CN100495068C - 单脉冲多目标跟踪方法与系统 - Google Patents

Abstract

一种基于天线阵和数据处理的多目标单脉冲跟踪方法与系统(见附图)。在视频终端用数据处理的办法形成“数字单脉冲和—差波束”，产生角误差信息。根据角误差信息改变数字单脉冲波束的权系数来移动波束跟踪目标。用该方法组成的数字单脉冲跟踪系统具有同时跟踪多目标的能力。数字单脉冲波束形成软件模块可叠加使用，需跟踪多少目标就叠加多少软件模块。

Description

单脉冲多目标跟踪方法与系统

技术领域  无线电定向与精密角跟踪

背景技术

目前对目标的精密角跟踪主要采用单脉冲跟踪方法。单脉冲跟踪系统的跟踪精度可达0.1密位，目前还没有一种跟踪技术的跟踪精度超过单脉冲跟踪。

现有国内单脉冲跟踪系统是在天线射频处理，用复杂的微波单脉冲馈源形成单脉冲和—差波束，产生角误差信息，并靠伺服系统驱动转台，机械移动天线来跟踪目标，缺点有：不能对多目标进行跟踪；有复杂昂贵的机电伺服系统；硬件研制生产难度大；体积重量功耗大，维护复杂等问题。

国外的精密角跟踪系统也主要是单脉冲跟踪系统。美国导弹靶场测量雷达的角跟踪精度达0.1密位，是申请者知的精度最高的地面跟踪系统。美国新一代跟踪与数据中继卫星系统ATDRSS(Advanced Tracking & Data Relay Satellet System)中的KSA(Ka-band SingleAccess)链路也是采用单脉冲跟踪系统，跟踪精度达1密位，是申请者知的精度最高的空间跟踪系统。这两种跟踪系统都是在射频段形成和差波束并带有复杂的伺服驱动子系统。

发明内容

本发明提出了一种基于天线阵和数据处理的单脉冲多目标跟踪方法与系统。它是在基带用数据处理的办法形成“数字单脉冲和—差波束”(以下简称数字单脉冲波束)，产生角误差信息。根据角误差信息改变数字单脉冲波束的权系数来移动波束，跟踪目标。阵因子决定整个天线阵波束宽度和增益，单元天线决定静止天线阵可能的跟踪范围和增益。

本发明具有同时多目标跟踪能力。需要跟踪多少个目标，就在终端叠加多少个数字单脉冲波束形成模块，每一模块根据自己产生的角误差信息，调整数字单脉冲波束形成的权系数，跟踪自己的目标。本申请中的数字单脉冲波束形成模块由廉价的DSP集成电路实现，基本上无数量限制。

附图说明

附图1为本发明申请的基于天线阵和数据处理的单脉冲跟踪系统图。图中，1是阵元1；2是阵元2；3是阵元N；4、5、6是收发开关；7、8、9是低频噪声放大器；10、11、12是收端混频器；13是接端收本地振荡器；14、15、16是中频放大器；17、18、19是数字下变频器；20是数控振荡器；21是方位差波束形成软件模块；22是右波束；23是左波束；24、29是减法器；25是方位差；26是俯仰差波束形成软件模块；27是上波束；28是下波束；30是俯仰差；31是接收和波束形成软件模块；32是和波束信号输出；33是和波束权系数；34是发射波形；35是发射波束形成软件模块；36、37、38是发端混频器；39是发端本地振荡器；40、41、42是功率放大器；43是外置发射子阵阵元权值。

附图2为测控站与卫星的基本几何关系。平面xoy为面阵天线所在平面。点o为面阵天线的相位中心。M为被测控卫星。(M)为M在平面xoy上的投影。(π/2—θ)和φ分别为面阵观测卫星的俯仰角和方位角。

附图3为二维等距分布的方阵列。

阵元(n，m)的坐标为(x_n＝nl，y_n＝ml)。

阵元(n，m)的加权因子：W(nl，ml)＝w(nl，ml)exp[j(αnl+βml)]。其中w(nl，ml)为振幅加权因子，用于调整阵因子方向图的旁瓣，若对旁瓣无特别要求可令w(nl，ml)＝1。

方阵阵因子方向图

为：

为使

对准方向(

，Φ)，应使 $\mathrm{\α}=-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\Θ}\cos \mathrm{\Φ},$ $\mathrm{\β}=-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\Θ}\sin \mathrm{\Φ}.$

整个阵因子方向图的指向，可简单改变权系数α，β确定。视频终端的处理模块可并行设置多个，形成标准的5波束单脉冲系统(一个和波束，两个方位差波束，两个俯仰差波束)。这种标准的5波束单脉冲处理模块又可设置多个，从而实现多目标单脉冲跟踪系统。

附图4为二维均匀分布的园阵。

阵元n的坐标为(x_n，y_n)或(Rcosφ_n，Rsinφ_n)

阵元n的加权因子：W_n＝w_nexp(jα_n)。

园阵阵因子方向图为：

为使

对准方向(

，Φ)，应使 ${\mathrm{\α}}_n=-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}R\sin \mathrm{\Θ}\cos ({\mathrm{\φ}}_n-\mathrm{\Φ});$ (for all n)

附图5为本实施实例的运算结果动态显示图(此图可在Mathcad软件支持下动态显示)。

具体实施方式

单脉冲跟踪可分为：“无源单脉冲跟踪”，这时目标发射电磁波。单脉冲跟踪系统不发射，只跟踪和接收目标发射的电磁波；“有源单脉冲跟踪”，这时单脉冲跟踪系统发射电磁波照亮目标，并跟踪和接收目标反射的电磁波信号。

对无源单脉冲跟踪系统，接收时需同时形成5波束：一个接收和波束；两个在方位上，与和波束左右对称偏置的方位差波束；两个在俯仰上，与和波束上下对称偏置的俯仰差波束。这5波束是并行运算同时产生的。对有源单脉冲跟踪系统，除5个接收波束外还要形成发射波束。算法具体实施方式如下：

1、接收和波束形成软件模块的算法流程：流程结果产生接收和波束。

为使

对准方向(

，Φ)，应使 $\mathrm{\α}=-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\Θ}\cos \mathrm{\Φ},$ $\mathrm{\β}=-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\Θ}\sin \mathrm{\Φ}$

2、方位差波束形成软件模块的算法流程：流程结果产生两个方位差波束和方位差信号。

式中 ${\mathrm{\α}}_L=-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\Θ}\cos (\mathrm{\Φ}-\mathrm{\Δ\Φ});$ ${\mathrm{\β}}_L=-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\Θ}\sin (\mathrm{\Φ}-\mathrm{\Δ\Φ}).$ ΔΦ为方位差波束偏置量，实际中在和波束宽度左右实验调整。

式中 ${\mathrm{\α}}_R=-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\Θ}\cos (\mathrm{\Φ}+\mathrm{\Δ\Φ});$ ${\mathrm{\β}}_R=-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\Θ}\sin (\mathrm{\Φ}+\mathrm{\Δ\Φ}).$

方位差信号为：

若Δ_AZ>0，则增加α和β中的Φ值，从而改变α和β，使整个单脉冲波束向Φ大的方向移动。若Δ_AZ<0，则减少α和β中的Φ值，从而改变α和β，使整个单脉冲波束向Φ小的方向移动。

3、俯仰差波束形成软件模块的算法流程：流程结果产生两个俯仰差波束和俯仰差信号。

式中 ${\mathrm{\&alpha;}}_U=-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sin (\mathrm{\&Theta;}-\mathrm{\&Delta;\&Theta;})\cos \mathrm{\&Phi;};$ ${\mathrm{\&beta;}}_U=-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sin (\mathrm{\&Theta;}-\mathrm{\&Delta;\&Theta;})\sin \mathrm{\&Phi;}.$ Δ

为俯仰差波束偏置量，实际中在和波束宽度左右实验调整。

式中； ${\mathrm{\&alpha;}}_D=-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sin (\mathrm{\&Theta;}+\mathrm{\&Delta;\&Theta;})\cos \mathrm{\&Phi;};$ ${\mathrm{\&beta;}}_D=-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sin (\mathrm{\&Theta;}+\mathrm{\&Delta;\&Theta;})\sin \mathrm{\&Phi;}.$

俯仰差信号为：

若Δ_EL>0，则减少α和β中的

值，从而改变α和β，使整个单脉冲波束向

小的方向移动。若Δ_EL<0，则增加α和β中的

值，从而改变α和β，使整个单脉冲波束向

大的方向移动。

4、有源单脉冲跟踪系统的发射波束形成软件模块的算法流程：流程结果产生发射波束。

当跟踪单目标时，发射波束的方向图及其指向与接收和波束完全一样。可用形成接收和波束时各阵元的加权值来形成发射波束。发射波形信号对各阵元是相同的，可从附图1的34处输入。当跟踪多目标时，可用面阵的部分阵元形成一个“子阵”。子阵小(可小到一个阵元)形成的波束宽。根据实际需要与可能，合理设计子阵与阵元，使发射波束覆盖被跟踪多目标。若子阵是面阵中心对称的一部分，则子阵阵元的加权值可取形成中心目标的接收和波束时对应阵元的加权值来形成发射波束。当然也可按预定照射范围，事先设定子阵阵元加权值。

数字单脉冲跟踪软件实施实例：由于三维图像不便显示和表达定性定量关系，不失一般性，以二维平面上多目标的单脉冲跟踪为实例(见附图5)。设有一升空平台对远方多个带信标的飞行器进行测控。升空平台与飞行器在同一高度。升空平台跟踪飞行器的俯仰角(π/2—θ)＝0，只需在方位上跟踪。飞行器数目为2(增加飞行器数只需在软件中增加相同的跟踪算法程序模块)。测控频率f＝3GHz，λ＝30/f(GHz)(Cm)；面阵为园阵，园阵直径D＝2λ；园阵的圆周上均匀分布N＝16个阵元天线；阵元天线方向图F(θ，φ)＝1，为全向。用Mathcad计算软件实施数字单脉冲跟踪。由于Mathcad软件是公知、通用的，其计算程序就是普通数学公式，业内人士容易理解。另外Mathcad的运算结果可动态、真实显示出来。

Mathcad的程序如下，仿真结果如附图5所示：

  f：＝3GHz  

  o：＝10^-5   Δθ：＝1  deg

Δφ：＝1deg  θ：＝90  i：＝0..180  θ_i：＝i·Δθdeg  ii：＝0..360 φ_ii：＝ii·Δφdeg

Θ：＝90 Az：＝FRAME  Az1：＝-FRAME+60  F(θ，φ)：＝1  N：＝16  R：＝λ

n：＝0..(N-1)

 

Δ(y)：＝V1(y，θ，Az)-V2(y，θ，Az)

Δ(y1)：＝V11(y1，θ，Az1)-V21(y1，θ，Az1)

v1_ii：＝|V1(y，θ，φ_ii)|  v2_ii：＝|V2(y，θ，φ_ii)|  v3_ii：＝|V3(y，θ，φ_ii)|  T：＝19

v11_ii：＝|V11(y1，θ，φ_ii)|  v21_ii：＝|V21(y1，θ，φ_ii)|v  31_ii：＝|V31(y1，θ，φ_ii)|  T1：＝19

Claims (1)

1、一种基于天线阵和数据处理的单脉冲多目标跟踪方法，其特征在于：采用面阵天线，在视频终端对阵元天线信号进行数据处理，形成“数字单脉冲和—差波束”，同时形成5波束：一个和波束，两个与和波束左右对称偏置的方位差波束，两个与和波束上下对称偏置的俯仰差波束；设单脉冲波束指向为方位角Φ，俯仰角(90°-Θ)，跟踪目标时，两个方位差波束相减形成方位差信号Δ_AZ，当Δ_AZ>0，则增加阵元加权因子中的 $\mathrm{\&alpha;}=-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sin \mathrm{\&Theta;}\cos \mathrm{\&Phi;}$ 和 $\mathrm{\&beta;}=-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sin \mathrm{\&Theta;}\sin \mathrm{\&Phi;}$ 的Φ值，从而改变所述α和β，使整个单脉冲波束向Φ大的方向移动，当Δ_AZ<0，则减少所述α和β中的Φ值，从而改变所述α和β，使整个单脉冲波束向Φ小的方向移动；两个俯仰差波束相减形成俯仰差信号Δ_EL，当Δ_EL>0，则减少所述α和β中的Θ值，从而改变所述α和β，使整个单脉冲波束向Θ小的方向移动，当Δ_EL<0，则增加所述α和β中的Θ值，从而改变α和β，使整个单脉冲波束向Θ大的方向移动。

根据权利要求1的一种基于天线阵和数据处理的单脉冲多目标跟踪方法，其特征在于：将形成和波束的阵元加权因子中的α，β分别改变为：

${\mathrm{\&alpha;}}_L=-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sin \mathrm{\&Theta;}\cos (\mathrm{\&Phi;}-\mathrm{\&Delta;\&Phi;}),$ ${\mathrm{\&beta;}}_L=-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sin \mathrm{\&Theta;}\sin (\mathrm{\&Phi;}-\mathrm{\&Delta;\&Phi;});$

${\mathrm{\&alpha;}}_R=-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sin \mathrm{\&Theta;}\cos (\mathrm{\&Phi;}+\mathrm{\&Delta;\&Phi;}),$ ${\mathrm{\&beta;}}_R=-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sin \mathrm{\&Theta;}\sin (\mathrm{\&Phi;}+\mathrm{\&Delta;\&Phi;});$

${\mathrm{\&alpha;}}_U=-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sin (\mathrm{\&Theta;}-\mathrm{\&Delta;\&Theta;})\cos \mathrm{\&Phi;},$ ${\mathrm{\&beta;}}_U=-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sin (\mathrm{\&Theta;}-\mathrm{\&Delta;\&Theta;})\sin \mathrm{\&Phi;};$

${\mathrm{\&alpha;}}_D=-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sin (\mathrm{\&Theta;}+\mathrm{\&Delta;\&Theta;})\cos \mathrm{\&Phi;},$ ${\mathrm{\&beta;}}_D=-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\sin (\mathrm{\&Theta;}+\mathrm{\&Delta;\&Theta;})\sin \mathrm{\&Phi;};$

其中ΔΦ为方位差波束偏置量、ΔΘ为俯仰差波束偏置量；

便形成4个差波束，进而产生角误差信息。

根据权利要求1的一种基于天线阵和数据处理的单脉冲多目标跟踪方法，其特征在于：用叠加跟踪软件模块的方法，实现对多目标单脉冲跟踪；一个跟踪软件模块跟踪一个目标，有多少个目标就设置多少个跟踪软件模块。

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