朱曉丹,朱沛勝,朱偉強,陳 卓,曹雄宇
(1.中國航天科工集團8511研究所,江蘇 南京 210007; 2.中國科學院聲學研究所,北京 100080)
測角是雷達、導航、偵察的重要內(nèi)容,目前高精度測角一般基于干涉儀或陣列體制,需要利用多個通道布置相對較長的基線,基線長度和通道的多少直接決定測角性能。對于小型無人機、微納衛(wèi)星等新型平臺,受限于體積和功耗,通常難以負載多通道,且難以形成較長的基線。
利用旋轉(zhuǎn)單天線進行角度測量僅需單個接收通道,且無需形成基線,是一種容易實現(xiàn)的方法[1]。按照觀測量的不同,旋轉(zhuǎn)單天線測角方法主要分為旋轉(zhuǎn)多普勒測角和幅度比較法測角兩類。受限于有限的旋轉(zhuǎn)速度以及多普勒頻率的測量精度,旋轉(zhuǎn)多普勒測角方法精度一般較低;旋轉(zhuǎn)單天線幅度比較法主要包括最大幅度法[1]、最小幅度法[2]、相鄰波束比幅法、和差波束法等,由于幅度容易測量,利用定向天線進行比幅測角通常可以獲得相對較高的精度,因而得到了廣泛的應(yīng)用。這類方法利用天線主波束/主瓣附近不同角度上增益的差異,測角精度直接受方向圖主波束/主瓣寬度影響。為了提高測角進度,一般還需要對主波束/主瓣進行擬合,根據(jù)不同角度接收到的信號幅度的相對大小估計目標角度,這種處理方法容易實現(xiàn),但也引入了誤差,使得測角精度難以進一步提高。
為了實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)單天線高精度測角,文獻[3~7]提出了最大似然估計方法,需要進行搜索求解,算法計算量大;文獻[5]基于最大后驗概率函數(shù)提出一種迭代解卷積方法,可實現(xiàn)超分辨率測角;文獻[6]將旋轉(zhuǎn)單天線測角問題轉(zhuǎn)化為譜估計模型,并基于有限更新率采樣理論,提出一種超分辨率估計方法,但需要通過零化濾波等方法求解,計算復雜度較高;文獻[7]將天線看成是傳輸函數(shù),接收信號功率則是天線方向圖與觀測角度的卷積,因而提出了一種基于傅里葉變換和解卷積的求法。盡管上述方法給出了目標角度的估計,但存在計算較復雜的問題,且通常將天線主瓣近似為二次函數(shù),引入了模型誤差,因此也難以實現(xiàn)高精度測角。
為了實現(xiàn)低計算復雜度的高精度測角,本文提出一種基于模式分量分離的測角方法。首先將天線方向圖表示為指數(shù)和形式,通過模式分量分離,將角度估計模型轉(zhuǎn)化為模式分量的估計,根據(jù)模式分量實現(xiàn)對角度的解析估計,同時結(jié)合多模式進行聯(lián)合估計。估計算法不涉及搜索或復雜的矩陣運算,只涉及解析計算,因而計算量較小,易于工程實現(xiàn)。
為了提高旋轉(zhuǎn)單天線的測角精度,首先需要對天線方向圖進行精確建模,記天線方向圖為[6]:
(1)
(2)
式中,cm可通過天線的測試計算得到。在K個不同的方向接收同一測試信號,信號功率記為s(θk)(k=1,…,K),則有:
(3)
(4)
式中,“?”表示矩陣的偽逆。對角度為θ0的待估計目標,利用該旋轉(zhuǎn)天線在N個不同觀測角度φn(1≤n≤N)接收信號,假定在同樣位置利用0 dB增益天線測量該信號得到的功率為P0,則在不同觀測角度收到的信號功率可表示為:
(5)
即根據(jù)sn結(jié)合已知的天線方向圖F(θ)估計目標角度θ0。
(6)
整理成向量形式為:
(7)
式中,
(8)
式(7)的求解需要滿足N≥2M+1。同時可得估計誤差的協(xié)方差矩陣:
(9)
(10)
由于相位具有模糊性,根據(jù)式(10)測角時將出現(xiàn)模糊。由式(10)可以看出,模糊為2π/m。進一步分析其估計誤差,可得:
dθm=- (P0m)-1dy0+
(P0m)-1e-jmθ0dym
(11)
可求得:
e-jmθ0(E(drmdy0)+jE(dimdy0)))+
(12)
從而可求得角度估計誤差的協(xié)方差矩陣Wθ,其元素(Wθ)mm′為:
(Wθ)mm′=
(Brrmm′+Biimm′+j(Birmm′-Brimm′))+
(13)
(14)
(15)
聯(lián)合估計誤差為:
(16)
由式(5)得:
(17)
整理成向量形式為:
(18)
(19)
(20)
下面對本文提出的基于模式分量分離的測角方法進行仿真分析。天線量化為共計m=5個模式,隨機產(chǎn)生的c0~c5為4.067、0.437、0.314、0.180、0.014、0.065。下面結(jié)合該天線進行仿真分析。仿真中,信號的平均功率P0為1。
目標角度為3°,隨機產(chǎn)生60個觀測角度,進行500次Monte-Carlo仿真。不同信噪比下模式分量的估計誤差如圖1所示??梢钥闯霾煌J椒至康墓烙嬚`差不相等,因此在測角時需要考慮模式分量估計誤差的影響。
圖1 不同信噪比下模式分量估計誤差
1)無模糊測角范圍
不同模式分量對應(yīng)的無模糊測角范圍如圖2所示??梢钥闯?,無模糊測角范圍與模式成反比,模式越
圖2 不同模式分量對應(yīng)的無模糊測角范圍
大無模糊測角范圍越小。通過低模式解高模式可進行聯(lián)合測角,從而實現(xiàn)[-π,π]范圍內(nèi)的無模糊測角。
2)測角精度分析
在5.1節(jié)中的仿真條件下,不同信噪比下多模聯(lián)合測角的誤差及不同模式對應(yīng)的單模估計的仿真,其中(模式1、3、5對應(yīng)的單模估計誤差未畫出),模式2對應(yīng)的單模估計精度最高如圖3所示。模式4對應(yīng)的單模估計精度最高;且聯(lián)合估計精度優(yōu)于各模式對應(yīng)的單模估計精度,并能夠達到模型理論估計精度。信噪比低于10dB時模式4對應(yīng)的測角誤差低于理論估計誤差,這是因為此時測角出現(xiàn)模糊。
圖3 不同信噪比下多模聯(lián)合測角誤差
不同角度對應(yīng)的測角誤差如圖4所示。信噪比為10dB,其余仿真條件同于5.1節(jié)??梢钥闯鲈诮嵌瘸^36°(π/5)時,由于出現(xiàn)測角模糊,測角誤差較大;在無模糊測角范圍內(nèi),不同角度對應(yīng)的測角精度相等,因此角度大小不影響估計誤差,這不同于干涉儀或陣列接近基線垂直方向測角精度高、接近基線平行方向測角精度低的特點,有利于實現(xiàn)全向高精度測角。
圖4 不同角度對應(yīng)的測角誤差(SNR=10dB)
旋轉(zhuǎn)單天線測角方法無需形成測角基線,且僅需單個接收通道,有利于減少系統(tǒng)設(shè)備規(guī)模,提高系統(tǒng)的適裝性。本文提出的基于模式分量分離的多模測角方法只涉及解析計算,因而計算量較小;多模式聯(lián)合測角具有精度高的優(yōu)點,尤其適用于小型平臺,實現(xiàn)高精度測角,具有十分廣泛的應(yīng)用前景。■