單天線測(cè)向方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單天線測(cè)向方法。針對(duì)基本測(cè)向方法測(cè)向精度的不足，提出綜合處理測(cè)向方法，首先對(duì)方位地理角和信號(hào)電平數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)；然后采用角度擴(kuò)展方法確定數(shù)據(jù)采集范圍、半波束平移方法確定側(cè)向中心所在的采用區(qū)間、冒泡法確定測(cè)向粗中心；最后通過(guò)數(shù)據(jù)曲線擬合、求導(dǎo)得出測(cè)向中心。這種方法不僅不受噪聲和野值的影響，而且克服了由于方向圖過(guò)于平坦造成的低頻極值不準(zhǔn)確缺點(diǎn)，更重要的是克服了高頻時(shí)，在方向圖的頂點(diǎn)接收機(jī)只能提供2個(gè)數(shù)據(jù)從而無(wú)法準(zhǔn)確獲得方向圖最大值的缺點(diǎn)，從而保證了測(cè)向的精度和可靠性。
【專利說(shuō)明】單天線測(cè)向方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及寬頻信號(hào)的單站無(wú)源測(cè)向天線的設(shè)計(jì)，是通過(guò)接收目標(biāo)發(fā)射的信號(hào)或者目標(biāo)反射的其他發(fā)射源的信號(hào)，判斷目標(biāo)位置的一種方法。

【背景技術(shù)】
[0002]天線接收目標(biāo)發(fā)射的信號(hào)或者目標(biāo)反射的其他發(fā)射源的信號(hào)，經(jīng)接收機(jī)處理后，將信號(hào)電平實(shí)時(shí)發(fā)送到CAN總線上，方位碼盤將天線座架的方位軸角實(shí)時(shí)發(fā)送到CAN總線上。單天線測(cè)向時(shí)，天線方位軸快速旋轉(zhuǎn)一周，伺服控制器快速采集方位地理角和信號(hào)電平。方位地理角由方位碼盤實(shí)時(shí)發(fā)送的方位軸角(單位:度)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得出，信號(hào)電平由接收機(jī)實(shí)時(shí)解算并發(fā)送(單位:dB)?；緶y(cè)向方法是伺服控制器采用簡(jiǎn)單的排序方法處理采集的數(shù)據(jù)，得出信號(hào)電平最大時(shí)的方位地理角，即為測(cè)向中心。
[0003]目前采用的基本測(cè)向方法存在不足:
[0004]I)接收機(jī)場(chǎng)強(qiáng)由于受到干擾，存在噪聲和野值，影響信號(hào)電平峰值的判斷；
[0005]2)在低頻段天線方向圖角度很寬，峰值處的梯度很小，影響最大峰值的判斷；
[0006]3)在高頻天線方向圖角度很窄，導(dǎo)致接收機(jī)只能采集2個(gè)點(diǎn)，無(wú)法判斷最大值的精確位置。
[0007]本發(fā)明的目的在于避免上述基本測(cè)向方法存在的不足而提供一種綜合處理測(cè)向方法。
[0008]本發(fā)明具有測(cè)向精度聞和可罪性聞等特點(diǎn)。
[0009]本發(fā)明首先對(duì)方位地理角和信號(hào)電平數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)；然后采用角度擴(kuò)展方法確定數(shù)據(jù)采集范圍、半波束平移方法確定側(cè)向中心所在的采用區(qū)間、冒泡法確定測(cè)向粗中心；最后通過(guò)數(shù)據(jù)曲線擬合、求導(dǎo)得出測(cè)向中心。其具體步驟如下:
[0010]①數(shù)據(jù)發(fā)送。
[0011]天線測(cè)向時(shí)，伺服控制器通過(guò)CAN總線實(shí)時(shí)采集天線方位軸快速旋轉(zhuǎn)380度范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)，并且每間隔5毫秒存儲(chǔ)一次采樣點(diǎn)的信息，其中，存儲(chǔ)的采樣點(diǎn)的信息包括采樣點(diǎn)的序號(hào)、方位地理角以及信號(hào)電平三個(gè)參數(shù)，其中，方位軸角經(jīng)坐標(biāo)變換得到方位地理角。
[0012]接收機(jī)根據(jù)當(dāng)前的測(cè)向頻率實(shí)時(shí)調(diào)整信號(hào)電平發(fā)送的速率，當(dāng)測(cè)向速率大于12GHz時(shí)，信號(hào)電平的速率為800Hz ;當(dāng)測(cè)向頻率小于12GHz時(shí)，信號(hào)電平的速率為400Hz。用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:在低頻時(shí)由于波束寬度內(nèi)采樣點(diǎn)較多，適當(dāng)?shù)慕档透滤俾剩瑑?yōu)先保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；在高頻時(shí)由于波束寬度內(nèi)的采樣點(diǎn)較少，適當(dāng)?shù)奶岣吒滤俾?，?yōu)先保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。
[0013]②數(shù)據(jù)采集。
[0014]提出角度擴(kuò)展方法，即采集天線方位軸旋轉(zhuǎn)380°度范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)，共計(jì)422個(gè)采樣點(diǎn)。
[0015]由于測(cè)向頻率范圍是1.0GHz?18.0GHz，所以波束寬度范圍是2.0°?35.0°。測(cè)向數(shù)據(jù)采集角度擴(kuò)展了 20° (最大半波束寬度)，使得無(wú)論測(cè)向起點(diǎn)在哪個(gè)角度，都可以保證有一幅完整的掃描圖形，便于數(shù)據(jù)分析和處理。
[0016]③確定采樣點(diǎn)區(qū)間。
[0017]根據(jù)測(cè)向頻率的波束寬度確定采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)N，將N個(gè)連續(xù)采樣點(diǎn)組成的區(qū)間定義為米樣點(diǎn)區(qū)間，前N個(gè)米樣點(diǎn)組成第一個(gè)米樣點(diǎn)區(qū)間，每次后移j個(gè)米樣點(diǎn)再確定下一個(gè)采樣點(diǎn)區(qū)間，以此類推。
[0018]④確定側(cè)向中心所在的采樣點(diǎn)區(qū)間。
[0019]對(duì)所有采樣點(diǎn)區(qū)間內(nèi)的信號(hào)電平求平均值，得出信號(hào)電平平均值最大的采樣點(diǎn)區(qū)間，測(cè)向中心就在該采樣點(diǎn)區(qū)間內(nèi)。
[0020]此方法既克服了噪聲對(duì)數(shù)據(jù)的影響，又不丟失必要的數(shù)據(jù)。用此方法得到的平均值準(zhǔn)確性好、穩(wěn)定性高。
[0021]⑤確定測(cè)向粗中心。
[0022]在上述信號(hào)電平平均值最大的采樣點(diǎn)區(qū)間，利用冒泡法得出信號(hào)電平最大的采樣點(diǎn)，該采樣點(diǎn)的方位地理角為Amax,即為測(cè)向粗中心。
[0023]⑥確定曲線擬合區(qū)間。
[0024]信號(hào)電平最大的采樣點(diǎn)為中心，讀取兩倍波束寬度內(nèi)的采樣點(diǎn)，總計(jì)2N+1個(gè)采樣點(diǎn)，這些采樣點(diǎn)組成待處理的采樣點(diǎn)區(qū)間。
[0025]⑦確定擬合曲線函數(shù)。
[0026]利用最小二乘法處理上述待處理的采樣點(diǎn)區(qū)間內(nèi)的采樣點(diǎn)，得出擬合曲線函數(shù)y
-&0+&?Χ+&2Χ ο
[0027]式中^表示方位地理角，7表示信號(hào)電平，&(|、&1、82表示擬合曲線系數(shù)。
[0028]由于X的取值范圍是0°?360°，所以在進(jìn)行曲線擬合過(guò)程中運(yùn)算量比較大，運(yùn)算時(shí)間比較長(zhǎng)。于是采用泰勒展開公式將公式y(tǒng) = a0+a1x+a2x2轉(zhuǎn)換為公式y(tǒng) =ao+ai (X-Amax)+a2 (X-Amax)2。這樣處理后X-Amax是-20.0°?20.0。范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，相比0°?360°范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，可以大大減少運(yùn)算量。
[0029]⑧確定側(cè)向中心。
[0030]對(duì)擬合曲線函數(shù)求導(dǎo)，得出信號(hào)電平取極大值時(shí)對(duì)應(yīng)的方位地理角，即測(cè)向中心。
[0031]該方法不但克服了由于方向圖過(guò)于平坦造成的低頻極值不準(zhǔn)確缺點(diǎn)，而且克服了高頻時(shí)，在方向圖的頂點(diǎn)接收機(jī)只能提供2個(gè)數(shù)據(jù)從而無(wú)法準(zhǔn)確獲得方向圖最大值的缺點(diǎn)，從而保證了測(cè)向精度。
[0032]本發(fā)明相比基本測(cè)向技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0033]I)本發(fā)明采用最小二乘法得出測(cè)向中心值，提高了測(cè)向精度；
[0034]2)本發(fā)明采用了角度擴(kuò)展方案，降低了噪聲對(duì)數(shù)據(jù)的影響，提高了測(cè)向數(shù)據(jù)的可靠性；
[0035]3)本發(fā)明采用了泰勒展開，提高了軟件的實(shí)時(shí)性；
[0036]4)本發(fā)明采用信號(hào)電平更新速率可調(diào)整的方法，也從一定程度上提高了測(cè)向精度?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】:
[0037]圖1是本發(fā)明單天線測(cè)向方法應(yīng)用平臺(tái)示意圖；
[0038]圖2是本發(fā)明單天線測(cè)向方法的處理流程圖。
[0039]本發(fā)明是實(shí)際應(yīng)用平臺(tái)是伺服控制器，具體的實(shí)施方式:
[0040]①通過(guò)CAN總線采集方位地理角和信號(hào)電平。
[0041]單天線測(cè)向時(shí)，接收機(jī)根據(jù)測(cè)向頻率調(diào)整信號(hào)電平的更新速率的同時(shí)天線方位軸以每秒180度的速度旋轉(zhuǎn)380°，控制器每5毫秒定時(shí)采集采樣點(diǎn)，該采樣點(diǎn)包含序號(hào)、方位地理角和信號(hào)電平等參數(shù)信息。總計(jì)采集422組采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)存儲(chǔ)形式為[i Xi Yi]0其中，i表示采樣點(diǎn)序號(hào)、Xi表示方位地理角、Yi表示電平值。
[0042]②確定測(cè)向中心點(diǎn)所在的區(qū)間。
[0043]由于個(gè)別采樣點(diǎn)中的信號(hào)電平誤差可能導(dǎo)致的測(cè)向中心點(diǎn)判斷錯(cuò)誤，我們采用如下的操作步驟可以有效的防止。
[0044]a.根據(jù)測(cè)向頻率確定波束寬度。
[0045]& * 70j.。式中，k表不波束寬度，λ表不波長(zhǎng)，D表不天線口徑。
[0046]b.確定波束寬度內(nèi)采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)。
[0047]。式中，N表不該頻率信號(hào)波束寬度內(nèi)包含的米樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，k表不波束寬度。
[0048]c.確定采樣點(diǎn)區(qū)間。
[0049]將N個(gè)連續(xù)采樣點(diǎn)組成的區(qū)間定義為采樣點(diǎn)區(qū)間，前N個(gè)采樣點(diǎn)組成第一個(gè)采樣點(diǎn)區(qū)間，每次后移* (如果f不是整數(shù)，則取整加一)個(gè)采樣點(diǎn)再確定下一個(gè)采樣點(diǎn)區(qū)間，以此類推。
[0050]d.確定信號(hào)電平平均值最大的采樣點(diǎn)區(qū)間。
[0051]計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)區(qū)間內(nèi)信號(hào)電平的平均值，找出信號(hào)電平平均值最大的采樣點(diǎn)區(qū)間，該區(qū)間就是測(cè)向中心所在的區(qū)間。
[0052]③確定測(cè)向粗中心。
[0053]采用冒泡排序法處理步驟③中測(cè)向中心所在的區(qū)間，得出信號(hào)電平最大的采樣點(diǎn)，該采樣點(diǎn)內(nèi)的方位地理角度A_，即為測(cè)向粗中心。
[0054]④確定數(shù)據(jù)擬合區(qū)間。
[0055]以信號(hào)電平最大的采樣點(diǎn)為中心，讀取兩倍波束寬度內(nèi)的采樣點(diǎn)，總計(jì)2N+1個(gè)采樣點(diǎn)，這些采樣點(diǎn)組成待處理的采樣點(diǎn)區(qū)間(包含兩倍波束寬度內(nèi)的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù))。
[0056]⑤泰勒公式處理擬合區(qū)間的數(shù)據(jù)。
[0057]按照曲線擬合方法，對(duì)步驟④中待處理的采樣點(diǎn)區(qū)間采樣點(diǎn)內(nèi)的方位地理角和信號(hào)電平進(jìn)行曲線擬合處理。擬合曲線公式如下所示:
[0058]y = ao+a^+aaX2,
[0059]式中，y表示采樣數(shù)據(jù)中的信號(hào)電平；x表示采樣數(shù)據(jù)中的方位地理角^^^表示擬合曲線的系數(shù)。
[0060]但是運(yùn)行上述公式，會(huì)使伺服控制器運(yùn)算量大大增加，負(fù)荷過(guò)重，影響軟件實(shí)時(shí)性。為了降低伺服控制器計(jì)算量，我們采用泰勒展開公式對(duì)上面公式進(jìn)行變形處理。泰勒展開公式如下:
[0061 ] Y = a0+ai (x-Amax) +a2 (χ_Α_)2
[0062]式中，y表示采樣數(shù)據(jù)中的信號(hào)電平，X表示采樣數(shù)據(jù)中的方位地理角表示擬合曲線的系數(shù)，Afflax表示粗測(cè)向中心。
[0063]⑥確定擬合曲線函數(shù)。
[0064]按照二次拋物線曲線y = a0+aix+a2x2進(jìn)行擬合；按照最小二乘法，使殘差平方和
2Z+1
S=Yj(a0+alxi+a2xf-1 )達(dá)到最小，分別對(duì)S求關(guān)于％、&1、a2的偏導(dǎo)數(shù)，并令其為0，得到如下的方程:

【權(quán)利要求】
1.單天線測(cè)向方法，其特征在于本測(cè)向方法包括以下步驟: ①天線接收目標(biāo)發(fā)射的信號(hào)或者目標(biāo)反射的其他發(fā)射源的信號(hào)，經(jīng)接收機(jī)處理后，將信號(hào)電平實(shí)時(shí)發(fā)送到CAN總線上，方位碼盤將天線的方位軸角實(shí)時(shí)發(fā)送到CAN總線上； ②天線測(cè)向時(shí)，伺服控制器通過(guò)CAN總線實(shí)時(shí)采集天線方位軸快速旋轉(zhuǎn)380度范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)，并且每間隔5毫秒存儲(chǔ)一次采樣點(diǎn)的信息，其中，存儲(chǔ)的采樣點(diǎn)的信息包括采樣點(diǎn)的序號(hào)、方位地理角以及信號(hào)電平三個(gè)參數(shù)，其中，方位軸角經(jīng)坐標(biāo)變換得到方位地理角； ③根據(jù)測(cè)向頻率的波束寬度確定采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)N，將N個(gè)連續(xù)采樣點(diǎn)組成的區(qū)間定義為采樣點(diǎn)區(qū)間，前N個(gè)采樣點(diǎn)組成第一個(gè)采樣點(diǎn)區(qū)間，每次后移*個(gè)采樣點(diǎn)再確定下一個(gè)采樣點(diǎn)區(qū)間，以此類推； ④對(duì)所有采樣點(diǎn)區(qū)間內(nèi)的信號(hào)電平求平均值，得出信號(hào)電平平均值最大的采樣點(diǎn)區(qū)間； ⑤對(duì)步驟④中信號(hào)電平平均值最大的采樣點(diǎn)區(qū)間利用冒泡法得出信號(hào)電平最大的采樣點(diǎn)，該信號(hào)電平最大的采樣點(diǎn)的方位地理角為Amax ； ⑥以步驟⑤中信號(hào)電平最大的采樣點(diǎn)為中心，讀取兩倍波束寬度內(nèi)的采樣點(diǎn)，總計(jì)2N+1個(gè)采樣點(diǎn)，這些采樣點(diǎn)組成待處理的采樣點(diǎn)區(qū)間； ⑦用最小二乘法處理步驟⑥中待處理的采樣區(qū)間內(nèi)的采樣點(diǎn)，得出擬合曲線函數(shù)y=ad+aiX+a；^2,式中，x表示方位地理角，y表示信號(hào)電平，a0> a2表示擬合曲線系數(shù)； ⑧對(duì)步驟⑦中的擬合曲線函數(shù)求導(dǎo)，得出信號(hào)電平取極大值時(shí)對(duì)應(yīng)的方位地理角，即為測(cè)向中心對(duì)應(yīng)的方位地理角，所得的信號(hào)電平取極大值時(shí)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)即為測(cè)向中心。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單天線測(cè)向方法，其特征在于:步驟①中接收機(jī)根據(jù)當(dāng)前的測(cè)向頻率實(shí)時(shí)調(diào)整信號(hào)電平發(fā)送的速率，當(dāng)測(cè)向速率大于12GHz時(shí)，信號(hào)電平的速率為800Hz ;當(dāng)測(cè)向頻率小于12Hz時(shí)，信號(hào)電平的速率為400Hz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單天線測(cè)向方法，其特征在于:步驟⑦中的擬合曲線系數(shù)％、B1, a2是由以下方法得到的:利用泰勒展開公式將擬合曲線函數(shù)y = aQ+alX+a2X2變換為計(jì)算簡(jiǎn)便的y = a0+ai (X-Afflax)+B2(X-Amax)2,再對(duì)變換后的曲線函數(shù)進(jìn)行最小二乘法處理，得出3-q、、&2 ο
【文檔編號(hào)】G01S3/14GK104198985SQ201410496277
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月24日
【發(fā)明者】張碩, 趙楠, 付強(qiáng), 劉瑞 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所