CN115616475A - 一种基于相位差标校的圆阵测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于相位差标校的圆阵测向方法，属于通信对抗技术领域，为传统圆阵测向技术提供了相位差标校的设计思路；包括：通过多项式拟合技术得出接收机通道的相位差拟合曲线，进行相位差标校，从而将圆阵测向系统的相位差等效为天线阵的相位差后，建立响应样本集，进行测向过程；采用圆阵相关干涉测向技术，计算并根据初测向结果，通过测向极大值处的左右数据点，完成对相位差拟合曲线的二次拟合过程，基于响应样本集，得出最终测向结果，可进一步评估测向精度并修正相位差拟合曲线计算时的拟合算法；本发明从测向的全流程思路设计，特别是提供相位差校准的思路设计，解决了相位差准确性问题，使圆阵测向技术灵活性提高，实用性增强。

Description

一种基于相位差标校的圆阵测向方法

技术领域

本发明属于通信对抗技术领域，应用于通信目标的圆阵测向技术过程中，具体为一种基于相位差标校的圆阵测向方法。

背景技术

侦察系统最重要的使命之一是方位测量，随着现代电子技术的不断发展，测向设备的体积、重量、性价比等要求也越来越苛刻。圆阵干涉仪测向技术的成功研制，解决了全向覆盖、宽频带、高精度测向和体积之间的矛盾，这种在频率和方位上均宽开的测向系统，非常适合使用在小型侦察测向平台上。

在圆阵干涉仪测向技术中，相位差测量准确性是其中的关键点；现有技术中，主要只针对圆阵相关干涉测向进行理论介绍，其中天线阵元相位差也采用的是基于天线尺寸及频段的理论值，因此带来了如下问题：工艺制作技术的限制，导致天线自身的理论相位差往往与实际相位差之间存在很大出入，不能满足工程应用，指标也很难达标，从而导致圆阵干涉仪测向技术由于相位差准确性问题，不利于有工程实现，无法应用于更多场景，得到的测向效果不好。

发明内容

为了解决背景技术中涉及的问题，本发明从测向的全流程思路设计、数据拟合与查表结合的相位差校准思路设计、测向精度验证及对拟合算法的反馈思路设计、基于初测向结果的二次曲线拟合进一步提升测向精度的思路设计出发，从而很好的解决了相位差准确性问题，使圆阵测向技术的灵活性提高，实用性增强。

本发明采用了以下技术方案来实现目的：

一种基于相位差标校的圆阵测向方法，包括：

通过多项式拟合技术得出接收机通道的相位差拟合曲线，进行相位差标校；

通过相位差标校将圆阵测向系统的相位差等效为天线阵的相位差后，建立响应样本集，进行测向过程；

采用圆阵相关干涉测向技术，计算得出初测向结果，根据所述初测向结果，通过测向极大值处的左右数据点，完成对所述相位差拟合曲线的二次拟合过程后，基于所述响应样本集，得出测向结果；

所述测向过程中，根据测向结果，评估测向精度，并依据测向精度修正所述多项式拟合技术在得出相位差拟合曲线时的拟合算法。

具体的，所述天线阵包括8阵元定向天线和全向天线。

进一步的，所述接收机为双通道接收机，第一个接收通道接收来自所述8阵元定向天线的信号，第二个接收通道接收来自所述全向天线的信号；两个接收通道在同一时刻接收到的信号的相位值之差即为接收机通道的相位差。

进一步的，所述相位差标校，包括：

验证接收机通道相位差的一致性，验证通过后测量接收机通道的相位差，记录形成接收机通道的相位差表格；

采用多项式拟合技术，根据所述相位差表格，完成所有频点的双通道相位差计算，得出接收机通道的相位差拟合曲线；

依据所述相位差拟合曲线，对接收机相位差进行校准，完成校准后，整个圆阵测向系统的相位差即等效为天线阵的相位差。

具体的，所述验证接收机通道相位差的一致性，具体为：使用波形发生器产生两个相位差值为a的信号，分别输入至接收机的两个接收通道中，验证接收机的相位差值是否为a，不是则校正接收机；再将其中一个信号的相位值增减x，验证此时接收机的相位差值是否为a±x，不是则校正接收机。

具体的，所述测量接收机通道的相位差，具体为：使用同一信号源，按照均匀的频率间隔，输入信号至接收机的两个接收通道中，测量在不同频率下接收机接收到的信号之间的相位差值。

进一步的，相位差标校过程中对接收机相位差进行校准时，所述校准标准为：接收机通道相位差值为零或近似为零。

进一步的，所述建立响应样本集，依据信号源在天线阵形成的相位差，对天线阵相位差进行真实测量，形成天线阵相位差标准库；在所述相位差标校过程得出所述相位差拟合曲线后，基于天线阵相位差标准库和使接收机通道相位差为零或近似为零，实现建立响应样本集的过程。

优选的，所述评估测向精度时，在依据测向精度修正多项式拟合技术的拟合算法过程中，可自主选择信号源进行精度测试，测向精度数据值的获得具体包括：

架设信号源和圆阵测向系统，其中圆阵测向系统架设于可旋转的转台上；

转台复位，测试并记录此时信号源相对圆阵测向系统的角度，记为初始角度；

设置信号源的频点和幅度，设置圆阵测向系统的测向频率，使天线阵的0度方向对准信号源天线方向；

转台旋转，使天线阵的方向依次为±5°、±10°、±15°、±20°、±25°、±30°、±35°、±40°、±45°对准信号源天线方向，进行对信号源的测向过程，每一角度的测量次数均大于10次；

测量并记录得到的每个角度方向的数据值，重复完成每个角度的测试；

测向精度数据值由以下公式计算得出：

式中，Δθ为测向精度值；α₀为0度方位测量值；α_j为第j个方位的测量值；α’_j为第j个度方位角的真实值；j为方位序数。

综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：

和现有的圆阵测向系统所使用的方法相比，本发明的圆阵测向方法应用于具有全向天线和8阵元定向天线的天线阵中，通过测向的全流程思路，将整个测向系统的相位差与阵元天线的相位差进行了有效等价，即通过相位差标校使双通道接收机的相位差为零或近似为零，此时，目标信号到达接收机的相位差只取决于天线阵元之间的差别。

在此特点下，测向过程在基于相位差校准思路的作用下，响应样本集的建立更准确，使得测向结果也更加准确，同时通过测向精度验证及对拟合算法的反馈过程，进一步优化和完善相位差标校过程；本发明最终有利于圆阵相位差标校的工程实现，解决了基于宽带通信信号的圆阵相关干涉测向方法的设计范围，能够适应更多的应用场景，产生更大效能。

附图说明

图1为本发明方法的全流程示意图；

图2为验证接收机通道相位差一致性的示意图；

图3为按照频点进行接收机通道相位差测量的示意图；

图4为多项式拟合后所有频点的双通道相位差示意图；

图5为测向精度测试过程的结构示意图；

图6为相位差测量初值与测向结果的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以按各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于相位差标校的圆阵测向方法，该方法的全流程示意图可参看图1，具体包括：

通过多项式拟合技术得出接收机通道的相位差拟合曲线，进行相位差标校；

通过相位差标校将圆阵测向系统的相位差等效为天线阵的相位差后，建立响应样本集，进行测向过程；

采用圆阵相关干涉测向技术，计算得出初测向结果，根据初测向结果，通过测向极大值处的左右数据点，完成对相位差拟合曲线的二次拟合过程后，基于响应样本集，得出测向结果；

测向过程中，根据测向结果，评估测向精度，并依据测向精度修正多项式拟合技术在得出相位差拟合曲线时的拟合算法。

本实施例中，应用该方法的圆阵测向系统包括天线阵和接收机；本方法针对天线阵配置为1个8阵元定向天线与1个全向天线的情况，定向天线与全向天线从而形成两个通道的信号输出；因此与天线阵搭配的接收机为双通道接收机，第一个接收通道接收来自8阵元定向天线的信号，第二个接收通道接收来自全向天线的信号；两个接收通道在同一时刻接收到的信号的相位值之差即为接收机通道的相位差。

本方法的设计思路由此提出以相位差标校的方式最终解决相位差准确性问题，使最终测向结果更为准确，便于圆阵测向系统更广泛的应用；因此本方法的设计思路包括圆阵相关干涉测向的全流程、数据拟合与查表结合的相位差校准、测向精度验证及对拟合算法的反馈、基于初测向结果的二次曲线拟合。

以下详述本方法如何进行相位差标校过程，包括：

验证接收机通道相位差的一致性，验证通过后测量接收机通道的相位差，记录形成接收机通道的相位差表格；

采用多项式拟合技术，根据相位差表格，完成所有频点的双通道相位差计算，得出接收机通道的相位差拟合曲线；

依据所述相位差拟合曲线，对接收机相位差进行校准，完成校准后，整个圆阵测向系统的相位差即等效为天线阵的相位差。

此过程的目标是校准接收机的两个信号接收通道的相位差，依据是经测量计算得出的相位差拟合曲线；如图2所示，首先需要验证接收机通道相位差的一致性，使用波形发生器，本实施例推荐使用泰克AWG-70002A波形发生器，向接收机输入两通道的信号，以表示实际测向过程中接收机的一个通道接收全向天线信号，另一个通道接收定向天线信号的过程；首先设置波形发生器发出的两通道信号的初相，使二者初相不同，例如通道一初相为0度，通道2初相为30度，此时接收机上显示的相位差应为30度或-30度，该值可记为a，若不是，则校正接收机；校正正确后，尝试改变任一通道的相位值，例如将通道2的相位值更改为31度，即增加了1度，此时接收机上显示的相位差应为a+1度或a-1度，若不是，则校正接收机；当上述两步骤完成后，即实现了验证接收机双通道相位差的一致性。

接着测量接收机通道的相位差，如图3所示，使用同一信号源，经功分器输入全向通道信号和定向通道信号至接收机中，调整信号源使其按照均匀的频率间隔，输入信号至接收机中，测量在不同频率下接收机接收到的两个通道信号之间的相位差值，详细记录接收机两通道的相位差值表格。

均匀的频率间隔调整过程中，对于比较平滑的频率范围或较高频率对应的频率范围，采用多项式拟合技术，根据相位差表格，完成所有频点的双通道相位差计算，从而得出接收机通道的相位差拟合曲线，可参看图4。

按照此相位差值表格查表与多项式拟合技术得出的相位差拟合曲线，对接收机双通道的相位差进行校准，校准的标准为：使接收机双通道的相位差为零或近似为零；该校准完成后，经过天线阵到达接收机的目标信号，即定向通道信号和全向通道信号之间的相位差将只取决于天线阵之间的相位差，此时即完成了相位差标校这一过程，依据此方法设计思路为前提，可进行圆阵测向过程的其余内容。

本实施例对圆阵测向方法中关于响应样本集作如下说明：

目标信号的来波在天线阵中的天线上产生感应电流，由于来波到达天线的时间存在先后，因此会产生相位差，本实施例中的双通道接收机具有一个定向天线通道和一个全向天线通道，其中全向天线通道作为参考；对应于目标信号的来波方向，以及圆阵测向系统的工作频率，会产生相应的一组相位差，在接收机中，存在天线阵的响应样本集，该相应样本集是在圆阵测向系统设备出厂时，全频段，全方位收集的标准圆阵响应样本集；圆阵相关干涉测向处理就是将实测圆阵响应与响应样本集中的标准样本集进行相关处理，找出最相似的样本，根据该样本在响应样本集的位置，从而获取目标信号的入射方位，实现测向。

本实施例中，测向核心之一是将整个接收机的双通道相位差等效于天线阵的相位差的相位差标校过程，因此将依据校准标准，将通道相位差标校为零或近似为零来进行响应样本集的建立；依据信号源在天线阵形成的相位差，对天线阵相位差进行真实测量，形成天线阵相位差标准库；在所述相位差标校过程得出所述相位差拟合曲线后，基于天线阵相位差标准库和使接收机通道相位差为零或近似为零，实现建立响应样本集的过程。

测向过程中，对每个频点，计算多路中频信号两两间相位差，根据FFT不改变相对相位的原理，该相位差反映了信号到达天线阵中多个天线元的相位差；利用相关干涉仪测向原理，对每个频点的相位差数据与建立的响应样本集进行相关，得到相关曲线，最终求出对应示向度，实现目标测向。

并且，方法的执行过程中，可将多次的相位差进行多次平均后给出更准确的相位差，作为相关干涉测向算法更精确的初值，进一步提高测向精度。

本实施例同时提供，完成相位差标校和响应样本集建立后，可在实际测向过程时，或进行实际测向过程前，测试并评估测向精度，即可进一步依据测向精度修正多项式拟合技术的拟合算法，可选用一台信号源及满足接收机侦察频率范围内的天线一个，进行精度测试，如图5所示。

测向精度数据值的获得具体包括：

架设信号源和圆阵测向系统，其中圆阵测向系统架设于可旋转的转台上；

转台复位，测试并记录此时信号源相对圆阵测向系统的角度，记为初始角度；

设置信号源的频点和幅度，设置圆阵测向系统的测向频率，使天线阵的0度方向对准信号源天线方向；

转台旋转，使天线阵的方向依次为±5°、±10°、±15°、±20°、±25°、±30°、±35°、±40°、±45°对准信号源天线方向，进行对信号源的测向过程，每一角度的测量次数均大于10次；

测量并记录得到的每个角度方向的数据值，重复完成每个角度的测试；

测向精度数据值由以下公式计算得出：

式中，Δθ为测向精度值；α₀为0度方位测量值；α_j为第j个方位的测量值；α’_j为第j个度方位角的真实值；j为方位序数。

此测向精度的评估结果可应用于多项式拟合过程中的拟合算法上，使相位差标校过程得到优化调整，响应样本集的建立更准确，最终使整个圆阵测向过程更精准。

图6示出了使用本方法过程中，打印在输入相关干涉测向算法前的天线阵各阵元相位差值，依据此类数据有利于进行算法分析和优化过程。

本实施例的方法在通信与对抗领域利用将接收机双通道相位差巧妙等效为天线阵的阵元相位差，给出了圆阵相关干涉测向的全流程设计思路，提出了有效而可行的相位差标校方法，有利于圆阵相位差标校的工程实现，解决了基于宽带通信信号的圆阵相关干涉测向方法设计，能够适应更多的应用场景，可以产生更大的效果；由于圆阵测向的传统理论比较成熟，因此本实施例针对不同的工程实现所提出的相位差标校设计思路与关键细节会对测向结果带来进一步的优化提升，提高测向精度。

Claims (9)

1.一种基于相位差标校的圆阵测向方法，其特征在于，包括：

通过多项式拟合技术得出接收机通道的相位差拟合曲线，进行相位差标校；

通过相位差标校将圆阵测向系统的相位差等效为天线阵的相位差后，建立响应样本集，进行测向过程；

采用圆阵相关干涉测向技术，计算得出初测向结果，根据所述初测向结果，通过测向极大值处的左右数据点，完成对所述相位差拟合曲线的二次拟合过程后，基于所述响应样本集，得出测向结果；

所述测向过程中，根据测向结果，评估测向精度，并依据测向精度修正所述多项式拟合技术在得出相位差拟合曲线时的拟合算法。

2.根据权利要求1所述的一种基于相位差标校的圆阵测向方法，其特征在于：所述天线阵包括8阵元定向天线和全向天线。

3.根据权利要求2所述的一种基于相位差标校的圆阵测向方法，其特征在于：所述接收机为双通道接收机，第一个接收通道接收来自所述8阵元定向天线的信号，第二个接收通道接收来自所述全向天线的信号；两个接收通道在同一时刻接收到的信号的相位值之差即为接收机通道的相位差。

4.根据权利要求1所述的一种基于相位差标校的圆阵测向方法，其特征在于，所述相位差标校，包括：

验证接收机通道相位差的一致性，验证通过后测量接收机通道的相位差，记录形成接收机通道的相位差表格；

采用多项式拟合技术，根据所述相位差表格，完成所有频点的双通道相位差计算，得出接收机通道的相位差拟合曲线；

依据所述相位差拟合曲线，对接收机相位差进行校准，完成校准后，整个圆阵测向系统的相位差即等效为天线阵的相位差。

5.根据权利要求4所述的一种基于相位差标校的圆阵测向方法，其特征在于，所述验证接收机通道相位差的一致性，具体为：使用波形发生器产生两个相位差值为a的信号，分别输入至接收机的两个接收通道中，验证接收机的相位差值是否为a，不是则校正接收机；再将其中一个信号的相位值增减x，验证此时接收机的相位差值是否为a±x，不是则校正接收机。

6.根据权利要求4所述的一种基于相位差标校的圆阵测向方法，其特征在于，所述测量接收机通道的相位差，具体为：使用同一信号源，按照均匀的频率间隔，输入信号至接收机的两个接收通道中，测量在不同频率下接收机接收到的信号之间的相位差值。

7.根据权利要求4所述的一种基于相位差标校的圆阵测向方法，其特征在于，所述校准标准为：接收机通道相位差值为零或近似为零。

8.根据权利要求1所述的一种基于相位差标校的圆阵测向方法，其特征在于，所述建立响应样本集，依据信号源在天线阵形成的相位差，对天线阵相位差进行真实测量，形成天线阵相位差标准库；在所述相位差标校过程得出所述相位差拟合曲线后，基于天线阵相位差标准库和使接收机通道相位差为零或近似为零，实现建立响应样本集的过程。

9.根据权利要求1所述的一种基于相位差标校的圆阵测向方法，其特征在于，所述评估测向精度时，在依据测向精度修正多项式拟合技术的拟合算法过程中，可自主选择信号源进行精度测试，测向精度数据值的获得具体包括：

架设信号源和圆阵测向系统，其中圆阵测向系统架设于可旋转的转台上；

转台复位，测试并记录此时信号源相对圆阵测向系统的角度，记为初始角度；

设置信号源的频点和幅度，设置圆阵测向系统的测向频率，使天线阵的0度方向对准信号源天线方向；

转台旋转，使天线阵的方向依次为±5°、±10°、±15°、±20°、±25°、±30°、±35°、±40°、±45°对准信号源天线方向，进行对信号源的测向过程，每一角度的测量次数均大于10次；

测量并记录得到的每个角度方向的数据值，重复完成每个角度的测试；

测向精度数据值由以下公式计算得出：

式中，Δθ为测向精度值；α₀为0度方位测量值；α_j为第j个方位的测量值；α’_j为第j个度方位角的真实值；j为方位序数。

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