阅读说明：本技术 一种基于数字干涉系统的测向方法及系统 (Direction finding method and system based on digital interference system ) 是由 左乐 唐勇 王秀君 聂剑坤 应钱诚 张浩斌 胡泽华 范保华 于 2020-06-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于数字干涉系统的测向方法,包括：对于N元均匀圆阵天线,空间电磁波转换为数字电压信号,将电压信号处理得到每路天线的电压相位；在来波以仰角为0°入射圆阵天线时,记每一路天线的相位为测试相位；根据电压相位和测试相位构造每路天线对应的复数；根据仰角<Image he="77" wi="110" file="DDA0002547610730000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>方位角<Image he="80" wi="112" file="DDA0002547610730000012.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>初始相位<Image he="84" wi="117" file="DDA0002547610730000013.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>计算每路天线的理论相位；引入向量X和方向向量G,结合构造的复数计算迭代次数k+1的二维入射角的仰角<Image he="78" wi="127" file="DDA0002547610730000014.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>和方位角<Image he="78" wi="152" file="DDA0002547610730000015.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>计算迭代次数为k+1与迭代次数为k的二维入射角之差,并于门限值比较,小于门限值进入输出仰角和方位角；否则,k的值加1,再次计算相位差。本方法优势在于采用复数运算,避免了相位模糊问题及逻辑判断等运算,提高了测向精度。(The invention provides a direction finding method based on a digital interference system, which comprises the following steps: for the N-element uniform circular array antenna, converting space electromagnetic waves into digital voltage signals, and processing the voltage signals to obtain the voltage phase of each antenna; when incoming waves are incident to the circular array antenna with the elevation angle of 0 degree, recording the phase of each path of antenna as a test phase; constructing a complex number corresponding to each antenna according to the voltage phase and the test phase; according to the elevation angle Azimuth angle Initial phase Calculating the theoretical phase of each path of antenna; introducing a vector X and a direction vector G, and calculating the elevation angle of the two-dimensional incident angle of the iteration number k +1 by combining the constructed complex number And azimuth angle Calculating the difference between the two-dimensional incident angles with the iteration times of k +1 and the iteration times of k, comparing the difference with a threshold value, and outputting an elevation angle and an azimuth angle when the difference is smaller than the threshold value; otherwise, the value of k is added to 1 and the phase difference is calculated again. The method has the advantages that complex operation is adopted, the operations such as phase ambiguity problem, logic judgment and the like are avoided, and the direction finding precision is improved.)

一种基于数字干涉系统的测向方法及系统

技术领域

本发明涉及无线电监测技术领域，特别涉及一种基于数字干涉系统的测向方法及系统。

背景技术

干涉仪测向体制属于相位测向体制，利用来波到达测向天线阵时，不同天线空间位置不同导致各天线单元接收的信号相位不同来求解来波的方向信息。干涉仪测向技术因其精度高、原理清晰、频带宽等特点在无源测向领域得到了广泛的应用。

相位干涉仪由于具有很高的测向精度，是目前测向系统中普遍采用的测向方法。线性最小二乘法由于运算简单，采用最小二乘对圆阵的相位信息进行处理，可得二维入射角(见文献：Y.Wu,H.C.So.Simple and accurate two-dimensional angle estimationfor a single source with uniform circular array[J].IEEE Antennas Wireless andPropagation Letters,2008,7(1):78–80；B.Liao,Y.T.Wu,S.C.Chan.A generalizedalgorithm for fast two-dimensional angle estimation of a single source withuniform circular arrays[J].IEEE Antennas Wireless Propagation Letters,2012,11(1):984–986)。但基于相位的最小二乘法未考虑相位模糊问题，不适用于大口径圆阵。

对于大口径圆阵，由于鉴相器的鉴相范围只有2π，当天线间距足够大而导致实际相位差超过2π时，鉴相器输出的相位值会以2π为周期翻转，出现多值模糊，这就造成真实相位与实际接收相位之间是多对一映射。当圆阵半径时，相位值域即会超过2π，从而出现相位模糊。要获得高的测角精度，两天线间的距离要越长；要实现相位不超过2π，两天线间的距离就要足够小，这与提高测向精度的条件相矛盾。

目前已报道的文献报道采用了多基线法(见文献：夏韶俊,杨晶.一维搜索与长短基线相结合的干涉仪设计方法[J].火控雷达技术,2013,42(02):33-37；季晓光,高晓光.一种机载无源定位方法——干涉仪定位[J].火力与指挥控制,2008,33(11):158-161；张刚兵,刘渝,刘宗敏.基线比值法相位解模糊算法[J].南京航空航天大学学报,2008,(05):665-669；李兴华,顾尔顺.干涉仪解模糊技术研究[J].现代防御技术,2008,(03):92-96；姜超.基于干涉仪测向的机载单站无源定位系统研究与应用[D].导师：陆起涌；赵波.复旦大学,2008；谢立允,王广松,戴旭初.圆阵相位干涉仪二维测向解模糊新方法[J].遥测遥控,2007,(05):53-59；赵国伟.高精度机载单站无源定位技术研究[D].导师：李勇.西北工业大学,2007；袁孝康.相位干涉仪测向定位研究[J].上海航天,1999,(03):3-9)、平行基线法(见文献：张艺帆.弹载雷达测向技术研究[D].导师：江朝抒.电子科技大学,2018；蒲刚.平行基线解模糊干涉仪测向算法及实现[D].导师：韩春林.电子科技大学,2013；电子科技大学.一种基于平行基线的圆阵相位干涉仪二维测向方法:中国,CN201110235023.7[P].2012-04-18；中国航天科技集团公司第五研究院第五一三研究所.一种组合相位差测向和空间谱测向的测向定位系统:中国,CN201510182536.4[P].2015-07-01)、扩展基线法(见文献：电子科技大学.一种扩展基线解模糊的相位干涉仪测向方法:中国,CN201110226585.5[P].2012-04-11)、相关法(见文献：谈文韬,林明,黎仁刚.奇偶阵元数均匀圆阵测向性能研究[J].现代雷达,2016,38(11):24-29；桂新涛.基于均匀圆阵的二维测向算法研究[D].导师：何子述.电子科技大学,2014；刘满超.无线电测向方法研究[D].导师：杨建红.兰州大学,2013；韩广,王斌,王成.相关运算在相位干涉仪解模糊中的应用[J].声学技术,2010,29(05):538-542；电子科技大学.一种基于相位差增量的相关干涉仪测向方法:中国,CN201310116050.1[P].2013-08-07)、虚拟基线法(见文献：蒋林鸿.基于GPU的宽带干涉仪信号处理及测向算法研究[D].导师：何子述.电子科技大学,2012；吴奉微,程婷,贾可新,何子述.基于虚拟阵列变换的干涉仪测向算法[J].现代雷达,2012,34(03):42-45；Li Peng-Fei.Broadband direction of arrival estimation based on virtual baselinetransformation and RBFNN[J].Journal of Astronautics,2012,33(2):210-216)等。

对高精度测向而言，要求天线间的距离足够大，这就会造成相位的模糊区间很大，一个相位差对应很多种可能的入射角，这就要求增加多组天线去除入射角的多值。而对于上述多基线、平行基线、扩展基线、虚拟基线等解模糊方法，精度越高，天线数越多，而角度测量仅使用了部分天线，其余的天线只是为了排除多值，导致硬件资源的不充分利用，无法通过增加的天线提高测角精度。

总之，以上方法存在搜索、聚类门限设置、逻辑判断等步骤，存在计算复杂以及天线应用不充分导致精度不高的问题。

发明内容

针对上述存在的问题，提供了一种基于数字干涉系统的测向方法及系统，达到高精度实时二维测向的目的。

本发明采用的技术方案如下：一种基于数字干涉系统的测向方法，包括以下过程：

步骤1、对于N元均匀圆阵天线，将数字干涉仪系统接收天线的空间电磁波转换为数字电压信号，将每一路天线接收的数字电压信号进行离散傅氏变换后取相位得到每路天线的电压相位；

步骤2、在来波以仰角为0°入射圆阵天线时，记每一路天线的相位为测试相位

步骤3、根据电压相位和测试相位构造每一路天线对应的复数；

步骤4、设初始仰角为初始方位角为

初始相位为迭代次数k为0；

步骤5、迭代次数为k时，根据仰角方位角初始相位为计算每路天线的理论相位；

步骤6、引入向量X和方向向量G结合构造的复数计算迭代次数k+1的二维入射角的仰角和方位角

步骤7、计算迭代次数为k+1与迭代次数为k的二维入射角之差，并将结果与门限值比较，若小于门限值，则进入步骤8；否则，迭代次数k的值加1，进入步骤5；

步骤8、输出二维入射角

和作为辐射源的仰角和方位角。

进一步的，所述步骤1中，N元均匀圆阵天线中N≥3，得到每路天线的电压相位的具体方法为：

其中Φ′_i表示第i路天线的电压相位，i＝1,2,3…N，arg为复数相位运算，M为采样点个数，M≥3，f为信号频率，j为虚数单位，

进一步的，所述步骤3中，构造复数的具体方法为步骤31、计算每个天线接收电压归一化相位值，步骤32、对归一化相位值构建复数：

其中，V_i表示第i路天线相位值对应的复数。

10.所述步骤5中，计算每路天线理论相位的具体方法为：

其中，表示第i路天线的理论相位，c为空间中波速，ρ表示圆阵天线的半径，α_i表示第i路天线的角度位置，其中，第一路天线的角度位置为0。

进一步的，所述步骤6中，计算二维入射角的仰角

和方位角

的具体步骤为：

步骤61、设置向量

其中T表示矩阵转置；

步骤62、计算方向向量G＝[g₁,g₂,g₃]^T，其中：

步骤63、更新向量X，得到第k+1次向量X的值；

X^(k+1)＝X^(k)+G

其中，

步骤64、根据X^(k+1)计算第k+1次的二维入射角的仰角

和方位角

其中，||表示复数模值，real表示取复数实部运算，arg表示求复数相位运算。

进一步的，所述步骤7中，计算迭代次数为k+1与迭代次数为k的二维入射角之差的具体方法为：

其中，mod(x,2π)为x对2π取模后的余数。

进一步的，所述步骤7中，门限值为所需测向精度。

进一步的，所述步骤1中的干涉系统包括N路低噪放大器、N路混频器、N路LPF(低通滤波器)、N路增益控制放大器、N路ADC(模数转换器)以及本振电路、同步信号产生电路；每一路天线依次连接一路低噪放大器、混频器、LPF、增益控制放大器、ADC，由ADC输出转换后的数字信号，所述本振电路与每一路混频器连接，所述同步信号产生电路与每一路ADC连接。

本发明还提供了一种基于数字干涉系统的测向系统，包括：N元均匀圆阵天线、N路低噪放大器、N路混频器、N路LPF、N路增益控制放大器、N路ADC以及本振电路、同步信号产生电路、信号处理模块，每一路天线依次连接一路低噪放大器、混频器、LPF、增益控制放大器、ADC，由ADC输出转换后的数字信号，发送至信号处理模块，所述本振电路与每一路混频器连接，所述同步信号产生电路与每一路ADC连接；所述信号处理模块用于上述测向方法，输出辐射源的仰角和方位角。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：采用复数运算，从而避免了相位模糊问题；利用的圆阵上全部天线的信息，提高了测向精度高；采用迭代算法，避免了逻辑判断等运算。

附图说明

图1为本发明的基于数字式干涉仪测向系统。

图2为本发明中的测向坐标系。

图3为本发明中的均匀圆阵示意图

图4仰角均方根误差与入射仰角关系(固定入射方位角60°，信噪比：0、5、10、15、20dB)

图5方位角均方根误差与入射仰角关系(固定入射方位角60°，信噪比：0、5、10、15、20dB)

图6仰角均方根误差与信噪比关系(固定入射方位角30°，仰角：10°、20°、30°、40°)

图7方位角均方根误差与信噪比关系(固定入射方位角30°，仰角：10°、20°、30°、

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明采用如图1所示的数字式干涉仪系统，包含N路在圆阵上均匀分布的天线、N路相互关联的测量通道、数字采样、信号处理等。接收机采用数字式外差接收机，天线采集到的信号通过低噪放后送入混频器，通过与本振混频以及低通滤波器(LPF)变频为中频信号(IF)，经过增益控制放大器后再进行模数转换器(ADC)，通过同步时钟获得同步信号并进行数字采样。将数字采样信号进行测向信号处理，得到二维入射角。

数字式干涉仪系统的主要功能是将空间电磁波转换为数字信号，所采用的测向系统可采用、但不仅限于图1的形式。

不失一般性，定义仰角θ_s为来波方向与z轴夹角，方位角φ_s为来波方向与x轴夹角，如图2所示。

对一个位于xoy面的N元均匀圆阵，N≥3，半径为ρ，第i个天线的角度位置为α_i，不失一般性，令第1个天线位置为0，如图3所示。具体测向方法如下：

一种基于数字干涉系统的测向方法，包括以下过程：

步骤1、对于N元均匀圆阵天线，将数字干涉仪系统接收天线的空间电磁波转换为数字电压信号，将每一路天线接收的数字电压信号进行离散傅氏变换后取相位得到每路天线的电压相位；

步骤2、在来波以仰角为0°入射圆阵天线时，记每一路天线的相位为测试相位；

步骤3、根据电压相位和测试相位构造每一路天线对应的复数；

步骤4、设初始仰角为初始方位角为

初始相位为迭代次数k为0；

步骤5、迭代次数为k时，根据仰角

方位角初始相位为

计算每路天线的理论相位；

步骤6、引入向量X和方向向量G结合构造的复数计算迭代次数k+1的二维入射角的仰角和方位角

步骤7、计算迭代次数为k+1与迭代次数为k的二维入射角之差，并将结果与门限值比较，若小于门限值，则进入步骤8；否则，迭代次数k的值加1，进入步骤5；

步骤8、输出二维入射角

和作为辐射源的仰角和方位角。

在一个优选实施例中，所述步骤1中，N元均匀圆阵天线中N≥3，得到每路天线的电压相位的具体方法为：

其中Φ′_i表示第i路天线的电压相位，i＝1,2,3…N，arg为复数相位运算，M为采样点个数，M≥3，f为信号频率，j为虚数单位，

在一个优选实施例中，所述步骤3中，构造复数的具体方法为步骤31、计算每个天线接收电压归一化相位值，

步骤32、对归一化相位值构建复数：

其中，V_i表示第i路天线相位值对应的复数。

11.所述步骤5中，计算每路天线理论相位的具体方法为：

其中，表示第i路天线的理论相位，c为空间中波速，ρ表示圆阵天线的半径，α_i表示第i路天线的角度位置，其中，第一路天线的角度位置为0。

在一个优选实施例中，所述步骤6中，计算二维入射角的仰角

和方位角

的具体步骤为：

步骤61、设置向量

其中T表示矩阵转置；

步骤62、计算方向向量G＝[g₁,g₂,g₃]^T，其中：

步骤63、更新向量X，得到第k+1次向量X的值；

X^(k+1)＝X^(k)+G

其中，

步骤64、根据X^(k+1)计算第k+1次的二维入射角的仰角和方位角

其中，||表示复数模值，real表示取复数实部运算，arg表示求复数相位运算。

在一个优选实施例中，所述步骤7中，计算迭代次数为k+1与迭代次数为k的二维入射角之差的具体方法为：

其中，mod(x,2π)为x对2π取模后的余数。

在一个优选实施例中，所述步骤7中，门限值为所需测向精度。

在一个优选实施例中，所述步骤1中的干涉系统包括N路低噪放大器、N路混频器、N路LPF、N路增益控制放大器、N路ADC以及本振电路、同步信号产生电路；每一路天线依次连接一路低噪放大器、混频器、LPF、增益控制放大器、ADC，由ADC输出转换后的数字信号，所述本振电路与每一路混频器连接，所述同步信号产生电路与每一路ADC连接。

本发明还提供了一种基于数字干涉系统的测向系统，包括：N元均匀圆阵天线、N路低噪放大器、N路混频器、N路LPF、N路增益控制放大器、N路ADC以及本振电路、同步信号产生电路、信号处理模块，每一路天线依次连接一路低噪放大器、混频器、LPF、增益控制放大器、ADC，由ADC输出转换后的数字信号，发送至信号处理模块，所述本振电路与每一路混频器连接，所述同步信号产生电路与每一路ADC连接；所述信号处理模块用于上述测向方法，输出辐射源的仰角和方位角。

为了验证本发明的效果，通过1000次蒙特卡洛仿真，计算测向误差的均方根，结果显示于图4至图7中。工作频率6GHz，采用点数M＝256，信号噪声为高斯白噪声。

图4和图5分别为在不同信噪比下，仰角均方根误差和方位角均方根误差与入射仰角的关系。仿真条件为：阵元数N＝5，组阵半径r＝180mm，信噪比0、5、10、15、20dB，入射方位角60°。

图6和图7分别为入射仰角分别为10°、20°、30°、40°下，仰角均方根误差和方位角均方根误差与信噪比的关系。仿真条件为：阵元数N＝8，组阵半径r＝240mm，入射方位角30°。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。