一种超宽带来波信号测频测向布阵方法及其计算方法技术

本发明专利技术公开了一种超宽带来波信号测频测向布阵方法及其计算方法，其中布阵方法包括确定超宽带干涉仪测频测向指标、确定最短无模糊虚拟基线长度、相邻虚拟基线之间长度比值上限、最长虚拟基线与最短实基线长度比值上限以及相邻实基线长度比值上限、推导布阵所需参数，以及根据推导结果排布出满足规定的测频测向指标的超宽带干涉仪测频测向天线阵；该布阵方法可解决干涉仪测向模糊问题的同时，还能降低高频情况下的布阵复杂度。另外，本发明专利技术给出的超宽带来波信号测频测向计算方法基于干涉仪测向原理的相位差解模糊和测频测向处理方法实现，弥补了现有干涉仪设计方法很少有公式给出天线阵参数与测频测向性能指标之间地解析关系。析关系。析关系。

【技术实现步骤摘要】
一种超宽带来波信号测频测向布阵方法及其计算方法


[0001]本专利技术属于无源定位领域，尤其涉及一种超宽带来波信号测频测向布阵方法及其计算方法。

技术介绍

[0002]相位干涉仪是一种具有较高测量精度的测向方法，在无源探测系统中得到广泛应用，其中通常采用多个天线构成天线阵来实现。由于鉴相设备通常以2π为模，只能测量2π范围内的相对相位值，当天线之间的相对相位值超过2π后，将会导致测向结果出现多值模糊。
[0003]对于一维线阵相位干涉仪，单基线结构存在无模糊测量范围与测向精度相互矛盾的问题，因而通常采用多个天线构成多基线结构。在应用多基线相位干涉仪时，需要解决的主要问题包括天线选择与设计、天线阵设计、以及测向算法设计。其中，天线选择与设计不仅与天线尺寸、安装条件限制、测向性能指标等因素有关，还与选择的测向算法有关。
[0004]多基线一维相位干涉仪有两种主要的解模糊方法：余数定理方法和逐次解模糊方法。基于余数定理的方法需要天线间距满足一定的参差关系，使得天线阵的尺寸受到限制；且由于需要进行多维整数搜索，随着基线长度的增加，导致搜索空间增大，计算量也会急剧增加。而基于逐次解模糊的方法则通过长、短基线结合或构造虚拟基线的方式来解模糊，使得天线间距的设计较为灵活，且算法简单，容易实现。
[0005]在根据逐次解模糊方法设计干涉仪天线阵时，一个重要问题是如何根据测向指标如测向精度，相位误差等，来确定天线数目、设计天线间距。现有的干涉仪设计方法很少有公式给出天线阵参数与测向性能指标之间的解析关系，大多设计过程是采用“选择－验证”的迭代方式进行，而无法明确根据指标要求直接确定天线阵参数。

技术实现思路

[0006]为解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种应用于超宽带干涉仪测频测向场景下的基线布阵方法，这是逐次解模糊方法中的一种，可作为超宽带来波信号测频测向的布阵方法，该方法可解决干涉仪测向模糊问题的同时，还能降低高频情况下的布阵复杂度。本专利技术提出的一种超宽带来波信号测频测向布阵方法具体包括以下步骤：
[0007]S1)确定超宽带干涉仪测频测向的各项指标，包括测频带宽、无模糊测向范围、允许的最大相位测量误差、最小天线间距以及最大测向误差；其中，测频带宽用于确定当前超宽带干涉仪测频测向天线阵所能接收的来波信号的最大波长和最小波长，可用于后续布阵参数的获取；无模糊测向范围用于确定当前超宽带干涉仪测频测向天线阵能正确解模糊时，来波信号入射角范围；允许的最大相位测量误差用于确定当前超宽带干涉仪测频测向天线阵能对频带内所有来波信号正确解模糊时，超宽带干涉仪测频测向天线阵各基线之间的长度比值最大值以及最短虚拟基线的长度上限；最小天线间距用于确定当前超宽带干涉仪测频测向天线阵最短实基线的长度下限，最短实基线为当前超宽带干涉仪测频测向天线阵中距离最近的两个天线的间距；最大测向误差用于确定当前超宽带干涉仪测频测向天线
阵最长实基线的长度下限，最长实基线为当前超宽带干涉仪测频测向天线阵中距离最远的两个天线的间距。
[0008]S2)根据所述各项指标确定最短无模糊虚拟基线长度，其中最短无模糊虚拟基线是指超宽带干涉仪测频测向天线阵的各虚拟基线中长度最短的虚拟基线；
[0009]S3)根据所述各项指标确定相邻虚拟基线之间长度比值上限、最长虚拟基线与最短实基线长度比值上限以及相邻实基线长度比值上限；
[0010]S4)根据确定的相邻虚拟基线之间长度比值上限、最长虚拟基线与最短实基线长度比值上限以及相邻实基线长度比值上限和最短无模糊虚拟基线长度，依次推导出虚拟基线总数、实基线总数以及排除最短无模糊虚拟基线外的余下虚拟基线长度和所有实基线长度；其中，虚拟基线中包括最短无模糊虚拟基线和余下虚拟基线，余下虚拟基线包括最长虚拟基线和其他虚拟基线，其他虚拟基线个数为虚拟基线总数减2；所有实基线包括最短实基线和余下实基线。
[0011]S5)根据以上推导出的虚拟基线总数、实基线总数以及排除最短无模糊虚拟基线外的余下虚拟基线长度和所有实基线长度排布出满足规定的测频测向指标的超宽带干涉仪测频测向天线阵，即超宽带干涉仪的布阵结果。
[0012]进一步地，根据所述各项指标确定最短无模糊虚拟基线长度的步骤包括：
[0013]假设来波信号最小波长为λ
min
，无模糊测向范围为[
‑
l
m
,θ
m
]，其中θ
m
为来波信号能被当前超宽带干涉仪测频测向天线阵正确解模糊的最大入射角，允许的最大相位测量误差为在这种情况下最短无模糊虚拟基线的长度D1需要满足条件：
[0014][0015]上式中，|*|表示取绝对值操作。
[0016]进一步地，根据所述各项指标确定相邻虚拟基线之间长度比值上限、最长虚拟基线与最短实基线长度比值上限以及相邻实基线长度比值上限的步骤包括：
[0017]假设虚拟基线总数为m，实基线总数为n，各基线均由D
k
，k＝1,2,
…
,(m+n)表示，其中D1～D
m
表示虚拟基线的长度，D
m+1
～D
m+n
表示实基线的长度；
[0018]假设每个天线上的噪声相互独立，且服从均值为0，方差为的高斯分布，其中k＝1,2,
…
,(m+n)，表示各基线序号，则相邻基线之间的长度比需要满足条件：
[0019][0020]其中，
[0021][0022]K1表示相邻虚拟基线之间长度比值上限，K2表示最长虚拟基线与最短实基线长度
[0041]其中，i＝2,3,
…
,n1。
[0042]当布阵是建立在天线总数已知的情况下进行，同时可提供的实基线个数n要大于计算求得的n1时，余下的这部分的实基线长度求解应满足：
[0043]D
l
＝K3D
l
‑1,m+n≥l>m+n1且l为正整数。
[0044]进一步地，根据以上推导出的虚拟基线总数、实基线总数以及排除最短无模糊虚拟基线外的余下虚拟基线长度和所有实基线长度排布出满足规定测频测向指标的超宽带干涉仪测频测向天线阵的具体步骤包括：
[0045]步骤一、选取一个实天线作为天线1，并选定一阵型延伸方向；
[0046]步骤二、依据上述公式求出的第一个实基线长度D
m+1
、天线1的位置以及阵型延伸方向，确定第二个实天线即天线2的位置，保证天线2与天线1间距为D
m+1
且两天线均位于阵型延伸方向上；
[0047]步骤三、依据上述公式求出的第二个实基线长度D
m+2
、天线2的位置以及阵型延伸方向，确定第三个实天线即天线3的位置，保证天线3与天线2间距为D
m+2
且两天线均位于阵型延伸方向上；
[0048]步骤四、重复步骤二或步骤三，依据上一步确定的实天线位置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超宽带来波信号测频测向布阵方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1)确定超宽带干涉仪测频测向的各项指标，包括测频带宽、无模糊测向范围、允许的最大相位测量误差、最小天线间距以及最大测向误差；其中，所述测频带宽用于确定当前超宽带干涉仪测频测向天线阵所能接收的来波信号的最大波长和最小波长，用于后续布阵参数的获取；所述无模糊测向范围用于确定当前超宽带干涉仪测频测向天线阵能正确解模糊时，来波信号入射角范围；所述允许的最大相位测量误差用于确定当前超宽带干涉仪测频测向天线阵能对频带内所有来波信号正确解模糊时，超宽带干涉仪测频测向天线阵各基线之间的长度比值最大值以及最短虚拟基线的长度上限；所述最小天线间距用于确定当前超宽带干涉仪测频测向天线阵最短实基线的长度下限，其中最短实基线为当前超宽带干涉仪测频测向天线阵中距离最近的两个天线的间距；所述最大测向误差用于确定当前超宽带干涉仪测频测向天线阵最长实基线的长度下限，其中最长实基线为当前超宽带干涉仪测频测向天线阵中距离最远的两个天线的间距；S2)根据所述各项指标确定最短无模糊虚拟基线长度，其中最短无模糊虚拟基线是指超宽带干涉仪测频测向天线阵的各虚拟基线中长度最短的虚拟基线；S3)根据所述各项指标确定相邻虚拟基线之间长度比值上限、最长虚拟基线与最短实基线长度比值上限以及相邻实基线长度比值上限；S4)根据确定的相邻虚拟基线之间长度比值上限、最长虚拟基线与最短实基线长度比值上限、相邻实基线长度比值上限以及最短无模糊虚拟基线长度，依次推导出虚拟基线总数、实基线总数以及排除最短无模糊虚拟基线外的余下虚拟基线长度和所有实基线长度；其中，虚拟基线中包括最短无模糊虚拟基线和余下虚拟基线，余下虚拟基线包括最长虚拟基线和其他虚拟基线，其他虚拟基线个数为虚拟基线总数减2；所有实基线包括最短实基线和余下实基线；S5)根据推导出的所述虚拟基线总数、实基线总数、排除最短无模糊虚拟基线外的余下虚拟基线长度和所有实基线长度排布出满足规定测频测向指标的超宽带干涉仪测频测向天线阵，即得到超宽带干涉仪的布阵结果。2.根据权利要求1所述的超宽带来波信号测频测向布阵方法，其特征在于，所述步骤S2)中根据所述各项指标确定最短无模糊虚拟基线长度的方法具体包括：假设来波信号最小波长为λ
min
，无模糊测向范围为[
‑
θ
m
,θ
m
]，其中θ
m
为来波信号能被当前超宽带干涉仪测频测向天线阵正确解模糊的最大入射角，允许的最大相位测量误差为在这种情况下最短无模糊虚拟基线的长度D1需要满足条件：上式中，|*|表示取绝对值操作。3.根据权利要求2所述的超宽带来波信号测频测向布阵方法，其特征在于，所述步骤S3)中根据所述各项指标确定相邻虚拟基线之间长度比值上限、最长虚拟基线与最短实基线长度比值上限以及相邻实基线长度比值上限的方法具体包括：假设虚拟基线总数为m，实基线总数为n，各基线均由D
k
，k＝1,2,
…
,m+n表示，其中D1～D
m
表示虚拟基线的长度，D
m+1
～D
m+n
表示实基线的长度，d1～d
n
表示相邻两天线构成的实基线
长度，为了方便后续描述统一，实基线也被表示为D
m+i
′
，i
′
＝1,2,
…
,n，且满足D
m+i
′
＝d
i
′
，天线阵中各基线长度间应满足：D1<D2<
…
<D
m
<D
m+1
<D
m+2
<
…
<D
m+i
′
<
…
<D
m+n
，因此在布阵结果中，最短无模糊虚拟基线长度为D1，最短实基线长度为D
m+1
，最长实基线长度为d
max
；假设每个天线上的噪声相互独立，且服从均值为0，方差为的高斯分布，其中k＝1,2,
…
,m+n，表示各基线序号，则相邻基线之间的长度比需要满足条件：其中，K1表示相邻虚拟基线之间长度比值上限，K2表示最长虚拟基线与最短实基线长度比值上限，K3表示相邻实基线长度比值上限，而K
1max
、K
2max
以及K
3max
分别为K1、K2和K3的取值上限。4.根据权利要求3所述的超宽带来波信号测频测向布阵方法，其特征在于，所述步骤S4)具体包括：假设依据相邻的两个实基线之差来构造虚拟基线，根据约定好的各相邻基线之间的长度比，虚拟基线长度设定条件公式如下：度比，虚拟基线长度设定条件公式如下：其中，[
·
]表示取整；最短实基线长度D
m+1
设定条件公式如下：将所述虚拟基线长度设定条件公式代入最短实基线长度设定条件公式得到：其中，表示下取整；由于最短实基线长度不能小于最小天线间距，所以结合最短实基线长度设定条件公式，得到虚拟基线总数m设定条件不等式：其中，D
min
为最小天线间距；通过虚拟基线总数设定条件不等式确定虚拟基线总数；并且在布阵时，在实基...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宇，陈佳文，左宇，薛昭艺，杨涛，彭浩，周翼鸿，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：