天线阵与阵列天线共用信号收发机和/或信号处理机；所述阵列天线实现窄波束高增益的数字波束形成接收功能；以及，所述干涉仪天线阵实现宽波束高测角精度的干涉仪测向接收功能。本发明通过复用阵列天线、信号收发机和信号处理机，灵活抽取阵列天线中部分阵元，构建干涉仪天线阵，在共用接收信道条件下，通过增加少量数字处理资源，同时实现基于数字波束形成的监视功能和基于干涉仪测向的侦察功能，简化系统设备复杂度，降低系统成本，提高系统平台适应性。

Description

基于阵列天线的干涉仪测向方法及系统
技术领域
本发明涉及电子对抗技术领域，更具体地说，它涉及基于阵列天线的干涉仪测向方法及系统。
背景技术
电子对抗系统一般应具备侦察、监视等功能。监视时为提高作用距离、指向精度和测角精度，需要通过高增益窄波束辐射雷达或二次雷达询问信号，通过对应的高增益窄波束接收雷达回波或二次雷达应答信号，一般需运用基于阵列天线的数字波束形成技术。侦察时系统本身无需辐射电磁波信号，但追求较宽的瞬时覆盖，一是通过相对较低增益的宽波束接收空域电磁波信号，运用干涉仪测向方法对空域信号进行测向，二是通过数字波束形成技术形成多个高增益窄波束拼接覆盖较宽空域，通过多波束比幅方法对空域信号进行测向。
电子对抗系统为同时适应侦察、监视，系统形态一般为以下两种：一是，具备独立的监视设备和侦察设备。监视设备包括阵列天线、发射机、接收机、信号处理机，独立完成基于数字波束形成的监视功能。侦察设备包括干涉仪天线阵、接收机、信号处理机，独立完成基于干涉仪测向的侦察功能。此种系统形态存在设备量大、成本高、维护复杂的缺点，而且不适宜在空间局促狭小的机载、车载等平台布局。二是，两种功能共用阵列天线、接收机，通过后端处理运用数字波束形成技术来完成功能处理。阵列天线一般包含多个阵元，以16阵元为例，波束形成用到对应16阵元接收信号，需针对16阵元AD数据均进行数字信号处理，假设1个阵元对应的处理资源为A1、数据量为B，单个波束形成所需资源为A2，波束形成后单个波束数据量与单个阵元处理后数据量一致为B，若16阵元合成单个波束覆盖宽度为10s，覆盖70°，则至少需形成7个波束，则所需处理资源为16×A1+7×A2、数据量为7×B，若收n个频点信号，则所需处理资源为n×（16×A1+7×A2），数据量为n×7×B。相比较，干涉仪天线阵一般包含3-5个阵元，以3阵元为例，测向采用3个阵元接收信号，波束覆盖宽度为70°，需对3个阵元收到的信号进行数字信号处理，若仅需收1个频点信号，则干涉仪测向所需处理资源为3×A1、数据量为3×B，若收n个频点信号，则所需处理资源为n×3×A1、数据量为n×3×B。由此可得出，数字波束形成技术完成侦察功能相较于干涉仪体制完成侦察功能需要耗费更多的资源和传输带宽。
综上可知，此种系统形态虽然简化了前端设备，但是大大增加了后端处理机处理资源、传输带宽，提高了后端处理机复杂度。因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的基于阵列天线的干涉仪测向方法及系统是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供基于阵列天线的干涉仪测向方法及系统，通过复用阵列天线、信号收发机和信号处理机，灵活抽取阵列天线中部分阵元，构建干涉仪天线阵，在共用接收信道条件下，通过增加少量数字处理资源，同时实现基于数字波束形成的监视功能和基于干涉仪测向的侦察功能。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了基于阵列天线的干涉仪测向方法，包括以下步骤：
从阵列天线中选取至少三个阵元，重构短基线与长基线结合的干涉仪天线阵；
所述干涉仪天线阵与阵列天线共用信号收发机和/或信号处理机；
所述阵列天线实现窄波束高增益的数字波束形成接收功能；
以及，所述干涉仪天线阵实现宽波束高测角精度的干涉仪测向接收功能。
进一步的，所述干涉仪天线阵的重构过程具体为：
依据干涉仪测向所测信号的入射范围和所测信号的最短波长计算短基线的长度最大值；
依据干涉仪测向的精度指标、所测信号的入射范围和所测信号的最长波长计算长基线的长度最小值；
以短基线的长度最大值为阵元间距对阵列天线进行优化处理，得到优化后的阵列天线；
结合短基线解长基线模糊的倍数关系以及长基线的长度最小值，在优化后的阵列天线确定所选取阵元的位置，得到重构后的干涉仪天线阵。
进一步的，所述短基线的长度最大值的计算公式具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 356333DEST_PATH_IMAGE002
表示短基线的长度最大值；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示所测信号的最短波长；
Figure 32165DEST_PATH_IMAGE004
表示通道相位差测量误差；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示所测信号的入射范围的二分之一。
进一步的，所述长基线的长度最小值的计算公式具体为：
Figure 332565DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示长基线的长度最小值；
Figure 398741DEST_PATH_IMAGE008
表示所测信号的最长波长；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示通道相位差测量误差；
Figure 75579DEST_PATH_IMAGE010
表示所测信号的入射范围的二分之一；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示测向精度要求。
进一步的，所述短基线解长基线模糊的倍数关系的表达式具体为：
Figure 402655DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示重构干涉仪天线阵所选取的最终位阵元；
Figure 890268DEST_PATH_IMAGE014
表示重构干涉仪天线阵所选取的初始位阵元；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示阵列天线的阵元间距；
Figure 693008DEST_PATH_IMAGE016
表示长基线的长度最小值；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表示通道相位差测量误差。
进一步的，该方法还包括：
当所述干涉仪天线阵的长基线长度大于阈值上限时，在所述干涉仪天线阵中的第二个和最后一个阵元之间再选取至少一个阵元组成多基线干涉仪天线阵。
进一步的，该方法还包括：
当检测到干涉仪天线阵所对应的TR信道出现故障时，通过整体平移选取重构干涉仪天线阵的阵元。
进一步的，所述信号收发机配置有数字采集模块和多个TR信道；其中，
所述阵列天线中的各阵元接收空域电磁波信号送入信号收发机的各TR信道，并在TR信道完成射频信号滤波、放大，以及将放大后的信号输入数字采集模块；
所述数字采集模块完成多路AD采样，并将AD采样数据送入信号处理机。
进一步的，所述信号处理机配置有数字波束形成模块和信号处理模块；其中，
所述数字波束形成模块，用于接收多阵元的AD采样数据，并完成各路数据同步对齐操作；
所述信号处理模块，用于完成监视功能信号解译及和差波束比幅测向处理，以及完成侦察功能信号解译及干涉仪测向处理。
第二方面，提供了基于阵列天线的干涉仪测向系统，包括阵列天线、干涉仪天线阵、信号收发机和信号处理机；
干涉仪天线阵为通过从阵列天线中选取至少三个阵元重构成短基线与长基线结合的天线阵；
所述干涉仪天线阵与阵列天线共用信号收发机和/或信号处理机；
所述阵列天线实现窄波束高增益的数字波束形成接收功能；
以及，所述干涉仪天线阵实现宽波束高测角精度的干涉仪测向接收功能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的基于阵列天线的干涉仪测向方法，通过复用阵列天线、信号收发机和信号处理机，灵活抽取阵列天线中部分阵元，构建干涉仪天线阵，在共用接收信道条件下，通过增加少量数字处理资源，同时实现基于数字波束形成的监视功能和基于干涉仪测向的侦察功能，简化系统设备复杂度，降低系统成本，提高系统平台适应性；
2、本发明结合短基线解长基线模糊的倍数关系以及长基线的长度最小值确定重构的干涉仪天线阵中的长基线，可有效保证测向精度；
3、本发明在长基线长度过长，为提高解相位模糊能力，可在第二个阵元与最后一个阵元之间再抽取阵元组成多基线干涉仪天线阵，通过多基线逐级解模糊保证整体测向性能；
4、本发明在系统运行期间检测到干涉仪天线阵对应的TR信道出现故障时，由于各个天线阵元、TR信道等均设计一致，具有良好的互换性，可通过数字波束形成模块的软件自动调整干涉仪天线阵元及对应信道AD采样数据的选取，从而保证正常工作。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中干涉仪天线阵的重构示意图；
图2是本发明实施例中阵元平移选取的示意图；
图3是本发明实施例中的系统框图。
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。
实施例1：基于阵列天线的干涉仪测向方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1：从阵列天线中选取至少三个阵元，重构短基线与长基线结合的干涉仪天线阵；其中，n为阵列天线所需的阵元数；
步骤S2：所述干涉仪天线阵与阵列天线共用信号收发机和/或信号处理机；其中，所述阵列天线实现窄波束高增益的数字波束形成接收功能；以及，所述干涉仪天线阵实现宽波束高测角精度的干涉仪测向接收功能。
干涉仪天线阵的重构过程具体为：依据干涉仪测向所测信号的入射范围和所测信号的最短波长计算短基线的长度最大值；依据干涉仪测向的精度指标、所测信号的入射范围和所测信号的最长波长计算长基线的长度最小值；以短基线的长度最大值为阵元间距对阵列天线进行优化处理，得到优化后的阵列天线；结合短基线解长基线模糊的倍数关系以及长基线的长度最小值，在优化后的阵列天线确定所选取阵元的位置，得到重构后的干涉仪天线阵。
短基线的长度最大值的计算公式具体为：
Figure 924269DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 637010DEST_PATH_IMAGE002
表示短基线的长度最大值；
Figure 561104DEST_PATH_IMAGE003
表示所测信号的最短波长；
Figure 116719DEST_PATH_IMAGE004
表示通道相位差测量误差；
Figure 479567DEST_PATH_IMAGE005
表示所测信号的入射范围的二分之一。
长基线的长度最小值的计算公式具体为：
Figure 187760DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 79493DEST_PATH_IMAGE007
表示长基线的长度最小值；
Figure 201032DEST_PATH_IMAGE008
表示所测信号的最长波长；
Figure 226626DEST_PATH_IMAGE009
表示通道相位差测量误差；
Figure 648380DEST_PATH_IMAGE010
表示所测信号的入射范围的二分之一；
Figure 117539DEST_PATH_IMAGE011
表示测向精度要求。
短基线解长基线模糊的倍数关系
Figure 257533DEST_PATH_IMAGE018
的表达式具体为：
Figure 165446DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 831920DEST_PATH_IMAGE013
表示重构干涉仪天线阵所选取的最终位阵元；
Figure 596614DEST_PATH_IMAGE014
表示重构干涉仪天线阵所选取的初始位阵元；
Figure 99270DEST_PATH_IMAGE015
表示阵列天线的阵元间距；
Figure 545295DEST_PATH_IMAGE016
表示长基线的长度最小值；
Figure 941641DEST_PATH_IMAGE017
表示通道相位差测量误差。本发明结合短基线解长基线模糊的倍数关系以及长基线的长度最小值确定重构的干涉仪天线阵中的长基线，可有效保证测向精度。
例如，假设测向信号的频率为1GHz-2GHz，信号的入射范围为60°，
Figure 736291DEST_PATH_IMAGE017
为20°，
Figure 116457DEST_PATH_IMAGE011
为2°，根据上式计算，则可设计干涉仪短基线为11mm，长基线为66mm，m为7，满足
Figure DEST_PATH_IMAGE019
；即可抽取阵元1、阵元2、阵元7组成长短基线干涉仪天线阵。
当所述干涉仪天线阵的长基线长度大于阈值上限时，在所述干涉仪天线阵中的第二个和最后一个阵元之间再选取至少一个阵元组成多基线干涉仪天线阵。本发明在长基线长度过长，为提高解相位模糊能力，可在第二个阵元与最后一个阵元之间再抽取阵元组成多基线干涉仪天线阵，通过多基线逐级解模糊保证整体测向性能。
如图2所示，当检测到干涉仪天线阵所对应的TR信道出现故障时，通过整体平移选取重构干涉仪天线阵的阵元。例如，当TR1信道出现故障，数字波束形成模块将调整为针对阵元2、阵元3、阵元8的AD采样数据进行数字信号处理，实际上将干涉仪阵元调整为阵元2、阵元3、阵元8，即在保证干涉仪基线长度条件下，通过软件预留选通参数，可灵活选取阵列天线阵元、接收信道及采集通道，保证干涉仪接收及测向性能。
信号收发机配置有数字采集模块和多个TR信道；其中，所述阵列天线中的各阵元接收空域电磁波信号送入信号收发机的各TR信道，并在TR信道完成射频信号滤波、放大，以及将放大后的信号输入数字采集模块；所述数字采集模块完成多路AD采样，并将AD采样数据送入信号处理机。
信号处理机配置有数字波束形成模块和信号处理模块；其中，所述数字波束形成模块，用于接收多阵元的AD采样数据，并完成各路数据同步对齐操作，同时，对监视频点，将16阵元AD采样数据进行数字信号处理，得到各频点基带数据；按监视方位调取幅相加权系数，通过数字波束形成处理，合成为所需和、差波束数据，将和、差波束数据送入信号处理模块。所述信号处理模块，用于完成监视功能信号解译及和差波束比幅测向处理，以及完成侦察功能信号解译及干涉仪测向处理。
实施例2：基于阵列天线的干涉仪测向系统，该系统用于实现实施例1中所记载的基于阵列天线的干涉仪测向方法，如图3所示，包括阵列天线、干涉仪天线阵、信号收发机和信号处理机。
其中，干涉仪天线阵为通过从阵列天线中选取至少三个阵元重构成短基线与长基线结合的天线阵；所述干涉仪天线阵与阵列天线共用信号收发机和/或信号处理机；所述阵列天线实现窄波束高增益的数字波束形成接收功能；以及，所述干涉仪天线阵实现宽波束高测角精度的干涉仪测向接收功能。
工作原理：本发明通过复用阵列天线、信号收发机和信号处理机，灵活抽取阵列天线中部分阵元，构建干涉仪天线阵，在共用接收信道条件下，通过增加少量数字处理资源，同时实现基于数字波束形成的监视功能和基于干涉仪测向的侦察功能，简化系统设备复杂度，降低系统成本，提高系统平台适应性。
以上的具体实施方式，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 (10)

1.基于阵列天线的干涉仪测向方法，其特征是，包括以下步骤：
从阵列天线中选取至少三个阵元，重构短基线与长基线结合的干涉仪天线阵；
所述干涉仪天线阵与阵列天线共用信号收发机和/或信号处理机；
所述阵列天线实现窄波束高增益的数字波束形成接收功能；
以及，所述干涉仪天线阵实现宽波束高测角精度的干涉仪测向接收功能。
2.根据权利要求1所述的基于阵列天线的干涉仪测向方法，其特征是，所述干涉仪天线阵的重构过程具体为：
依据干涉仪测向所测信号的入射范围和所测信号的最短波长计算短基线的长度最大值；
依据干涉仪测向的精度指标、所测信号的入射范围和所测信号的最长波长计算长基线的长度最小值；
以短基线的长度最大值为阵元间距对阵列天线进行优化处理，得到优化后的阵列天线；
结合短基线解长基线模糊的倍数关系以及长基线的长度最小值，在优化后的阵列天线确定所选取阵元的位置，得到重构后的干涉仪天线阵。
3.根据权利要求2所述的基于阵列天线的干涉仪测向方法，其特征是，所述短基线的长度最大值的计算公式具体为：
Figure 918698DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表示短基线的长度最大值；
Figure 524253DEST_PATH_IMAGE003
表示所测信号的最短波长；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示通道相位差测量误差；
Figure 913778DEST_PATH_IMAGE005
表示所测信号的入射范围的二分之一。
4.根据权利要求2所述的基于阵列天线的干涉仪测向方法，其特征是，所述长基线的长度最小值的计算公式具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 184353DEST_PATH_IMAGE007
表示长基线的长度最小值；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示所测信号的最长波长；
Figure 647392DEST_PATH_IMAGE009
表示通道相位差测量误差；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
表示所测信号的入射范围的二分之一；
Figure 548483DEST_PATH_IMAGE011
表示测向精度要求。
5.根据权利要求2所述的基于阵列天线的干涉仪测向方法，其特征是，所述短基线解长基线模糊的倍数关系的表达式具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 753199DEST_PATH_IMAGE013
表示重构干涉仪天线阵所选取的最终位阵元；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
表示重构干涉仪天线阵所选取的初始位阵元；
Figure 171673DEST_PATH_IMAGE015
表示阵列天线的阵元间距；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示长基线的长度最小值；
Figure 512656DEST_PATH_IMAGE017
表示通道相位差测量误差。
6.根据权利要求1所述的基于阵列天线的干涉仪测向方法，其特征是，该方法还包括：
当所述干涉仪天线阵的长基线长度大于阈值上限时，在所述干涉仪天线阵中的第二个和最后一个阵元之间再选取至少一个阵元组成多基线干涉仪天线阵。
7.根据权利要求1所述的基于阵列天线的干涉仪测向方法，其特征是，该方法还包括：
当检测到干涉仪天线阵所对应的TR信道出现故障时，通过整体平移选取重构干涉仪天线阵的阵元。
8.根据权利要求1所述的基于阵列天线的干涉仪测向方法，其特征是，所述信号收发机配置有数字采集模块和多个TR信道；其中，
所述阵列天线中的各阵元接收空域电磁波信号送入信号收发机的各TR信道，并在TR信道完成射频信号滤波、放大，以及将放大后的信号输入数字采集模块；
所述数字采集模块完成多路AD采样，并将AD采样数据送入信号处理机。
9.根据权利要求1所述的基于阵列天线的干涉仪测向方法，其特征是，所述信号处理机配置有数字波束形成模块和信号处理模块；其中，
所述数字波束形成模块，用于接收多阵元的AD采样数据，并完成各路数据同步对齐操作；
所述信号处理模块，用于完成监视功能信号解译及和差波束比幅测向处理，以及完成侦察功能信号解译及干涉仪测向处理。
10.基于阵列天线的干涉仪测向系统，其特征是，包括阵列天线、干涉仪天线阵、信号收发机和信号处理机；
干涉仪天线阵为通过从阵列天线中选取至少三个阵元重构成短基线与长基线结合的天线阵；
所述干涉仪天线阵与阵列天线共用信号收发机和/或信号处理机；
所述阵列天线实现窄波束高增益的数字波束形成接收功能；
以及，所述干涉仪天线阵实现宽波束高测角精度的干涉仪测向接收功能。
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