亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        共形陣列天線超寬頻帶波達(dá)方向?qū)崟r(shí)估計(jì)

        2014-08-26 06:32:28司偉建萬良田劉魯濤田作喜藍(lán)曉宇
        關(guān)鍵詞:共形基線天線

        司偉建,萬良田,劉魯濤,田作喜,藍(lán)曉宇

        (1.哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001;2.大連測(cè)控技術(shù)研究所水下測(cè)控技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116013;3.沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,遼寧沈陽110136)

        共形天線已經(jīng)被應(yīng)用在雷達(dá)、聲吶、無線通信等許多領(lǐng)域[1]。特別是集成在星載飛行器、航天飛行器、導(dǎo)彈以及陸地交通工具上。共形天線具有優(yōu)越的空氣動(dòng)力學(xué)性能,節(jié)省空間體積,消除隨機(jī)引入的視線誤差,可以增加天線潛在的孔徑等優(yōu)點(diǎn)[2-3],今后共形天線將具有很好的應(yīng)用前景。

        由于共形載體變化的曲率,傳統(tǒng)的波達(dá)方向(direction of arrival,DOA)估計(jì)算法,例如 MUSIC算法和ESPRIT算法不能直接應(yīng)用到共形陣列中。文獻(xiàn)[4-5]提出了具有高分辨率的共形陣列天線DOA估計(jì)算法。文獻(xiàn)[4]利用MUSIC算法和子陣分割技術(shù)實(shí)現(xiàn)共形陣列天線的DOA估計(jì),但是譜峰搜索的計(jì)算量太大。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于柱面共形陣列天線的DOA和頻率聯(lián)合估計(jì)算法。然而文獻(xiàn)[4-5]中導(dǎo)向矢量的數(shù)學(xué)模型過于復(fù)雜,并且陣元之間的間距必須為半波長[6]。當(dāng)入射信號(hào)頻率相對(duì)較高時(shí),陣元之間的距離過于靠近,相鄰陣元之間的互耦十分嚴(yán)重[7]。干涉儀測(cè)向方法是另一類波達(dá)方向估計(jì)方法,它可以用來進(jìn)行超寬頻帶測(cè)向[8-9]。文獻(xiàn)[8]中的方法不需要網(wǎng)格搜索,估計(jì)結(jié)果是閉式解,適于實(shí)時(shí)處理的情況。文獻(xiàn)[9]總結(jié)了常用的干涉儀測(cè)向方法。然而文獻(xiàn)[8-9]假設(shè)天線是共平面的。共形在飛行器的共形陣列天線,天線陣元很難在一個(gè)平面內(nèi),上述提到的方法都不能有效的工作。

        在本文中,提出了一種基于共形陣列天線的任意基線測(cè)向方法,任意基線算法結(jié)合虛擬基線方法進(jìn)行角度估計(jì)。相比MUSIC類算法,本文算法的計(jì)算復(fù)雜度更低,各個(gè)陣元之間的距離可以遠(yuǎn)大于半波長;相比其他的干涉儀測(cè)向算法,理論上天線可以被安排在空間任意位置。

        1 共形天線的應(yīng)用

        文獻(xiàn)[1]指出對(duì)數(shù)周期天線(log-periodic dipole antenna,LDPA)可以作為共形在載體表面的共形天線。LDPA具有很寬的帶寬,它的增益比普通的平面螺旋天線高。LDPA是一種獨(dú)立的頻率不變超寬頻帶天線。一般來說,它的電特性可以在10∶1的帶寬或者更高范圍內(nèi)保持不變。此外,天線的安裝也大為簡(jiǎn)化,不會(huì)破壞載體的機(jī)械結(jié)構(gòu)。圖1給出了LDPA的結(jié)構(gòu)示意圖。它包含N個(gè)并行線性振子,它的定義為

        式中:dp是第p個(gè)與第p+1個(gè)振子之間的距離,Lp是第p個(gè)單元振子的長度,Rp是第p個(gè)振子到天線虛擬頂點(diǎn)的距離,LDPA的整體結(jié)構(gòu)取決于收縮因子τ和結(jié)構(gòu)角度η。

        圖1 LDPA結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of LPDA

        而LDPA沒有真正的相位中心,但是存在虛擬相位中心,它位于活動(dòng)區(qū)域,隨著頻率的改變沿著集合線移動(dòng)。入射信號(hào)的頻率可以用數(shù)字接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量。一旦天線在載體的安裝位置確定后,可以用HFSS仿真軟件確定或者在微波暗室中進(jìn)行實(shí)際測(cè)試,得到不同頻率的虛擬相位中心的位置(頻率的步長依賴于精度需要)。頻率和對(duì)應(yīng)的虛擬相位中心位置存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)管理中心內(nèi),雖然數(shù)據(jù)量很大,但是它可以作為一個(gè)預(yù)處理過程進(jìn)行“離線”處理。

        2 任意基線算法測(cè)向原理

        任意基線模型如圖2。A、B、C是空間的3個(gè)天線陣元。α和β分別代表入射信號(hào)的方位角和俯仰角。

        圖2 任意基線模型Fig.2 Model of arbitrary baseline algorithm

        假設(shè)不存在相位模糊,利用簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系,入射信號(hào)到達(dá)天線A、B、C的相位差可以表示為

        式中:φAB、φAC、φBC分別代表不同天線陣元之間的相位差。理論上,入射信號(hào)的角度信息可以通過求解式(2)中的任意2個(gè)得到。

        考慮擺放在同一個(gè)平面的3個(gè)天線A、B、C,如圖3所示。

        考慮存在相位差的情況。入射信號(hào)到天線A、B、C的相位差簡(jiǎn)化為

        式中:k1,k2,k3=0,±1,±2···;tan α可以表示為

        從式(4)中可以看出求得的入射信號(hào)角度存在鏡像模糊,即如果tan α>0,入射信號(hào)可能來自第一或第三象限;如果tan α<0,入射信號(hào)可能來自其他2個(gè)象限??梢酝ㄟ^判斷相位差的正負(fù)來得到入射信號(hào)的真實(shí)角度。從圖3可以看出,如果φAB+2k1π>0,入射信號(hào)來自第一象限,否則來自第三象限。tan α<0時(shí),判別方法相同。

        從圖3可以看出,任意基線算法的天線仍然擺放在同一平面內(nèi)。主要原因是入射信號(hào)的角度信息包含在三角函數(shù)方程中,即式(3)。對(duì)于立體陣列,如式(2),由于不存在解析解,必須像MUSIC算法那樣去搜索角度。在頻率很高時(shí),由于非常多的模糊值存在,運(yùn)算量非常大,因此很難在實(shí)際中應(yīng)用。

        圖3 天線陣元位置圖Fig.3 The position of antenna elements

        3 立體陣列任意基線算法

        3.1 立體陣列任意基線算法測(cè)向原理

        基于四天線的任意基線測(cè)向算法原理圖如圖4,這里D是擺放在空間的第4個(gè)天線,其他條件與圖2相同。

        入射信號(hào)到達(dá)4個(gè)天線的相位差為

        設(shè) γ1=cos βcos α ,γ2=cos βsin α ,γ3=sin β 。把上式方程組轉(zhuǎn)換成如下矩陣形式:

        所以上述方程的解為

        解得方程組后,分別得到 γ1、γ2、γ3三組值,求解 α、β有2種方法:

        方法1:

        方法2:

        方法1中sin β的值域是 [0,1],而在高頻段,實(shí)際求得的γ3往往大于sin β的值域,無法得到正確的信號(hào)入射角,這是由于在高頻段過多的模糊值造成的。所以本文采用方法2,由于tan α的值域是,所以它沒有方法1中的限制,可以取到所有的角度,引入的誤差也較小,這在解模糊過程中的比較帶來了很大的方便。

        圖4 四天線測(cè)向原理圖Fig.4 The schematic of four antennas direction finding

        3.2 基于虛擬基線方法的虛擬陣元

        假設(shè)陣元E、F分別放置在Y軸和X軸上。M是另一個(gè)天線,利用陣元E、F構(gòu)建虛擬陣元G、H的過程如圖5所示。

        圖5 虛擬陣元位置Fig.5 Positions of the virtual elements

        利用任意基線算法的原理,陣元M、F和E、F的相位差可以寫為

        式中:ki=0,±1,±2···。式(10)、(11)左右兩端同時(shí)相減,G和N的相位差可以寫為

        可以用式(12)代替式(5)中的任意一個(gè)方程來解式(7)。通過使用虛擬基線方法,陣元接收到的全部信息都能得到有效的利用。

        3.3 基于輪換比對(duì)的解模糊方法

        從任意基線算法的測(cè)向原理可知,擺放在空間的4個(gè)天線可以得到一組解。假設(shè)有n個(gè)天線,那么就有種基線組合。真實(shí)的入射信號(hào)角度包含在每一個(gè)基線組合里。通過比較每組基線中的模糊多值,每個(gè)基線中誤差值最小的角度定義為真實(shí)信號(hào)的入射角度。

        為了更清晰地闡述解模糊方法的原理,本文選擇2組基線用來進(jìn)行測(cè)向。2組基線的結(jié)果可以分別表示為[α1iβ1i]和[α2jβ2j]。2組測(cè)量結(jié)果之間的誤差定義為

        式中:i,j=1,2,3···,i和j分別代表第i個(gè)和第j個(gè)模糊值。真實(shí)的信號(hào)入射方向是使得式(13)取得最小值時(shí)的α和β。

        在正確解模糊的情況下sin β、cos β的值域是[0,1],所以只要判斷 γ1、γ2的正負(fù)就可以判斷α具體在哪一個(gè)象限,以便解鏡像模糊。

        4 改進(jìn)的共形陣列天線算法

        4.1 子陣分割技術(shù)

        “陰影效應(yīng)”是指由于金屬遮擋,當(dāng)入射信號(hào)從特殊角度入射的時(shí)候,不是所有的天線都能接收到信號(hào)。子陣分割技術(shù)的原則是對(duì)于入射信號(hào)來說,要確保至少有1個(gè)子陣能接收到信號(hào)。例如,對(duì)于柱面共形陣列天線來說,要保證每個(gè)子陣的覆蓋范圍大于π/2,如圖6所示。圖6中,1~4為4個(gè)真實(shí)陣元,擺放在第一象限的圓周上;a~k為虛擬陣元。假設(shè)有n個(gè)天線,那么有個(gè)利用虛擬基線方法構(gòu)建的虛擬陣元。其中真實(shí)陣元和虛擬陣元都可以用來進(jìn)行測(cè)向。

        圖6 擴(kuò)展后的虛擬陣元位置Fig.6 Positions of the expanded virtual elements

        4.2 算法步驟

        利用虛擬基線方法和任意基線算法,求取入射信號(hào)角度信息步驟如下:

        1)合理的安排共形在載體表面的共形陣列天線。每個(gè)子陣選擇2組基線組合進(jìn)行測(cè)向,4個(gè)天線構(gòu)成一組基線組合(包括真實(shí)陣元和虛擬陣元);

        2)通過求解式(8)、(9),獲得方位角α和俯仰角β。通過判斷γ1、γ2的正負(fù),鏡像模糊可以得到解決,得到的所有模糊值作為第一組解;

        3)對(duì)另一組基線組合,重復(fù)步驟2);

        4)根據(jù)式(13),得到入射信號(hào)的角度信息;

        5)比較每個(gè)子陣獲得的入射信號(hào)角度(由于“陰影效應(yīng)”錯(cuò)誤入射角度和真實(shí)入射角度之間會(huì)有很大差別),各個(gè)子陣之間求得的最接近的角度值作為真實(shí)入射角度,進(jìn)而求取其平均值作為最終信號(hào)入射方向。

        5 仿真驗(yàn)證

        12元均勻圓陣如圖7(a)所示。每個(gè)象限中,4個(gè)LDPA共形在圓柱載體表面,如圖7(b)所示。虛擬相位中心不在同一個(gè)平面內(nèi)。忽略極化和互耦的影響。從圖7可以看出,天線A1~A4構(gòu)成4個(gè)真實(shí)陣元和10個(gè)虛擬陣元,它們可以劃分為第1個(gè)子陣;同樣天線A2~A5可以劃分為第2個(gè)子陣,以此類推。使用子陣分割技術(shù),12元天線陣列可以劃分為9個(gè)子陣。

        圖7 天線擺放示意圖Fig.7 Antenna placement

        設(shè)定天線盤上天線可以利用的最大體積為半徑r為200 mm的圓盤,天線模型如圖7所示。輻射信號(hào)范圍為1~15 GHz,選取實(shí)際信號(hào)入射信號(hào)方位角為45°,分別對(duì)仰角為60°和80°的情況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

        實(shí)驗(yàn)1 不同頻率下解模糊概率比較。入射角度的俯仰角分別為β=80°和β=60°,信噪比為14 dB,相位差平均次數(shù)N=20,200次Monte-Carlo實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如圖8所示。從圖8(a)中可以看出在輻射信號(hào)1~15 GHz范圍內(nèi),立體陣列和平面陣列解模糊概率均在86%以上,解模糊概率高,驗(yàn)證了本文提出的方案可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)無模糊測(cè)向。比較圖8(a)與圖8(b),可以看出在同樣頻率下β=60°時(shí)的解模糊概率小于β=80°時(shí)的解模糊概率,輻射信號(hào)到達(dá)天線的波程差在β=60°相對(duì)于β=80°更大,因此受更多的模糊值影響,解模糊概率相對(duì)較低。

        圖8 不同頻率下解模糊概率比較Fig.8 Comparison of solving ambiguous probability for different frequencies

        實(shí)驗(yàn)2 不同信噪比下均方誤差比較。入射角度的俯仰角分別為β=80°和β=60°,輻射源頻率f分別為6 GHz和15 GHz,相位差平均次數(shù)N=30,200次Monte-Carlo實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。可以看出隨著信噪比的增大,平面陣列和立體陣列的均方誤差都減小,增大信噪比可以提高2種陣列的測(cè)向精度。在相同信噪比的條件下立體陣列均方誤差要稍大于平面陣列,但相差并不大。這是因?yàn)榱Ⅲw陣列在計(jì)算相位差時(shí)使用了多次的相位差加減運(yùn)算,引入了誤差。比較圖9(a)、(b),可以看出在β=60°均方誤差相對(duì)較大,這是因?yàn)樵讦?60°時(shí),天線之間的波程差相對(duì)較大,均方誤差受到更多的模糊值的影響,導(dǎo)致測(cè)向誤差增大。

        圖9 不同信噪比下測(cè)向誤差比較Fig.9 Comparison of direction finding error with different SNRs

        實(shí)驗(yàn)3 不同方位角下均方誤差比較。入射角度的俯仰角為β=80°,輻射源頻率分別為6 GHz和15 GHz,信噪比為20 dB,相位差平均次數(shù)N=40,200次Monte-Carlo實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以看出立體陣列和平面陣列在頻率為15 GHz時(shí)的均方誤差小于頻率為6 GHz時(shí)的測(cè)向誤差。兩種陣列都是頻率越高,均方誤差越小。在相同方位角條件下,立體陣列和平面陣列的均方誤差相差不大,均可以實(shí)現(xiàn)正確測(cè)向。

        圖10 不同方位角下測(cè)向誤差比較Fig.10 Comparison of direction finding error with different azimuths

        6 結(jié)論

        1)本文提出了一種實(shí)時(shí)的超寬頻帶測(cè)向方法。利用任意基線算法和虛擬基線方法,結(jié)合子陣分割技術(shù)和矩陣求逆來獲得入射信號(hào)角度信息。

        2)4個(gè)天線作為一個(gè)基線組合,陣元不需要擺放在同一平面上。

        3)所提算法測(cè)向誤差和平面陣列的任意基線算法相差不大,適合于共形陣列天線的超寬頻帶測(cè)向。

        4)本文不足之處:無法對(duì)多個(gè)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行角度估計(jì),運(yùn)算量相比平面陣列要大一些。

        對(duì)所提算法解模糊概率和測(cè)向誤差的理論分析,以及如何將所提算法應(yīng)用到更復(fù)雜的載體上,在以后的工作中需要進(jìn)一步深入研究。

        [1]TSUI K M,CHAN S C.Pattern synthesis of narrowband conformal arrays using iterative second-order cone programming[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2010,58(6):1959-1970.

        [2]SOLIMENE R,DELL'AVERSANO A,LEONE G.Interferometric time reversal MUSIC for small scatterer localization[J].Progress in Electromagnetics Research,2012,131:243-258.

        [3]LEE J H,JEONG Y S,CHO S W,et al.Application of the Newton method to improve the accuracy of TOA estimation with the beamforming algorithm and the MUSIC algorithm[J].Progress in Electromagnetics Research,2011,116:243-258.

        [4]YANG P,YANG F,NIE Z.DOA estimation with sub-array divided technique and interporlated esprit algorithm on a cylindrical conformal antenna array[J].Progress in Electromagnetics Research,2010,103:201-216.

        [5]Si W,WAN L,LIU L T,et al.Fast estimation of frequency and 2-D DOAs for cylindrical conformal array antenna using state-space and propagator method[J].Progress in Electromagnetics Research,2013,137:51-71.

        [6]LIANG J,LIU D.Two L-shaped array-based 2-d DOAs estimation in the presence of mutual coupling[J].Progress in Electromagnetics Research,2011,112:273-298.

        [7]HENAULT S,PODILCHAK S K,MIKKI S M,et al.A methodology for mutual coupling estimation and compensation in antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2013,61(3):1119-1131.

        [8]SCHMIEDER L,MELLON D,SAQUIB M.Interference cancellation and signal direction finding with low complexity[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2010,46(3):1052-1063.

        [9]司偉建,初萍.干涉儀測(cè)向解模糊方法[J].應(yīng)用科技,2007,34(9):54-57.SI Weijian,CHU Ping.Research on the ways of solving direction finding ambiguous for interferometer[J].Applied Science and Technology,2007,34(9):54-57.

        猜你喜歡
        共形基線天線
        具有共形能力的阻抗可調(diào)天線
        適用于MAUV的變基線定位系統(tǒng)
        基于共形超表面的波束聚焦研究
        航天技術(shù)與甚長基線陣的結(jié)合探索
        科學(xué)(2020年5期)2020-11-26 08:19:14
        共形雙曲度量的孤立奇點(diǎn)
        ETC相控陣天線與普通天線應(yīng)用對(duì)比分析
        一種改進(jìn)的干涉儀測(cè)向基線設(shè)計(jì)方法
        ALLESS轉(zhuǎn)動(dòng)天線射頻旋轉(zhuǎn)維護(hù)與改造
        電子制作(2016年1期)2016-11-07 08:42:54
        理論宣講要上接天線、下接地氣
        技術(shù)狀態(tài)管理——對(duì)基線更改的控制
        航天器工程(2014年5期)2014-03-11 16:35:50
        欧美性猛交xxxx乱大交蜜桃| 综合偷自拍亚洲乱中文字幕| 国产乱人激情h在线观看| 亚洲日韩乱码中文无码蜜桃臀 | 极品粉嫩小泬无遮挡20p| 国产成人无码A区在线观| 极品少妇一区二区三区四区| 日本二一三区免费在线| 97夜夜澡人人双人人人喊| 自拍偷拍亚洲一区| 国产成人精品中文字幕| 国产一级一级内射视频| www插插插无码视频网站| 亚洲无线一二三四区手机| 亚洲精品欧美二区三区中文字幕| 国产自在自线午夜精品视频在| 人妻少妇偷人精品视频| 国产av国片精品有毛| 少妇spa推油被扣高潮| 无码一区二区三区久久精品| 玖玖资源站亚洲最大的网站| 天天噜日日噜狠狠噜免费| 久久网视频中文字幕综合| 高清亚洲成av人片乱码色午夜| 免费久久99精品国产| 熟妇的荡欲色综合亚洲| 久热爱精品视频在线观看久爱| 国产美女高潮流白浆视频| 久久青青草原精品国产app| 国产普通话对白视频二区| 国产特黄1区2区3区4区| 香蕉成人伊视频在线观看| 精品无码人妻一区二区三区| 无码8090精品久久一区| 亚洲av毛片在线网站| 亚洲亚洲人成综合网络| 国产在线不卡免费播放| 国产爽快片一区二区三区| 亚洲婷婷五月综合狠狠爱 | 国精品无码一区二区三区在线蜜臀 | 人妻中文字幕乱人伦在线|