CN116359835A - 一种y型基线干涉仪测向装置及测向方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Y型基线干涉仪测向装置及测向方法，Y型基线干涉仪测向装置包括Y型基线，Y型基线包括第一阵元、第二阵元、第三阵元和第六阵元，以第二阵元为原点O建立坐标系，第一阵元位于Y轴的负方向上，第三阵元位于Z轴的负方向上；在Y轴的正方向上设有第一点，在Z轴的正方向上设有第二点，第六阵元与第一点间的连线垂直于Y轴，第六阵元与第二点间的连线垂直于Z轴；第一阵元、第二阵元、第三阵元和第六阵元上均设有一个接收机，接收机之间设置有鉴相器。本发明在保证总体测量精度的要求下能够将经典长短基线的五个阵元简化为四个阵元，从而节约20%的硬件成本，并且在一定范围内提高了测量精度。

Description

一种Y型基线干涉仪测向装置及测向方法
技术领域
本发明属于干涉仪测向技术领域，涉及一种Y型基线干涉仪测向装置及测向方法。
背景技术
相位干涉仪具有测向原理简单、测向精度高、运算量小、实时性强等优点，广泛运用于天文、雷达、声纳、导航、电磁环境监测、电子对抗等领域，是无源测向技术中常用的一种手段。相位干涉仪测向方案主要有一维和二维两种，一维为线阵，二维为面阵。测向原理基本相同，因回波均为同频率的余弦信号，阵元之间接收的信号仅有相位不同。一维、二维在测向过程中均是利用短基线（距离小于等于半波长）上的阵元测量出的无模糊相位差，利用相位差可计算粗略的来波方向，再利用长基线提高测量精度，因长基线长度一般均大于半个波长，会出现相位模糊的情况，此时需要利用短基线测出的相位来解算长基线应测出的未模糊相位，利用未模糊相位计算出精度更高的来波方向。
现有产品一般使用的就是一种经典的二维十字交叉排列，布置水平和垂直两方向的长短基线进行角度测量，长短基线共设置5个阵元。结合实际应用，在保证精度的前提下，为进一步节约成本，可以对长短基线布局方式进行优化。
发明内容
本发明的目的是提供一种Y型基线干涉仪测向装置及测向方法，以解决如何在优化结构的同时保证总体测向精度的问题，从而降低了成本。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
一方面，本发明提供一种Y型基线干涉仪测向装置，包括Y型基线，所述Y型基线包括第一阵元、第二阵元、第三阵元和第六阵元，以所述第二阵元为原点O建立OXYZ坐标系，所述第一阵元位于Y轴的负方向上，第三阵元位于Z轴的负方向上，第一阵元和第二阵元之间的连线为第一短基线，第三阵元和第二阵元之间的连线为第二短基线；第一短基线和第二短基线的长度均为d，
Figure SMS_1
，λ为入射波波长；在Y轴的正方向上设有第一点，在Z轴的正方向上设有第二点，所述第一点与第一阵元之间的长度为md，所述第二点与第三阵元之间的长度为md，m>1；所述第六阵元与第一点之间的连线垂直于Y轴，第六阵元与第二点之间的连线垂直于Z轴；
所述第一阵元、第二阵元、第三阵元和第六阵元上均设置有一个接收机；所述第一阵元的接收机与第二阵元的接收机之间、第二阵元的接收机与第三阵元的接收机之间、第一阵元的接收机与第六阵元的接收机之间，以及第三阵元的接收机与第六阵元的接收机之间均设置有一个鉴相器。
进一步的，m=3或5。
另一方面，本发明提供一种Y型基线干涉仪测向方法，该方法基于本发明所述的Y型基线干涉仪测向装置，具体包括如下步骤：
步骤1，通过第一阵元和第二阵元之间的鉴相器测得无模糊相位差
Figure SMS_2
，通过第三阵元和第二阵元之间的鉴相器测得无模糊相位差/>
Figure SMS_3
：
步骤2，利用步骤1得到的无模糊相位差
Figure SMS_4
和/>
Figure SMS_5
解算阵元之间的精确相位差，包括如下子步骤：
步骤21，利用以下两个公式计算得到第一阵元与第六阵元之间的粗相位差
Figure SMS_6
，以及第三阵元与第六阵元之间的粗相位差/>
Figure SMS_7
：
Figure SMS_8
其中 ：
Figure SMS_9
—第一阵元和第六阵元之间的粗相位差；
Figure SMS_10
—第三阵元和第六阵元之间的粗相位差；
Figure SMS_11
—第一阵元和第二阵元之间的鉴相器测得的无模糊相位差；
Figure SMS_12
—第三阵元和第二阵元之间的鉴相器测得的无模糊相位差；
m—大于1的数；
步骤22，利用下列公式计算得到第一阵元和第六阵元之间的精确相位差
Figure SMS_13
以及第三阵元和第六阵元之间的精确相位差/>
Figure SMS_14
：
Figure SMS_15
Figure SMS_16
其中：
Figure SMS_17
—第一阵元和第六阵元之间的精确相位差；
Figure SMS_18
—第三阵元和第六阵元之间的精确相位差；
Figure SMS_19
—第一阵元和第六阵元之间的鉴相器测得的相位差；
Figure SMS_20
—第三阵元和第六阵元之间的鉴相器测得的相位差；
O、M—中间量；
round—matlab中的四舍五入函数；
步骤3，利用以下公式计算被测目标的方位角、被测目标的俯仰角：
Figure SMS_21
其中 ：
α—被测目标的方位角；
β—被测目标的俯仰角；
Figure SMS_22
—第一阵元和第六阵元之间的精确相位差；
Figure SMS_23
—第三阵元和第六阵元之间的精确相位差；
λ—入射波波长；
m—大于1的数；
d—第一短基线或第二短基线的长度；
至此，完成Y型基线干涉仪测向。
相较于现有经典的长短基线技术，本发明在保证足够测向精度的要求下能够将原先的五个阵元简化为四个阵元：
（1）在结构上少了一个阵元，能够减少一套接收机设备、简化结构，节约20%的硬件成本；
（2）在同样的阵元布面内还可将第一阵元、第六阵元的距离做的更大，采用本发明的测向方法，能够在减少一个阵元的情况下保证总体测量精度，并且在一定范围内提高了测量精度。
附图说明
图1是经典的长短基线及本发明的Y型基线的阵元布置示意图。
图2是测向原理示意图。
图3是长短基线的干涉仪的测向原理图。
图4是SNR=10的仿真结果。
图5是SNR=20的仿真结果。
图中各标号含义：1、第一阵元；2、第二阵元；3、第三阵元；4、第四阵元；5、第五阵元；6、第六阵元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1：
本实施例给出一种Y型基线干涉仪测向装置。
如图1、图2所示，经典的长短基线包括五个阵元：第一阵元1、第二阵元2、第三阵元3、第四阵元4和第五阵元5（4、5为图1中虚线部分）。以第二阵元2所在位置为原点O建立OXYZ坐标系，第一阵元1位于Y轴的负方向上，第三阵元3位于Z轴的负方向上，第一阵元1和第二阵元2之间的连线为第一短基线，第三阵元3和第二阵元2之间的连线为第二短基线；第四阵元4位于 Y轴的正方向上，第五阵元5位于Z轴的正方向上，第四阵元4和第一阵元1之间的连线作为第一长基线，第五阵元5和第三阵元3之间的连线作为第二长基线。第一短基线和第二短基线的长度均为d，
Figure SMS_24
，λ为入射波波长；第一长基线和第二长基线的长度均为md，m为大于1的数；在同等条件下，m越大测向精度越高，m根据实际阵元布置范围和d的大小确定，例如在某干涉仪中，m=3。
本实施例中采用的Y型基线是将经典的长短基线中的第四阵元4和第五阵元5合并布置，即用第六阵元6代替第四阵元4和第五阵元5，第六阵元6和第四阵元4之间的连线垂直于Y轴，第六阵元6和第五阵元5之间的连线垂直于Z轴，即第六阵元6位于∠425的角平分线上，由第一阵元1、第二阵元2、第三阵元3和第六阵元6这四个阵元组成Y型基线。由上述可知：
Figure SMS_25
其中：
Figure SMS_26
—第一阵元1和第六阵元6之间的距离；
Figure SMS_27
—第三阵元3和第六阵元6之间的距离；
d—第一短基线或第二短基线的长度；
m—大于1的数。
图2中，A为被测目标，B是A在平面XOY上的投影；AO为被测目标发出信号的入射方向，α为被测目标的方位角，β为被测目标的俯仰角。
本实施例的Y型基线干涉仪测向装置包括Y型基线，Y型基线中的第一阵元1、第二阵元2、第三阵元3和第六阵元6上均设置有一个接收机；所述第一阵元1的接收机与第二阵元2的接收机之间、第二阵元2的接收机与第三阵元3的接收机之间、第一阵元1的接收机与第六阵元6的接收机之间，以及第三阵元3的接收机与第六阵元6的接收机之间均设置有一个鉴相器。
实施例2：
本实施例给出一种Y型基线干涉仪测向方法，该方法基于实施例2给出的Y型基线干涉仪测向装置，具体包括如下步骤：
步骤1，由于每个短基线上的两个阵元之间存在光程差，此处通过第一短基线上的第一阵元1和第二阵元2之间的鉴相器测得无模糊相位差
Figure SMS_28
，通过第二短基线上的第三阵元3和第二阵元2之间的鉴相器测得无模糊相位差/>
Figure SMS_29
：
步骤2，利用步骤1得到的无模糊相位差
Figure SMS_30
和/>
Figure SMS_31
解算阵元之间的精确相位差，包括如下子步骤：
步骤21，利用以下两个公式计算得到第一阵元1与第六阵元6之间的粗相位差
Figure SMS_32
，以及第三阵元3与第六阵元6之间的粗相位差/>
Figure SMS_33
。
根据阵列信号相位关系，从第一阵元1开始沿着Y轴方向，每间隔距离d则阵元之间产生的相位差均等于
Figure SMS_34
，从第三阵元3开始沿着Z轴方向，每间隔距离d则阵元之间产生的相位差均等于/>
Figure SMS_35
，由此可得：
Figure SMS_36
其中 ：
Figure SMS_37
—第一阵元1和第六阵元6之间的粗相位差；
Figure SMS_38
—第三阵元3和第六阵元6之间的粗相位差；
Figure SMS_39
—第一阵元1和第二阵元2之间的鉴相器测得的无模糊相位差；
Figure SMS_40
—第三阵元3和第二阵元2之间的鉴相器测得的无模糊相位差；
m—大于1的数。
步骤22，利用下列公式计算得到第一阵元1和第六阵元6之间的精确相位差
Figure SMS_41
以及第三阵元3和第六阵元6之间的精确相位差/>
Figure SMS_42
：
Figure SMS_43
Figure SMS_44
其中：
Figure SMS_45
—第一阵元1和第六阵元6之间的精确相位差；
Figure SMS_46
—第三阵元3和第六阵元6之间的精确相位差；
Figure SMS_47
—第一阵元1和第六阵元6之间的鉴相器测得的相位差；
Figure SMS_48
—第三阵元3和第六阵元6之间的鉴相器测得的相位差；
N、M—中间量；
round—matlab中的四舍五入函数。
至此完成
Figure SMS_49
和/>
Figure SMS_50
的解模糊过程。
步骤3，利用以下公式计算被测目标的方位角α、被测目标的俯仰角β：
Figure SMS_51
其中 ：
α—被测目标的方位角；
β—被测目标的俯仰角；
Figure SMS_52
—第一阵元1和第六阵元6之间的精确相位差；
Figure SMS_53
—第三阵元3和第六阵元6之间的精确相位差；
λ—入射波波长；
m—大于1的数；
d—第一短基线或第二短基线的长度；
至此，完成Y型基线干涉仪测向。
以下对相位干涉仪测向原理进行分析：
相位干涉仪测向的原理本质上是利用电磁波在被天线接收后产生的相位差计算来波方向，取图2中的Y轴上的基线（即第一阵元1与第二阵元2、第四阵元4）为例来说明，Z轴上的基线同理。如图3所示，带有箭头的三条平行线均为被测目标发射信号的入射方向，假设被测目标辐射或散射的是单频波，相邻天线（即相邻阵元）接收到的相位差为：
Figure SMS_54
其中：
Figure SMS_55
—第一阵元1和第二阵元2之间的鉴相器的输出；
d—第一阵元1或第二阵元2之间的距离；
θ—被测目标偏离阵面法线方向的角度；
λ—入射波波长；
对上式两边取微分,化简得到：
Figure SMS_56
该式说明测角精度受以下三方面影响：
（1）
Figure SMS_57
越小精度越高，这是由鉴相器工艺水平高低所决定的；
（2）
Figure SMS_58
的比值越小精度越高，需要增大阵元间距d提高精度；
（3）
Figure SMS_59
越大精度越高，即目标偏离法相的角度越小测量的准确度越高。
而本发明正是通过增大阵元之间的距离d来提高测量精度：本发明的Y型基线中，长基线的长度（即第一阵元1和第六阵元6之间的距离或者第三阵元3和第六阵元6之间的距离）相等，且该长度大于现有的长短基线中长基线的长度（即第一阵元1和第四阵元4之间的距离或者第三阵元3和第五阵元5之间的距离），
为了证明本发明的可行性和有效性，利用Matlab软件对长短基线和Y型基线测量过程进行仿真验证，在实验过程中参数如下：入射波波长λ=0.25m，d=d12＝d23＝0.125m，d14=d35=0.625m，d12表示第一阵元1和第二阵元2之间的距离，其余同理。仿真的过程中默认被测目标的俯仰角β为60°，绘制了被测目标的方位角α从-90°至90°的测角数据，其中添加10%阵元位置误差，鉴相器输出1°-10°随机相位误差，SNR分别取10和20得出仿真结果，如图4和图5所示。
从结果来看，Y型基线和长基线测量总体精度相当。同时，当SNR=10时，在（-50，70）范围内Y型基线的精度高于长基线；当SNR=20时，在（-50，90）范围内Y型基线的精度高于长基线。
综上所述，本发明在保证足够测向精度的要求下能够将原先的五个阵元简化为四个阵元：
（1）在结构上少了一个阵元，能够减少一套接收机设备，简化结构，节约20%的硬件成本；
（2）在同样的阵元布面内还可将第一阵元1、第六阵元6的距离做的更大，进一步提高测量精度。

Claims (3)

1.一种Y型基线干涉仪测向装置，其特征在于，包括Y型基线，所述Y型基线包括第一阵元（1）、第二阵元（2）、第三阵元（3）和第六阵元（6），以所述第二阵元（2）为原点O建立OXYZ坐标系，所述第一阵元（1）位于Y轴的负方向上，第三阵元（3）位于Z轴的负方向上，第一阵元（1）和第二阵元（2）之间的连线为第一短基线，第三阵元（3）和第二阵元（2）之间的连线为第二短基线；第一短基线和第二短基线的长度均为d，
Figure QLYQS_1
，λ为入射波波长；在Y轴的正方向上设有第一点，在Z轴的正方向上设有第二点，所述第一点与第一阵元（1）之间的长度为md，所述第二点与第三阵元（3）之间的长度为md，m>1；所述第六阵元（6）与第一点之间的连线垂直于Y轴，第六阵元（6）与第二点之间的连线垂直于Z轴；
所述第一阵元（1）、第二阵元（2）、第三阵元（3）和第六阵元（6）上均设置有一个接收机；所述第一阵元（1）的接收机与第二阵元（2）的接收机之间、第二阵元（2）的接收机与第三阵元（3）的接收机之间、第一阵元（1）的接收机与第六阵元（6）的接收机之间，以及第三阵元（3）的接收机与第六阵元（6）的接收机之间均设置有一个鉴相器。
2.如权利要求1所述的Y型基线干涉仪测向装置，其特征在于，m=3或5。
3.一种Y型基线干涉仪测向方法，其特征在于，该方法基于权利要求1或2所述的Y型基线干涉仪测向装置，具体包括如下步骤：
步骤1，通过第一阵元（1）和第二阵元（2）之间的鉴相器测得无模糊相位差
Figure QLYQS_2
，通过第三阵元（3）和第二阵元（2）之间的鉴相器测得无模糊相位差/>
Figure QLYQS_3
：
步骤2，利用步骤1得到的无模糊相位差
Figure QLYQS_4
和/>
Figure QLYQS_5
解算阵元之间的精确相位差，包括如下子步骤：
步骤21，利用以下两个公式计算得到第一阵元（1）与第六阵元（6）之间的粗相位差
Figure QLYQS_6
，以及第三阵元（3）与第六阵元（6）之间的粗相位差/>
Figure QLYQS_7
：
Figure QLYQS_8
其中 ：
Figure QLYQS_9
—第一阵元（1）和第六阵元（6）之间的粗相位差；
Figure QLYQS_10
—第三阵元（3）和第六阵元（6）之间的粗相位差；
Figure QLYQS_11
—第一阵元（1）和第二阵元（2）之间的鉴相器测得的无模糊相位差；
Figure QLYQS_12
—第三阵元（3）和第二阵元（2）之间的鉴相器测得的无模糊相位差；
m—大于1的数；
步骤22，利用下列公式计算得到第一阵元（1）和第六阵元（6）之间的精确相位差
Figure QLYQS_13
以及第三阵元（3）和第六阵元（6）之间的精确相位差/>
Figure QLYQS_14
：
Figure QLYQS_15
Figure QLYQS_16
其中：
Figure QLYQS_17
—第一阵元（1）和第六阵元（6）之间的精确相位差；
Figure QLYQS_18
—第三阵元（3）和第六阵元（6）之间的精确相位差；
Figure QLYQS_19
—第一阵元（1）和第六阵元（6）之间的鉴相器测得的相位差；
Figure QLYQS_20
—第三阵元（3）和第六阵元（6）之间的鉴相器测得的相位差；
N、M—中间量；
round—matlab中的四舍五入函数；
步骤3，利用以下公式计算被测目标的方位角、被测目标的俯仰角：
Figure QLYQS_21
其中 ：
α—被测目标的方位角；
β—被测目标的俯仰角；
Figure QLYQS_22
—第一阵元（1）和第六阵元（6）之间的精确相位差；
Figure QLYQS_23
—第三阵元（3）和第六阵元（6）之间的精确相位差；
λ—入射波波长；
m—大于1的数；
d—第一短基线或第二短基线的长度；
至此，完成Y型基线干涉仪测向。
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