CN109324309B - 一种旋转单天线测角装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转单天线测角装置及其测量方法，包括可旋转单天线、射频放大及变换模块、数字采集与处理模块、角度估计模块和显示与控制模块；其中射频放大及变换模块、数字采集与处理模块、角度估计模块和显示与控制模块依次连接，可旋转单天线旋转至不同角度侦收目标信号，并将信号传输至射频放大及变换模块完成信号的放大与变频，射频放大及变换模块输出的模拟信号经过数字采集与处理模块完成信号的采样、检测、幅度参数测量、信号分选与合批、数据存储，角度估计模块根据测量幅度完成角度估计，显示与控制模块下发控制指令并记录处理结果。本发明的方法具有易于实现、仅需单个天线的优点，对无线电具有重要的参考价值。
Description
技术领域
本发明属于测向领域，具体涉及一种旋转单天线测角装置及其测量方法。
背景技术
角度估计是雷达、侦察、导航等领域的重要内容，按照观测量的不同，常见的角度估计方法大致可以分为比幅测角、比相测角、时差测角、空间谱估计测角等。其中，比幅测角由于原理简单，容易实现，得到较多的研究和发展。比幅测角方法利用多个天线或波束侦收目标信号，通过比较信号幅度的相对大小得到目标角度估计。这类方法一般要求天线或波束的主瓣大致对准目标方向，否则难以进行测角，因而只利用到了方向图的主瓣信息，且通常假设天线或波束主瓣可以近似为高斯函数，这也引入了模型误差，因此比幅测角方法一般难以实现高精度测角。
文献(辛明,于洋.提高测向精度的一种方法[J].电子信息对抗技术,2008,23(2):10-12.)提出一种被称为nABD(n amplitude-comparison bearing discriminator)角方法，通过多天线信号幅度的加权构造出测角公式，文献(解志斌，谭冠南，田雨波等.一种用于频率可重构超宽带天线的改进的nABD测向算法[J].宇航学报,2013,34(2):286-292.)进一步研究了这种多通道比幅测角方法，但是没有给出详细的原理解释和适用条件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种旋转单天线测角装置及其测量方法，针对单通道测角问题，只需要利用单个旋转天线进行幅度测量，因此***简单，设备量小，且算法简单，易于实现，测角精度优于传统比幅测角方法，具有一定的理论和工程应用价值。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种旋转单天线测角装置，包括可旋转单天线、射频放大及变换模块、数字采集与处理模块、角度估计模块和显示与控制模块；其中射频放大及变换模块、数字采集与处理模块、角度估计模块和显示与控制模块依次连接，可旋转单天线旋转至不同角度侦收目标信号，并将信号传输至射频放大及变换模块完成信号的放大与变频，射频放大及变换模块输出的模拟信号经过数字采集与处理模块完成信号的采样、检测、幅度参数测量、信号分选与合批、数据存储，角度估计模块根据测量幅度完成角度估计，显示与控制模块下发控制指令并记录处理结果。
一种基于旋转单天线测角装置的测量方法，方法步骤如下：
步骤1、令观测角度序号n为0，在任意的初始角度处侦收目标信号；
步骤2、将步骤一中侦收到的目标信号送入射频放大及变换模块、数字采集与处理模块进行处理，完成目标信号的检测、估计幅度、分选，估计的幅度记为rn；
步骤3、如果n＝N-1，N为总观测角度的个数，N不小于20，则根据测角方法估计角度；否则令n加1，旋转至另一角度
转入步骤2。
步骤3中，测角方法包括以下步骤：
步骤3-1：对测量得到的rn按照
进行加权求和得到加权值gl，
l为模型参数，j为虚数符号；
步骤3-2：估计目标角度
为cm的相角，m为模式系数，
cm为方向图模式分量系数，Im(·)、Re(·)分别表示取实部和取虚部，tan-1(·)为反正切函数。
模型参数l、m的选择方法为：求解包含未知参数m、p、l的方程，m＝pN+l，使其解中只有一个满足cm≠0。
cm的求解方法为：选定任意K个不同的方向侦收信号，信号幅度记为F(θk)(k＝1，…，K)，
则有
其中，
A为方向图模式分量计算系数矩阵，cm＝Re(cm)+jIm(cm)。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)只需单个接收天线和处理通道，***简单，设备量小；
(2)只需要进行幅度测量，可解析测角，算法简单，易于实现；
(3)测角精度优于传统比幅测角方法。
附图说明
图1为本发明旋转单天线测角装置结构图。
图2为本发明旋转单天线测角示意图。
图3为本发明无模糊测角范围图。
图4为本发明测角精度与SNR的关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
1、旋转单天线测角装置与测角模型
结合图1，一种旋转单天线测角装置，包括可旋转单天线、射频放大及变换模块、数字采集与处理模块、角度估计模块和显示与控制模块；其中射频放大及变换模块、数字采集与处理模块、角度估计模块和显示与控制模块依次连接。利用单个可旋转单天线旋转至不同角度侦收目标信号，并将信号传输至射频放大及变换模块完成信号的如图2所示，接收天线围绕圆点O旋转并以不同角度侦收来自TO方向的目标信号，天线方向图记为
其中，
-M≤m≤M，且cM≠0，c-M≠0。
选择旋转圆周上的N个均匀观测点，则在各观测点处天线的增益为
对角度为θ0的目标，假设到达天线口面的幅度为s0(s0>0)，各观测点收到的信号为
单通道测角问题即根据rn(1≤n≤N)，估计角度θ0。
2、加权系数的选择
利用
(l为整数，0≤l≤N-1)对各天线收到的信号进行加权并求和得到
对给定的l，根据
(p为整数)，可得
此时，如果满足m＝pN+l的m中仅有一个对应的cm不为零，记为cm则有
从上述求解方法可以看出，加权求和实现了cm的选择，如果将式(1)所示天线方向图看成是信号波形，则加权求和可以看成是对频谱谱线
的抽取，即频域滤波。为了正确测角，需要满足m＝pN+l的解中只有一个满足cm≠0。则包含两类情形，一是只有一组解；二是有多组解，但其中只有一组满足cm≠0。由-M≤m≤M可以得到
则p的取值范围最多为
(表示不小于
的最小整数)。存在两种情形：
1)N充分大，此时p的取值范围较小。当N>2M时有
则只有一组取值即
从而可通过选定l和加权运算实现对cm的选择；
2)N不充分大，此时p可能有多个取值，m的解集为
如果N＜M，p至少有两个解，要求对应的cm只有一个非零。
3、单通道测角算法
从而求得
其中，
为cm的相角，即
Im(·)、Re(·)分别表示取实部和取虚部，tan-1(·)为反正切函数。
4、
的估计
为了估计θ0，还需要知道
为实际天线的参数，因此可通过天线的测试计算得到，选定K个不同的方向侦收信号，信号幅度记为F(θk)(k＝1，…，K)。根据式(1)可化简得到
写成向量形式为
其中，
则
上式给出了cm(1≤m≤M)的估计，从而可得
此外，也可以根据(7)结合已知的角度θ0进行测试，直接得到
5、测角性能分析
5.1测角模糊问题
根据式(10)可以知道，由于tan-1(·)函数结合g的实部、虚部的正负性可以得到[-π，π]的角度范围，因此无模糊测角范围为
超过这一范围将出现测角模糊，模糊周期为
可以看出，m0越小，无模糊测角范围越大，但测角精度也越低，出现了无模糊测角范围和测角精度的矛盾。
在实际应用中，为了保证测角精度和无模糊测角范围，可以以较小的m0保证较大的无模糊测角范围，理想条件下选择m0＝1，并以较大的N保证较高的测角精度。
5.2理论估计误差分析
根据式(7)可得
其中
则
则有
考虑到
则
类似的，考虑到
则
类似的，考虑到
则
将(18)-(20)代入得到
化简得到
6、仿真试验
本发明公开了一种旋转单天线测角装置及其测量方法，下面给出具体的例子，更详细地说明本发明，其中实施例一给出了模型参数的取值方法；实施例二表明验证了本方法的有效性。
6.1实施例一：模型参数的取值方法
根据第3节的分析，对充分大和不充分大的情形，模型参数的选择有不同的要求：
1)N充分大，此时p的取值范围较小。当N>2M时只有一组取值
从而通过选定l和加权运算实现对cm的选择；
2)N不充分大，此时p可能有多个取值，如果N＜M，p至少有两个解，要求对应的cm只有一个非零。
例如，当
时，要求
或
或
或
再例如，当
时，要求
或
或
或
或
或
或
6.2实施例二：测角方法验证
下面对测角性能进行仿真分析，信噪比
范围为-5～5dB。分别对N充分大的情形进行500次Monte-Carlo仿真，统计测角误差。目标角度为12.3456°，M＝4，随机产生的cm为[1.417-1.63i，1.409-0.717i，1.489+1.207i，-0.124-0.671i，0.488，-0.124+0.671i，1.489-1.207i，1.409+0.717i，1.417+1.63i]，N为64。此时l＝m，选择不同的l即可实现对cm的选择。图3给出了不同m时的无模糊测角范围，与理论分析得到的
一致。图4给出了测角误差与信噪比的关系，可以看出测角误差与信噪比成反比，不同的cm影响测角精度。在此仿真条件下，当信噪比优于0dB时，测角精度优于1°。
对N不充分大的情形进行仿真，目标角度为12.3456°，M＝4，N为6，根据2.3节示例的取值要求，选择l＝2，要求c-4、c2中有且仅有一个为零。为便于对比，令cm为[1.417-1.63i，1.409-0.717i，0，-0.124-0.671i，0.488，-0.124+0.671i，0，1.409+0.717i，1.417+1.63i]。仿真得到的测角误差如图4所示，由于N变小，即使选择同样的cm，测角误差也大于仿真1中同样信噪比条件下的误差。
Claims (1)
1.一种利用旋转单天线测角装置的测量方法，其特征在于：方法步骤如下：
所述旋转单天线测角装置，包括可旋转单天线、射频放大及变换模块、数字采集与处理模块、角度估计模块和显示与控制模块；其中射频放大及变换模块、数字采集与处理模块、角度估计模块和显示与控制模块依次连接，可旋转单天线旋转至不同角度侦收目标信号，并将信号传输至射频放大及变换模块完成信号的放大与变频，射频放大及变换模块输出的模拟信号经过数字采集与处理模块完成信号的采样、检测、幅度参数测量、信号分选与合批、数据存储，角度估计模块根据测量幅度完成角度估计，显示与控制模块下发控制指令并记录处理结果；
步骤1、令观测角度序号n为0，在任意的初始角度处侦收目标信号；
步骤2、将步骤1中侦收到的目标信号送入射频放大及变换模块、数字采集与处理模块进行处理，完成目标信号的检测、估计幅度、分选，估计的幅度记为rn；
步骤3、如果n＝N-1，N为选定的总观测角个数，N不小于20，则根据测角方法估计角度；否则令n加1，旋转至另一角度
转入步骤2；
步骤3中，测角方法包括以下步骤：
步骤3-1：对测量得到的rn按照
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步骤3-2：估计目标角度
为cm的相角，m为模式系数，
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cm的求解方法为：选定任意K个不同的方向侦收信号，信号幅度记为F(θk)，k＝1，…，K，
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| CN109324309A CN109324309A (zh) | 2019-02-12 |
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