基于时间调制的单通道多基线相位干涉仪测向_赵自强.pdf

赵自强，曹岸杰，杨勇，等.基于时间调制的单通道多基线相位干涉仪测向J.电波科学学报，2023，38（1）：96-102+129.DOI:10.12265/j.cjors.2022096ZHAO Z Q,CAO A J,YANG Y,et al.Single-channel multiple baseline interferometer DF with time modulationJ.Chinese journal of radio science，2023，38（1）：96-102+129.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.2022096基于时间调制的单通道多基线相位干涉仪测向赵自强1曹岸杰1，2*杨勇2游月辉2陈靖峰1金荣洪1贺冲1（1.上海交通大学,上海 200240；2.上海卫星工程研究所,上海 200230）摘要 基于时间调制理论，提出了一种单通道框架下的多基线相位干涉仪测向方法，其克服了传统相位干涉需要多个射频通道带来的系统复杂度高以及通道幅相不一致性问题.所提方法利用单刀多掷开关周期性接通多基线相位干涉的各天线单元，并从接收信号产生的谐波特征中同时估计多组基线产生的相位差.首先分析传统多基线相位干涉仪测向存在的局限性，然后提出基于时间调制的单通道多基线相位测量方法，最后结合 28GHz 宽带测向需求，设计四基线相位干涉仪并进行仿真.仿真结果显示，在 28 GHz 范围内，测向误差能达到0.1以内，证明了本文方法的有效性.关键词时间调制阵列；无线电测向；多基线相位干涉天线；虚拟基线中图分类号TN821文献标志码A文章编号1005-0388（2023）01-0096-07DOI 10.12265/j.cjors.2022096Single-channel multiple baseline interferometer DF with time modulationZHAO Ziqiang1CAO Anjie1,2*YANG Yong2YOU Yuehui2CHEN Jingfeng1JIN Ronghong1HE Chong1（1.Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China；2.Shanghai Satellite Institute,Shanghai 200230,China）AbstractThis article proposed a direction-of-arrival(DOA)estimation method using multiple baseline phaseinterferometer in the framework of single channel based on time-modulated array(TMA)theory,which overcomes theproblem of amplitude and phase inconsistency and system complexity caused by multiple radio frequency(RF)channelsin traditional phase interferometer.The method proposed in this article uses single pole multi throw switch to turn oneach antenna unit of multi baseline phase interferometer periodically,and estimate the phase differences,which isgenerated by multiple groups of baselines,from the harmonic characteristics generated by received signal.This articleanalyzes the limitations of traditional multi baseline phase interferometer in DOA estimation,and then proposed amethod of single channel multi baseline phase measurement base on TMA theory.After that,a four-baseline phaseinterferometer is designed for simulation combined with the requirements of broadband direction finding(DF)in 28GHz.The result of simulation shows that the DF error can be reduced to lower than 0.1 in the range of 28 GHz,which indicates the effectiveness of the proposed method.Keywordstime-modulated array；direction finding；multi baseline phase interference antenna；virtual baseline 引言无线电测向在移动通信、军事侦察、电子对抗等领域有着广泛的应用，传统的测向方法包括幅度比较方法、相位比较方法1-2、多普勒方法、空间谱估计方法3等.其中幅度比较方法通过比较不同波束指向下接收的信号幅度来估计信号的入射方向.相位比较方法通过测量电磁波到达有一定间距的相邻天线产生的相位差，从而推算出波程差进而测算出入射角度.多普勒方法利用目标与测向天线阵列的相 收稿日期：2022-04-30资助项目：国家自然基金面上项目(62271317)；上海市青年科技英才扬帆计划（20YF1447000）通信作者：曹岸杰 E-mail: 第 38 卷第 1 期电波科学学报Vol.38，No.12023 年 2 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEFebruary，2023 对运动关系来实现测向，通常这种运动关系由电子开关切换来实现.空间谱估计方法的显著优势是分辨率高，且能对抗多径信号；主要缺点是需要采用多个射频通道，系统复杂度与算法复杂度均较高.传统的测向方法大多采用两个或多个通道，不仅系统复杂、成本高，且通道之间的不一致性会引起测向误差，需要专门复杂的校准系统.时间调制阵列测向是近年来发展起来的新体制无线电测向方法，主要通过对接收信号的谐波特征进行分析，研究信号入射方向与时间调制阵列接收的谐波之间的数学关系，从而实现无线电测向.然而，典型应用中通常需要对宽频带范围内的信号进行测向.与相位干涉仪测向类似，在对大频程宽带信号进行测向时，现有时间调制阵列测向存在相位模糊问题.例如，文献4-5 提出的基于谐波特征分析的时间调制阵列测向方法，当阵元间距大于半波长时，会产生测向模糊问题.受阵元耦合限制，且为达到较高的测向精度，在进行测向时时间调制阵列的阵元间距不能选择得过小.因此，基于时间调制阵列的宽带信号测向也是该方法发展中所需解决的关键问题之一.另一方面，为克服测向模糊问题，现有相位干涉仪主要采用多基线，利用多组基线形成的相位差关系来实现对大频程信号的无模糊测向6-7.然而，现有多基线相位干涉仪主要采用多个射频通道8，其存在通道不一致性与系统复杂等问题.本文拟结合时间调制阵列测向的单射频通道特性，以及多基线相位干涉仪测向的宽频带特性，研究基于时间调制的单通道多基线相位干涉仪宽带测向方法.本文中所采用的方法与设计的天线结合，可以将工作带宽提升至 28 GHz，其适用带宽相较于一般的测向方法有了较大提升.1 算法分析 1.1 基于时间调制的单通道多基线相位测量FcN(xi,0),i=1,2,NTp基于时间调制的单通道多基线测向原理框图如图 1 所示.载频为的信号从远场以 方向入射到时间调制线阵上.个天线单元的位置分别为.利用单刀多掷开关周期性选通各个天线单元，由文献 9-10 知，经过周期为的调制后，单射频通道接收的信号为sr(t)=Nn=1Un(t)ej(2FctKxisin).（1）FcUn(t)n式中：K 为对应于载频的波数；为第 个天线单元上的周期选通函数，Un(t)=|1,n1NTp t nNTp0,其它.（2）Un(t)将用傅里叶级数展开为Un(t)=k=n,kej2kFpt.（3）Fp=1/Tpn,knk式中：为调制频率；为第 个天线单元上的第 次谐波上的傅里叶系数，n,k=1TpTp0Un(t)ej2kFptdt.（4）将式(2)和(3)代入式(1)中，可将接收信号重写为sr(t)=Nn=1k=n,kej(2(Fc+kFp)tKxisin).（5）FcFck/Tp0kk从式(5)可以看出，单刀多掷的输出信号中包含频率为的基波分量，以及频率为的谐波分量.设接收信号中包含的基波分量为，第 次谐波分量为，可建立如下的线性方程组：|1,02,0n,01,12,1n,1.1,N12,N1N,N1|ejKx1ejKx2.ejKxN|=|01.N|.（6）求解方程(6)，即可得到各种基线之间的相位差，从而实现单射频通道下的多基线相位测量.ADC信号处理板.天线单刀多掷开关接收通道图 1 基于时间调制的单通道多基线测向原理框图Fig.1 Principle block diagram of single channel multi-baseline DF based on time modulation 第 1 期赵自强，等：基于时间调制的单通道多基线相位干涉仪测向97 1.2 基于时间调制的单通道多基线解模糊测向多基线天线一般以长基线保证相位测量的精度，以短基线保证能正确解模糊.然而当波长太短时，受限于天线本身大小及相邻天线间的电磁耦合问题，天线的间距便不能达到正确解模糊的长度.此时可使用构造虚拟基线的方法来解决此问题，其思路为：构造多条间距不等且满足一定关系的基线，通过不同基线之间的差值来构造出更短的虚拟基线，从而满足短波长解模糊所需要的基线长度11.但此种方法也存在一个缺陷，即受到系统误差的影响较大.由于虚拟基线是通过两段基线相减得到，因此其系统误差会相应地增大为 2 倍.D设四天线相位干涉仪的相邻天线间距离分别记为 D1、D2、D3，构造虚拟基线长度记为 d1、d2、d3.其中 d1=D2 D1；d2=D3 D2；d3=d1+d2.当远场电磁波入射到天线阵列时，可近似认为是一组平行波.设其与天线轴线的夹角为，则一段长为的基线两端的天线接收到的相位差与 的关系为(2N+)=2Dsin.（7）2N+,N式中，是实际相位差，而鉴相器所给出的结果一般只能取的值，因此当基线较长时的取值信息会丢失，因此会导致测向模糊问题.要解决测向模糊问题，可以采用虚拟基线方法.虚拟基线解模糊的原理是将两条实际基线长度相减，可得(2Ni+i)=2Disin.（8）Ni=NiNji j i=ijDi=DiDj式中，；.N由文献 11 知，只要最短的一条虚拟基线的长度小于半个波长，则其所对应的即为 0.以此为基础，可由下列公式逐次解模糊：Nk=DkDk1(Nk1+k12)k2.（9）D1在传统的虚拟基线解模糊的过程中，一个重要的影响因素就是系统误差，由于虚拟基线是由两条实际基线相减得到，因而其误差值也会被放大为原来的 2 倍.而当误差值达到一定程度时，就无法保证由所得到的相位值小于，或是两条基线之间的误差之和超过一定限度，从而无法正确解模糊.由文献 2 知，对系统误差 的限制条件为(DiDi1i1i).（10）Di/Di1由式(10)可见，前一级的误差会被放大倍，对系统测量的精度要求更高.由文献 11-12 知，相位估计误差容限 与基