基于奧米亞棕蠅的測(cè)向天線陣列研究

胡佳偉，侯艷麗

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081；2.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050018）

基于奧米亞棕蠅的測(cè)向天線陣列研究

胡佳偉1，侯艷麗2

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081；
2.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050018）

目前的測(cè)向技術(shù)主要是采用天線陣列來(lái)接收信號(hào)，通過(guò)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行后處理從而對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)測(cè)向。為了保證測(cè)向精度，天線陣元間需保持較大的間距，使得測(cè)向系統(tǒng)尺寸較大、集成度較低。奧米亞棕蠅（Ormia ochracea）聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)尺寸微小，能通過(guò)其雙耳的耦合構(gòu)造對(duì)微小的差異進(jìn)行有效的放大進(jìn)而實(shí)現(xiàn)寄主聲源定位。將奧米亞棕蠅聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的耦合結(jié)構(gòu)引入到常規(guī)的測(cè)向天線陣，以便在天線間距很小時(shí)，放大天線接收信號(hào)的相位差，實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)向。設(shè)計(jì)適合的耦合網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置合理的參數(shù)，對(duì)不同頻率、不同角度的入射波進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，這種基于外部耦合網(wǎng)絡(luò)的天線陣列在天線間距較小時(shí)能實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)相位差的放大，驗(yàn)證了耦合網(wǎng)絡(luò)的有效性。與傳統(tǒng)的測(cè)向陣列相比，該測(cè)向結(jié)構(gòu)具有微型化和集成化的特點(diǎn)。

天線陣列；測(cè)向；定位；奧米亞棕蠅

0 引言

無(wú)線電測(cè)向是依據(jù)電磁波的傳播特性，利用無(wú)線電測(cè)量設(shè)備確定正在工作的無(wú)線電通信發(fā)射臺(tái)（輻射源）方位的過(guò)程。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)線電測(cè)向無(wú)論在軍事領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用；與此同時(shí)，在測(cè)向速度、測(cè)向精度、體積、重量等方面對(duì)測(cè)向系統(tǒng)提出了更高的要求。相位干涉儀測(cè)向是目前廣泛應(yīng)用的一種測(cè)向體制，它具有測(cè)向精度高、測(cè)向速度快等優(yōu)點(diǎn)［1－4］。相位干涉儀測(cè)向是利用測(cè)向天線陣元之間接收信號(hào)的相位差來(lái)計(jì)算來(lái)波方位的，其中測(cè)向天線陣是影響測(cè)向精度和測(cè)角范圍的重要因素。增加基線長(zhǎng)度能有效地提高相位干涉儀的測(cè)向精度［5－7］，這無(wú)疑將增大測(cè)向系統(tǒng)的體積，限制了其應(yīng)用范圍。

1 奧米亞棕蠅聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的電路模型

在自然界，一般動(dòng)物是利用聲音到達(dá)雙耳時(shí)由于聲程差所造成的強(qiáng)度和時(shí)間上的差異來(lái)判斷聲源的方位的。對(duì)于人類和較大型的動(dòng)物，與聲源發(fā)出的聲波波長(zhǎng)相比，其雙耳間距足夠大使中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)上述差異進(jìn)行反應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源的定位。但對(duì)于體長(zhǎng)1 cm、兩耳間距僅為500μm的奧米亞棕蠅來(lái)說(shuō)，雙耳接收到的聲音信號(hào)強(qiáng)度基本相等、時(shí)間差是極微小的，那么它的中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)這種及其微小的差異如不能做出反應(yīng)，也就是無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位。但實(shí)際上，奧米亞棕蠅能很快調(diào)整方向以正對(duì)蟋蟀（奧米亞棕蠅的寄主，其發(fā)出聲音的波長(zhǎng)為7.35 cm，約為奧米亞棕蠅兩耳間距的15倍），甚至能察覺(jué)2°的變化［8］。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，奧米亞棕蠅的兩耳膜間由一橫隔膜連接，聲波在傳至耳鼓時(shí)這隔膜也會(huì)振動(dòng)，使耳膜產(chǎn)生不同步地前后振動(dòng)，使奧米亞棕蠅身體兩側(cè)的聲壓相互作用而產(chǎn)生凈壓，凈壓導(dǎo)致離聲源較遠(yuǎn)的那只耳朵產(chǎn)生較小的反應(yīng)，而離聲源較近的那只耳朵產(chǎn)生較大的反應(yīng)，其神經(jīng)系統(tǒng)將計(jì)算兩耳的壓力差，從而實(shí)現(xiàn)聲源定位［9］。由此可見(jiàn)，奧米亞棕蠅能有效地進(jìn)行聲源定位要?dú)w功于它的耦合聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)具有將微小差異進(jìn)行放大的有效機(jī)制。

Miles等構(gòu)建了奧米亞棕蠅聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)械模型［10］，如圖1所示。

圖1 奧米亞棕蠅聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)械模型

該模型將奧米亞棕蠅的兩耳看成由兩段鋼梁連接的2個(gè)接收器，每個(gè)接收器由集中質(zhì)量、彈簧和阻尼構(gòu)成，分別為（m1、k1、c1）和（m2、k2、c2），兩段鋼梁利用彈簧k3和阻尼c3進(jìn)行連接、實(shí)現(xiàn)耦合。假設(shè)兩耳接收到的聲壓信號(hào)分別為f1（t）和f2（t），不考慮兩段鋼梁的作用、僅考慮外部信號(hào)對(duì)兩接收器的作用和兩接收器間的耦合作用，則根據(jù)牛頓第二定律，得到系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為：

將式（1）展開(kāi)得：

方程組（2）中的2個(gè)方程在形式上是完全一樣的，因此下面只分析第一個(gè)方程。令m1＝L1、m2＝第一個(gè)方程變?yōu)椋?/p>

將式（3）乘以C1，并令f1C1＝v1、x1＝u1、x2＝u2，得：

同理第2個(gè)方程可變?yōu)椋?/p>

令C1＝C2＝C，得到微分方程組：

可以看出，該微分方程組是描述圖2所示二階電路的2個(gè)環(huán)路方程，u1和u2是兩環(huán)路中電容的電壓，

圖1中的機(jī)械模型與圖2中的電路具有相同的數(shù)學(xué)描述，因此可以把圖2看成是奧米亞棕蠅耦合聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的電路模型［11］。其中，v1（ω，θ）和v2（ω，θ）是奧米亞棕蠅兩耳朵接收到的隨入射角和入射波頻率變化的聲壓信號(hào)，該耦合網(wǎng)絡(luò)的輸出為兩支路電流i1（ω，θ）和i2（ω，θ）。

圖2 奧米亞棕蠅聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的電路模型

2 基于奧米亞棕蠅的測(cè)向天線陣列

這里研究測(cè)向天線陣最簡(jiǎn)單的情況：僅有2個(gè)天線陣元，當(dāng)陣元數(shù)增加時(shí)，情況是類似的。系統(tǒng)模型如圖3所示，天線間距（也叫基線長(zhǎng)度）為d的天線陣接收入射角為θ、波長(zhǎng)為λ的入射波，兩陣元的接收信號(hào)分別是v1和v2。

兩天線接收信號(hào)的相位差φ為：

將上式兩邊求導(dǎo)得：

從而求得：

由式（9）可知，增加基線長(zhǎng)度d可提高測(cè)向精度，為使系統(tǒng)小型化，不便增加d，由式（7）求出d并代入式（9）得到：

由式（10）可知，不增加基線長(zhǎng)度d，增加相位差φ同樣可提高測(cè)向精度。

圖3 基于耦合結(jié)構(gòu)的測(cè)向天線陣

天線接收相位差φ就是耦合網(wǎng)絡(luò)的輸入φin（θ），為保證測(cè)向系統(tǒng)的小型化，令d＜＜λ，因此|v1|＝|v2|，二者的相位差∠v1－∠v2＝φin（θ）很小，無(wú)法保證測(cè)向精度，為此將接收到的信號(hào)送入圖3電路模型所示的耦合網(wǎng)絡(luò)，得到輸出信號(hào)i1（或r1＝i1R1）和i2（r2＝i2R2），二者的相位差∠i1－∠i2＝φout（θ）。如果得到的φout（θ）較大，那就經(jīng)過(guò)相應(yīng)測(cè)向算法的處理便可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)向。

此時(shí)由于d＜＜λ，因此要考慮天線間的耦合作用，因此在圖3的模型中的兩支路上分別加入受控電壓源g1v2和g2v1。

3 仿真結(jié)果與分析

已知當(dāng)滿足d＜＜λ時(shí)，v1和v2的幅度相等，相差為φin（θ），因此不妨設(shè)：

設(shè)入射波的頻率為300 MHz，基線長(zhǎng)度d＝0.01 m，受控電壓源的系數(shù)g1＝g2＝0.05，為了得到理想的輸出，需合理設(shè)置耦合網(wǎng)絡(luò)中各元件的參數(shù)。各參數(shù)均按標(biāo)準(zhǔn)單位計(jì)算，參考文獻(xiàn)［12］中的設(shè)置，m1＝m2＝2.88×10－10，k1＝k2＝0.576，k3＝5.18，c1＝c2＝1.15×10－5，c3＝2.88×10－5。這里m與L、c與R、k與1/C相對(duì)應(yīng)，通過(guò)仿真得到的結(jié)果再對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終R1＝R2＝0.5Ω、R3＝20Ω、L1＝L2＝5×10－11H、C1＝C2＝1×10－5C、C3＝2×10－5C。在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行仿真，得到的隨入射角θ變化的φin（θ）和曲線如圖4所示。

圖4 天線陣接收信號(hào)相位差隨入射波角度的變化曲線

由圖4可以看出，在天線間距僅為入射波波長(zhǎng)1％時(shí)，當(dāng)入射角θ在［0 90°］變化時(shí)，天線接收信號(hào)的相位差φin（θ）很小，最大也不超過(guò)10°；而經(jīng)耦合網(wǎng)絡(luò)后輸出的相位差隨著θ單調(diào)非線性遞增，驗(yàn)證了圖2耦合網(wǎng)絡(luò)的有效性。式（10）表明相對(duì)于φin（θ）的放大倍數(shù)體現(xiàn)了測(cè)向精度的提高程度，因此基于奧米亞棕蠅的測(cè)向天線陣在實(shí)現(xiàn)測(cè)向設(shè)備微型化的同時(shí)保證了測(cè)向精度。

對(duì)于一個(gè)測(cè)向系統(tǒng)，它的基線長(zhǎng)度是固定的，應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)較寬頻率范圍的輻射源測(cè)向。下面針對(duì)不同的入射頻率，檢測(cè)文中的基于耦合結(jié)構(gòu)的測(cè)向天線陣的魯棒性。入射頻率分別取50 MHz、100 MHz、500 MHz和1 000 MHz，其他參數(shù)不變。

仿真結(jié)果如圖5所示，可以看出，對(duì)于不同的入射波頻率，該耦合結(jié)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)相位差的放大，從而可以在基線長(zhǎng)度很小（文中為1 cm）的情況下實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)向，說(shuō)明了基于耦合結(jié)構(gòu)的測(cè)向天線陣的魯棒性。

Research on Antenna Array for Direction Finding Based on Orm ia Ochracea

HU Jia－wei1，HOU Yan－li2
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei050081，China；
2.Institute of Information Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei050018，China）

Current directional finding technology focuses mainly on post－processing the received signals by the antenna array.In general，tomake every antenna independentand produce nomutual coupling and to achieve high direction finding accuracy，large space between antennas has to be kept，which leads to direction finding system larger and with lower integration.The auditory system of Ormia ochracea is very tiny，and its two ears with coupling structure can amplify effectively the tiny difference to locate their hosts.In this paper，the coupling auditory system structure of Ormia Ochracea is introduced into the conventional direction finding antenna array，in order to amplify the received phase difference to complete direction finding accurately with small antenna spacing.The suitable coupling network is designed and appropriate parameters are set，and then the simulation is implemented with different frequencies and different angles of incidentwaves.The simulation results show that the direction finding antenna array based on external coupling network can amplify the phase difference of the received signals with small antenna spacing，which proves the coupling network effective.Compared with the traditional direction finding array，the proposed direction finding antenna array has the characteristics of miniaturization and integration.

antenna array；direction finding；positioning；Ormia ochracea

TN929.5

A

1003－3114（2015）04－74－3

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.04.19

胡佳偉，侯艷麗.基于奧米亞棕蠅的測(cè)向天線陣列研究［J］.無(wú)線電通信技術(shù)，2015，41（4）：74－76，107.

2015－02－03

胡佳偉（1981—），男，工程師，主要研究方向：無(wú)線通信。侯艷麗（1981—），女，博士，主要研究方向：無(wú)線通信。