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波束相位!基于通信信号的相控阵天线单脉冲测角算法

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王海砚 中国西南电子技术研究所

【摘 要】为了保证移动平台间的定向通信,本文以相控阵天线为例研究了基于通信信号的单脉冲测角算法,设计了基于矩形面阵的和差波束形成方法和基于相位和差的单脉冲测角算法,最后通过仿真分析验证了该测角算法的有效性.

波束成形:思科智能波束成形(ClientLink)技术介绍(中文字幕)

【关键词】定向通信相控阵天线和差波束单脉冲测角

由于定向天线比全向天线具备更远的通信距离、更高的空间和频谱利用率、以及更好的抗干扰性,因而越来越多的移动通信平台开始装备定向天线.为了保证装备定向天线的移动平台之间顺利通信,移动平台必须实时获取较高精度的测角信息.因此,本文以相控阵天线为例,开展基于通信信号的单脉冲测角算法研究,设计了一种基于矩形面阵的和差波束形成算法,以及基于相位和差的单脉冲测角算法.

1. 算法原理

1.1 相控阵天线和差波束形成算法

对于相控阵(这里以线阵为例,即只考虑方位差波束的形成,俯仰差波束的形成原理类似),和差波束形成可以通过对称取反法、直接和差加权法以及全阵双指向和差法三种方式完成(下面介绍中相关的数学表达均以M元均匀直线阵为例,以阵列中心作为参考相位中心,天线轴向指向θ0).

思科智能波束成形(ClientLink)技术介绍 视频时长:01:05 思科智能波束成形(ClientLink)技术介绍 播放:15776次 评论:6793人

1.1.1矩形面阵的和差波束形成算法

阵面模型如图1所示,天线扫描范围为正负60度.

阵元布置在XOY平面,定义来波方向与XOZ平面的投影夹角为θ(即俯仰角),逆时针为正,定义来波方向在XOZ平面投影与Z轴的夹角为φ(即方位角),逆时针为正.X轴的方向余弦为cosθsinφ,Y轴的方向余弦为sinθ,θ和φ在Y轴向的方向余弦是不耦合的.采用阵面竖起的阵列模型定义方位和俯仰角,俯仰维的方向余弦只与俯仰角有关.

相位和差法方向图把阵面分成四个子阵面区,形成四个子波束,每个子波束的指向和整个阵面的指向相同,利用馈线网络实现四个子波束的幅相矢量相加,从而组成和波束,方位差波束和俯仰差波束.

设阵面为M行N列的面阵,阵元间距为d,子波束PO指向(φ0,θ0)的方向图为

1.2单脉冲测角原理

根据从回波信号中提取目标的角信息方式的特点,单脉冲测角算法主要分为幅度定向法和相位定向法.

由于使用和一差角度鉴别器的单脉冲系统对于接收支路特性的一致性要求相对不太严格,所以和一差法测角比较普遍的用于现代的一些雷达站.相位和差法测角是基于相位法测角的基本原理,并加以改进的一种单脉冲测角方法.它的精度比幅度一幅度式、相位一相位式有了很大程度上的提高,避免了单一比幅、比相中存在的模糊和角闪烁的问题.

1.2.1基于相位和差的单脉冲测角算法

在一个平面内的相位和差式单脉冲天线输出端的信号写为:

2仿真分析

2.1参数设置

仿真时接收信号信噪比为-7dB—2dB,目标的多普勒频率为2*680*20e9/3e8等于9.0667e+004HZ,针对不同的和波束指向以及目标的方位角和俯仰角进行仿真,每一组参数设置进行100次蒙特卡罗仿真.

2.2仿真结果和分析

以下给出不同和差通道之间的幅度误差和相位误差的情况下,方位角和俯仰角的测量误差曲线.

由仿真(1)(2),我们可以看出通道间幅度误差为2dB,相位误差为10度时,测角精度还可以达到0.22度以下,而当幅相误差近一步增大时,当幅度误差为2dB,相位误差为60度,测角精度已经超过0.4度.这也就是说,如果幅相不一致因素产生的测角误差超过了测角精度的要求时,就必须进行幅相误差的校正以保证测角精度.

结论

为了保证移动平台间定向通信顺利进行,本文研究了基于通信信号的相控阵天线单脉冲测角算法,提出并设计了一种基于矩形阵面的和差波束形成方法,以及基于相位和差的单脉冲测角算法.通过仿真实验分析,本文验证了测角算法的有效性,并且分析了幅相误差对测角精度的影响,指出了幅相不一致因素导致的测角误差超过测角精度要求时,就必须通过幅相误差校正来确保测角精度.

参考文献

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[4]沈明威.和差波束空时处理动目标检测技术研究南京:南京航空航天大学,2008:3

[5]雷璐基于单脉冲测角技术的雷达高分辨三维成像方法研究.科技创新导报,2010,9:4~5

[6]韩彦明,陈希信自适应和差波束形成与单脉冲测角研究现代雷达,2010,32(12):44—47

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