CN113985345A - 一种超宽带校正幅相融合测向方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带校正幅相融合测向方法及系统，FPGA作为系统的主控芯片，内部处理PDW信息，该超宽带校正幅相融合测向方法具体步骤为：将测向天线阵列布置在转台上，校正源连接发射天线作为辐射源，首先进行多通道幅度校正，减小通道的固有误差，然后利用转台转动测向天线，获取0～360°不同方位辐射源信号的幅度和相位差，生成n路通道特征向量，按照测向天线的转动方位和已知的校正源频率对这些特征向量进行存储，处理后形成数据库，最后测向时将实时计算的数据与数据库进行相关计算得出方向角，输出处理结果。本发明可以有效减小系统通道固有误差，以较低设备量实现较高测向精度。

Description

一种超宽带校正幅相融合测向方法及系统

技术领域

本发明属于电子信息测向技术领域，特别是一种超宽带校正幅相融合测向方法及系统。

背景技术

近年来，通信、雷达与电子对抗领域的飞速发展，新体制雷达越来越多得到应用，电磁环境越来越高密度复杂，研制具有超宽带、高灵敏度、大动态范围和具有同时到达信号适应能力的宽带数字接收机刻不容缓。

目前对来波方位测量的主要方式有比幅体制，时间差体制，空间谱体制，干涉仪体制等。比幅体制是依据电波在行进中，利用测向天线阵的方向特性，对不同方向来波接收信号幅度的不同测定方向。时间差体制依据电波在行进中，通过测量电波达到测向天线阵各个测向天线单元时间上的差别确定电波到来的方向。空间谱体制尚在研究试验阶段，要求具备宽带测向天线以及各个天线阵元之间和多信道接收机之间电性能具有一致性。干涉仪体制依据电波在行进中，从不同方向来的电波达到测向天线阵时，在空间上个测向天线单元接收的相位不同，其相位差也不同，从而确定来波方向，但是当天线间距大于0.5个波长时，会引起相位模糊，常采用长，短基线结合的方式，对系统要求高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超宽带校正幅相融合测向方法及系统，以FPGA为基础，以现有测向方法精度不高、较复杂且成本高的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种超宽带校正幅相融合测向方法，包括以下步骤：

多通道幅度校正：以固定功率点进行校正，扫完后得到不同功率下n路收到的幅度值，拟合出一条曲线，测向时根据信号功率取拟合曲线上对应的幅度作为计算幅度，减小固有幅度误差；

幅相融合数据库的形成：将测向天线阵列布置在转台上，设置信号频率，获取0～360°不同方位辐射源信号的幅度和相位差，分别按照n路通道计算形成特征向量，按照测向天线的转动方位和信号频率对这些特征向量进行存储，再经过内插值平滑算法进行处理，最终形成校正表数据库；

基于数据库的测向：实时测量某一方向时，获取n个通道的虚实部和经校正后的幅度，计算得出前端一通道对齐幅相向量，根据频率索引到数据库中的特征向量，对所有的角度计算复数并取模，寻找最大值对应的方位，该方位即为测向结果。

一种超宽带校正幅相融合测向系统，包括校正源、上位机、FPGA、接收机、转台；

所述校正源于上位机信号连接，校正源连接发射天线作为辐射源；

所述转台与上位机信号连接，控制接收机方位，用于获取0～360°不同方位辐射源信号的幅度和相位差；

所述FPGA通过串口与上位机连接，将实时处理结果传输给上位机；所述FPGA先对多通道幅度进行校正，测向时根据信号功率取拟合曲线上对应的幅度作为计算幅度；然后获取0～360°不同方位辐射源信号的幅度和相位差，分别按照n路通道计算形成特征向量，按照测向天线的转动方位和信号频率对这些特征向量进行存储，再经过内插值平滑算法进行处理，最终生成校正表数据库；实时测向时，获取n个通道的虚实部和经校正后的幅度，计算得出前端一通道对齐幅相向量，根据频率索引到数据库中的特征向量，对所有的角度计算复数并取模，寻找最大值对应的方位作为测向结果。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

本发明通过多通道幅度校正减小通道的固有误差，将信号幅度和相位信息相融合，充分利用各路天线阵接收到的信号信息，以固定角度收集数据，计算相关向量进行平滑和内插值处理，生成数据库，测向时将实测数据与数据库进行相关运算得出方向，可以有效减小系统通道固有误差，，成本低，以较低设备量实现较高测向精度。

附图说明

图1为架构基本框图。

图2为测向原理与架构图。

图3为多通道幅度校正原理示意图。

图4为校正测向工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1，本发明的一种超宽带校正幅相融合测向系统，以FPGA作为系统的主控芯片，内部处理PDW信息，通过FPGA内置的Microblaze软核进行数据处理。该超宽带校正幅相融合测向方法具体步骤为：将测向天线阵列布置在转台上，校正源连接发射天线作为辐射源，首先进行多通道幅度校正，减小通道的固有误差，然后利用转台转动测向天线，获取0～360°不同方位辐射源信号的幅度和相位差，生成n路通道特征向量，按照测向天线的转动方位和已知的校正源频率对这些特征向量进行存储，处理后形成数据库，最后测向时将实时计算的数据与数据库进行相关计算得出方向角，接收显控命令，输出处理结果。

如图2为测向原理与架构。测向天线阵由多个定向天线按圆阵组成(本实施例取值为n)，任意两个相邻天线波束中心指向夹角一致。Microblaze初始化串口、FIFO、寄存器控制等模块后，对获取的PDW进行数据处理，解析频率和幅相等信息进行后续测向。

如图3所示，多通道在灵敏度范围内理论上是线性的，但由于存在固有误差，幅度需要校正。设置自检源不同功率，n路通道收到离散的幅度值，对应的曲线记为y1、y2、y3……yn，利用最小二乘法对这些离散的点进行拟合，得出一条直线记为y’，后期实时测向工作时，校正过程如下：读出n个通道的幅度，在对应的曲线上记为p1、p2、p3、……、pn，这n个点拟合的直线与拟合直线y’相交于p’，作为校正后n路的幅度ampm，其中m＝1，2……n，n为天线阵元数。

如图4所示，校正测向工作流程。校正多通道的幅度拟合出一条曲线y’，作为后续校正幅度的依据，然后将转台转至不同的角度，校正源设置不同的频率，n个通道形成一张n维表格，经过平滑和内差值处理后形成数据库，以下具体说明计算过程：

将测向天线阵列布置在转台上，校正源连接发射天线作为辐射源，利用转台转动测向天线至一角度，设置一信号频率，获取n个通道PDW的虚部q_m、实部i_m、原始幅度ori-amp_m，下标m＝1，2……n，n为天线阵元数，根据虚实部得到相位atan2(q_m，i_m)，原始幅度经过上述校正方法，得到校正幅度p’记为amp_m，由此计算出前端幅相向量A：

前端幅相向量A＝[a₁ a₂…a_m…a_n] (1)

其中第m路的IQ数据a_m＝{a_m.i，a_m·q}，a_m.i＝amp_m*cos(atan2(q_m，i_m))，a_m·q＝amp_m*sin(atan2(q_m，i_m))。

计算前端一通道对齐幅相向量B：

其中，

为通道1的IQ数据共轭，B向量进行多次计算累加，获得累积的前端一通道对齐幅相向量C：

C＝[c₁ c₂…c_m…c_n] (3)

经计算可得归一化的幅相向量D：

D＝C/|c₁| (4)

由此推导出当前频率下当前角度下的向量E：

其中，D^H为向量D的共轭转置。向量E的IQ值即为当前频率下当前角度下的n个通道对应的表值。

获取数据库时，在0～360°不同方位不同的频率下，n路通道的幅度和相位经过式(1)～(5)计算，按照测向天线的转动方位和信号频率对向量E进行存储，形成若干个向量E，再通过常规内插值平滑算法，将上述所有的向量E合成校正表数据库E’。

实时测量某一方向时，PDW获取n个通道的虚实部和经校正后的幅度，按式(1)(2)计算得出前端一通道对齐幅相向量B’，根据FPGA解算出的PDW频率索引到数据库中向量E，对某一角度d进行相关运算，得到该角度d的评估值：

f_d＝B′E^H (6)

其中，d＝0，1，2……，360，循环计算求出所有角度的评估值，找出其中最大的评估值f_d的模值g，对应的方位即为测向结果。

本发明在超宽带单比特接收机基础上，通过多通道幅度校正减小通道的固有误差，将信号幅度和相位信息相融合，充分利用各路天线阵接收到的信号信息，以固定角度收集数据，计算相关向量进行平滑和内插值处理，生成数据库，测向时将实测数据与数据库进行相关运算得出方向角。可以有效减小系统通道固有误差，灵敏度高，超宽瞬时带宽，整体设备体积小，重量轻，成本低，以较低设备量实现较高测向精度。

Claims (7)

1.一种超宽带校正幅相融合测向方法，其特征在于，包括以下步骤：

多通道幅度校正：以固定功率点进行校正，扫完后得到不同功率下n路收到的幅度值，拟合出一条曲线，测向时根据信号功率取拟合曲线上对应的幅度作为计算幅度，减小固有幅度误差；

幅相融合数据库的形成：将测向天线阵列布置在转台上，设置信号频率，获取0～360°不同方位辐射源信号的幅度和相位差，分别按照n路通道计算形成特征向量，按照测向天线的转动方位和信号频率对这些特征向量进行存储，再经过内插值平滑算法进行处理，最终形成校正表数据库；

基于数据库的测向：实时测量某一方向时，获取n个通道的虚实部和经校正后的幅度，计算得出前端一通道对齐幅相向量，根据频率索引到数据库中的特征向量，对所有的角度计算复数并取模，寻找最大值对应的方位，该方位即为测向结果。

2.根据权利要求1所述的超宽带校正幅相融合测向方法，其特征在于，测向天线阵由n个定向天线按圆阵组成，任意两个相邻天线波束中心指向夹角一致。

3.根据权利要求1所述的超宽带校正幅相融合测向方法，其特征在于，幅相融合数据库的形成，具体包括以下步骤：

设置信号频率，获取n个通道PDW的虚部q_m、实部i_m、原始幅度ori_amp_m，根据虚实部得到相位atan2(q_m,i_m)，

计算出前端幅相向量A：

前端幅相向量A＝[a₁ a₂ … a_m … a_n] (1)

其中第m路的IQ数据a_m＝{a_m.i,a_m.q}，a_m.i＝amp_m*cos(atan2(q_m,i_m))，a_m.q＝amp_m*sin(atan2(q_m,i_m))；

计算前端一通道对齐幅相向量B：

其中，

为通道1的IQ数据共轭，B向量进行多次计算累加，获得累积的前端一通道对齐幅相向量C：

C＝[c₁ c₂ … c_m … c_n] (3)

经计算可得归一化的幅相向量D：

D＝C/|c₁| (4)

由此推导出当前频率下当前角度下的向量E：

其中，D^H为向量D的共轭转置；向量E的IQ值即为当前频率下当前角度下的n个通道对应的表值；

在0～360°不同方位不同的频率下，n路通道的幅度和相位经过式(1)～(5)计算，按照测向天线的转动方位和信号频率对向量E进行存储，形成多个向量E，再通过内插值平滑算法，将上述所有的向量E合成校正表数据库E’。

4.根据权利要求1所述的超宽带校正幅相融合测向方法，其特征在于，幅相融合数据库的形成，基于数据库的测向中，角度d对应的复数计算公式为：

f_d＝B′E^H

其中B’为实时测量时前端一通道对齐幅相向量，E解算出的PDW频率索引到数据库中的特征向量。

5.一种超宽带校正幅相融合测向系统，其特征在于，包括校正源、上位机、FPGA、接收机、转台；

所述校正源于上位机信号连接，校正源连接发射天线作为辐射源；

所述转台与上位机信号连接，控制接收机方位，用于获取0～360°不同方位辐射源信号的幅度和相位差；

所述FPGA通过串口与上位机连接，将实时处理结果传输给上位机；所述FPGA先对多通道幅度进行校正，测向时根据信号功率取拟合曲线上对应的幅度作为计算幅度；然后获取0～360°不同方位辐射源信号的幅度和相位差，分别按照n路通道计算形成特征向量，按照测向天线的转动方位和信号频率对这些特征向量进行存储，再经过内插值平滑算法进行处理，最终生成校正表数据库；实时测向时，获取n个通道的虚实部和经校正后的幅度，计算得出前端一通道对齐幅相向量，根据频率索引到数据库中的特征向量，对所有的角度计算复数并取模，寻找最大值对应的方位作为测向结果。

6.根据权利要求5所述的超宽带校正幅相融合测向系统，其特征在于，所述FPGA生成校正表数据库的具体过程为：

获取n个通道PDW的虚部q_m、实部i_m、原始幅度ori_amp_m，根据虚实部得到相位atan2(q_m,i_m)，

计算出前端幅相向量A：

前端幅相向量A＝[a₁ a₂ … a_m … a_n] (1)

其中第m路的IQ数据a_m＝{a_m.i,a_m.q}，a_m.i＝amp_m*cos(atan2(q_m,i_m))，a_m.q＝amp_m*sin(atan2(q_m,i_m))；

计算前端一通道对齐幅相向量B：

其中，

为通道1的IQ数据共轭，B向量进行多次计算累加，获得累积的前端一通道对齐幅相向量C：

C＝[c₁ c₂ … c_m … c_n] (3)

经计算可得归一化的幅相向量D：

D＝C/|c₁| (4)

由此推导出当前频率下当前角度下的向量E：

其中，D^H为向量D的共轭转置；向量E的IQ值即为当前频率下当前角度下的n个通道对应的表值；

在0～360°不同方位不同的频率下，n路通道的幅度和相位经过式(1)～(5)计算，按照测向天线的转动方位和信号频率对向量E进行存储，形成多个向量E，再通过内插值平滑算法，将上述所有的向量E合成校正表数据库。

7.根据权利要求5所述的超宽带校正幅相融合测向系统，其特征在于，所述FPGA生成校正表数据库的具体过程为：复数计算公式为：

f_d＝B′E^H

其中B’为实时测量时前端一通道对齐幅相向量，E解算出的PDW频率索引到数据库中的特征向量。

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