CN215579031U - 一种旋转多基线相位干涉仪测向天线阵 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种旋转多基线相位干涉仪测向天线阵，能够同时测方位角和俯仰角，采用较少的阵元天线和通道数即可完成高精度的测向。相比传统一维多基线天线阵可以同时测量方位角和俯仰角；本实用新型还包括一对电磁铁，一个设置在底座上，靠近旋转机构，另一个对应设置在一维天线阵上，且位于一维天线阵的基线上。采用电磁铁确定基线初始旋转位置，便于方位角的确定。本实用新型采用四阵元天线，天线阵通道数既不会过多导致资源浪费，也不会过少而导致测向精度不高。

Description

一种旋转多基线相位干涉仪测向天线阵

技术领域

本实用新型涉及相位干涉仪测向技术领域，具体涉及一种旋转多基线相位干涉仪测向天线阵。

背景技术

相位干涉仪测向作为电子信号侦察领域中常用的无源测向方法，利用多个天线阵元天线间侦收信号的相位差进行到达方向(DOA)估计，可以在较短的天线基线条件下，实现对目标信号的高精度测向。干涉仪测向方法具有测向精度高、硬件资源要求低、实时性好、适应频带宽等优点。天线阵的布阵设计是影响干涉仪测向精度和解模糊能力的重要因素，传统一维单基线相位干涉仪在低频段由于长基线电长度短，干涉仪测向精度低，因此希望干涉仪的长基线尽可能长，在高频段干涉仪短基线电尺寸长，可能导致测向模糊。相位干涉仪测向技术中常见的测向模糊问题是由于鉴相器提取的信号相位差只能在[-π,π]范围内，对于由两个天线构成的单基线，当基线长度大于半波长时，相位差实际值超出[-π,π]，鉴相器输出的相位值会以2π为周期翻转，导致所求角度不是唯一值。测向模糊本质上可以认为天线阵接收两个不同来波方向的信号，由于鉴相器的物理原因导致接收端所获得的信号幅度响应、相位响应相同，导致从幅度和相位上无法区分两个来波信号。通过合理配置多基线，可以兼顾测向精度和解模糊能力。

针对相位干涉仪测向技术存在的相位模糊问题，产生了多种由多个天线组成的多基线天线阵，常见的一维多基线阵有长短基线、虚拟基线、参差基线等天线阵，除一维天线阵外还有立体基线以及均匀圆阵等，除了多基线天线阵，还有单基线旋转天线阵。

长短基线法构造的天线阵是利用长基线和短基线的组合来解相位模糊的测向天线阵，短基线长度小于入射信号半波长，因此用短基线可以解相位模糊，长基线可以保证测角精度。参差基线法构造的天线阵是根据中国余数定理而来的，要求基线长度满足互质关系。虚拟基线法构造的天线阵是将两个基线的相位作差得到一个相当于此相位差的短基线，这个短基线的等效尺寸小于入射信号最高频率波长的一半，从而扩大无模糊的视角范围。立体基线相比于一维天线阵是一种天线摆放形式比较灵活的天线阵，所有阵元天线不需要摆放在同一平面内，同时天线间距不受宽带入射信号波长的限制，可实现宽频带测向。均匀圆阵常见的有五元阵和九元阵，排列形式为圆阵，天线阵元天线的分布是均匀的。旋转单基线天线阵通过固定在一条基线两端的两个天线盘绕轴线的旋转来接收辐射信号，进而实现来波角度的测定。

传统一维多基线天线阵普遍存在的一个问题是无法同时测定来波方位角和俯仰角，只能测一维的俯仰角。除此之外，长短基线法构造的天线阵需要最短基线的长度必须小于目标辐射源的半波长，当辐射源所处的频段位于中高频，其波长很短，这就要天线间的间距很短才行，但是在实际工程安装时是不可能实现的，所以长短基线天线阵的应用范围很窄，只适合低频段信号的测向。

虚拟基线天线阵和参差基线天线阵很好地解决了长短基线天线阵的应用弊端，天线基线间距没有必要小于目标辐射源的半波长，但是，参差基线天线阵天线之间的距离必须满足互质的关系，这使得我们不能随意摆放天线，并且天线盘体积的限制会较大的影响测向精度；虚拟基线天线阵，由于其测向精度不是很高，决定了次长基线的长度不能过长，保证测向精度的最长基线越长就需要越多的阵元天线进行辅助解模糊，这给系统设计带来了挑战。

立体基线天线阵和均匀圆阵通常使用的天线个数较多，在有限的天线盘体上，摆放的天线个数较多，通道数也较多，给系统的通道一致性提出了更高的要求，波阵面也越容易出现畸变，使相位差出现测量误差。旋转单基线天线阵利用两个阵元天线绕基线中心点的的旋转可以测量来波方位角和俯仰角，虽然使用通道数较少，但在某些特殊角度下会出现测向错误的情况，且相邻脉冲间的相位差变化不能超过π，否则也会出现测角错误的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种旋转多基线相位干涉仪测向天线阵，能够同时测方位角和俯仰角，采用较少的阵元天线和通道数即可完成高精度的测向。

为实现上述目的，本实用新型的一种旋转多基线相位干涉仪测向天线阵，包括一维天线阵、旋转机构以及底座；所述一维天线阵包括3个以上阵元天线，各阵元天线间的基线长度满足互质关系；所述旋转机构用于带动一维天线阵以旋转机构中心轴为中心进行匀速旋转；所述底座用于安装旋转机构。

其中，还包括一对电磁铁，一个设置在底座上，靠近旋转机构，另一个对应设置在一维天线阵上，且位于一维天线阵的基线上。

其中，所述一维天线阵包括4个阵元天线。

其中，所述4个阵元天线分别为阵元天线2、阵元天线3、阵元天线0与阵元天线1；阵元天线2与阵元天线3构成最长基线d₂₃，阵元天线0与阵元天线1构成最短基线d₁₀；

其中，最长基线d₂₃长度为1米；最短基线d₁₀长度为20cm；其余基线长度分别为d₂₁＝30cm，d₂₀＝d₃₀＝50cm，d₁₃＝70cm。

其中，所述旋转机构位于所述一维天线阵下方。

其中，基线围绕旋转机构进行旋转，在旋转过程中通过光电滑环在相对转动的部件之间传输电信号。

有益效果：

本实用新型的旋转多基线相位干涉仪测向天线阵相比传统一维多基线天线阵可以同时测量方位角和俯仰角。

本实用新型还包括一对电磁铁，一个设置在底座上，靠近旋转机构，另一个对应设置在一维天线阵上，且位于一维天线阵的基线上。采用电磁铁确定基线初始旋转位置，便于方位角的确定。

本实用新型采用四阵元天线，天线阵通道数既不会过多导致资源浪费，也不会过少而导致测向精度不高。

附图说明

图1为本实用新型实施例天线阵的整体结构示意图。

图2为单基线相位干涉仪测向原理。

图3为旋转单基线相位干涉仪测向原理图。

图4为旋转单基线相位干涉仪测向时的相位差曲线示意图。

图5为旋转单基线相位干涉仪测向时的鉴相相位差曲线示意图。

图6为旋转单基线相位干涉仪测向时的鉴相相位差经过数字积分器后得到的相位差曲线波形示意图。

图7为旋转单基线相位干涉仪测向时的积分后相位差曲线和理论相位差曲线对比图。

图8为本实用新型旋转多基线相位干涉仪测向模型。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

本实施例的旋转多基线相位干涉仪测向天线阵示意图如图1所示。包括一维天线阵、旋转机构以及底座；所述一维天线阵包括四个阵元天线，共有6条基线，基线长度满足互质关系，阵元天线2与阵元天线3构成最长基线d₂₃，长度为1米；阵元天线0与阵元天线1构成最短基线d₁₀，长度为20cm；其余基线长度分别为d₂₁＝30cm，d₂₀＝d₃₀＝50cm，d₁₃＝70cm。所述旋转机构用于带动一维天线阵以旋转机构中心轴为中心进行匀速旋转；所述底座用于安装旋转机构。

在天线阵设计时考虑到需要在基线旋转平稳后才能开始采集信号，且在基线旋转平稳后还需要标定好基线旋转起始时刻，因此还包括一对电磁铁，一个设置在底座上，靠近旋转机构，另一个对应设置在一维天线阵上，且位于一维天线阵阵元天线0和阵元天线3之间的基线上，电磁铁连线连线垂直于一维天线阵平面，如图1中所示，设磁铁重合的时候基线所在的直线就是X轴，基线开始旋转后，每旋转一周磁铁重合一次，产生一个脉冲信号，输出一个电平，可以通过脉冲信号出现的位置判断基线旋转的初始位置以及基线旋转的圈数。对于初始位置电磁铁标校设计具体过程如下：

由旋转基线相位干涉仪测角原理可知，方位角的求取和基线从初始位置旋转到相位差最大值的时刻有关，因此初始位置的标定非常重要，本实用新型采用磁铁标校的方法，假定磁铁重合的时候基线所在的直线就是X轴，基线开始旋转后，每旋转一周磁铁重合一次，产生一个脉冲信号，输出一个电平，脉冲信号通过合路器与某一路天线接收信号一起进入AD采集卡中。假设基线一秒旋转一圈，即相位差余弦曲线一秒一个周期，因此产生脉冲信号的时刻，即为余弦曲线每个周期开始时刻，通过判断一个周期内曲线波峰距离该周期起始时刻基线转过的角度即可求得方位角。

本实施中，所述旋转机构位于所述一维天线阵下方。基线围绕下方的旋转机构进行旋转，在旋转过程中通过光电滑环在相对转动的部件之间传输电信号，保证信号在旋转连接的过程中正常传输。

本实用新型原理分析如下：

首先对一维单基线相位干涉仪测向模型进行分析，单基线相位干涉仪测向原理图如图2中所示，即由两个阵元构成的只有一条基线的干涉仪系统，阵元间的连线称为基线。假设信号到达接收天线前的阵前波为平行波，则天线1和2接收到的信号分别为：

式中A为信号幅度；ω＝2πf，f为入射信号频率；τ为天线1相对于天线2接收信号的时延；ψ为入射信号的初相。由于相位干涉仪测向的原理是通过比较两天线接收到的同一信号的相位的差值来确定目标的入射方向的，因此需要提取两个阵元的相位差，对两路信号进行共轭相乘：

对上式化简可得：

利用鉴相器提取出两路信号的相位差φ为：

式中λ为信号波长；θ为入射信号与视轴之间的夹角，即入射信号的俯仰角；c为光速，即信号传播的速度；D为两个接收天线的间距，即基线长度。则对应的俯仰角为：

一维单基线相位干涉仪只能测俯仰角，无法同时测方位角和俯仰角。在相位干涉仪测向方法中，由于鉴相器提取的信号相位差只能在[-π,π]范围内，对于由两个天线构成的一维单基线，当基线长度小于入射信号最高频率半波长时，对于任意方向入射信号，实际相位差都在[-π,π]以内，测量值反应实际值；当基线长度大于半波长时，相位差实际值超出[-π,π]，此时鉴相器对实际相位差进行截断和平移，使其在[-π,π]范围内翻折，这就是相位干涉仪测向方法中常见的相位模糊问题，因此单基线相位干涉仪不适用于高频信号测向系统，需要采用多基线或者旋转基线进行解模糊，提高正确解角的概率。

对于旋转单基线相位干涉仪测向模型分析如下：

旋转相位干涉仪是通过天线盘绕轴线的旋转，使阵元间真实相位差按余弦规律变化，进而判断极值求出无模糊相位差，实现解模糊的方法。旋转单基线相位干涉仪测向原理图如图3所示。

设基线长度为D，基线的旋转角速度为ω，入射信号的方位角为

俯仰角为θ，两天线按逆时针方向旋转。当相位干涉仪连续旋转时，基线有效长度变化，此时，两天线接收信号的真实相位差不再是一个固定值，而是按余弦规律变化，该相位差满足：

当来波俯仰角θ一定时，相位差曲线的变化满足余弦定理，如图4所示。

由于鉴相器的物理特性，导致鉴相器输出的相位差将实际相位差限定在[-π,π]范围内，因此其输出相当于把φ(t)在主值区间进行截断和平移，鉴相相位差曲线如图5所示。

若想恢复出真实的相位差曲线，需要进行解模糊处理，解模糊即是消除多值，消除相位跳变现象。旋转单基线解模糊可以利用数字积分器进行相位的累加处理以达到解模糊的作用，数字积分器的原理如下式，假设积分初始时刻全相位差

根据鉴相器输出的相位差，按下式进行累加计算，可以还原出相位差随基线旋转的变化曲线。

式中：

是鉴相器当前的相位差，

是上一次的相位差，φ(i)是积分器当前积出的相位差，φ(i-1)是积分器上一次的相位差。鉴相相位差经过数字积分器后得到的相位差曲线波形如图6所示。

由单基线旋转解模糊的结果可看出，可以消除相位跳变现象，恢复出完整的相位差变化曲线，然而由于初始时刻值为鉴相器的输出，存在模糊，所以解模糊后的曲线虽然与实际曲线相同，但由图6可以看出，积分器解模糊后的相位差曲线相对于实际曲线存在一个整体的偏移量Δ，但在求解来波方位角与俯仰角时，可以通过用曲线最大值减最小值的方式来消除偏移量。积分后相位差曲线和理论相位差曲线对比图如图7所示。

由公式(6)可知，当θ固定时，即目标俯仰角不变时，测量相位差一个周期最大值处对应的旋转角度即为目标方位角，即基线旋转角度为

时，测量相位差有最大值，因此可得：

因此通过判断曲线的极大值φ_max和极小值φ_min点就可以确定β的值。则目标俯仰角为：

得到目标的方位角为

由上述分析可知，旋转基线法可以同时测量方位角和俯仰角，且不会产生俯仰角的模糊。

但旋转单基线解模糊时相邻脉冲间的相位差变化不能超过π，否则会出现解模糊错误，因此本实用新型提出采用多个阵元组成多条基线进行解模糊。本实用新型的旋转多基线相位干涉仪测向模型分析具体如下：

多基线相位干涉仪利用多基线相位方差统计法解模糊，又因为该方法要求各条基线长度满足互质关系，因此也称为基于互质基线组合解模糊法。该方法利用最长基线所有可能的角度去求对应的各基线理论相位，然后和测量的相位相比较，误差方差最小的那个点就是真实值相位差。

建立如图8所示的天线旋转模型，四个接收天线S₀—S₃在一条直线上，以S₀为原点绕z轴进行逆时针旋转，旋转平面定义为坐标轴xoy平面，旋转角速度为ω，基线初始位置与x轴重合。目标T的坐标为

相对接收基线而言为远场，入射信号的方位角为

表示从x轴正方向按逆时针方向旋转的角度；俯仰角为θ∈[0,π/2)，表示和xoy平面在z轴正方向的夹角。在基线旋转过程中，各天线间的相位差随之变化，由此可确定目标的方位角和俯仰角。具体过程为：

(1)根据长基线求出有N个模糊的角度θ_i,i＝1,2,...,N(N个模糊的角度)。

(2)寻求各基线可能的相位估计值

其中：j＝1，2，…，M(M条真实基线)。

(3)计算

其中：

是原始测量值；

归一化到[-π,π]之内。

(4)求解最小均方误差

(5)找出最小的ξ_i，对应的整周期模糊就是相位差真值。

求出各条基线的相位差真值后，由于干涉仪基线越长，测角精度越高，于是根据单基线旋转的原理，找到最长基线相位差余弦曲线的最大最小值便可以求出来波方位角和俯仰角。该算法的优点为充分利用所有基线参与解模糊，解模糊能力较高，且旋转多基线法求得的相位差余弦曲线不存在偏移量。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种旋转多基线相位干涉仪测向天线阵，其特征在于，包括一维天线阵、旋转机构以及底座；所述一维天线阵包括3个以上阵元天线，各阵元天线间的基线长度满足互质关系；所述旋转机构用于带动一维天线阵以旋转机构中心轴为中心进行匀速旋转；所述底座用于安装旋转机构。

2.如权利要求1所述的旋转多基线相位干涉仪测向天线阵，其特征在于，还包括一对电磁铁，一个设置在底座上，靠近旋转机构，另一个对应设置在一维天线阵上，且位于一维天线阵的基线上。

3.如权利要求1所述的旋转多基线相位干涉仪测向天线阵，其特征在于，所述一维天线阵包括4个阵元天线。

4.如权利要求3所述的旋转多基线相位干涉仪测向天线阵，其特征在于，所述4个阵元天线分别为阵元天线2、阵元天线3、阵元天线0与阵元天线1；阵元天线2与阵元天线3构成最长基线d₂₃，阵元天线0与阵元天线1构成最短基线d₁₀；

其中，最长基线d₂₃长度为1米；最短基线d₁₀长度为20cm；其余基线长度分别为d₂₁＝30cm，d₂₀＝d₃₀＝50cm，d₁₃＝70cm。

5.如权利要求1-4任意一项所述的旋转多基线相位干涉仪测向天线阵，其特征在于，所述旋转机构位于所述一维天线阵下方。

6.如权利要求1-4任意一项所述的旋转多基线相位干涉仪测向天线阵，其特征在于，基线围绕旋转机构进行旋转，在旋转过程中通过光电滑环在相对转动的部件之间传输电信号。

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