一种具有宽频段一致性的仿生测向方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信及雷达信号处理技术领域，特别是关于一种具有宽频段一致性的 仿生测向方法。
【背景技术】
[0002] 无线电测向技术的基本原理为根据天线阵元接收到的信号，对两路信号的相位差 进行估计，从而结合基线长度及信号频率，计算出信号的到达方向角。无线电测向技术不仅 在电子侦察、无线电频谱管理等传统应用领域发挥着重要的作用，同时也在室内定位、生命 救援等新兴场景取得了广泛的应用。测向精度主要取决于两方面因素，即相位差的估计精 度与相位差对不同到达方向角的灵敏度。相位差的估计精度由信噪比直接决定，相位差对 不同到达方向角的灵敏度往往与天线基线长度成正比，为保证测向的精度，在满足无模糊 测向条件下，基线长度一般要求较长。即使采用天线阵列，仍存在天线阵的频段划分范围 窄，阵元数量众多等问题，给高精度测向设备的小型化应用带来了困难。
[0003] 在美洲大陆上存在一种名为奥米亚棕蝇的寄生生物，其繁殖需要通过雌蝇在寄主 蟋蟀体内产卵完成，对合适寄主的探测和精确定位成为雌蝇繁殖过程的重要部分。奥米亚 棕蝇的两个耳鼓间距非常小，不足0. 5毫米。在如此小的耳鼓间距下，声波到达两耳鼓膜的 声强几乎相同，无法通过声音强度判别方位。并且，声波到达两侧耳膜之间时间差不到1.5 微秒，甚至小于生物听觉神经冲动的传导时间。但是在这个尺度下，奥米亚棕蝇对方位角测 向却可以达到1~2°的精度。奥米亚棕蝇这种高精度的声音测向能力得益于其双耳间的 机械耦合结构，该耦合结构可大幅度放大双耳接收声音的相位差，从而极大帮助了奥米亚 棕蝇对寄主叫声的方向判断。所以，以奥米亚棕蝇为代表的寄生蝇具有耦合结构的听觉器 官，可以对接收声音的相位差进行放大，提高相位差对不同到达方向角的灵敏度，从而提高 测向性能。近年来，仿生学研究领域的学者对奥米亚棕蝇的听觉结构进行解剖从而构建了 力学模型，并且设计了应用于声波的相位差放大器。2001年的《Nature》刊登了一篇美国康 奈尔大学Andrew C. Mason等人发表的文章，介绍了一种名为"奥米亚棕绳"的昆虫，这种昆 虫的听觉系统同时具备短基线和高精度测向两个特点，可以为解决传统干涉仪测向技术的 核心问题提供思路。在之前有部分学者对奥米亚棕蝇的生物结构进行过分析，Robert等人 分析了奥米亚棕蝇的生物学解剖结构，在显微镜下对奥米亚棕蝇的听觉器官进行观察，发 现了奥米亚棕蝇双耳鼓膜（PTM)间的机械耦合结构，称之为鼓膜膜间桥。该鼓膜膜间桥将 鼓膜的耳鼓窝（Tp)与中心枢突（Pivot)进行了连接，连接装置类似于柔性杠杆，称为胸骨 柄（Pr)。R.N. Miles根据Robert等人的生物解剖结构，在进行了大量机械振动学实验的基 础上，提出了奥米亚棕蝇听觉结构力学模型，并通过试验得出了力学模型的各项参数，并且 将力学模型响应分解为奇模响应与偶模响应进行研究，揭示了奥米亚棕蝇放大声音相位差 与振幅比的机理。国内的饶柱石等人根据R. N. Miles得出的力学模型参数，对奥米亚棕蝇 的力学模型进行了试验验证，并且对参数进行了微调，提高模型的适应性。
[0004] 当前，仿生相位差放大器主要应用于单频点信号，有相关研究进行了理论的分析 与实现。AryeNehorai等人对奥米亚棕绳的数学模型进行了构建，并进行了理论精度的推 导。Nader Behdad等人根据仿生耦合结构设计了一种耦合天线，利用电阻、电感及电容搭建 电路模拟奥米亚棕蝇的听觉器官进行实验，表明了相位差的放大作用，并且改变电路元器 件参数进行调整，分析元器件参数对相位差放大倍数的影响。但是，当前仿生相位差放大器 的设计所适应的频率较为单一，缺少一种宽工作频段的相位差放大器设计方法及电路参数 计算方法。国内外现有研究方法，包括奥米亚棕蝇在内的耦合结构均适用于窄带信号，为适 应目标频段需设计多套参数配合使用，实现上需要同时加载多套相位差放大硬件模块，这 与小型化、简单化的测向装备发展趋势背道而驰，尚无宽频段内相位差放大模型参数求解 方法。
【发明内容】
[0005] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效提高测向精度的具有宽频段一 致性的仿生测向方法。
[0006] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种具有宽频段一致性的仿生测向 方法，其特征在于包括以下内容：1)根据仿生耦合结构建立目标频段的目标函数，并对目 标函数进行参数优化求解得到符合约束条件的模型参数组合，具体过程为：1. 1)求解仿 生测向数学模型的系统函数；1. 2)根据系统函数求解谐振频率点，作为目标频段的起始、 截止频率，得到两个参数优化约束条件；1. 3)将系统函数相位响应函数相减得到输出相位 差，结合输入相位差得到相位差放大倍数，将相位差放大倍数的最大值作为第三个参数优 化约束条件；1.4)建立目标函数，通过调整模型参数，使得目标频段的边界点和相位差放 大倍数围成的参数联合优化区域面积达到最大值，得到符合约束条件的模型参数组合，实 现目标频段的参数联合优化；2)采用参数联合优化后的目标频段的仿生耦合结构，基于旋 转基线完成相位差测向，具体过程为：2. 1)计算相位差基准曲线和相位差曲线；2. 2)对相 位差曲线进行解相位模糊处理，获得相位差测量曲线；2. 3)根据相位差测量曲线与相位差 基准曲线估算入射信号方位角和俯仰角，完成测向。
[0007] 进一步，所述1. 2)的目标频段的起始、截止频率分别为：
[0010] 式中，m、c、k、c3为模型参数。
[0011] 进一步，所述1. 3)中的相位差放大倍数η :
[0013] 式中，ω为信号频率，m、c、k、c3为模型参数。
[0014] 进一步，所述2. 1)计算相位差基准曲线和相位差曲线的计算过程为：
[0015] y (nT) = g (nT) e1 θ, η = 0, 1, 2,...
[0016] 式中，T为信号采样时间间隔，g( ·)为Θ = 0°时的接收信号相位差曲线，即相 位差基准曲线；旋转天线接收到的信号相位差曲线表达式为：
[0017] z (nT) = g (arcsin (sin (nT) cos ( Φ ))) e1 θ, η = 0, 1, 2...
[0018] 式中，Φ为俯仰角。
[0019] 进一步，所述2. 3)估算入射信号方位角和俯仰角采用求相关函数的方法。
[0020] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在分析现有的无线电 测向技术以及奥米亚棕蝇对蟋蟀位置测向的基础上，采用仿生耦合结构实现基于仿生的旋 转基线测向，解决了现有技术中工作带宽较窄、频段与放大倍数不便调节的问题，有效提高 了测向的精度。2、本发明由于利用了仿生耦合结构的仿生原理，相较传统的无线电测向技 术来说，对宽频段内的参数进行联合优化，使得一套参数能够同时满足宽频段内一致的相 位差放大倍数，实现了宽工作频段的仿生耦合结构设计。本发明可以广泛应用于无线电测 向、频谱管理及电子侦察系统中。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明的仿生测向系统流程示意图；
[0022] 图2是奥米亚棕蝇听觉器官力学模型示意图；
[0023] 图3是本发明输出振幅比与相位差曲线图，其中，图（a)为耦合结构的输入声波相 位与相位差，图（b)为经过仿生耦合结构后的输出声波振幅比，图（c)为经过仿生耦合结构 后的输出声波相位差；
[0024] 图4是本发明的仿生耦合结构在实际应用中的框图表示；
[0025] 图5是本发明的俯仰角、方位角定义的示意图；
[0026] 图6是本发明实施例的30MHz~100MHz参数联合优化示意图；
[0027] 图7是本发明基线旋转产生的相位差曲线示意图，横坐标表示基线旋转角度，纵 坐标表示相位差；
[0028] 图8是本发明不同信噪比下的仿生测向方位角精度；
[0029] 图9是本发明不同信噪比下的旋转干涉仪测向方位角精度。
【具体实施方式】
[0030] 以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更 好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
[0031] 如图1所示，本发明的具有宽频段一致性的仿生测向方法，包括两方面内容：
[0032] 1、根据仿生耦合结构建立目标频段的目标函数，并对目标函数进行参数优化求解 得到符合约束条件的模型参数组合，实现目标频段的参数联合优化，包括以下步骤：
[0033] 1)求解仿生测向数学模型的系统函数。
[0034] 如图2所示将奥米亚棕蝇听觉器官抽象为力学模型，该力学模型由三部分组成， 每部分都包括一根弹簧和一个阻尼器。以声场在双耳鼓膜①和②处的点作用力作为模型的 输入，鼓膜①和②受激励后产生的位移作为力学模型的输出，其中，kp k2、k3为三个弹簧振 子的弹力系数，Cl、c2、c3为三个阻尼器的阻尼系数，m为鼓膜质量，由于奥米亚棕蝇的两耳 结构是对称的，因此这里ki= k2= k，c c 2= c。根据牛顿第二定律，可以列写鼓膜的运 动方程，如下所示：
[0036] 式中，Xl(t，Δ)和知⑴Δ)为输入，71和7 2为输出，Δ为输入信号的到达时间差。
[0037] 将上述微分方程组两边进行Laplace变换，求得系统的传递函数：
[0039] 式中以⑷為⑷"⑷^⑷由模型参数构成^体表示如下：
[0044] 令Xds) = 1，X2(s) = e sA，可以得到仿生测向数学模型两个系统函数分别为：
[0047] 式中，s = j ω，Δ为两路信号的到达时间差。
[0048] 根据得到的仿生测向数学模型的两个系统函数，可以求出两路输入信号经仿生耦 合结构后输出信号的幅频特性与相频特性，下面以奥米亚棕蝇声学测向系统参数为例进行 分析，如图3所示，当奥米亚棕蝇双耳间引入耦合结构时，代入奥米亚棕蝇听觉器官力学模 型的参数，计算出奥米亚棕蝇双耳鼓膜位移的振幅比与相位差，从图3中可以看到当引入 耦合结构后，声波经耦合结构后作用于奥米亚棕蝇双耳鼓膜上位移的振幅比与相位差均变 大，充分验证了仿生耦合结构的原理有效性。
[0049] 2)根据系统函数求解谐振频率点，作为目标频段的起始、截止频率，得到两个参数 优化约束条件，具体为：
[0050] 令P(s) = Di (s)D2(s)_N2(s) = 0,方程的根即为系统