一種用於測向精度改善的測向修正方法及裝置與流程

2024-04-16 12:56:05 1

1.本技術涉及方位角測量領域，具體而言，涉及一種用於測向精度改善的測向修正方法及裝置。


背景技術：

2.隨著電磁頻譜的日益密集、大功率電子設備的應用，電磁環境越來越複雜，傳統的電子接收設備面臨著靈敏度低的問題，而在提高靈敏度之後，接收設備收到的信號密度會大幅增加，而接收設備又面臨著環境適應能力差、信號參數測量錯誤、信號發現虛警、漏警等問題。作為一種空域濾波技術，數字波束合成技術同時解決了寬空域覆蓋和高靈敏度接收的矛盾，能夠大幅提高接收系統的作用距離，並可同時對寬空域範圍的多個目標遠程搜索和跟蹤，是實現大範圍、大縱深監視能力的主要技術途徑，此外，由於合成後波束變窄，副瓣降低，因此可以提高系統的測角精度和解析度，測向精度明顯高於模擬多波束體制，基於數字波束合成的測向技術有利於抑制幹擾信號，具有更好的複雜電磁環境適應能力。
3.基於陣列信號接收的數字波束合成系統通過陣列天線和數字波束形成技術，同時形成多個數字波束，是模擬相控陣技術的延伸，是在傳統模擬波束合成的基礎上引入數位訊號處理方法之後建立的新技術，是陣列天線與信號處理結合的產物。數字波束合成及測向技術主要是利用陣列天線接收空間中的電磁信號，對信號在時間域和空間域進行採集，在基帶對各天線單元接收的信號進行相位和幅度加權，形成具有一定形狀的數字波束來接收信號，實現對信號的空域濾波，並提高對信號的接收處理增益，同時，也可利用多個數字波束對信號完成接收，通過數位訊號處理算法實現對目標的高分辨、精確測向。
4.基於數字波束合成的測向方法主要有比幅測向法，工程上常用的有和差波束比幅測向法與相鄰波束比幅測向法。這兩種測向方法的主要步驟為數字多波束合成、測向庫生成、查表測向。由於窄帶波束合成方法中，在接收機的工作帶寬內，均以接收機中心頻率來計算波束合成加權的幅度和相位值，當這組加權係數作用在接收機帶寬內其他頻點時，波束指向將會發現偏移，出現波束色散現象，若接收機帶寬內信號帶寬較小，對信號接收影響不大，但是，波束指向的偏移會直接影響測向精度。另外，由於測向庫生成時，方位角建庫間隔是離散值，不可能無限密，而且考慮到存儲容量和計算量耗時，在工程上，方位角建庫間隔一般為2
°
或者1
°
。由於方位角建庫間隔是離散值，但是信號入射方位角不可能是離散值，方位角建庫的間隔勢必影響最終的測向精度。因此如何解決上述問題成為本領域技術人員需要考慮的問題。


技術實現要素：

5.本技術的目的在於，為了克服現有的技術缺陷，提供了一種測向修正方法、裝置，能夠顯著提升方位角測量的精度。
6.本技術目的通過下述技術方案來實現：
7.第一方面，本技術提出了一種用於測向精度改善的測向修正方法，應用於數字波
束合成系統，包括：
8.根據頻率步進、波束指向步進、多波束指向間隔以及方位角間隔計算信號幅度差值，形成測向庫；
9.根據信號頻率、接收機中心頻率以及信號最大幅度對應的最大波束指向角計算真實波束指向角；
10.按照所述真實波束指向角查詢所述測向庫得到偏離角，並將所述真實波束指向角和所述偏離角求和得到測向粗值。
11.根據所述測向粗值、信號幅度差值、所述方位角間隔、所述測向粗值相鄰的兩個幅度比值得到測向精確值。
12.可選的，所述真實波束指向角的計算公式為:
[0013][0014]
其中，θ
′
為所述真實波束指向角，θ為所述最大波束指向角，fs為所述信號頻率，f0為所述接收機中心頻率。
[0015]
可選的，所述按照所述真實波束指向角查詢所述測向庫得到偏離角，並將所述真實波束指向角和所述偏離角求和得到測向粗值的步驟，包括：
[0016]
根據所述真實波束指向角查詢所述測向庫得到測向庫幅度差值；
[0017]
計算最大波束指向角與次大波束指向角的信號幅度差值，所述次大波束指向角為所述最大波束指向角相鄰的最大信號幅度的波束指向角；
[0018]
根據所述測向庫幅度差值和所述信號幅度差值得到偏離角；
[0019]
將所述真實波束指向角和所述偏離角求和得到測向粗值。
[0020]
可選的，所述根據所述測向庫幅度差值和所述信號幅度差值得到偏離角的步驟，包括：
[0021]
根據所述測向庫幅度差值從所述測向庫中提取對應的測向子庫；
[0022]
通過所述測向子庫查詢所述信號幅度差值得到對應的偏離角。
[0023]
可選的，所述精確測向值的計算公式為：
[0024][0025]
其中，δa1為所述測向粗值相鄰的一個幅度比值，δa2為所述測向粗值相鄰的另一個幅度比值，δa為所述信號幅度差值，δθ為所述方位角間隔，α
粗
為所述測向粗值。
[0026]
第二方面，本技術還提出了一種用於測向精度改善的測向修正方法裝置，應用於數字波束合成系統，所述裝置包括：
[0027]
測向庫生成模塊，用於根據頻率步進、波束指向步進、多波束指向間隔以及方位角間隔計算信號幅度差值，形成測向庫；
[0028]
波束指向修正模塊，用於根據信號頻率、接收機中心頻率以及信號最大幅度對應的最大波束指向角計算真實波束指向角；
[0029]
測向粗值計算模塊，用於按照所述真實波束指向角查詢所述測向庫得到偏離角，並將所述真實波束指向角和所述偏離角求和得到測向粗值。
[0030]
拋物線插值模塊，用於根據所述測向粗值、信號幅度差值、所述方位角間隔、所述
測向粗值相鄰的兩個幅度比值得到測向精確值。
[0031]
可選的，所述裝置包括：
[0032]
測向粗值計算子模塊：用於根據所述真實波束指向角查詢所述測向庫得到測向庫幅度差值；
[0033]
計算最大波束指向角與次大波束指向角的信號幅度差值，所述次大波束指向角為所述最大波束指向角相鄰的最大信號幅度的波束指向角；
[0034]
根據所述測向庫幅度差值和所述信號幅度差值得到偏離角；
[0035]
將所述真實波束指向角和所述偏離角求和得到測向粗值。
[0036]
可選的，所述測向粗值計算子模塊還用於：
[0037]
根據所述測向庫幅度差值從所述測向庫中提取對應的測向子庫；
[0038]
通過所述測向子庫查詢所述信號幅度差值得到對應的偏離角。
[0039]
上述本技術主方案及其各進一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本技術可採用並要求保護的方案；且本技術，(各非衝突選擇)選擇之間以及和其他選擇之間也可以自由組合。本領域技術人員在了解本技術方案後根據現有技術和公知常識可明了有多種組合，均為本技術所要保護的技術方案，在此不做窮舉。
[0040]
本技術實施例提出了一種用於測向精度改善的測向修正方法及裝置，應用於數字波束合成系統，應用於數字波束合成系統。首先計算出多個信號幅度差值形成測向庫，然後對真實波束指向角進行計算來完成對波束指向的修正，再按照真實波束指向角查詢測向庫得到偏離角，並將其與真實波束指向角求和得到測向粗值，最後通過測向粗值、信號幅度差值、方位角間隔以及測向粗值相鄰的兩個幅度比值得到測向精確值以進行拋物線插值，通過測向精確值便能夠顯著提升方位角的測向精度。
附圖說明
[0041]
圖1示出了本技術實施例提出的一種測向修正方法的流程示意圖。
[0042]
圖2示出了本技術實施例提供的電路原理框圖.
[0043]
圖3示出了本技術實施例提出的步驟s300的流程示意圖。
[0044]
圖4a示出了本技術實施例提出的不同頻率的波束指向偏移示意圖。
[0045]
圖4b示出了圖4a中指向角為40
°
的波束的放大圖
[0046]
圖5示出了本技術實施例提出的不同頻率的波束指向偏移示意圖；
[0047]
圖6示出了本技術實施例提出的測向誤差比較圖。
具體實施方式
[0048]
以下通過特定的具體實例說明本技術的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本技術的其他優點與功效。本技術還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本技術的精神下進行各種修飾或改變。需說明的是，在不衝突的情況下，以下實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
[0049]
基於本技術中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本技術保護的範圍。
[0050]
在現有技術中，由於方位角建庫間隔是離散值，但是信號入射方位角不可能是離散值，方位角建庫的間隔勢必影響最終的測向精度。儘管在文獻中有涉及數字波束合成系統中的測向方法描述，但是未曾提及具體實施的詳細步驟。
[0051]
為此，本技術提出了一種用於測向精度改善的測向修正方法及裝置，用於解決上述的問題，本技術在目前文獻中涉及數字波束合成系統中測向方法的基礎上進行了改進，增加波束指向修正與拋物線插值兩個關鍵步驟，使得測向精度得到了顯著提升，接下來對其進行詳細說明。
[0052]
請參照圖1，圖1示出了本技術實施例提出的一種測向修正方法的流程示意圖，該測向修正方法應用於數字波束合成系統中，其具體實施步驟如下：
[0053]
s100、根據頻率步進、波束指向步進、多波束指向間隔以及方位角間隔計算信號幅度差值，形成測向庫。
[0054]
測向庫生成過程：根據數字波束合成系統所要求的測向頻段和空域，按照頻率步進、波束指向步進、多波束指向間隔以及方位角間隔，依次計算不同頻率、不同波束下的波束指向角與相鄰兩個波束(左波束和右波束)的波束指向角的信號幅度差值，最終形成多組波束指向角、多組信號幅度差值構成的幅度差測向庫。
[0055]
值得說明的是，頻率步進、波束指向步進以及方位角間隔能夠根據數字波束合成系統的的測向精度來確定，也能夠根據波束設計情況來確定，本技術對此並不限定。例如在一般的情況下，頻率步進通常選取1mhz，波束指向步進通常選取0.2度，方位角間隔通常選取1度。
[0056]
s200、根據信號頻率、接收機中心頻率以及信號最大幅度對應的最大波束指向角計算真實波束指向角。
[0057]
在窄帶的數字波束合成系統中對波束指向修正之前，請參考圖2，圖2示出了本技術實施例提供的電路原理框圖，數字波束合成系統會接收到由信號源發出的電磁波信號，該電磁波信號通過天線接口單元饋入，再經過變頻模塊變頻到中頻，通過ad採樣模塊完成採樣，將採樣後的數位訊號預處理，最後通過數字多波束合成多個波束，在生成測向庫的同時對波束指向進行修正，由此對測向結果進行粗側，最後完成拋物線插值。
[0058]
由於用于波束合成的加權係數是通過接收機中心頻率計算出來的，該加權係數作用在不同的信號頻率上會產生不同的波束指向。在某一組加權係數下，由於每個波束的信號幅度不一樣，先找出信號幅度最大的波束所對應的波束指向角，再根據信號頻率、接收機中心頻率以及該波束指向角，通過真實波束指向的計算公式即可得到真實波束指向角θ
′
，最終完成對波束指向的修正，而真實波束指向角θ
′
的計算公式為：
[0059][0060]
其中，θ
′
為真實波束指向角，θ為最大波束指向角，fs為信號頻率，f0為接收機中心頻率。
[0061]
值得說明的是，在信號頻率和接收機頻率相等(fs＝f0)的情況下，此時真實波束指向角便為最大波束指向角(θ
′
＝θ)，在信號頻率和接收機頻率不相等(fs≠f0)的情況下，則表明波束髮生了偏移，此時便能通過上述公式計算出真實波束指向角θ
′
。
[0062]
s300、按照真實波束指向角查詢測向庫得到偏離角，並將真實波束指向角和偏離
角求和得到測向粗值。
[0063]
測向粗值是由真實波束指向角和偏離角求和所得到，而偏離角又是根據真實波束指向角對測向庫進行查詢所得到的。接下來對步驟s300中的測向粗值計算過程進行說明，基於圖1請參考圖3，圖3示出了本技術實施例提供的步驟s300的流程示意圖，步驟s300包括：
[0064]
s310、根據真實波束指向角查詢測向庫得到測向庫幅度差值。
[0065]
在計算出真實波束指向角θ
′
之後，數字波束合成系統會從測向庫中查詢該真實波束指向角所對應的測向庫幅度差值，測向庫中存儲了不同波束指向角以及對應的信號幅度差值。
[0066]
s320、計算最大波束指向角與次大波束指向角的信號幅度差值。
[0067]
次大波束指向角為與最大波束指向角相鄰的最大信號幅度的波束指向角，例如，若與最大波束指向角相鄰的左波束指向角的信號幅度大於相鄰的右波束指向角的信號幅度，則選取與最大波束指向角相鄰的左波束指向角為次大波束指向角，若與最大波束指向角相鄰的左波束指向角的信號幅度小於相鄰的右波束指向角的信號幅度，則選取與最大波束指向角相鄰的右波束指向角為次大波束指向角，若與最大波束指向角相鄰的左波束指向角的信號幅度等與相鄰的右波束指向角的信號幅度，則從左波束指向角或者右波束指向角任意選取一個作為次大波束指向角。
[0068]
s330、根據測向庫幅度差值和信號幅度差值得到偏離角；
[0069]
要得到偏離角，先根據測向庫幅度差值從測向庫中提取與測向庫幅度差值所對應的測向子庫，測向子庫屬於測向庫，然後按照信號幅度差值對測向子庫進行查詢，然後將查詢後的結果按照就近原則選擇偏離角。
[0070]
s340、將真實波束指向角和偏離角求和得到測向粗值。
[0071]
s400、根據測向粗值、信號幅度差值、方位角間隔、測向粗值相鄰的兩個幅度比值得到測向精確值。
[0072]
在得到測向粗值之後，能夠選取與測向粗值附近的三個建庫方位角，例如選取測向粗值向左偏移的一個建庫方位角與向右偏移的兩個建庫方位角，也可以選取測向粗值向左偏移的兩個建庫方位角與向右偏移的一個建庫方位角，還可以有其他多種選擇，本技術對此並不限定。此時建庫方位角的幅度差值與建庫方位角間隔，根據測向粗值以及建庫方位角擬合拋物線曲線，通過表徵拋物線曲線的拋物線方程，選取測向粗值相鄰的兩個幅度比值δa1和δa2，並結合信號幅度差值δa，方位角間隔δθ以及測向粗值α
粗
，帶入精確測向值的計算公式：
[0073][0074]
最終得到精確測向值。
[0075]
在一種可能的實施方式中，請參考圖4a和圖4b，圖4a示出了本技術實施例提出的不同頻率的波束指向偏移示意圖，而圖4b示出了圖4a中指向角為40
°
的波束放大圖。如果接收機中心頻率為830mhz，而瞬時帶寬為60mhz，此時會形成指向角為40
°
的波束，可知，在相同加權係數作用在信號頻率為800mhz、830mhz和860mhz下形成的波束其形狀和波束指向稍有不同，信號頻率為800mhz和860mhz形成的波束指向與頻率與信號頻率為830mhz形成的波
束指向大約相差2
°
，這對信號接收影響不大，但是如果頻率為800mhz和860mhz的測向也以接收機中心頻率為830mhz形成的波束為基準進行查表測向，則最大會帶來接近2
°
的測向誤差
[0076]
在另一種可能的實施例中，請參閱圖5。圖5示出了本技術實施例提出的不同頻率的波束指向偏移示意圖，在未加入任何誤差情況下，對頻率為800mhz～2000mhz信號測向的誤差曲線。從圖中可以看出，在沒有任何誤差影響下，在查表時，如果未對信號頻點對應波束指向進行修正，則會帶來最大約0.6
°
的測向誤差。
[0077]
在另一種可能的實施例中，請參閱圖6，圖6示出了本技術實施例提出的測向誤差比較圖。是未加入任何誤差的情況下，對頻率為800mhz～2000mhz信號測向的誤差曲線。從圖中可以看出，在沒有任何誤差影響下，通過測向查表獲得測向粗值後，通過拋物線插值可顯著提升測向性能。
[0078]
本技術具有如下技術效果：
[0079]
(1)、本技術實施例提出的一種測向修正方法，對真實波束指向角進行計算來完成對波束指向的修正，再按照真實波束指向角查詢測向庫得到偏離角，並將其與真實波束指向角求和得到測向粗最終值，最後得到的測向精確值以完成拋物線插值，能夠顯著提升方位角的測向精度。
[0080]
(2)、通過計算機的仿真對比，為數字波束系統中的測向方法提供了有益參考。
[0081]
(3)、本技術中測向庫生成是在數字波束系統確定之後，根據波束設計事先生成，再將其導入到實時運算晶片中存儲，以供後續實時計算使用，波束指向修正、測向粗值計算以及拋物線插值僅涉及少量的三角函數及加減乘除計算，計算量小，利於工程實現。
[0082]
(4)、本技術提出的測向修正方法還可用於一維數字波束合成系統中的方位角測量，也可用於二維數字波束合成系統中的俯仰角測量，拋物線插值獲得測向精確值的思路也可用於幹涉儀測向系統。
[0083]
接下來給出本技術實施例提出的一種測向修正裝置可能的實現方式，其用於執行上述實施例及可能的實現方式中示出的測向修正方法各個執行步驟和相應技術效果。該測向修正裝置包括：測向庫生成模塊、波束指向修正模塊、測向粗值計算模塊以及拋物線插值模塊
[0084]
測向庫生成模塊，用於根據頻率步進、波束指向步進、多波束指向間隔以及方位角間隔計算信號幅度差值，形成測向庫。
[0085]
波束指向修正模塊，用於根據信號頻率、接收機中心頻率以及信號最大幅度對應的最大波束指向角計算真實波束指向角。
[0086]
測向粗值計算模塊，用於按照真實波束指向角查詢測向庫得到偏離角，並將真實波束指向角和偏離角求和得到測向粗值。
[0087]
拋物線插值模塊，用於根據測向粗值、信號幅度差值、方位角間隔、測向粗值相鄰的兩個幅度比值得到測向精確值。
[0088]
可選的，測向粗值計算模塊還包括測向粗值計算子模塊。
[0089]
測向粗值計算子模塊：用於根據真實波束指向角查詢測向庫得到測向庫幅度差值；
[0090]
計算最大波束指向角與次大波束指向角的信號幅度差值，次大波束指向角為最大
波束指向角相鄰的最大信號幅度的波束指向角；
[0091]
根據測向庫幅度差值和信號幅度差值得到偏離角；
[0092]
將真實波束指向角和偏離角求和得到測向粗值。
[0093]
可選的，測向粗值計算子模塊還用於：根據測向庫幅度差值從測向庫中提取測向子庫，
[0094]
通過測向子庫查詢信號幅度差值對應的偏離角。
[0095]
以上所述僅為本技術的較佳實施例而已，並不用以限制本技術，凡在本技術的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本技術的保護範圍之內。