安效君
(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)
摘 要 提出了一种基于长短基线匹配的干涉仪测向方法。该方法根据中国剩余定理,借鉴了长短基线干涉仪测向原理,利用短基线相位差测量解决相位模糊的问题,长基线相位差测量提高测向的精度。对长短基线的匹配选取、测向能力以及抗噪声性能进行了理论分析和仿真。试验结果表明,新方法与其他方法相比,适应能力强、运算量小、精度高,在低信噪比下仍具有良好的估计精度,适于硬件实现。
关键词 中国剩余定理;干涉仪测向;长短基线匹配
中图分类号 TN911.23 TN971.1 文献标识码 A 文章编号 1003-3106(2009)03-0059-03
0 引言
干涉仪测向具有适用于天线阵列形式多样、测向精度高、算法简单等优点,是无源测向技术中应用最为广泛的测向体制。为了提高测向精度,需要延长天线阵元之间的基线长度。但当基线长度超过入射信号的半个波长时,将会出现相位模糊的问题。采用长短基线相结合的方法,不仅可以保证无模糊测向,并且能够达到较高的测向精度。但是在天线、布阵形式确定的条件下,例如,由于天线阵元的设计尺寸的影响,使得2个天线阵元的中心间距(即最短基线)仍大于入射信号的半个波长,此时,传统的长短基线测向体制也无法解决相位模糊问题。
本文针对这一问题,采用剩余定理巧妙算出测向过程中已发生了跳周的相位值,消除相位混叠的影响,保证测向结果的正确。
1 长短基线匹配测向原理
干涉仪测向是通过测量同一电波到达不同测向天线单元接收信号的相位差确定来波方向。如图1所示,A、B为一条基线上的2个天线单元,基线长度为d,入射信号的波长为λ,与法线方向夹角为θ,信号波前到达天线阵元A、B时的相位差为ψAB,
假设入射信号波长与短、长基线比分别为α1与α2,而且短基线d1上无相位模糊,则对入射信号而言,由长短基线测得的角度数据分别为:
考虑到n为整数,而2条基线上相位差测量值均有误差,将上式改进为:
式中,y=[x]round表示y为x的四舍五入整数。
当2条基线上的相位差测量值均有较大误差(如存在反射信号而使入射信号波前有较大畸变)时,α2/α1较大则容易产生错误匹配。仿真研究表明,当多径信号较强时,α2/α1不宜超过2.5。
2 改进的长短基线干涉仪测向方法
2.1 中国剩余定理在干涉仪测向中的应用
中国剩余定理数学模型可表示为:令a 2,如果r1,r2,…,ra是正数,n1,n2,…,na为素数,则存在H满足:假设入射信号与法线方向夹角在(-30°,30°)范围内,由式(1)可得短基线应小于λ才能保证ψAB不存在相位模糊。天线直径为60 cm(频段范围1 080 MHz±125 MHz)的抛物面天线,设计最小基线长度应该小于0.248 m。但由于2个天线阵元的最小设计间距只能保证达到3λmin=75 cm,导致结果会产生相位模糊。如果再加一个天线阵元,与第2个天线阵元的间距为4λmin,3个天线阵元可以看成2组,它们的间距分别是3和4倍的λ。3和4是互素的,应用中国剩余定理可以求解所需的θ。
由此可见,利用中国剩余定理巧妙地解决相位模糊的问题,而在实际应用中总会遇到噪声影响和测量误差等问题。首先,理论上剩余定理中的余数应当是非常准确的整数,但在工程应用中不可能完全满足这个前提,余数往往并不是整数;其次,在余数计算中总会一定的噪声和测量误差。因此,在测向方案实现的过程中可以通过增加天线阵元的个数,来提高计算准确度,从而改善测向抗噪声性能,提高测向精度。
2.2 仿真试验
仿真试验建立4阵元相位干涉仪模型,各阵元之间的距离分别是:
由前面的分析可知,设计最小基线l长度应小于0.248 m,而2个天线之间的最小间距0.75 m>0.248 m,采用虚拟基线的方式使得最小基线d0=0.95 m-0.75 m=0.2m<0.248 m,这样虚拟短基线d0就可以解决相位模糊的问题,并结合其他长基线来提高测向精度。
已知长短基线的匹配公式如下:
式中,φi为第i个天线相对于参考天线匹配后的相位差;i为第i个天线相对于参考天线匹配前的相位差;di为第i个天线相对于参考天线的基线长度;θi为第i个天线和参考天线匹配之后计算得到的入射信号的方位。
对整个频段范围(1 080 MHz±125 MHz)信号进行了各种信噪比条件下仿真。根据理论知识计算信噪比为10 dB的条件下,相位抖动误差是18°。测向仿真结果如表1所示。传统干涉仪测向方法的仿真结果如表2所示。
在表1中列出了相位误差为18°的仿真数据结果,其中频点高中低各选取一个,30°时对应955 MHz,0.5°时对应1 205 MHz,时对应1 081 MHz。从仿真数据看相位抖动18°时,测向结果抖动小于0.3°。
表2中在相同的信噪比情况下测向结果抖动误差值约0.5°,所以当接收信号信噪比为10 dB时,改进的干涉仪测向精度更高。
3 结束语
中国剩余定理的应用,较好地解决了测向精度和相位模糊2个关键问题。本文提出的改进干涉仪测向方法,利用了长短基线测向原理,继承DFT法和相位差测向法的优点提高测向精度同时,降低了噪声的影响。该方法已应用于通信信号侦测系统的来波方向估计(DOA)中,测向精度小于0.5°。
参考文献
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[2]周宏仁,敬忠良,王培德.机动目标跟踪[M].北京:国防工业出版社,1991.
[3]贾立哲,魏利辉.相关干涉仪测向算法的FPGA实现[J].无线电工程,2006,36(12):40-42.
作者简介
安效君 男,(1975-),中国电子科技集团公司第五十四研究所工程师。主要研究方向:通信对抗。
