一种适应超宽视场高精度测角的天线阵与相位解算方法与流程

1.本发明涉及一种适应超宽视场高精度测角的天线阵与相位解算方法，属于天线测量技术领域。

背景技术：

2.一体化远程微波交会雷达是新一代载人飞船研制任务中实现交会对接的重要设备，为两器快速自主交会对接提供实时相对距离、速度、方位角和俯仰角信息；新飞船任务交会对接过程对角度的测量需求为连续可靠的高精度超宽视场测角。
3.当前的测角天线布局常见的分为l型阵列、十字型阵列和圆阵列等实现方式，相对而言，圆阵更能适应于超宽视场测角。当前的圆阵天线布局多为均匀圆阵干涉仪设计，即将天线均匀分布在同一个圆平面上，为了适应高精度测角要求，圆阵天线阵元间的基线长度会大于入射半波长，从而存在相位模糊问题，目前均匀圆阵干涉仪相位解模糊运算多为穷举所有模糊程度的相位差，构造相位差样本库，通过相关运算求解相位模糊或者采用短基线多次虚拟变换，再逐步实现长基线相位解模糊运算，解模糊运算处理相对复杂。

技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提出了一种适应超宽视场高精度测角的天线阵与相位解算方法，通过对天线布局方式及解算方式的设计，实现宽视场测角，且简化相位解模糊运算。
5.本发明的技术解决方案是：
6.一种适应超宽视场高精度测角的天线阵，若干个天线布局在三个不同半径的圆阵上，组成三条独立且对称的测量基线，较小的两个圆阵半径之差小于入射波的半波长，较小的两个圆阵的直径之和大于最大圆阵的直径。
7.优选的，12个测角天线分布在三个圆阵上：
8.6个测角天线分别位于半径最大圆阵v1的内接正六边形6个顶点上；
9.3个测角天线分别位于半径最小圆阵v2的内接正六边形相邻的3个顶点上；
10.3个测角天线分布在第三个圆阵v3的内接正六边形的3个顶点上，此3个顶点位于圆阵v2放置测角天线3个顶点的另一侧；
11.圆阵v2、圆阵v3上的测角天线均位于圆阵v1内接正六边形的对称轴上。
12.优选的，较小两个圆阵的直径之和与最大圆阵的直径之差相对于较小两个圆阵的半径差的倍数，最大圆阵和次小圆阵的半径差相对于较小两个圆阵的直径之和与最大圆阵的直径之差的倍数，两个倍数值相等。
13.优选的，较小两个圆阵的直径之和与最大圆阵的直径之差相对于较小两个圆阵的半径差的倍数，最大圆阵直径相对于最大圆阵和次小圆阵的半径差的倍数，两个倍数相等。
14.优选的，每条测量基线上的测角天线采用一个独立的开关控制。
15.利用权利要求1所述的一种适应超宽视场高精度测角的天线阵，实现天线阵相位
解算方法，包括：
16.分别对三条测量基线进行相位解模糊运算，得到无模糊的最长基线相位差；
17.利用任意两条无模糊的最长基线的相位差，构造解析函数计算阵面入射角；
18.基于阵面入射角，计算阵面方位角与俯仰角。
19.优选的，利用无相位模糊的虚拟基线引导最长基线，实现测量基线相位解模糊。
20.优选的，对三条测量基线分别进行相位解模糊运算，包括：
21.1)利用虚拟基线1(aibi-cidi)对虚拟基线2(bici-(aibi+cidi))解模糊，得到虚拟基线2无模糊的相位差phase_inv2：
22.l_inv1＝l_aibi-l_cidi
23.l_inv2＝l_bici-(l_aibi+l_cidi)
24.phase_inv1_1＝(phaseai-phasebi)-(phaseci-phasedi)
[0025][0026][0027][0028]
2)利用虚拟基线2对实基线cidi解模糊，得到实基线cidi无模糊的相位差phase_cidi：
[0029][0030][0031]
3)利用实基线cidi对最长基线aidi解模糊，得到最长基线aidi无模糊的相位差phase_aidi：
[0032][0033][0034]
式中，i取值1，2，3，每次取一个值进行上述计算，最终得到无模糊相位差phase_aidi；l_aibi为aibi的基线长度，l_cidi为ci di的基线长度，l_bici为bici的基线长度,l_aidi为aidi的基线长度，l_inv1、l_inv2分别为虚拟基线1、虚拟基线2的长度；phase_inv21、phase_cidi_2、phase_aidi_2为计算得到的当前基线相差的估计值，phase_inv2_1为虚拟基线2相位差测量值，phaseai、phasebi、phaseci、phasedi分别为ai、bi、ci、di的相位值，round为四舍五入取整运算；其中，位于最大圆阵上的测角天线记为a1、a2、a3、d1、d2、d3，位于最小圆阵上的测角天线记为b1、b2、b3，位于第二大圆阵上的测角天线为c1、c2、c3，a1、b1、c1、d1位于同一条直线上，a2、b2、c2、d2位于同一条直线上，a3、b3、c3、d3位于同一条直线上。
[0035]
优选的，阵面角度解算包括：
[0036]
(1)利用两条无模糊的最长基线构成基线组，对最长基线的无模糊相位差进行和、
差运算，得到和值sum_phase、差值sub_phase；
[0037]
(2)构造解析函数：
[0038][0039]
式中，j为虚数单位，r为最大圆阵半径，λ为入射波波长，α，β为天线阵面入射角；
[0040]
(3)利用解析函数计算阵面入射角α，β：
[0041][0042]
式中，arg(f)表示取复数f的幅角，|f|表示取复f的幅度。
[0043]
优选的，阵面方位角、俯仰角解算包括：
[0044]
利用阵面角α，β求解方位、俯仰角关系如下：
[0045][0046]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0047]
(1)天线布局在三个不同半径的圆阵上，组成三条独立且对称的测角基线，通过天线间基线长度设计，构造无模糊的虚拟基线，逐步引导至最长基线进行角度测量，简化了相位解模糊运算；
[0048]
(2)三条独立基线设计，每条基线都使用单独的开关控制，三条基线独立控制，进行角度解算时，选择其中的两条基线，即可完成测角运算，可以避免由于一条基线异常，导致测角功能失效的情况，保证了测量的高可靠性。
[0049]
(3)本发明的相位解模糊运算，采用引导基线与被引导基线的基线比直接计算出被引导基线的相位模糊数，仅经过了三次引导，每次引导仅包含乘法运算和取整运算，相对于穷举法，需要穷举2k(k为基线长度/波长)种可能的情况，并将2k个模糊数计算得到的相位差和测量得到的相位差做相关运算，得到误差最小的模糊数来确定无模糊的相位差，极大的减小了运算量和复杂度。
[0050]
(4)相对于l阵，圆阵具有更宽的测角视场范围，利用本发明的天线布局，在圆阵半径为14倍入射波长时，可以实现
±
80
°×±
80
°
的测角(近似全域测角)，测角精度，在全域范围内优于0.15
°
，具备较高的测量的精度。
附图说明
[0051]
图1为本发明实施例天线阵面布局示意图；
[0052]
图2为本发明实施例天线阵面坐标系图；
[0053]
图3为本发明实施例解模糊算法和穷举法的对比图。
具体实施方式
[0054]
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的说明，具体如下：
[0055]
一种适应超宽视场高精度测角的天线阵，如图1所示，包含12个测角天线，12个测角天线分布在三个圆心相同、半径不同的六边形圆阵上；
[0056]
6个测角天线a1、a2、d3、d1、d2、a3以顺时针的顺序依次位于半径最大的六边形圆阵v1的6个顶点上；
[0057]
3个测角天线b1、b2、b3分别位于半径最小的六边形圆阵v2相邻的3个顶点上，其中，b1位于a1d1测量基线上，靠近a1的顶点上；b2位于a2d2测量基线上；
[0058]
3个测角天线c1、c2、c3分布在第三个六边形圆阵v3的3个顶点上，此3个顶点位于半径最小的六边形圆阵上的放置测角天线3个顶点的另一侧；c1位于a1d1连接线上。
[0059]
此天线阵构成三条测量基线：测角天线a1、b1、c1、d1构成测量基线1，测角天线a2、b2、c2、d2构成测量基线2，测角天线a3、b3、c3、d3构成测量基线3；三条基线间夹角为60
°
；且每条基线采用一个独立的开关控制，三条基线对称设计。
[0060]
为了便于相位解模糊运算，设计天线测量基线长度满足如下条件(三条基线对称设计，以a1d1基线为例进行描述)：
[0061]
设计虚拟基线1为无相位模糊基线，基线长度a1b1-c1d1小于入射波的半波长；最长基线a1d1(基线长度大于半波长，存在相位模糊)用于角度解算。
[0062]
基线比例t定义为被引导基线长度/引导基线长度，基线比例t与相位解模糊概率相关，随着基线比例t增大，相位解模糊概率会降低，即在相同的解模糊要求下，基线比例t越大，对天线相位差的测量精度要求越高，因此，不能使用最短基线直接引导最长基线进行解模糊运算，而要采用逐步引导的方式。
[0063]
定义计算值中用到的相关变量如下：
[0064][0065]
本发明公开的相位解算方法包括：
[0066]
1.相位解模糊运算：本发明利用无相位模糊的虚拟基线逐步引导最长基线做相位解模糊运算，具体为以虚拟基线1(aibi-cidi)引导虚拟基线2(bici-(aibi+cidi))，虚拟基线2引导基线cidi，基线cidi引导最长基线a1d1；
[0067]
分别对三条测量基线进行相位解模糊运算，得到无模糊的最长基线相位差phase_a1d1、phase_a2d2、phase_a3d3；每一条测量基线相位解模糊运算为：
[0068]
(1)利用虚拟基线inv1对虚拟基线inv2解模糊，得到无模糊的相位差：
[0069]
l_inv1＝l_aibi-l_cidi
[0070]
l_inv2＝l_bici-(l_aibi+l_cidi)
[0071]
phase_inv1_1＝(phaseai-phasebi)-(phaseci-phasedi)
[0072][0073][0074][0075]
(2)利用虚拟基线inv2对实基线cidi解模糊：
[0076][0077][0078]
(3)利用实基线cidi对最长基线aidi解模糊：
[0079][0080][0081]
式中，i取值1，2，3；l_aibi为aibi的基线长度，l_cidi为ci di的基线长度，l_bici为bici的基线长度,l_cidi为aidi的基线长度，l_inv1、l_inv2分别为虚拟基线inv1、虚拟基线inv2的长度；phase_inv21、phase_cidi_2、phase_aidi_2为计算得到的当前基线相差的估计值，phase_inv2_1为虚拟基线2相位差测量值，phase_inv2、phase_cidi、phase_aidi为求解得到的无模糊的相位差，phaseai、phasebi、phaseci、phasedi分别为ai、bi、ci、di的相位值，round为四舍五入取整运算。
[0082]
2、阵面角度解算
[0083]
解模糊后，得到无模糊的最长基线相位差phase_a1d1、phase_a2d2、phase_a3d3，利用两组基线联合计算阵面入射角(α，β)，阵面坐标系定义如图2所示。
[0084]
(1)利用两条无模糊的最长基线构成基线组，对基线组进行和、差运算，得到和值(sum_phase)和差值(sub_phase)；
[0085]
(2)构造解析函数：
[0086][0087]
式中，j为虚数单位，r为最大圆阵半径，λ为入射波波长，α，β为天线阵面入射角；
[0088]
(3)利用解析函数计算阵面入射角(α，β)
[0089][0090]
式中，arg(f)表示取复数f的幅角，|f|表示取复f的幅度。
[0091]
3、利用阵面角计算方位、俯仰角
[0092]
根据方位、俯仰角定义，利用阵面角求解方位、俯仰角关系如下：
[0093][0094]
如图3所示，本算法解模糊运算，采用引导基线与被引导基线的基线比直接计算出被引导基线的相位模糊数，仅经过了三次引导，每次引导仅包含乘法运算和取整运算，相对于穷举法，需要穷举2k(k为基线长度/波长，本设计中，k＝28)种可能的情况，并将2k个模糊数计算得到的相位差和测量得到的相位差做相关运算，得到误差最小的模糊数来确定无模糊的相位差，极大的减小了运算量和复杂度。
[0095]
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

技术特征：

1.一种适应超宽视场高精度测角的天线阵，其特征在于，若干个天线布局在三个不同半径的圆阵上，组成三条独立且对称的测量基线，较小的两个圆阵半径之差小于入射波的半波长，较小的两个圆阵的直径之和大于最大圆阵的直径。2.根据权利要求1所述的一种适应超宽视场高精度测角的天线阵，其特征在于，12个测角天线分布在三个圆阵上：6个测角天线分别位于半径最大圆阵v1的内接正六边形6个顶点上；3个测角天线分别位于半径最小圆阵v2的内接正六边形相邻的3个顶点上；3个测角天线分布在第三个圆阵v3的内接正六边形的3个顶点上，此3个顶点位于圆阵v2放置测角天线3个顶点的另一侧；圆阵v2、圆阵v3上的测角天线均位于圆阵v1内接正六边形的对称轴上。3.根据权利要求1所述的一种适应超宽视场高精度测角的天线阵，其特征在于，较小两个圆阵的直径之和与最大圆阵的直径之差相对于较小两个圆阵的半径差的倍数，最大圆阵和次小圆阵的半径差相对于较小两个圆阵的直径之和与最大圆阵的直径之差的倍数，两个倍数值相等。4.根据权利要求1所述的一种适应超宽视场高精度测角的天线阵，其特征在于，较小两个圆阵的直径之和与最大圆阵的直径之差相对于较小两个圆阵的半径差的倍数，最大圆阵直径相对于最大圆阵和次小圆阵的半径差的倍数，两个倍数值相等。5.根据权利要求1-4任一项所述的一种适应超宽视场高精度测角的天线阵，其特征在于，每条测量基线上的测角天线采用一个独立的开关控制。6.利用权利要求1所述的一种适应超宽视场高精度测角的天线阵，实现天线阵相位解算方法，其特征在于，包括：分别对三条测量基线进行相位解模糊运算，得到无模糊的最长基线相位差；利用任意两条无模糊的最长基线的相位差，构造解析函数计算阵面入射角；基于阵面入射角，计算阵面方位角与俯仰角。7.利用权利要求6所述的一种适应超宽视场高精度测角的天线阵，实现天线阵相位解算方法，其特征在于，利用无相位模糊的虚拟基线引导最长基线，实现测量基线相位解模糊。8.根据权利要求7所述的一种适应超宽视场高精度测角的天线阵相位解算方法，其特征在于，对三条测量基线分别进行相位解模糊运算，包括：1)利用虚拟基线1(aibi-cidi)对虚拟基线2(bici-(aibi+cidi))解模糊，得到虚拟基线2无模糊的相位差phase_inv2：l_inv1＝l_aibi-l_cidil_inv2＝l_bici-(l_aibi+l_cidi)phase_inv1_1＝(phaseai-phasebi)-(phaseci-phasedi)phasedi)phasedi)
2)利用虚拟基线2对实基线cidi解模糊，得到实基线cidi无模糊的相位差phase_cidi：2)利用虚拟基线2对实基线cidi解模糊，得到实基线cidi无模糊的相位差phase_cidi：3)利用实基线cidi对最长基线aidi解模糊，得到最长基线aidi无模糊的相位差phase_aidi：aidi：式中，i取值1，2，3，每次取一个值进行上述计算，最终得到无模糊相位差phase_aidi；l_aibi为aibi的基线长度，l_cidi为cidi的基线长度，l_bici为bici的基线长度,l_aidi为aidi的基线长度，l_inv1、l_inv2分别为虚拟基线1、虚拟基线2的长度；phase_inv21、phase_cidi_2、phase_aidi_2为计算得到的当前基线相差的估计值，phase_inv2_1为虚拟基线2相位差测量值，phaseai、phasebi、phaseci、phasedi分别为ai、bi、ci、di的相位值，round为四舍五入取整运算；其中，位于最大圆阵上的测角天线记为a1、a2、a3、d1、d2、d3，位于最小圆阵上的测角天线记为b1、b2、b3，位于第二大圆阵上的测角天线为c1、c2、c3，a1、b1、c1、d1位于同一条直线上，a2、b2、c2、d2位于同一条直线上，a3、b3、c3、d3位于同一条直线上。9.根据权利要求6所述的一种适应超宽视场高精度测角的天线阵相位解算方法，其特征在于，阵面角度解算包括：(1)利用两条无模糊的最长基线构成基线组，对最长基线的无模糊相位差进行和、差运算，得到和值sum_phase、差值sub_phase；(2)构造解析函数：式中，j为虚数单位，r为最大圆阵半径，λ为入射波波长，α，β为天线阵面入射角；(3)利用解析函数计算阵面入射角α，β：式中，arg(f)表示取复数f的幅角，|f|表示取复f的幅度。10.根据权利要求6所述的一种适应超宽视场高精度测角的天线阵相位解算方法，其特征在于，阵面方位角、俯仰角解算包括：利用阵面角α，β求解方位、俯仰角关系如下：

技术总结

本发明公开了一种适应超宽视场高精度测角的天线阵及相位解算方法，属于天线测量技术领域。若干个天线布局在三个不同半径的圆阵上，组成三条独立且对称的测量基线，较小的两个圆阵半径之差小于入射波的半波长，较小的两个圆阵的直径之和大于最大圆阵的直径。基于上述天线阵，本发明提出了相位解算方法，实现宽视场测角，且极大简化相位解模糊运算。且极大简化相位解模糊运算。且极大简化相位解模糊运算。