CN114994597A - 一种基于均匀圆阵的干涉仪测向方法 - Google Patents

一种基于均匀圆阵的干涉仪测向方法 Download PDF

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张�浩
刘亮
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Abstract

本发明属于电子侦察技术领域，涉及一种基于均匀圆阵的干涉仪测向方法。本发明提供了一种利用基于均匀圆阵的干涉仪测向方法，结合比幅法和比相法，利用均匀阵列能够提供全方位的方位角的特性和天线不同俯仰角的方向图差异性，通过查询数据库的方法，进行干涉仪测向，完成信号源的方向测量估计。本发明的有益效果为，本发明可以进行实现比相法测向的360°全向测向，并校正俯仰角引起的幅相偏移，从而有效提高测向精度，较准确估计信号的入射角信息，在高信噪比条件下可以较准确估计出俯仰角信息，方法简单，效果良好。

Description

一种基于均匀圆阵的干涉仪测向方法
技术领域
本发明属于电子侦察技术领域，涉及一种基于均匀圆阵的干涉仪测向方法。
背景技术
目前，信号探测通常采取有源探测与无源探测两种方式。有源探测是指探测设备主动对外辐射信号，然后接收目标物体所反射的信号对目标位置完成测向，但随着电子干扰与反辐射等雷达对抗技术的逐渐成熟，以雷达为代表的有源探测技术受到了日益严重的挑战与威胁。而无源探测是指不需要探测设备主动向外辐射信号，仅利用目标辐射源向外辐射的信号对目标进行测向，确定目标位置。无源测向与有源测向***相比，具有抗干扰能力强、低空探测能力强、频率覆盖范围广、作用距离远和设备便携性好等优点。常见的无源测向方法主要有振幅法测向、相位法测向、空间谱测向等。
比幅法和比相法是最常用的无源测向方法，具有方法实现简单的特点，一般采用多个独立的天线组成覆盖360°方位的天线阵列，以比相测向法为主的天线阵列称为干涉仪。在均匀圆阵干涉仪的实际测向过程中，由于目标信号相对于接收机通常会存在一定的俯仰角，而不同俯仰角下的天线方向图不相同，因此俯仰角会导致阵元接收信号的相位和幅度产生偏移，从而使测向结果与无俯仰角条件下的结果出现较大的偏差。通过结合比幅法和比相法的测量结果，在使用实际阵元方向图构造的数据库中进行搜索，可以利用天线不同俯仰角的方向图信息达到校正俯仰角引起的幅相偏移的目的。
发明内容
本发明的目的，是针对上述问题，提供了一种基于均匀圆阵的干涉仪测向方法，结合比幅法和比相法，利用圆阵天线能够覆盖360°全方位的方位角的特性和天线不同俯仰角下的方向图差异性，通过查询数据库的方法，进行干涉仪测向，完成信号源的方向测量估计。
本发明的技术方案为：
一种基于均匀圆阵的干涉仪测向方法，结合比幅法和比相法两个维度的信息，基于实际的天线方向图构造邻近阵元不同方位角和俯仰角的功率比和相位差数据库，通过在实际天线方向图构造的数据库内搜索距离邻近天线的信号相位差和功率比的测量值最近的数据位置实现校正俯仰角引起的幅相偏移，图1所示为该技术方案的流程示意图。下述步骤为相对于均匀圆阵接收信号最强的天线俯仰角θ、方位角
Figure BDA0003664473960000011
处的信号入射方向估计，包括以下步骤：
S1、根据干涉仪的使用场景确定每个阵元的实际使用的俯仰角范围和方位角范围，利用实际天线阵元方向图生成指定俯仰角和方位角范围内的相邻阵元功率比值查询表和相位差查询表，以图2所示均匀圆阵干涉仪天线阵列为例，沿整个圆周上，设定有2N个按等间距排列的相同天线阵元，天线坐标系俯仰角θ的定义为信号入射方向与垂直于阵元排列平面向上的方向的夹角，信号相对俯仰角θr定义为信号入射方向与阵元平面间的夹角，相对方位角
Figure BDA0003664473960000028
定义为信号入射方向在阵元排列平面的投影与阵元方向图方位角参考方向的夹角，全局方位角
Figure BDA0003664473960000029
定义为信号入射方向与阵元平面参考基准方向的夹角。
由于阵列结构对称性，任意信号的入射角处于某个天线阵元的方位角(90/N)°的范围之内，故方位角范围为天线阵元的方位角(90/N)°，天线阵元指向的方向对应于其自身方向图的
Figure BDA00036644739600000210
故
Figure BDA00036644739600000211
的取值范围为90±(90/N)°。根据该天线的应用场景确定相对阵元所在平面的俯仰角范围为θr1～θr2(θr1>θr2)(规定入射方向在平面上方的俯仰角为正)，即θ取值范围为90-θr1～90-θr2。
测向原理为根据接收信号最强阵元的序号m和相邻的信号第二强阵元的序号n确定信号入射方向所在区域，利用天线方向图幅度响应和相位响应的差异与相对入射角的关系构造距离查询表，然后根据两阵元信号功率比值和相位差测量结果在查询表内搜索距离最近的点的位置，该位置作为信号相对接收信号最强阵元的相对入射角的估计。以1°为间隔制作功率比查询表A和相位差查询表P，A和P均为|θr2-θr1+1|×(180/N+1)的矩阵，设天线方向图为F，则：
Figure BDA0003664473960000021
Figure BDA0003664473960000022
Figure BDA0003664473960000023
Figure BDA0003664473960000024
其中，i＝1～|θr2-θr1+1|为查询表矩阵的行号，对应于信号相对于接收信号最强天线的相对俯仰角θ，j＝1-(180/N+1)，对应于信号相对方位角
Figure BDA0003664473960000025
为信号相对于信号接收信号第二强阵元的相对方位角，
Figure BDA0003664473960000026
表示天线方向图的模值，
Figure BDA0003664473960000027
表示天线方向图的相位，A(i,j)是此时接收信号最强天线和第二强天线功率响应的比值，P(i,j)是此时两天线相位响应的差，然后对两个查询表进行动态范围归一化：
Figure BDA0003664473960000031
Figure BDA0003664473960000032
其中，max(A)表示矩阵A中元素的最大值，min(A)表示矩阵A中元素的最小值，A除以一个常数等价于A中每个元素均除以该常数。
S2、通过测量得到的与信号入射方向相邻两个阵元的功率比值和相位差分别为
Figure BDA0003664473960000033
其中
Figure BDA0003664473960000034
均为接收信号最强的阵元的功率和相位除以或减去信号第二强阵元的功率和相位。假设信号入射方向如图3所示，信号相对入射角为α，则阵元m与阵元n之间的相位差由下式给出：
Figure BDA0003664473960000035
其中，d为天线阵元的基线长度，λ为信号载波中心频率对应的波长，α为信号相对于接收信号最强阵元的相对入射角。基于上述查询表A、P构造距离查询表D：
Figure BDA0003664473960000036
Figure BDA0003664473960000037
其中距离的定义采用1-范数，
Figure BDA0003664473960000038
表示A的每个元素均减去
Figure BDA0003664473960000039
argminD(i,j)表示当D(i,j)取最小值时(i,j)的值，通过在D中搜索最小值的横纵坐标得到信号相对于接收信号最强天线的相对入射角
Figure BDA00036644739600000310
和相对于阵元平面俯仰角估计值
Figure BDA00036644739600000311
Figure BDA00036644739600000312
Figure BDA00036644739600000313
最后，通过接收信号最强阵元的序号和得到的信号相对入射角查表获得信号入射方位角
Figure BDA00036644739600000314
本发明的有益效果为，本发明可以进行实现比相法测向的360°全向测向，并校正俯仰角引起的幅相偏移，从而有效提高测向精度，较准确估计信号的入射角信息，在高信噪比条件下可以较准确估计出俯仰角信息，方法简单，效果良好。
附图说明
图1技术方案流程图。
图2均匀圆阵干涉仪阵元平面俯视示意图。
图3干涉仪测向示意图。
图4俯仰角为0度时，天线单元相位响应方向图和功率响应方向图。
图5俯仰角为30度时，天线单元相位响应方向图和功率响应方向图。
图6圆阵比幅曲线图和比相曲线图。
图7 20dB信噪比，不同相对俯仰角下比相法和改进后的干涉仪法测量结果曲线图。
图8 20dB信噪比，不同相对俯仰角下改进后的干涉仪法相对俯仰角测量结果曲线图。
图9不同信噪比和-5°～30°俯仰角条件下方位角测量值均方根误差曲线。
图10不同信噪比下俯仰角测量值均方根误差曲线。
具体实施方式
下面将结合附图和仿真，对本发明的技术方案进行进一步说明。
本例将对所提方法进行仿真验证，为简化起见，对算法模型作如下假设：
1.均匀圆阵侦察天线阵列在XY平面内，目标相对于XY平面存在一定的俯仰角；
2.天线单元之间的互耦、天线增益、波束宽度等是均匀的。
3.阵列通道间无幅相误差，电磁环境中仅存在高斯白噪声。
设定圆阵阵列天线数为2N＝12个阵元，此时形成多个独立波束间隔为30°，入射信号的方位角分别为157°和10°，相对于阵元平面的俯仰角为-5°～30°。在搜索时，首先确定信号最强和第二强的阵元位置，然后计算量信号最强阵元相对于信号第二强阵元的功率比和相位差，通过搜索预制的数据库中距离最近的数值的坐标，得到信号的方位角信息。均匀圆阵阵列天线形成波束覆盖了360°的方位角。
仿真结果如图所示：
图4所示为相对俯仰角0°时真实天线的功率方向图和相位方向图，图5所示为相对俯仰角30°时真实天线的功率方向图和相位方向图。由图可知，在不同的相对俯仰角下，真实天线的功率方向图和相位方向图一般是不相同的。
图6所示分别为相对俯仰角0°和相对俯仰角30°时比相和比幅法在不同的相对入射角下的理论值。由图可知，在不同的相对俯仰角下，这两条曲线是不相同的，这种差异性是消除俯仰误差和进行俯仰角估计的基础。
图7为信噪比20dB下两种方法对真实入射角分别为157°和10°的信号测量结果，其中比相法的相位基准参考为相对俯仰角15°时的天线方向图，在选定的相对俯仰角范围内取该相对俯仰角作为基准的测向误差小于其他俯仰角。由图6结果可以看到，在高信噪比的条件下，改进后的干涉仪测向方法完全消除了由俯仰角引起的测向误差，而一般的比相法仅能在选定的参考基准相对俯仰角附近正确的测量出信号入射方向。
图8为信噪比20dB下，信号入射角分别为157°和10°时的相对俯仰角估计结果，由图可见，改进后的干涉仪测向方法能够同时较准确估计出俯仰角。
图9为不同信噪比下，信号入射角分别为10°和157°时，一般比相法和本方法在不同俯仰角下DOA估计的均方根误差。由图可见，一般的比相法在不同信噪比下，在不同俯仰角下测量DOA的误差水平较高且基本与噪声无关，本方法的误差随信噪比的增大而显著降低，明显优于一般的比相法。
图10为不同信噪比下本方法对俯仰角估计的均方根误差，随着信噪比的增加，本方法对俯仰角的估计误差显著降低。

Claims (1)

1.一种基于均匀圆阵的干涉仪测向方法，定义均匀圆阵接收信号最强的天线俯仰角为θ、方位角为
Figure FDA0003664473950000011
其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据干涉仪的使用场景确定每个阵元的实际使用的俯仰角范围和方位角范围，利用实际天线阵元方向图生成指定俯仰角和方位角范围内的相邻阵元功率比值查询表和相位差查询表，具体为：
沿均匀圆阵整个圆周上，设定有2N个按等间距排列的相同天线阵元，天线坐标系俯仰角θ的定义为信号入射方向与垂直于阵元排列平面向上的方向的夹角，信号相对俯仰角θr定义为信号入射方向与阵元平面间的夹角，相对方位角
Figure FDA0003664473950000012
定义为信号入射方向在阵元排列平面的投影与阵元方向图方位角参考方向的夹角，全局方位角
Figure FDA0003664473950000013
定义为信号入射方向与阵元平面参考基准方向的夹角；
由于阵列结构对称性，任意信号的入射角处于某个天线阵元的方位角(90/N)°的范围之内，故方位角范围为天线阵元的方位角(90/N)°，天线阵元指向的方向对应于其自身方向图的
Figure FDA0003664473950000014
故
Figure FDA0003664473950000015
的取值范围为90±(90/N)°；根据该天线的应用场景确定相对阵元所在平面的俯仰角范围为θr1～θr2(θr1>θr2)，即θ取值范围为90-θr1～90-θr2；
测向原理为根据接收信号最强阵元的序号m和相邻的信号第二强阵元的序号n确定信号入射方向所在区域，利用天线方向图幅度响应和相位响应的差异与相对入射角的关系构造距离查询表，然后根据两阵元信号功率比值和相位差测量结果在查询表内搜索距离最近的点的位置，该位置作为信号相对接收信号最强阵元的相对入射角的估计，以1°为间隔制作功率比查询表A和相位差查询表P，A和P均为|θr2-θr1+1|×(180/N+1)的矩阵，设天线方向图为F，则：
θ＝89-θr1+i,
Figure FDA0003664473950000016
Figure FDA0003664473950000017
Figure FDA0003664473950000018
Figure FDA0003664473950000019
其中，i＝1～|θr2-θr1+1|为查询表矩阵的行号，对应于信号相对于接收信号最强天线的相对俯仰角θ，j＝1-(180/N+1)，对应于信号相对方位角
Figure FDA0003664473950000021
为信号相对于信号接收信号第二强阵元的相对方位角，
Figure FDA0003664473950000022
表示天线方向图的模值，
Figure FDA0003664473950000023
表示天线方向图的相位，A(i,j)是此时接收信号最强天线和第二强天线功率响应的比值，P(i,j)是此时两天线相位响应的差，然后对两个查询表进行动态范围归一化：
Figure FDA0003664473950000024
Figure FDA0003664473950000025
其中，max(A)表示矩阵A中元素的最大值，min(A)表示矩阵A中元素的最小值，A除以一个常数等价于A中每个元素均除以该常数；
S2、通过测量得到的与信号入射方向相邻两个阵元的功率比值和相位差分别为
Figure FDA0003664473950000026
其中
Figure FDA0003664473950000027
均为接收信号最强的阵元的功率和相位除以或减去信号第二强阵元的功率和相位；信号相对入射角为α，则阵元m与阵元n之间的相位差由下式给出：
Figure FDA0003664473950000028
其中，d为天线阵元的基线长度，λ为信号载波中心频率对应的波长，α为信号相对于接收信号最强阵元的相对入射角，基于查询表A、P构造距离查询表D：
Figure FDA0003664473950000029
Figure FDA00036644739500000210
其中距离的定义采用1-范数，
Figure FDA00036644739500000211
表示A的每个元素均减去
Figure FDA00036644739500000212
argminD(i,j)表示当D(i,j)取最小值时(i,j)的值，通过在D中搜索最小值的横纵坐标得到信号相对于接收信号最强天线的相对入射角
Figure FDA00036644739500000213
和相对于阵元平面俯仰角估计值
Figure FDA00036644739500000214
Figure FDA00036644739500000215
Figure FDA00036644739500000216
最后，通过接收信号最强阵元的序号和得到的信号相对入射角查表获得信号入射方位角
Figure FDA00036644739500000217
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