三通道干涉仪雷达测角方法

由于超高频(VHF)频段雷达的天线尺寸较大,所以要达到便携的要求,天线阵元数量不能太多.比较典型的阵列测向算法有MUSIC[1], ESPRIT等.而采用数字波束形成(DBF)的方法来提高角分辨率,需要增大天线孔径和增加阵元数量[2-3],这又不满足便携的要求.综合考虑系统技术可实现性和设备复杂性等因素,数字干涉仪体制是一种有效的方法[4-6].

作者研究了一种基于距离和速度分辨后的单信号环境下雷达测向定位方法,即三通道干涉仪测向定位方法,目的是研究在3个接收阵元的条件下雷达高精度测角算法的可实现性.

1　三通道干涉仪算法原理

1·1　三通道干涉仪测向原理

三通道干涉仪的天线结构如图1 (a)所示.由3个单元天线建立了3条基线,每条代表1副天线对,基线长度(等边三角形的边长)小于等于半个波长,没有模糊问题.用1根作为发射天线,3根天线作为接收天线,并且3根接收天线位于等边三角形的3个顶点上,采用收发分置的形式.

图1 (b)为接收天线布局示意图,图1 (c)为测向分区图.下面分析到达角(AOA)与天线参数之间的关系.

　  根据图1 (a)和1 (b),1个从方位角φ、仰角α入射到该天线阵的雷达回波,设入射波波长为λ,信号从0号单元天线传输到天线阵中心c对应的相位差为

综上所述,三通道干涉仪辨向步骤如下:

①计算三通道天线接收信号的两两之间相位差,通过判别符号确定相位的超前与滞后关系,从而可以判断到达波最先抵达哪个天线,即可确定120°范围,如图1(c)所示.

特殊情况下,当入射信号与0号天线夹角为0°或180°时, 1号与2号天线到达信号的相位差趋于0,这样可以判断信号波达方向与基线垂直的情况.表1为入射方位角落在图1 (c)中6个区域所对应的θ01,θ02,θ12符号对应表.

②从测量相位差中减去平均相位差将得到一组调整后的相位差. Schmidt[7]证明了平均过程是基于相位误差(基线长度满足无模糊条件)在最小二乘意义下的最紧闭可行解.对于三通道干涉仪(大于三通道的情况也适用),用减去平均值的方法计算相位差而得到的方位角在最小二乘意义下是最优的[8].平均值的计算公式为

　③由式(5)和式(6)分别计算方位角?和俯仰角α,即唯一的确定了回波信号的到达角(AOA).

1·2　FFT法比相原理

一个长度为N的序列的离散傅里叶变换(DFT)的分析式为

位为φ,且保持不变,与信号的初相位相同.可见当DFT的点数足够多时(即DFT等效滤波器带宽足够小),DFT前后信号的初始相位不变.在三通道干涉仪中,同一目标雷达回波(连续波

或简单脉冲雷达)被三通道天线中的任意两个阵元接收后,得到两路信号.分别对其做FFT,由于式(9)中fd/fs-k/N相同,故一个阵元接收信号FFT结果的第k点谱乘以另一个阵元接收信号FFT结果的第k点谱的复共轭,得到的复数相位就是两通道天线接收信号的相位差,这就是FFT法鉴相的原理.又由于fd/fs-k/N=0时信噪比最大,所以此时得到的比相结果误差最小.在本设计中,将三通道天线阵子同时检测到目标的FFT结果两两共轭相乘,求得的相角即为特定目标的不同通道天线之间的相位差(即θ01,θ02和θ12).