CN115856765A - 一种用于测向精度改善的测向修正方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于测向精度改善的测向修正方法及装置，应用于数字波束合成系统。首先计算出多个信号幅度差值形成测向库，然后对真实波束指向角进行计算来完成对波束指向的修正，再按照真实波束指向角查询测向库得到偏离角，并将其与真实波束指向角求和得到测向粗值，最后通过测向粗值、信号幅度差值、方位角间隔以及测向粗值相邻的两个幅度比值得到测向精确值以进行抛物线插值，通过测向精确值便能够显著提升方位角的测向精度。

Description

一种用于测向精度改善的测向修正方法及装置

技术领域

本申请涉及方位角测量领域，具体而言，涉及一种用于测向精度改善的测向修正方法及装置。

背景技术

随着电磁频谱的日益密集、大功率电子设备的应用，电磁环境越来越复杂，传统的电子接收设备面临着灵敏度低的问题，而在提高灵敏度之后，接收设备收到的信号密度会大幅增加，而接收设备又面临着环境适应能力差、信号参数测量错误、信号发现虚警、漏警等问题。作为一种空域滤波技术，数字波束合成技术同时解决了宽空域覆盖和高灵敏度接收的矛盾，能够大幅提高接收系统的作用距离，并可同时对宽空域范围的多个目标远程搜索和跟踪，是实现大范围、大纵深监视能力的主要技术途径，此外，由于合成后波束变窄，副瓣降低，因此可以提高系统的测角精度和分辨率，测向精度明显高于模拟多波束体制，基于数字波束合成的测向技术有利于抑制干扰信号，具有更好的复杂电磁环境适应能力。

基于阵列信号接收的数字波束合成系统通过阵列天线和数字波束形成技术，同时形成多个数字波束，是模拟相控阵技术的延伸，是在传统模拟波束合成的基础上引入数字信号处理方法之后建立的新技术，是阵列天线与信号处理结合的产物。数字波束合成及测向技术主要是利用阵列天线接收空间中的电磁信号，对信号在时间域和空间域进行采集，在基带对各天线单元接收的信号进行相位和幅度加权，形成具有一定形状的数字波束来接收信号，实现对信号的空域滤波，并提高对信号的接收处理增益，同时，也可利用多个数字波束对信号完成接收，通过数字信号处理算法实现对目标的高分辨、精确测向。

基于数字波束合成的测向方法主要有比幅测向法，工程上常用的有和差波束比幅测向法与相邻波束比幅测向法。这两种测向方法的主要步骤为数字多波束合成、测向库生成、查表测向。由于窄带波束合成方法中，在接收机的工作带宽内，均以接收机中心频率来计算波束合成加权的幅度和相位值，当这组加权系数作用在接收机带宽内其他频点时，波束指向将会发现偏移，出现波束色散现象，若接收机带宽内信号带宽较小，对信号接收影响不大，但是，波束指向的偏移会直接影响测向精度。另外，由于测向库生成时，方位角建库间隔是离散值，不可能无限密，而且考虑到存储容量和计算量耗时，在工程上，方位角建库间隔一般为2°或者1°。由于方位角建库间隔是离散值，但是信号入射方位角不可能是离散值，方位角建库的间隔势必影响最终的测向精度。因此如何解决上述问题成为本领域技术人员需要考虑的问题。

发明内容

本申请的目的在于，为了克服现有的技术缺陷，提供了一种测向修正方法、装置，能够显著提升方位角测量的精度。

本申请目的通过下述技术方案来实现：

第一方面，本申请提出了一种用于测向精度改善的测向修正方法，应用于数字波束合成系统，包括：

根据频率步进、波束指向步进、多波束指向间隔以及方位角间隔计算信号幅度差值，形成测向库；

根据信号频率、接收机中心频率以及信号最大幅度对应的最大波束指向角计算真实波束指向角；

按照所述真实波束指向角查询所述测向库得到偏离角，并将所述真实波束指向角和所述偏离角求和得到测向粗值。

根据所述测向粗值、信号幅度差值、所述方位角间隔、所述测向粗值相邻的两个幅度比值得到测向精确值。

可选的，所述真实波束指向角的计算公式为:

其中，θ^′为所述真实波束指向角，θ为所述最大波束指向角，f_s为所述信号频率，f₀为所述接收机中心频率。

可选的，所述按照所述真实波束指向角查询所述测向库得到偏离角，并将所述真实波束指向角和所述偏离角求和得到测向粗值的步骤，包括：

根据所述真实波束指向角查询所述测向库得到测向库幅度差值；

计算最大波束指向角与次大波束指向角的信号幅度差值，所述次大波束指向角为所述最大波束指向角相邻的最大信号幅度的波束指向角；

根据所述测向库幅度差值和所述信号幅度差值得到偏离角；

将所述真实波束指向角和所述偏离角求和得到测向粗值。

可选的，所述根据所述测向库幅度差值和所述信号幅度差值得到偏离角的步骤，包括：

根据所述测向库幅度差值从所述测向库中提取对应的测向子库；

通过所述测向子库查询所述信号幅度差值得到对应的偏离角。

可选的，所述精确测向值的计算公式为：

其中，ΔA₁为所述测向粗值相邻的一个幅度比值，ΔA₂为所述测向粗值相邻的另一个幅度比值，ΔA为所述信号幅度差值，Δθ为所述方位角间隔，α_粗为所述测向粗值。

第二方面，本申请还提出了一种用于测向精度改善的测向修正方法装置，应用于数字波束合成系统，所述装置包括：

测向库生成模块，用于根据频率步进、波束指向步进、多波束指向间隔以及方位角间隔计算信号幅度差值，形成测向库；

波束指向修正模块，用于根据信号频率、接收机中心频率以及信号最大幅度对应的最大波束指向角计算真实波束指向角；

测向粗值计算模块，用于按照所述真实波束指向角查询所述测向库得到偏离角，并将所述真实波束指向角和所述偏离角求和得到测向粗值。

抛物线插值模块，用于根据所述测向粗值、信号幅度差值、所述方位角间隔、所述测向粗值相邻的两个幅度比值得到测向精确值。

可选的，所述装置包括：

测向粗值计算子模块：用于根据所述真实波束指向角查询所述测向库得到测向库幅度差值；

计算最大波束指向角与次大波束指向角的信号幅度差值，所述次大波束指向角为所述最大波束指向角相邻的最大信号幅度的波束指向角；

根据所述测向库幅度差值和所述信号幅度差值得到偏离角；

将所述真实波束指向角和所述偏离角求和得到测向粗值。

可选的，所述测向粗值计算子模块还用于：

根据所述测向库幅度差值从所述测向库中提取对应的测向子库；

通过所述测向子库查询所述信号幅度差值得到对应的偏离角。

上述本申请主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本申请可采用并要求保护的方案；且本申请，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本申请方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本申请所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本申请实施例提出了一种用于测向精度改善的测向修正方法及装置，应用于数字波束合成系统，应用于数字波束合成系统。首先计算出多个信号幅度差值形成测向库，然后对真实波束指向角进行计算来完成对波束指向的修正，再按照真实波束指向角查询测向库得到偏离角，并将其与真实波束指向角求和得到测向粗值，最后通过测向粗值、信号幅度差值、方位角间隔以及测向粗值相邻的两个幅度比值得到测向精确值以进行抛物线插值，通过测向精确值便能够显著提升方位角的测向精度。

附图说明

图1示出了本申请实施例提出的一种测向修正方法的流程示意图。

图2示出了本申请实施例提供的电路原理框图.

图3示出了本申请实施例提出的步骤S300的流程示意图。

图4a示出了本申请实施例提出的不同频率的波束指向偏移示意图。

图4b示出了图4a中指向角为40°的波束的放大图

图5示出了本申请实施例提出的不同频率的波束指向偏移示意图；

图6示出了本申请实施例提出的测向误差比较图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在现有技术中，由于方位角建库间隔是离散值，但是信号入射方位角不可能是离散值，方位角建库的间隔势必影响最终的测向精度。尽管在文献中有涉及数字波束合成系统中的测向方法描述，但是未曾提及具体实施的详细步骤。

为此，本申请提出了一种用于测向精度改善的测向修正方法及装置，用于解决上述的问题，本申请在目前文献中涉及数字波束合成系统中测向方法的基础上进行了改进，增加波束指向修正与抛物线插值两个关键步骤，使得测向精度得到了显著提升，接下来对其进行详细说明。

请参照图1，图1示出了本申请实施例提出的一种测向修正方法的流程示意图，该测向修正方法应用于数字波束合成系统中，其具体实施步骤如下：

S100、根据频率步进、波束指向步进、多波束指向间隔以及方位角间隔计算信号幅度差值，形成测向库。

测向库生成过程：根据数字波束合成系统所要求的测向频段和空域，按照频率步进、波束指向步进、多波束指向间隔以及方位角间隔，依次计算不同频率、不同波束下的波束指向角与相邻两个波束(左波束和右波束)的波束指向角的信号幅度差值，最终形成多组波束指向角、多组信号幅度差值构成的幅度差测向库。

值得说明的是，频率步进、波束指向步进以及方位角间隔能够根据数字波束合成系统的的测向精度来确定，也能够根据波束设计情况来确定，本申请对此并不限定。例如在一般的情况下，频率步进通常选取1MHz，波束指向步进通常选取0.2度，方位角间隔通常选取1度。

S200、根据信号频率、接收机中心频率以及信号最大幅度对应的最大波束指向角计算真实波束指向角。

在窄带的数字波束合成系统中对波束指向修正之前，请参考图2，图2示出了本申请实施例提供的电路原理框图，数字波束合成系统会接收到由信号源发出的电磁波信号，该电磁波信号通过天线接口单元馈入，再经过变频模块变频到中频，通过AD采样模块完成采样，将采样后的数字信号预处理，最后通过数字多波束合成多个波束，在生成测向库的同时对波束指向进行修正，由此对测向结果进行粗侧，最后完成抛物线插值。

由于用于波束合成的加权系数是通过接收机中心频率计算出来的，该加权系数作用在不同的信号频率上会产生不同的波束指向。在某一组加权系数下，由于每个波束的信号幅度不一样，先找出信号幅度最大的波束所对应的波束指向角，再根据信号频率、接收机中心频率以及该波束指向角，通过真实波束指向的计算公式即可得到真实波束指向角θ^′，最终完成对波束指向的修正，而真实波束指向角θ^′的计算公式为：

其中，θ^′为真实波束指向角，θ为最大波束指向角，f_s为信号频率，f₀为接收机中心频率。

值得说明的是，在信号频率和接收机频率相等(f_s＝f₀)的情况下，此时真实波束指向角便为最大波束指向角(θ^′＝θ)，在信号频率和接收机频率不相等(f_s≠f₀)的情况下，则表明波束发生了偏移，此时便能通过上述公式计算出真实波束指向角θ^′。

S300、按照真实波束指向角查询测向库得到偏离角，并将真实波束指向角和偏离角求和得到测向粗值。

测向粗值是由真实波束指向角和偏离角求和所得到，而偏离角又是根据真实波束指向角对测向库进行查询所得到的。接下来对步骤S300中的测向粗值计算过程进行说明，基于图1请参考图3，图3示出了本申请实施例提供的步骤S300的流程示意图，步骤S300包括：

S310、根据真实波束指向角查询测向库得到测向库幅度差值。

在计算出真实波束指向角θ^′之后，数字波束合成系统会从测向库中查询该真实波束指向角所对应的测向库幅度差值，测向库中存储了不同波束指向角以及对应的信号幅度差值。

S320、计算最大波束指向角与次大波束指向角的信号幅度差值。

次大波束指向角为与最大波束指向角相邻的最大信号幅度的波束指向角，例如，若与最大波束指向角相邻的左波束指向角的信号幅度大于相邻的右波束指向角的信号幅度，则选取与最大波束指向角相邻的左波束指向角为次大波束指向角，若与最大波束指向角相邻的左波束指向角的信号幅度小于相邻的右波束指向角的信号幅度，则选取与最大波束指向角相邻的右波束指向角为次大波束指向角，若与最大波束指向角相邻的左波束指向角的信号幅度等与相邻的右波束指向角的信号幅度，则从左波束指向角或者右波束指向角任意选取一个作为次大波束指向角。

S330、根据测向库幅度差值和信号幅度差值得到偏离角；

要得到偏离角，先根据测向库幅度差值从测向库中提取与测向库幅度差值所对应的测向子库，测向子库属于测向库，然后按照信号幅度差值对测向子库进行查询，然后将查询后的结果按照就近原则选择偏离角。

S340、将真实波束指向角和偏离角求和得到测向粗值。

S400、根据测向粗值、信号幅度差值、方位角间隔、测向粗值相邻的两个幅度比值得到测向精确值。

在得到测向粗值之后，能够选取与测向粗值附近的三个建库方位角，例如选取测向粗值向左偏移的一个建库方位角与向右偏移的两个建库方位角，也可以选取测向粗值向左偏移的两个建库方位角与向右偏移的一个建库方位角，还可以有其他多种选择，本申请对此并不限定。此时建库方位角的幅度差值与建库方位角间隔，根据测向粗值以及建库方位角拟合抛物线曲线，通过表征抛物线曲线的抛物线方程，选取测向粗值相邻的两个幅度比值ΔA₁和ΔA₂，并结合信号幅度差值ΔA，方位角间隔Δθ以及测向粗值α_粗，带入精确测向值的计算公式：

最终得到精确测向值。

在一种可能的实施方式中，请参考图4a和图4b，图4a示出了本申请实施例提出的不同频率的波束指向偏移示意图，而图4b示出了图4a中指向角为40°的波束放大图。如果接收机中心频率为830MHz，而瞬时带宽为60MHz，此时会形成指向角为40°的波束，可知，在相同加权系数作用在信号频率为800MHz、830MHz和860MHz下形成的波束其形状和波束指向稍有不同，信号频率为800MHz和860MHz形成的波束指向与频率与信号频率为830MHz形成的波束指向大约相差2°，这对信号接收影响不大，但是如果频率为800MHz和860MHz的测向也以接收机中心频率为830MHz形成的波束为基准进行查表测向，则最大会带来接近2°的测向误差

在另一种可能的实施例中，请参阅图5。图5示出了本申请实施例提出的不同频率的波束指向偏移示意图，在未加入任何误差情况下，对频率为800MHz～2000MHz信号测向的误差曲线。从图中可以看出，在没有任何误差影响下，在查表时，如果未对信号频点对应波束指向进行修正，则会带来最大约0.6°的测向误差。

在另一种可能的实施例中，请参阅图6，图6示出了本申请实施例提出的测向误差比较图。是未加入任何误差的情况下，对频率为800MHz～2000MHz信号测向的误差曲线。从图中可以看出，在没有任何误差影响下，通过测向查表获得测向粗值后，通过抛物线插值可显著提升测向性能。

本申请具有如下技术效果：

(1)、本申请实施例提出的一种测向修正方法，对真实波束指向角进行计算来完成对波束指向的修正，再按照真实波束指向角查询测向库得到偏离角，并将其与真实波束指向角求和得到测向粗最终值，最后得到的测向精确值以完成抛物线插值，能够显著提升方位角的测向精度。

(2)、通过计算机的仿真对比，为数字波束系统中的测向方法提供了有益参考。

(3)、本申请中测向库生成是在数字波束系统确定之后，根据波束设计事先生成，再将其导入到实时运算芯片中存储，以供后续实时计算使用，波束指向修正、测向粗值计算以及抛物线插值仅涉及少量的三角函数及加减乘除计算，计算量小，利于工程实现。

(4)、本申请提出的测向修正方法还可用于一维数字波束合成系统中的方位角测量，也可用于二维数字波束合成系统中的俯仰角测量，抛物线插值获得测向精确值的思路也可用于干涉仪测向系统。

接下来给出本申请实施例提出的一种测向修正装置可能的实现方式，其用于执行上述实施例及可能的实现方式中示出的测向修正方法各个执行步骤和相应技术效果。该测向修正装置包括：测向库生成模块、波束指向修正模块、测向粗值计算模块以及抛物线插值模块

测向库生成模块，用于根据频率步进、波束指向步进、多波束指向间隔以及方位角间隔计算信号幅度差值，形成测向库。

波束指向修正模块，用于根据信号频率、接收机中心频率以及信号最大幅度对应的最大波束指向角计算真实波束指向角。

测向粗值计算模块，用于按照真实波束指向角查询测向库得到偏离角，并将真实波束指向角和偏离角求和得到测向粗值。

抛物线插值模块，用于根据测向粗值、信号幅度差值、方位角间隔、测向粗值相邻的两个幅度比值得到测向精确值。

可选的，测向粗值计算模块还包括测向粗值计算子模块。

测向粗值计算子模块：用于根据真实波束指向角查询测向库得到测向库幅度差值；

计算最大波束指向角与次大波束指向角的信号幅度差值，次大波束指向角为最大波束指向角相邻的最大信号幅度的波束指向角；

根据测向库幅度差值和信号幅度差值得到偏离角；

将真实波束指向角和偏离角求和得到测向粗值。

可选的，测向粗值计算子模块还用于：根据测向库幅度差值从测向库中提取测向子库，

通过测向子库查询信号幅度差值对应的偏离角。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于测向精度改善的测向修正方法，其特征在于，应用于数字波束合成系统，包括：

根据频率步进、波束指向步进、多波束指向间隔以及方位角间隔计算信号幅度差值，形成测向库；

根据信号频率、接收机中心频率以及信号最大幅度对应的最大波束指向角计算真实波束指向角；

按照所述真实波束指向角查询所述测向库得到偏离角，并将所述真实波束指向角和所述偏离角求和得到测向粗值；

根据所述测向粗值、所述信号幅度差值、所述方位角间隔、所述测向粗值相邻的两个幅度比值得到测向精确值。

2.如权利要求1所述的测向修正方法，其特征在于，所述真实波束指向角的计算公式为:

其中，θ^′为所述真实波束指向角，θ为所述最大波束指向角，f_s为所述信号频率，f₀为所述接收机中心频率。

3.如权利要求1所述的测向修正方法，其特征在于，所述按照所述真实波束指向角查询所述测向库得到偏离角，并将所述真实波束指向角和所述偏离角求和得到测向粗值的步骤，包括：

根据所述真实波束指向角查询所述测向库得到测向库幅度差值；

计算最大波束指向角与次大波束指向角的信号幅度差值，所述次大波束指向角为所述最大波束指向角相邻的最大信号幅度的波束指向角；

根据所述测向库幅度差值和所述信号幅度差值得到偏离角；

将所述真实波束指向角和所述偏离角求和得到测向粗值。

4.如权利要求3所述的测向修正方法，其特征在于，所述根据所述测向库幅度差值和所述信号幅度差值得到偏离角的步骤，包括：

根据所述测向库幅度差值从所述测向库中提取对应的测向子库；

通过所述测向子库查询所述信号幅度差值得到对应的偏离角。

5.如权利要求1所述的测向修正方法，其特征在于，所述精确测向值的计算公式为：

其中，ΔA₁为所述测向粗值相邻的一个幅度比值，ΔA₂为所述测向粗值相邻的另一个幅度比值，ΔA为所述信号幅度差值，Δθ为所述方位角间隔，α_粗为所述测向粗值。

6.一种用于测向精度改善的测向修正装置，其特征在于，应用于数字波束合成系统，所述装置包括：

测向库生成模块，用于根据频率步进、波束指向步进、多波束指向间隔以及方位角间隔计算信号幅度差值，形成测向库；

波束指向修正模块，用于根据信号频率、接收机中心频率以及信号最大幅度对应的最大波束指向角计算真实波束指向角；

测向粗值计算模块，用于按照所述真实波束指向角查询所述测向库得到偏离角，并将所述真实波束指向角和所述偏离角求和得到测向粗值。

抛物线插值模块，用于根据所述测向粗值、信号幅度差值、所述方位角间隔、所述测向粗值相邻的两个幅度比值得到测向精确值。

7.如权利要求6所述的测向修正装置，其特征在于，所述装置包括：

测向粗值计算子模块：用于根据所述真实波束指向角查询所述测向库得到测向库幅度差值；

计算最大波束指向角与次大波束指向角的信号幅度差值，所述次大波束指向角为所述最大波束指向角相邻的最大信号幅度的波束指向角；

根据所述测向库幅度差值和所述信号幅度差值得到偏离角；

将所述真实波束指向角和所述偏离角求和得到测向粗值。

8.如权利要求7所述的测向修正装置，其特征在于，所述测向粗值计算子模块还用于：

根据所述测向库幅度差值从所述测向库中提取对应的测向子库；

通过所述测向子库查询所述信号幅度差值得到对应的偏离角。

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