一种基于均匀圆阵的比幅测向方法

本发明属于电子侦察技术领域，涉及一种基于均匀圆阵的比幅测向方法。

背景技术：

随着电磁频谱的日益密集、脉冲密度越来越高以及大功率电子设备的应用，电磁环境越来越复杂，传统的电子侦察装置面临着灵敏度低、看不远的问题，而提高灵敏度后，接收机收到的信号密度大幅增加，脉冲重叠概率大幅提高，又面临其环境适应能力差、参数测量错误、方位增批严重等实际问题。在雷达技术迅速发展的大背景下，寻求新的技术和手段进行电子侦察时当务之急，迫切需要提升雷达侦察的接收处理能力、微弱信号检测能力、信息处理能力等。

基于阵列天线的数字波束形成(digitalbeamforming，dbf)技术能够极大地提高雷达系统的抗干扰能力，近年来其在电子侦察领域也得到了迅速的推广和应用。dbf技术可以自适应地形成空域抗干扰、形成多个独立可控的波束，具有较高的信噪比；天线具有较好的自校正性能，可获得较低的副瓣，能够降低后端的信号处理的增批率。同时，在阵列天线选择方面，相对于均匀线性阵列，均匀圆形阵列具有良好的空间对称性，同时全方位探测性等，这些优良特性都意味着圆阵将会有广阔的应用前景，基于圆阵列的雷达系统也在日渐增多。

在实际应用中，由于阵列的大规模性，其数字波束一般只会用到主波束对应阵元的周围一部分子阵元来进行合成，其dbf合成方向图往往存在波束宽度小、灵敏度差、主瓣波束增益差等问题，针对此种情况，考虑到无源定位中，阵列测向始终会存在较大误差。

技术实现要素：

本发明的目的，是针对上述问题，提供了一种利用基于均匀圆阵的比幅测向方法，结合dbf技术，利用圆形阵列能够提供全方位的方位角的特性，通过两次波束形成的方式，分为全方位搜索阶段和局部定位跟踪阶段，进行比幅法测向，完成信号源的方向测量估计。

本发明的技术方案为：

一种基于均匀圆阵dbf技术的自适应比幅测向方法，通过对空间中目标信号进行波束合成与波束幅度比幅法测向实现对信号入射方向的精确估计，下述步骤以对角度θ处的信号入射方向估计为例，其特征在于，包括以下步骤：

s1、利用均匀圆阵的数字波束形成方法，以图1所示阵列为例，沿整个圆周上，设定有m个按等间距排列的天线单元。进入搜索阶段，此时，圆形阵列形成覆盖360°方位角的多个独立波束，形成一个波束所需的圆弧长度上有2k+1个天线子单元。形成的第l个接收波束的方向图函数为：

其中，γ为信号入射角度。k为搜索阶段时波束形成时除主阵元外采用的一侧子阵元数。ai为考虑单元方向图引入的幅度加权系数与为降低天线副瓣而确定的幅度加权系数之总和。为第i单元与第0单元之间的空间相位差，其形式为：是为了使波束最大值指向在△γl方向所需要的第i单元与第0单元之间的阵内相位差，其形式为：△γl是波束最大值方向，即波束指向角度。

s2、基于上述dbf技术形成的均匀圆阵数字波束，通过子阵元形成的多个独立的、主瓣波束毗邻的天线覆盖360°方位，对入射信号进行处理，得到此情况下，数字波束形成输出的第l个接收波束的方向图函数为：

其中，xi是第i单元的接收信号，其形式为：ai1为单元方向图决定的幅度加权系数。wi为形成第l个接收波束以及降低天线副瓣电平的复加权系数，其形式为：ai2为降低天线副瓣而确定的幅度加权系数。通过比较不同波束输出的幅度值，得到此时波束指向方位角最大值θ1。并进入跟踪阶段。

s3、进入跟踪阶段，通过去掉(-k)单元并增加第(k+1)号单元，波束指向可以沿顺时针方向旋转一个角度△θ，△θ决定于天线单元数m，即有△θ＝2π/m或△θ°＝360°/m，均匀圆阵利用所有阵列天线进行数字波束形成指向θ1、θ1+△θ、θ1-△θ三个波束，并输出对应的幅度值，求相邻两波束之间的幅度比，通过与图5中理论比幅值与入射偏角的关系测量得到来波方向。如图2所示，若来波信号位于第n个天线的轴线附近，通过数字波束形成技术得到此时在第n个天线输出幅度最大，设该天线与相邻两天线的对数信号幅度值输出分别为an-1(t)、an(t)、an+1(t)，则两两通道输出的比值为：

rn0＝an(t)/an-1(t)

rn1＝an(t)/an+1(t)

通过得到的比值与数据库进行对比，该数据库为在理想情况下利用相邻波束输出电压值比幅得到的理论值与实际入射偏角的关系构建的幅度特征库，即在[0°，360°]范围内按照精度要求等距离选取若干入射角，求得不同入射角下对应的不同比值，得到幅度特征库。通过对比，得到入射方位角的精确测量值。

本发明的有益效果为，本发明可以进行实现比幅法测向的360°全向测向，并有效提高测向精度，较准确估计信号的入射角信息，方法简单，效果良好。

附图说明

图1圆阵数字波束形成方法示意图

图2比幅测向示意图

图3搜索阶段下，圆阵列天线波束形成方向图

图4跟踪阶段下，圆阵列天线波束形成方向图

图5搜索阶段和跟踪阶段下，圆阵理论比幅值曲线图

图6搜索阶段和跟踪阶段下，测向精度随信号信噪比变化曲线图

具体实施方式

下面将结合附图和仿真，对本发明的技术方案进行进一步说明。

本例将利用matlab对所提方法进行仿真验证，为简化起见，对算法模型作如下假设：

1.均匀圆阵侦察天线阵列和目标都在xy平面内；

2.天线单元之间的互耦、天线增益、波束宽度等都不会随天线波束扫描角的变化而变化。

3.阵列通道间无幅相误差，电磁环境中仅存在高斯白噪声。

设定圆阵阵列天线数为100个阵元，此时形成多个独立波束间隔为3.6°，入射信号的方向为两相邻阵元正中角度，即入射角与相邻波束轴线偏离角度为θ＝1.8°。在搜索阶段时，设定子阵元数为25，通过波束形成，得到此时阵列天线方向图，如图3所示，同时经过遍历覆盖360°的100个波束，找到波束幅度输出值和该波束指向角度θ1。进入跟踪阶段，针对角度θ1形成三个相邻的波束，此时得到阵列天线方向图如图4所示，通过比较三个波束输出幅度值，得到信号的方位角信息。均匀圆阵阵列天线形成波束覆盖了360°的方位角。

仿真结果如图所示：

在搜索阶段时，图3所示天线方向图其半功率波束宽度为6°，旁瓣电平相对于主瓣为-7db；在跟踪阶段时，图4所示的天线方向图其半功率波束宽度为4°，旁瓣电平相对于主瓣为-8db。跟踪阶段下天线方向图波束宽度降低，且主瓣波束增益更高，测向精度更高，由此可见，利用该方法进行比幅法测向效果更佳。

由图5结果可以看到，当信号入射在两相邻波束正中角度时，波束输出比幅值为1。随着入射偏离角度的减小，圆阵比幅值在逐渐增大，由于跟踪阶段时其天线方向图的特性，跟踪阶段下当入射偏离角度为0°时，主波束输出值与相邻波束输出值的比值最大且其值明显高于搜索阶段下的最大比幅值。

由图6结果可以看到，对比于仅在搜索阶段下进行比幅法测向，进入跟踪阶段后测向精度得到了明显的提升，在低信噪比的条件下，提升效果非常明显，测向误差下降了近50％。在高信噪比的条件下，测向误差也比仅在搜索阶段下比幅法测向时的误差小。由此可见，利用该方法进行比幅法测向效果颇佳。