基于最优模糊数的旋转干涉仪测向解模糊算法.pdf
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1、电子信息对抗技术Electronic Information Warfare Technology2023,38(4)中图分类号:TN971.1 文献标志码:A 文章编号:1674-2230(2023)04-0032-07 引用格式:陈祎,张天键,吴迎春,等.基于最优模糊数的旋转干涉仪测向解模糊算法J.电子信息对抗技术,2023,38(4):32-38.基基于于最最优优模模糊糊数数的的旋旋转转干干涉涉仪仪测测向向解解模模糊糊算算法法陈 祎,张天键,吴迎春,蒋 驰,史方明(上海无线电设备研究所,上海 200090)摘 要:被动雷达测向是电子侦测领域的一个重点研究内容,现有成果也较为丰富,但是实际
2、应用中测向解模糊及测向精度提升问题一直是研究的难点。针对旋转体制单基线干涉仪测向,提出一种基于最优模糊数的高精度测向解模糊算法。首先推导了旋转干涉仪侦收天线接收信号相位差数学模型,厘清相位模糊问题产生机理;然后利用天线旋转特性将单基线转换为多基线;最后基于目标真实角度方向照射多基线干涉仪模糊数趋近于整数这一物理性质构建最优化方程组,利用角度粗搜索加精搜索的方式实现方程组解模糊计算及目标角度高精度测量。理论仿真结果表明,该算法能够适应高达 40 GHz 的频段范围,40的视场范围以及20的随机相位噪声。相比于传统的数字积分测向算法和相位差分测向算法,该算法受平台抖动影响较小,测向解模糊能力更强,
3、在电子侦察领域有较强的工程应用价值。关键词:旋转体制;单基线;干涉仪;解模糊;测向精度DOI:10.3969/j.issn.1674-2230.2023.04.006Direction Finding and Deblurring Algorithm of Rotary Interferometer Based on Optimal Fuzzy NumberCHEN Yi,ZHANG Tianjian,WU Yingchun,JIANG Chi,SHI Fangming(Shanghai Radio Equipment Research Institute,Shanghai 200090,Ch
4、ina)Abstract:Passive radar direction finding is an important research content in the field of electronic detection,and the existing achievements are relatively rich.However,in practical application,the fuzzy solution of direction finding and the improvement of direction finding accuracy are always t
5、he difficulties in the research.For the direction finding of rotating single baseline interferometer,a high-precision direction finding algorithm based on optimal fuzzy number is proposed.Firstly,the mathematical model of the phase difference of the received signal by the detection antenna of the ro
6、tating interferometer is derived,and the mechanism of the phase ambiguity is clarified.Then the single baseline is converted into multiple baseline by using the antenna rotation characteristic.Fi-nally,the optimization equations are constructed based on the physical property that the fuzzy num-ber o
7、f the multi-baseline interferometer irradiated by the real angle direction of the target tends to be an integer.The fuzzy calculation of the solution of the equations and the high-precision meas-urement of the target angle are realized by the way of rough angle search and fine angle search.Theoretic
8、al simulation results show that the algorithm can adapt to frequency range up to 40 GHz,40 field of view and 20 random phase noise.Compared with the traditional digital integral di-rection finding algorithm and phase difference direction finding algorithm,this algorithm is less af-fected by platform
9、 jitter,and has stronger ability to resolve fuzzy direction finding,which has strong engineering application value in the field of electronic reconnaissance.Key words:rotating system;single baseline;interferometer;ambiguity resolution;direction find-ing accuracy23收稿日期:2022-04-17;修回日期:2022-08-28通信作者:
10、陈祎作者简介:陈祎(1988),男,硕士,高级工程师;张天键(1986),男,硕士,高级工程师;吴迎春(1985),男,硕士,高级工程师;蒋驰(1991),男,硕士,工程师;史方明(1992),男,硕士,工程师。电子信息对抗技术第 38 卷2023 年 7 月第 4 期陈 祎,张天键,吴迎春,蒋 驰,史方明基于最优模糊数的旋转干涉仪测向解模糊算法1 引 言被动探测系统不主动发射电磁波,通过接收目标辐射的电磁信号解算目标信息,具有隐蔽性好、作用距离远、视场范围大、适应性强等优点,因此在现代战场中具有广泛的军事应用价值1。目标角度测量是其中研究范围最广、成果最为丰富的领域,相继出现了共形、共面、旋
11、转等不同测向体制,测向算法也有比幅测向、谱估计测向、干涉仪测向等不同类别,算法性能及复杂度也不尽相同。其核心万变不离其宗,那就是需要一种测向算法能够具有很宽的频段覆盖性、很大的角度视场范围、很强的抗噪声性能、较低的运算量、很高的测向精度以及很强的解模糊能力。在被动测向算法中,谱估计测向算法可适应多目标角度测量,但其需要做大尺度的矩阵求逆运算和大样本的空间角度搜索,运算往往较为复杂;干涉仪测向算法对于天线最佳布阵形式难以把握,算法的频率覆盖范围及测向精度受基线长度影响较大,且基线固定算法抗噪声能力不强。旋转干涉仪仅有两根天线通过旋转来形成多条基线,具有设备开销小的优点,因此受到研究者的青睐,也有
12、较多的成果涌现。文献2采用带修正的数字积分技术复原无模糊相位,在较低信噪比下也具有较高的解模糊成功率,但是该算法仅针对 Ka 波段信号进行了分析,频段适应性不高;文献3对数字积分算法的软硬件实现进行了详细阐述,算法仅适应 C 波段,未对算法的视场范围、抗噪性及精度指标进行论证分析;文献4利用波束空间变换法将虚拟圆阵转换为虚拟线阵,能在实波束域上实现同频、同时到达的多目标二维角度估计,但是未对算法适应范围进行进一步分析,算法计算量及复杂性都较大。文献5-18也都对旋转干涉仪测向问题进行了分析,普遍存在算法适应性、算法可实现性不强、算法对比论证缺失等问题。针对旋转体制的被动探测系统,本文提出一种基
13、于最优模糊数原理的旋转测向解模糊算法。首先推导了单基线干涉仪相位差计算公式,阐述了相位模糊问题产生机理;然后基于最优模糊数原理以及天线旋转在各个位置产生的多条基线构建优化方程组;最后利用动态搜索算法实现目标角度的精确测量。仿真结果表明,该算法在频段适应性、视场范围、抗噪性能等方面都有较好的工作性能。同时,该方法机理简单,测向解模糊能力强,测向精度高,易于软硬件实现,具有一定的工程应用价值。2 旋转相位模糊机理分析 在工程应用中,干涉仪测向主要通过比较两个侦收天线接收的辐射源信号相位来解算来波信号的入射方向。在图 1 左侧一维干涉仪测向模型中,目标入射角度为,天线间距为 d,则两个天线之间的相位
14、差可表示为:0=2dsin(1)式中:=c/f,表示信号波长,c 表示光速,f 表示信号频率。在实际应用中,由于鉴相器输出结果介于-和 之间,由式(1)可知,只有当 d/2,鉴相器获得的相位才是不模糊的,此时干涉仪测得的目标角度 才具有唯一值。否则,由于2 倍鉴相模糊,模糊值又无法求取,利用式(1)只能测得多个带模糊的目标角度值。这便是相位干涉仪测向模糊产生的根源。图 1 一维干涉仪到二维旋转干涉仪的演化过程一般地,图 1 右侧为旋转干涉仪测向数学模型。假设在三维空间中存在目标 T,其对应的方位角和仰角分别为 和。单基线干涉仪在 XOY平面绕着坐标原点 O 逆时针旋转,天线 1 与天线2 之间
15、的距离为 2r,干涉仪天线与坐标轴 X 之间的夹角为,天线转速为,单位为 rad/s。经分析,任意时刻 t,天线 1 与天线 2 之间的相位差为:=22rcos(+2t-)cos(2)式(2)便是旋转干涉仪测向的原始相位。图33陈 祎,张天键,吴迎春,蒋 驰,史方明基于最优模糊数的旋转干涉仪测向解模糊算法网址:邮箱:eiwt 2 为单基线旋转干涉仪原始相位差及鉴相器输出相位差对比。其中方位角、仰角范围分别为-60,60,天线的旋转速度为 10 rad/s,天线与X 轴初始夹角随机,这里取 30.5,两个天线之间的随机相位噪声分布服从均值为零、方差为 10的高斯分布,信号频率为 8 GHz,天线
16、间距 0.1 m,采样时间间隔为 10 ms,采样点数为 150 点。图 2 旋转干涉仪相位模糊示意图从图 2 可知,相对180无模糊相位,鉴相器产生了接近 10 倍于 180的相位模糊。从式(2)也可以看出,信号频率越高,天线间距越大,目标与天线旋转平面的夹角越小,越容易出现鉴相模糊。相位模糊问题也是干涉仪测向算法角度出现模糊多值的原因,所以必须采用一定的方法对相位模糊问题予以消除。3 旋转测向解模糊算法 当鉴相器获得的相位存在相位模糊时,式(2)可改写为:=+2K=22rcos(+2t-)cos(3)式中:为鉴相器获得的单基线相位差,K 为模糊数。当 和 为真实目标角度位置时,K 值为整数
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