基于奥米亚棕蝇的测向天线阵列研究

胡佳伟，侯艳丽

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081；2.河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄050018）

基于奥米亚棕蝇的测向天线阵列研究

胡佳伟1，侯艳丽2

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081；
2.河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄050018）

目前的测向技术主要是采用天线阵列来接收信号，通过对接收到的信号进行后处理从而对目标实现测向。为了保证测向精度，天线阵元间需保持较大的间距，使得测向系统尺寸较大、集成度较低。奥米亚棕蝇（Ormia ochracea）听觉系统尺寸微小，能通过其双耳的耦合构造对微小的差异进行有效的放大进而实现寄主声源定位。将奥米亚棕蝇听觉系统的耦合结构引入到常规的测向天线阵，以便在天线间距很小时，放大天线接收信号的相位差，实现高精度的测向。设计适合的耦合网络，设置合理的参数，对不同频率、不同角度的入射波进行仿真，仿真结果表明，这种基于外部耦合网络的天线阵列在天线间距较小时能实现接收信号相位差的放大，验证了耦合网络的有效性。与传统的测向阵列相比，该测向结构具有微型化和集成化的特点。

天线阵列；测向；定位；奥米亚棕蝇

0 引言

无线电测向是依据电磁波的传播特性，利用无线电测量设备确定正在工作的无线电通信发射台（辐射源）方位的过程。随着科学技术的迅速发展，无线电测向无论在军事领域还是民用领域都得到了广泛的应用；与此同时，在测向速度、测向精度、体积、重量等方面对测向系统提出了更高的要求。相位干涉仪测向是目前广泛应用的一种测向体制，它具有测向精度高、测向速度快等优点［1－4］。相位干涉仪测向是利用测向天线阵元之间接收信号的相位差来计算来波方位的，其中测向天线阵是影响测向精度和测角范围的重要因素。增加基线长度能有效地提高相位干涉仪的测向精度［5－7］，这无疑将增大测向系统的体积，限制了其应用范围。

1 奥米亚棕蝇听觉系统的电路模型

在自然界，一般动物是利用声音到达双耳时由于声程差所造成的强度和时间上的差异来判断声源的方位的。对于人类和较大型的动物，与声源发出的声波波长相比，其双耳间距足够大使中枢神经系统对上述差异进行反应从而实现对声源的定位。但对于体长1 cm、两耳间距仅为500μm的奥米亚棕蝇来说，双耳接收到的声音信号强度基本相等、时间差是极微小的，那么它的中枢神经系统对这种及其微小的差异如不能做出反应，也就是无法实现定位。但实际上，奥米亚棕蝇能很快调整方向以正对蟋蟀（奥米亚棕蝇的寄主，其发出声音的波长为7.35 cm，约为奥米亚棕蝇两耳间距的15倍），甚至能察觉2°的变化［8］。经研究发现，奥米亚棕蝇的两耳膜间由一横隔膜连接，声波在传至耳鼓时这隔膜也会振动，使耳膜产生不同步地前后振动，使奥米亚棕蝇身体两侧的声压相互作用而产生净压，净压导致离声源较远的那只耳朵产生较小的反应，而离声源较近的那只耳朵产生较大的反应，其神经系统将计算两耳的压力差，从而实现声源定位［9］。由此可见，奥米亚棕蝇能有效地进行声源定位要归功于它的耦合听觉系统具有将微小差异进行放大的有效机制。

Miles等构建了奥米亚棕蝇听觉系统的机械模型［10］，如图1所示。

图1 奥米亚棕蝇听觉系统的机械模型

该模型将奥米亚棕蝇的两耳看成由两段钢梁连接的2个接收器，每个接收器由集中质量、弹簧和阻尼构成，分别为（m1、k1、c1）和（m2、k2、c2），两段钢梁利用弹簧k3和阻尼c3进行连接、实现耦合。假设两耳接收到的声压信号分别为f1（t）和f2（t），不考虑两段钢梁的作用、仅考虑外部信号对两接收器的作用和两接收器间的耦合作用，则根据牛顿第二定律，得到系统的运动方程为：

将式（1）展开得：

方程组（2）中的2个方程在形式上是完全一样的，因此下面只分析第一个方程。令m1＝L1、m2＝第一个方程变为：

将式（3）乘以C1，并令f1C1＝v1、x1＝u1、x2＝u2，得：

同理第2个方程可变为：

令C1＝C2＝C，得到微分方程组：

可以看出，该微分方程组是描述图2所示二阶电路的2个环路方程，u1和u2是两环路中电容的电压，

图1中的机械模型与图2中的电路具有相同的数学描述，因此可以把图2看成是奥米亚棕蝇耦合听觉系统的电路模型［11］。其中，v1（ω，θ）和v2（ω，θ）是奥米亚棕蝇两耳朵接收到的随入射角和入射波频率变化的声压信号，该耦合网络的输出为两支路电流i1（ω，θ）和i2（ω，θ）。

图2 奥米亚棕蝇听觉系统的电路模型

2 基于奥米亚棕蝇的测向天线阵列

这里研究测向天线阵最简单的情况：仅有2个天线阵元，当阵元数增加时，情况是类似的。系统模型如图3所示，天线间距（也叫基线长度）为d的天线阵接收入射角为θ、波长为λ的入射波，两阵元的接收信号分别是v1和v2。

两天线接收信号的相位差φ为：

将上式两边求导得：

从而求得：

由式（9）可知，增加基线长度d可提高测向精度，为使系统小型化，不便增加d，由式（7）求出d并代入式（9）得到：

由式（10）可知，不增加基线长度d，增加相位差φ同样可提高测向精度。

图3 基于耦合结构的测向天线阵

天线接收相位差φ就是耦合网络的输入φin（θ），为保证测向系统的小型化，令d＜＜λ，因此|v1|＝|v2|，二者的相位差∠v1－∠v2＝φin（θ）很小，无法保证测向精度，为此将接收到的信号送入图3电路模型所示的耦合网络，得到输出信号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）较大，那就经过相应测向算法的处理便可实现高精度测向。

此时由于d＜＜λ，因此要考虑天线间的耦合作用，因此在图3的模型中的两支路上分别加入受控电压源g1v2和g2v1。

3 仿真结果与分析

已知当满足d＜＜λ时，v1和v2的幅度相等，相差为φin（θ），因此不妨设：

设入射波的频率为300 MHz，基线长度d＝0.01 m，受控电压源的系数g1＝g2＝0.05，为了得到理想的输出，需合理设置耦合网络中各元件的参数。各参数均按标准单位计算，参考文献［12］中的设置，m1＝m2＝2.88×10－10，k1＝k2＝0.576，k3＝5.18，c1＝c2＝1.15×10－5，c3＝2.88×10－5。这里m与L、c与R、k与1/C相对应，通过仿真得到的结果再对参数进行调整，最终R1＝R2＝0.5Ω、R3＝20Ω、L1＝L2＝5×10－11H、C1＝C2＝1×10－5C、C3＝2×10－5C。在MATLAB环境下进行仿真，得到的随入射角θ变化的φin（θ）和曲线如图4所示。

图4 天线阵接收信号相位差随入射波角度的变化曲线

由图4可以看出，在天线间距仅为入射波波长1％时，当入射角θ在［0 90°］变化时，天线接收信号的相位差φin（θ）很小，最大也不超过10°；而经耦合网络后输出的相位差随着θ单调非线性递增，验证了图2耦合网络的有效性。式（10）表明相对于φin（θ）的放大倍数体现了测向精度的提高程度，因此基于奥米亚棕蝇的测向天线阵在实现测向设备微型化的同时保证了测向精度。

对于一个测向系统，它的基线长度是固定的，应尽可能实现较宽频率范围的辐射源测向。下面针对不同的入射频率，检测文中的基于耦合结构的测向天线阵的鲁棒性。入射频率分别取50 MHz、100 MHz、500 MHz和1 000 MHz，其他参数不变。

仿真结果如图5所示，可以看出，对于不同的入射波频率，该耦合结构均可实现接收信号相位差的放大，从而可以在基线长度很小（文中为1 cm）的情况下实现高精度测向，说明了基于耦合结构的测向天线阵的鲁棒性。

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

胡佳伟，侯艳丽.基于奥米亚棕蝇的测向天线阵列研究［J］.无线电通信技术，2015，41（4）：74－76，107.

2015－02－03

胡佳伟（1981—），男，工程师，主要研究方向：无线通信。侯艳丽（1981—），女，博士，主要研究方向：无线通信。