基於寬帶共形天線陣列的相位幹涉儀及其參數估計方法與流程
2023-09-20 10:25:15
本發明屬於寬帶共形天線陣列傳感器裝置及其輻射源參數估計技術領域，具體的說是一種基於寬帶共形天線陣列的相位幹涉儀及其參數估計方法。
背景技術：
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在無源探測系統中，包括無線電導航、電子偵察、電子跟蹤和電子對抗等電子系統，一個很重要的任務是測定目標的方位。測向的方法和種類很多，按天線的方向圖大體可分為兩類。一種是利用簡單振子或天線陣列的一定方向性來測向；另一類是利用系統功能來測向，而對天線方向圖沒有特殊要求。前者通過旋轉天線可找出某一方位天線感應電壓最小，這種方式的測向的優點是：天線結構簡單，尺寸小。缺點是：工作帶寬窄，測向精度低。後者的測向體制可分為比幅法、比相法、比幅比相法、時差法和都卜勒頻率法等。幹涉儀測向屬於比相法的一種。相位幹涉儀具有測向精度高、設備實現簡單、測向速度快、平臺適應性和移植性強等優點，已成為當前無線電測向領域的主流體制。
相位幹涉儀體制一般採用兩組互相垂直的天線進行航向角和俯仰角的測向。兩組天線的組成和測向機理完全一致，以一維單基線相位幹涉儀為例來說明的原理。如圖1所示，單基線相位幹涉儀由兩個信道組成，射頻輻射源輻射的平面電磁波，由與天線視軸夾角為θ的方向傳播而來，它到達兩個天線的相位差φ為：
式中：λ為輻射源的工作波長；L為兩個天線之間的距離。
如果兩個信道完全平衡，那麼具有相位差為φ的兩路信號，在鑑相器(相關器)中可取出相位差信息，再經過角度變換，得到輻射源的方向角θ。測角誤差主要來源於相位測量誤差Δφ聲，忽略其他因素，測角誤差公式可簡化寫為：
相位幹涉儀通常採用多個天線構成天線陣來實現。按照天線陣布置形式的不同，有一維線陣、二維線陣、圓陣等多種形式。由於鑑相設備通常以2π為模，只能測量2π範圍內的相位值，當天線之間的相對相位超過2π後，將會導致多值模糊。解模糊技術一直為相位幹涉儀測角系統的工程應用所廣泛關注，傳統的解模糊技術包括基於長短基線、高低頻率、單脈衝測角、測距、旋轉基線和調頻等六種方法。對於一維線陣相位幹涉儀，單基線結構存在無模糊測量範圍和測向精度的矛盾，因而通常採用多個天線構成多基線的配置形式。在應用多基線相位幹涉儀時，需要解決的主要問題包括天線選擇與設計、天線陣設計、以及測向算法設計。其中，相位幹涉儀天線陣的設計不僅與天線尺寸、安裝條件限制、測向性能指標等因素有關，還與選擇的測向算法有關。多基線一維相位幹涉儀有兩種主要的解模糊方法：餘數定理方法和逐次解模糊方法。基於餘數定理的方法需要天線間距滿足一定的參差關係，使得天線陣的設計受到限制；且由於需要進行多維整數搜索，隨著基線長度的增加，導致搜索空間增大，計算量也會急劇增加。而逐次解模糊方法則通過長、短基線結合或構造虛擬基線的方式來解模糊，使得天線間距的設計較為靈活，且算法簡單，容易實現。在根據逐次解模糊方法設計幹涉儀天線陣時，一個重要問題是如何根據測向指標，如測向精度，相位誤差等，確定天線數目，設計天線間距。現有的幹涉儀設計方法沒有公式給出天線陣參數與測向性能指標之間的解析關係，設計過程是採用「選擇一驗證」的迭代方式進行，而無法明確根據指標要求直接確定天線陣參數。
傳統的相位幹涉儀一般採用單極化天線形式，僅能感知和測量入射電磁波的單極化信息，並且目前的技術水平已經較為成熟，在目標檢測、參數測量和跟蹤等方面的而技術指標相對穩定；為了適應新一代電子偵察與測向系統的技術要求，具有更為強大的多參數參量功能的幹涉儀系統已成為測向領域重要的發展趨勢。在電磁波所承載的信息中，除了幅度、相位和頻率信息以外，極化特性是一種重要中的信息資源，它的利用將為無線電系統的性能提升發揮重要作用。在幹涉儀測向系統中，採用雙極化或者全極化的系統體制，將顯著提高系統的目標檢測、識別和抗幹擾能力，會為研製新一代的幹涉儀測向系統提供一條有效的技術途徑。採用寬帶雙極化天線的無線電幹涉儀系統是一種可行的實現波達方向和極化參數聯合估計的有效手段，寬帶雙極化天線同時具備寬頻帶和雙極化兩種性能，是目前天線設計的關鍵技術之一。同時，在彈載環境下，天線安裝的空間非常緊張，研究其他方式來獲取電磁波的極化信息具有十分重要的意義；在天線陣列設計中，如果天線單元具有不同的極化方式和輻射方向圖形狀特性，即天線單元為非相似元，每個天線單元可以感知入射電磁波的不同極化狀態，則同樣可以獲取入射電磁波的極化信息，這將成為獲取輻射源全部電磁參數的有效技術手段之一。
技術實現要素：
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本發明針對現有技術中存在的缺點和不足，提出了一種基於寬帶共形天線陣列的相位幹涉儀及其參數估計方法。
本發明可以通過以下措施達到：
一種基於寬帶共形天線陣列的相位幹涉儀，其特徵在於設有五單元Vivladi共形天線陣列、流線型陶瓷天線罩和天線罩上的金屬連接環，其中五單元Vivladi共形天線陣列的天線單元個數N＝5，每個單元賦形於天線罩的表面，天線單元與天線罩共形，單元按照圓周向排列，構成圓環陣列，天線單元中的Vivaldi天線包含微帶饋電線、介質基板和一個含有指數漸變縫隙的金屬地板，在金屬地板上還有一段與指數漸變縫隙相連接的矩形縫隙和一個圓形腔，它們分別用來實現電磁耦合饋電和阻抗匹配，介質基板選擇相對介電常數為3.2的無機非金屬材料，無機非金屬材料平均厚度為4.1毫米；天線罩整體為近似圓錐狀結構，介質天線罩通過連接環與彈體連接；Vivaldi天線安裝在天線罩的表面，與天線罩表面賦形，採用微帶線-槽線耦合饋電，饋電線位於天線罩的內表面，饋電線也與天線罩的內表面是共形的，共形微帶線在天線罩的底部與同軸電纜連接，輸出埠為SMA。
本發明選擇的介質基板的厚度為4.1毫米，金屬輻射器部分選擇厚度為0.5毫米的銅板加工實現，因此，此處Vivaldi天線的設計與常規的基於印刷電路板的Vivaldi天線有所不同，微帶線的特性阻抗需要採用軟體精確計算得到。
為了提高共形Vivaldi天線的輻射增益，減小共形天線單元之間的互相耦合以及共形天線與天線找內部其它天線分機或電子設備之間的互相耦合，本發明在Vivaldi天線的金屬底板上刻蝕矩形槽線陣列，在該矩形槽線附近，電流分布較小，基本上對Vivaldi天線的輻射性能影響不大。矩形槽線陣列的長度、寬度和間距有三維電磁仿真計算優化確定。
本發明基於上述設計的與天線罩共形的超寬帶天線陣列，還提出了一種基於寬帶共形天線陣列的相位幹涉儀及其參數估計方法，其特徵在於以(xi,yi)為坐標原點，天線單元i的遠區輻射電場可表示為：
式中，Ii為歸算電流，λ為工作波長，為有效長度，為歸一化的幅度方向圖，為相位方向圖，和分別為幅度和相位極化參數，為自由空間的波阻抗，為波數；
以坐標o為原點，此時天線單元i的遠區輻射電場可表示為：
假設入射信號為：
式中，|Sin|和分別為入射信號的幅度和相位，γin和ηin分別為如射信號的幅度和相位極化角，於是，五個天線埠的接收輸出電壓可表示為：
為了排除入射信號的幅度和相位對相位幹涉儀測向和測極化參數的影響，採用單元之間的比較方法，即考察單元之間的幅度和相位極化差異，針對上述雙極化天線陣列結構，有5個天線埠，根據圖論的知識，該天線陣列可組成連通圖，可組成的支路數目為：
節點數目為n＝5，於是採用樹的分析方法，圖中樹的數目為n-1＝4，由於樹枝電壓為獨立電壓，於是可獨立選取4個相對接收電壓來進行後續的測向工作。針對本發明專利考察的天線陣列結構，有5個天線埠，採用4個基線進行角度估計，這五個基線組合為：1至2、1至3、1至4和1至5，在信號對u1和u2比較中可得：
在信號對u3和u1比較中可得：
在信號對u4和u1比較中可得：
在信號對u5和u1比較中可得：
定義向量[ε]和[δ]分別為：
假設入射信號被陣列單元接收後，數位化後的信號電壓經過處理後，得到向量[ε]和[δ]的估值分別為：
根據公式(24)和(26)，獲得誤差向量：
根據公式(25)和(27)，獲得誤差向量：
基於公式(28)和公式(29)，利用最小二乘法，可估計計算出入射信號的參數
綜上所述，本發明提出了一種與天線罩共形的寬帶Vivaldi天線陣列，以之作為多基線幹涉儀系統，設計了基於該極化敏感陣列的幹涉儀測向算法和極化參數估計方法，該方法考慮了實際天線陣列的單元耦合、單元之間的輻射特性不一致、介質天線罩和金屬連接環等因素對寬帶共形天線陣列輻射性能的影響，能夠同時實現對輻射源信號的二維波達方向和極化參數的測量，本發明適用於彈載無源測向系統中，其對輻射源信號的電磁參數的估計算法也適合於電子偵察、電子對抗等相關領域，具有更為全面的參數測量功能和平臺的適應性。
附圖標記：
附圖1現有技術中單基線相位幹涉儀原理示意圖。
附圖2是本發明中寬帶共形天線陣列結構布局。
附圖3是本發明中採用的天線坐標系。
附圖4是本發明設計的平面Vivaldi天線幾何結構。
附圖5是本發明設計的新型平面型Vivaldi天線的仿真模型。
附圖6是本發明設計的與天線罩共形的寬帶天線陣列模型。
附圖7是本發明實施例中五單元寬帶共形天線陣列的連通圖。
附圖8是本發明實施例中平面型Vivaldi天線的回波損耗的仿真結果。
附圖9是本發明實施例中五個天線埠的回波損耗仿真結果。
附圖10是本發明實施例中埠之間的隔離度仿真結果。
附圖11是本發明實施例中頻率為2.5GHz時的共形天線陣列輻射特性仿真結果。
附圖12是本發明實施例中頻率為3GHz時的共形天線陣列輻射特性仿真結果。
附圖13是本發明實施例中頻率為2.5GHz時的幅度偏差和相位偏差隨空間角度變化的仿真結果。
附圖14是本發明實施例中頻率為3GHz時的幅度偏差和相位偏差隨空間角度變化的仿真結果。
附圖15是本發明實施例中頻率為2.5GHz時的幅度偏差和相位偏差隨極化角度變化的仿真結果。
附圖16是本發明實施例中頻率為3GHz時的幅度偏差和相位偏差隨極化角度變化的仿真結果。
附圖標記：1為Vivaldi天線的指數漸變輻射縫隙、2為與Vivaldi天線的指數漸變輻射縫隙相連接的槽線、3為Vivaldi天線的諧振腔體、4為Vivaldi天線的金屬覆銅地板、5為Vivaldi天線的金屬地板上的矩形開槽陣列。
具體實施方式：
本發明研究了一種基於與天線罩共形的寬帶天線陣列，以之為基礎，建立一種全極化相位幹涉儀系統裝置，提出了基於共形寬帶陣列的輻射源信號波達方向和極化參數的聯合估計方法，發明內容包括寬帶Vivaldi天線及其共形陣列的設計和全極化幹涉儀測向算法和極化參數估計方法。本發明採用與實際天線罩共形的五單元寬帶Vivaldi天線陣列，構成多基線幹涉儀測向系統，實際上本系統為五埠網絡，每個單元賦形於介質天線罩的表面，由於天線表面為曲線形狀，單元天線在天線罩表面按照圓周向排列布局，因此，每個天線單元具有不同的極化取向，而且它們的輻射場各不相同，對入射電磁波信號的極化具有不同的響應，即感知輻射源信號的不同極化分量，具有極化敏感能力。依據寬帶共形天線陣列的結構布局，可以形成多個測量基線，實現對入射電磁波信號的方位和俯仰信息的測量。由於採用多基線和極化敏感體制的幹涉儀系統，所以本發明中設計的算法具有自動解模糊能力。在採用捷聯式測角方法的幹涉儀系統中，由於系統需要一定的掃描角度，因此，在測向算法設計中，需要考慮天線陣列的方向圖覆蓋範圍和輻射場的空間極化特性。本發明設計的雙極化幹涉儀的天線陣列結構如圖2所示，天線單元個數N為5，天線單元為與天線罩共形的新型寬帶Vivaldi形式，單元按照圓周向排列，構成圓環陣列，本發明算法分析中採用的坐標系定義如圖3所示，在實際工程上，本發明中本發明設計的平面Vivaldi天線幾何結構如圖4所示，本發明設計的新型平面型Vivaldi天線的仿真模型如圖5所示。
本發明設計的與天線罩共形的寬帶相位幹涉儀天線陣列由三部分組成，即五單元Vivladi共形天線陣列、流線型陶瓷天線罩和天線罩上的金屬連接環。本發明設計的Vivaldi天線由微帶電路技術製成，它包含一個含有指數漸變縫隙的金屬地板、微帶饋電線和介質基板組成。在金屬地板上還有一段與指數漸變縫隙相連接的矩形縫隙和一個圓形腔，它們分別用來實現電磁耦合饋電和阻抗匹配。具體的平面型Vivaldi天線幾何結構如圖4所示。圖4中的天線幾何參數由數值計算優化獲得。本發明中的介質基板選擇與某一飛彈天線罩相同的材料，該天線罩為無機非金屬材料，材料的相對介電常數為3.2，無機非金屬材料平均厚度為4.1毫米；天線罩整體為近似圓錐狀結構，介質天線罩通過連接環與彈體連接；共形Vivaldi天線安裝在天線罩的表面，與天線罩表面賦形，採用微帶線-槽線耦合饋電，饋電線位於天線罩的內表面，饋電線也與天線罩的內表面是共形的，共形微帶線在天線罩的底部與同軸電纜連接，輸出埠為SMA，這樣的好處在於共形天線的安裝中不需要在無機非金屬天線罩上打孔，保證了天線罩的結構和氣動特性。由於本發明選擇的介質基板的厚度為4.1毫米，金屬輻射器部分選擇厚度為0.5毫米的銅板加工實現，因此，此處Vivaldi天線的設計與常規的基於印刷電路板的Vivaldi天線有所不同，微帶線的特性阻抗需要採用軟體精確計算得到。為了提高共形Vivaldi天線的輻射增益，減小共形天線單元之間的互相耦合以及共形天線與天線找內部其它天線分機或電子設備之間的互相耦合，本發明在Vivaldi天線的金屬底板上刻蝕矩形槽線陣列，在該矩形槽線附近，電流分布較小，基本上對Vivaldi天線的輻射性能影響不大。矩形槽線陣列的長度、寬度和間距有三維電磁仿真計算優化確定。根據給定的某飛彈陶瓷材料的天線罩結構，本發明將設計的Vivaldi天線共形到天線罩的表面，利用同軸線在天線罩的內部饋電，天線單元個數為5個，呈旋轉對稱結構布置，本發明設計的與天線罩共形的寬帶天線陣列模型如圖6所示。
本發明中設計的整個天線陣列包含五個天線單元，形成五個輸出埠，這樣能夠充分利用天線安裝平臺空間，可以實現二維空間的輻射源波達方向的估計，進一步還可以進行輻射源兩個極化參數的估計，有效實現對輻射源全參數的測量。同時，由於埠數目較多，增加了信息的冗餘度，可以有效提高測角的可靠性。
基於上述設計的與天線罩共形的超寬帶天線陣列，本發明設計了一種波達方和電磁極化參數的聯合估計方法，即全極化的波達方向估計方法。下面對該算法的原理進行建模和闡述。以(xi,yi)為坐標原點，天線單元i的遠區輻射電場可表示為：
式中，Ii為歸算電流，λ為工作波長，為有效長度，為歸一化的幅度方向圖，為相位方向圖，和分別為幅度和相位極化參數，為自由空間的波阻抗，為波數。
以坐標o為原點，此時天線單元i的遠區輻射電場可表示為：
假設入射信號為：
式中，|Sin|和分別為入射信號的幅度和相位，γin和ηin分別為如射信號的幅度和相位極化角。於是，五個天線埠的接收輸出電壓可表示為：
為了排除入射信號的幅度和相位對相位幹涉儀測向和測極化參數的影響，採用單元之間的比較方法，即考察單元之間的幅度和相位極化差異。針對本專利考察的雙極化天線陣列結構，有5個天線埠，根據圖論的知識，該天線陣列可組成如圖5所示的連通圖。在圖5中，可組成的支路數目為：
節點數目為n＝5，於是採用樹的分析方法，圖中樹的數目為n-1＝4，由於樹枝電壓為獨立電壓，於是可獨立選取4個相對接收電壓來進行後續的測向工作。針對本發明專利考察的天線陣列結構，有5個天線埠，採用4個基線進行角度估計。這五個基線組合為：1至2、1至3、1至4和1至5。在信號對u1和u2比較中可得：
在信號對u3和u1比較中可得：
在信號對u4和u1比較中可得：
在信號對u5和u1比較中可得：
定義向量[ε]和[δ]分別為：
假設入射信號被陣列單元接收後，數位化後的信號電壓經過處理後，得到向量[ε]和[δ]的估值分別為：
根據公式(24)和(26)，獲得誤差向量：
根據公式(25)和(27)，獲得誤差向量：
基於公式(28)和公式(29)，利用最小二乘法，可估計計算出入射信號的參數
綜上所述，本發明提出了一種與天線罩共形的寬帶Vivaldi天線陣列，以之作為多基線幹涉儀系統，設計了基於該極化敏感陣列的幹涉儀測向算法和極化參數估計方法，該方法考慮了實際天線陣列的單元耦合、單元之間的輻射特性不一致、介質天線罩和金屬連接環等因素對寬帶共形天線陣列輻射性能的影響，能夠同時實現對輻射源信號的二維波達方向和極化參數的測量，本發明適用於彈載無源測向系統中，其對輻射源信號的電磁參數的估計算法也適合於電子偵察、電子對抗等相關領域，具有更為全面的參數測量功能和平臺的適應性。
實施例：
本發明設計了一個具體的與天線罩共形的寬帶Vivaldi天線陣列結構裝置，採用全波電磁仿真軟體對該天線陣列進行了性能仿真，基於實際的全波電磁仿真數據結果，進行了全極化信號源參數估計算法的仿真實驗，驗證了本發明所提出的算法的可行性和有效性。
本發明首先採用CST軟體仿真設計平面型的Vivaldi天線，然後將其共形到已有的飛彈天線罩上，與估計輻射性能。本報告選擇的介質基板厚度為4.1毫米，相對介電常數為3.2，介質上的銅箔厚度為0.5毫米，其他的相關幾何參數為：AR＝90°,DSL＝6mm，H＝70mm，L＝40mm，LG＝60mm，LTA＝16m，LTC＝6mm，RR＝10mm，WSL＝2mm，WST＝11mm，b＝71mm。。六個天線埠的電壓駐波比特性分別如圖6所示，兩個埠的隔離度如圖7所示。由圖可見，該天線在頻率為1.5GHz～4GHz範圍內的平均電壓駐波比約為2，各個埠之間的隔離度均大於20dB，在3GHz至4GHz範圍內，埠隔離度大於30dB，可以滿足實際的超寬帶雙極化電子系統的應用要求。平面型Vivaldi天線的回波損耗的仿真結果如圖8所示，可以看出，在工作頻率從2.5GHz至6GHz範圍內，本天線的平均回波損耗在-8dB附近，滿足超寬帶的要求。
在與天線罩共形的條件下，五個天線埠的回波損耗特性分別如圖9所示，兩個埠的隔離度如圖10所示。由圖可見，共形Vivaldi天線在頻率為2.5GHz～3GHz範圍內的平均回波損耗約為-6dB，埠1和埠2之間的隔離度大於25dB，埠2和埠2之間的隔離度也大於25dB，埠3和埠4之間的平均隔離度大於30dB，只有個別頻點處略低於30dB，這些指標可以滿足實際的超寬帶電子系統的應用要求。
為了表徵該天線的輻射特性，在此分別給出在2.5GHz和3GHz時的天線陣列的輻射增益方向圖和軸比方向圖的仿真結果，分別如圖11和圖12所示。。由仿真結果可以看出，該天線在兩個極化埠上均表現出寬波束方向圖性能，增益隨著頻率的變化基本上保持穩定，方向圖起伏性不大，但是主波束髮生一定的偏轉，由於天線罩的存在，相比於平面Vivaldi天線，共形Vivaldi天線的輻射增益方向圖特性和極化特性均發生了較大的變化；在主波束範圍內，輻射場的極化狀態雖然較為穩定，但是各個空間點的極化狀態不是相同的，因此必須採用全極化的空間數據校準和補償，才能實現有效的測向算法。
基於上述設計的寬帶共形天線陣列的全波電磁仿真結果數據，利用本發明提出的幹涉儀測向算法，進行數值仿真模擬，在此部分給出仿真結果。設定入射信號的角度為θ＝45度，度，極化參數為γ＝25度，η＝50度，在信噪比為15dB時，圖13和圖14分別給出了頻率為3GHz和4GHz時，在θ＝45度和度切面上的幅度偏差和相位偏差的仿真結果，可以看出，在角度為θ＝45度，度，極化參數為γ＝25度，η＝50度時，幅度和相位偏差均達到了最小，可以估計出目標的全部波達方向角參數。
在目標方向上，幅度和相位偏差隨著極化參數的變化仿真結果如圖15和圖16所示，圖15和圖16分別為頻率為3GHz和4GHz的情況，可以看出，在兩個工作頻點上，幅度和相位偏差均達到了最小，可以估計出目標的全部極化參數。