一种构建四阵元立体阵列的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种构建四阵元立体阵列的方法和系统。该包括：将传统三阵元平面阵所在的三维直角坐标系任意旋转一角度，添加一个非共面的第四阵元，构建初步的四阵元立体阵列；同步计算其他三个阵元相对于第一阵元的相位差；根据计算得到的其他三个阵元相对于第一阵元的相位差构建测向模型；利用测向模型计算待测波方向的估计值与实际值之间的测向误差；选取若干不同旋转角度的第四阵元，根据测向误差分别计算待测波方向在期望俯仰角区域的测向精度，将计算得到的最高测向精度对应的旋转角度确定为最佳旋转角度，并根据最佳旋转角度构建最终的四阵元立体阵列。使用本发明专利技术构建的四阵元立体阵列能够提升在较小俯仰角区域的测向精度。

【技术实现步骤摘要】
一种构建四阵元立体阵列的方法和装置
本专利技术涉及阵列天线测向
，具体涉及一种构建四阵元立体阵列的方法和装置。
技术介绍
阵列天线测向系统是一种重要的被动式测向装备，相对于主动工作的雷达系统，除了具有抗截获、抗干扰等优点外，还具有测向精度高、体积重量小、成本低等优点，近年来受到重视，并已多次应用于星载装备。当前常用的测向阵列天线多为平面阵，即多个阵元处于同一平面。在应用过程中，此类平面阵在阵面法向区域(通常为卫星星下点位置)往往可以得到比较理想的测向精度，但在偏离阵面法向方位较远的区域(通常为较小俯仰角区域)测向精度显著下降。然而，在一些特定场景中，除希望阵面法向位置具有较高测向精度外，在偏离法向方位较远的区域仍希望具有较高的测向精度以满足应用需求。在辐射源波达方向确定的情况下，为了满足在较小俯仰角区域测向精度的需求，通常的做法有阵面偏置、加大阵元尺寸、加大基线长度等。其中，阵面偏置就是通过将阵面的安装平面旋转一定角度以满足应用需求，但这种做法是以牺牲原阵面法向区域测向精度为代价的。加大阵元的本质是通过提升接收信号的信噪比，改善相位差测向精度以提升各区域的测向精度，但对于一些低频段的测向阵存在阵元尺寸原本就较大的问题，进一步加大阵元尺寸将会给阵元的安装、布局带来更大的压力。加大基线长度也将有助于各区域测向精度的提升，但无疑会带来测向模糊的问题。另外，目前分时测量相位差的方法虽然能够节约系统的计算资源，但是无法实时测向导致测向精度并不高。
技术实现思路
本专利技术提供了一种构建四阵元立体阵列的方法和装置，以解决在辐射源波达方向确定的情况下，现有的阵列天线测向系统中较小俯仰角区域的测向精度低以及分时测量相位差无法实时测向导致测向精度并不高问题。根据本专利技术的一个方面，提供了一种构建四阵元立体阵列的方法，该方法包括：将传统三阵元平面阵所在的三维直角坐标系任意旋转一角度，添加一个非共面的第四阵元，构建初步的四阵元立体阵列，其中，第一阵元为所述三维直角坐标系的原点；基于所述初步的四阵元立体阵列同步计算其他三个阵元相对于所述第一阵元的相位差；根据计算得到的所述其他三个阵元相对于所述第一阵元的相位差构建测向模型；利用所述测向模型计算待测波方向的估计值与实际值之间的测向误差；选取若干不同旋转角度的第四阵元，根据所述测向误差分别计算待测波方向在期望俯仰角区域的测向精度，将计算得到的最高测向精度对应的旋转角度确定为最佳旋转角度，并根据所述最佳旋转角度构建最终的四阵元立体阵列。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种构建四阵元立体阵列的装置，所述装置包括：立体阵列初步构建单元，用于将传统三阵元平面阵任意旋转一角度，添加一个非共面的第四阵元，构建初步的四阵元立体阵列，其中，第一阵元为所述三维直角坐标系的原点；相位差计算单元，用于基于所述初步的四阵元立体阵列同步计算其他三个阵元相对于所述第一阵元的相位差；测向模型构建单元，用于根据计算得到的所述其他三个阵元相对于所述第一阵元的相位差构建测向模型；测向误差计算单元，用于利用所述测向模型计算待测波方向的估计值与实际值之间的测向误差；立体阵列最终构建单元，用于选取若干不同旋转角度的第四阵元，根据所述测向误差分别计算待测波方向在期望俯仰角区域的测向精度，将计算得到的最高测向精度对应的旋转角度确定为最佳旋转角度，并根据所述最佳旋转角度构建最终的四阵元立体阵列。本专利技术的有益效果是：本专利技术的技术方案，通过将传统三阵元平面阵所在的三维直角坐标系任意旋转一角度，添加一个非共面的第四阵元，构建初步的四阵元立体阵列，基于该初步的四阵元立体阵列同步计算其他三个阵元相对于第一阵元的相位差，根据计算得到的相位差构建测向模型，并利用所述测向模型计算待测波方向的估计值与实际值之间的测向误差；然后通过选取若干不同旋转角度的第四阵元，根据所述测向误差分别计算待测波方向在期望俯仰角区域的测向精度，将计算得到的最高测向精度对应的旋转角度确定为最佳旋转角度，并根据所述最佳旋转角度构建最终的四阵元立体阵列，在辐射源波达方向确定的情况下，使用本专利技术最终构建的四阵元立体阵列，既可以保证在较大仰角区域测向精度，也能够提升在较小俯仰角区域的测向精度，满足待测波方向在期望俯仰角区域的测向精度。另外，本专利技术采用同步计算阵元间的相位差，相比于分时计算阵元间的相位差的方式，提高了测向精度。附图说明图1是本专利技术一个实施例的一种构建四阵元立体阵列的方法的流程图；图2是本专利技术一个实施例的一种四阵元立体直角阵坐标系的示意图；图3是本专利技术一个实施例的一种构建四阵元立体阵列的装置的结构示意图；图4是本专利技术一个实施例的当γ＝45°时，四阵元立体直角阵的测向精度等高线的示意图；图5是本专利技术一个实施例的当γ＝60°时，四阵元立体直角阵的测向精度等高线的示意图；图6是本专利技术一个实施例的当γ＝120°时，四阵元立体直角阵的测向精度等高线的示意图；图7是本专利技术一个实施例的当γ＝135°时，四阵元立体直角阵的测向精度等高线的示意图；图8是本专利技术一个实施例的同步测量相位差的三阵元平面L型直角阵的测向精度等高线的示意图；图9是本专利技术一个实施例的同步测量相位差的四阵元立体直角阵(γ＝120°)与三阵元平面L型直角阵测向精度比的等高线的示意图；图10是本专利技术一个实施例的分时测量相位差的四阵元立体直角阵(γ＝120°)与三阵元平面L型直角阵测向精度比的等高线的示意图。具体实施方式本专利技术的设计构思是：在不降低平面阵大仰角区域测向精度的情况下，提升了期望较小俯仰角区域的测向精度，将传统三阵元平面阵所在的三维直角坐标系旋转一角度，添加一个非共面的第四阵元，构建初步的四阵元立体阵列；基于初步的四阵元立体阵列同步计算其他三个阵元相对于同一阵元的相位差；根据计算得到的三个相位差构建测向模型；利用测向模型计算待测波方向的估计值与实际值之间的测向误差；选取若干不同旋转角度的第四阵元，根据测向误差分别计算待测波方向在期望俯仰角区域的测向精度，将计算得到的最高测向精度对应的旋转角度确定为最佳旋转角度，并根据最佳旋转角度构建最终的四阵元立体阵列。实施例一图1是本专利技术一个实施例的一种构建四阵元立体阵列的方法的流程图，如图1所示，在步骤S110中，将传统三阵元平面阵所在的三维直角坐标系任意旋转一角度，添加一个非共面的第四阵元，构建初步的四阵元立体阵列，其中，第一阵元为所述三维直角坐标系的原点。在步骤S120中，基于所述初步的四阵元立体阵列同步计算其他三个阵元相对于所述第一阵元的相位差。在步骤S130中，根据计算得到的所述其他三个阵元相对于所述第一阵元的相位差构建测向模型。在步骤S140中，利用所述测向模型计算待测波方向的估计值与实际值之间的测向误差。在步骤S150中，选取若干不同旋转角度的第四阵元，根据所述测向误差分别计算待测波方向在期望俯仰角区域的测向精度，将计算得到的最高测向精度对应的旋转角度确定为最佳旋转角度，并根据所述最佳旋转角度构建最终的四阵元立体阵列。由此可知，本专利技术的技术方案，通过将传统三阵元平面阵所在的三维直角坐标系任意旋转一角度，添加一个非共面的第四阵元，构建初步的四阵元立体阵列，基于该初步的四阵元立体阵列同步计算其他三个阵元相对于第一阵元的相位差，根据计算得到的相位差构建测向模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种构建四阵元立体阵列的方法，其特征在于，所述方法包括：将传统三阵元平面阵所在的三维直角坐标系任意旋转一角度，添加一个非共面的第四阵元，构建初步的四阵元立体阵列，其中，第一阵元为所述三维直角坐标系的原点；基于所述初步的四阵元立体阵列同步计算其他三个阵元相对于所述第一阵元的相位差；根据计算得到的所述其他三个阵元相对于所述第一阵元的相位差构建测向模型；利用所述测向模型计算待测波方向的估计值与实际值之间的测向误差；选取若干不同旋转角度的第四阵元，根据所述测向误差分别计算待测波方向在期望俯仰角区域的测向精度，将计算得到的最高测向精度对应的旋转角度确定为最佳旋转角度，并根据所述最佳旋转角度构建最终的四阵元立体阵列。

【技术特征摘要】
1.一种构建四阵元立体阵列的方法，其特征在于，所述方法包括：将传统三阵元平面阵所在的三维直角坐标系任意旋转一角度，添加一个非共面的第四阵元，构建初步的四阵元立体阵列，其中，第一阵元为所述三维直角坐标系的原点；基于所述初步的四阵元立体阵列同步计算其他三个阵元相对于所述第一阵元的相位差；根据计算得到的所述其他三个阵元相对于所述第一阵元的相位差构建测向模型；利用所述测向模型计算待测波方向的估计值与实际值之间的测向误差；选取若干不同旋转角度的第四阵元，根据所述测向误差分别计算待测波方向在期望俯仰角区域的测向精度，将计算得到的最高测向精度对应的旋转角度确定为最佳旋转角度，并根据所述最佳旋转角度构建最终的四阵元立体阵列。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将传统三阵元平面阵所在的三维直角坐标系旋转一角度，添加一个非共面的第四阵元，构建初步的四阵元立体阵列包括：将传统三阵元平面阵所在的三维直角坐标系OXYZ绕x轴正向旋转一角度，得到三维直角坐标系O’X’Y’Z’，在Y’轴上添加所述第四阵元，且第二阵元位于X轴，第三阵元位于Y轴，所述第二阵元、第三阵元和第四阵元分别相对于所述第一阵元的基线长度相等。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述初步的四阵元立体阵列分时计算其他三个阵元相对于所述第一阵元的相位差包括：根据公式计算所述第二阵元与所述第一阵元之间的相位差；根据公式计算所述第三阵元与所述第一阵元之间的相位差；根据公式计算所述第四阵元与所述第一阵元之间的相位差；其中，d是所述第二阵元、第三阵元和第四阵元分别相对于所述第一阵元的基线长度，λ是待测波方向的波长，β是待测波方向的俯仰角，α是待测波方向的方位角，γ是所述第四阵元相对于所述三维直角坐标系的旋转角度，Δφ21是所述第二阵元与所述第一阵元之间的相位差测量误差之差，Δφ31是所述第三阵元与所述第一阵元之间的相位差测量误差之差，Δφ41是所述第四阵元与所述第一阵元之间的相位差测量误差之差。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据计算得到的所述其他三个阵元相对于所述第一阵元的相位差构建测向模型包括：根据公式将所述第二阵元、第三阵元和第四阵元相对于所述第一阵元的相位差转化为相位差测量值矩阵；对所述相位差测量值矩阵进行最小二乘法处理，得到测向模型其中，T表示矩阵的转置，Σ为正定矩阵，θ是待测波方向矢量，且θ＝(α,β)T；是待测波方向矢量的估计值，且是待测波方向的方位角的估计值，是待测波方向的俯仰角的估计值；是相位差测量值矩阵；是相位差理论值矩阵；是相位差测量误差矩阵，且服从均值是0、协方差矩阵是Σ的高维正态分布。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用所述测向模型计算待测波方向的估计值与实际值之间的测向误差包括：根据所述测向模型和所述相位差测量误差矩阵计算待测波方向的估计值和理论值之间的夹角；计算所述待测波方向的估计值和理论值之间的夹角的协方差矩阵，得到待测波方向的方位角测量误差方差和待测波方向的俯仰角测量误差方差且根据公式计算所述待测波方向的估计值和实际值之间的夹角方差其中是相位差测量误差的方差，b11＝Cβ(-5Sα-Cα-CαCγ),b12＝Cβ(Sα+5Cα-CαCγ)，b13＝Cβ(Sα-Cα+5CαCγ)，b21＝Sβ(-5Cα+Sα+SαCγ)-CβSγ，b22＝Sβ(Cα-5Sα+SαCγ)-CβSγ，b23＝Sβ(Cα+Sα-5SαCγ)+5CβSγ，Cα＝cosα0，Cγ＝cosγ0，Sα＝sinα0，Sγ＝sinγ0，α0是待测波方向方位角的理论值，β0是待测波方...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤明懿，陆安南，邱焱，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十六研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33