CN100538394C - 一种采用多发多收频分信号的宽带雷达及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用多发多收频分信号的宽带雷达成像方法，包括如下步骤：雷达发射机的M个阵元同步发射M个频分子带信号；2)雷达接收机由N个接收阵元构成，每个接收阵元设置M个对应于上述M个发射子带信号频段的接收通道，从而共获得M×N路回波信号；3)对由接收阵列获得的M×N路回波信号进行信号处理，完成目标的检测，并在检测到目标的方位和距离上将多路回波合成高分辨距离像。本发明通过多发多收技术用多路窄带信号合成宽带信号从而降低了对雷达系统瞬时带宽的要求；同时通过多发多收技术与阵列技术的结合，使得多发多收宽带成像雷达具有电子扫描能力，可以并行的完成多目标检测、跟踪和成像功能。

Description

一种采用多发多收频分信号的宽带雷达及其成像方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体地说，本发明涉及一种宽带雷达及其成像方法。

背景技术

随着雷达成像技术，如合成孔径雷达(SAR)、逆合成孔径雷达(ISAR)，以及雷达识别技术的发展，雷达所需的距离分辨率越来越高，因此所要求的雷达信号带宽也越来越大。一直以来如何实现宽带信号的收发是雷达系统设计的难点，也是区分许多雷达工作体制的标准。根据不同的宽带信号产生和信号处理方式，目前可以将获得宽带信号及高分辨一维距离像的方法划分为三类：采用步进跳频体制的成像方法、采用时频转换(STRETCH)体制的成像方法和采用宽带信号脉冲压缩体制的成像方法。采用宽带信号脉冲压缩处理方法的雷达系统要求发射机发射具有高达几百兆甚至上吉赫兹瞬时带宽的信号，因而对发射接收器件带宽、动态范围、A/D转换速率等系统指标及系统补偿技术都提出了很高的要求，同时大吞吐量的数据处理对处理器处理速度也提出了更高的要求。为降低成本和对器件性能的需求，学者们提出了前两种较为实用的宽带信号及一维高分辨距离像成像方法。

时频转换体制(STRETCH)要求发射机发射宽带线性调频信号，接收机产生有一定时延的对应于某一距离波门的线性调频信号作为参考信号，将参考信号与距离波门内的信号混频，则不同距离处的目标回波由于时延的不同被转换为不同频率的点频信号。在系统中，对目标回波中时延的分辨等效为对频率的分辨。这种体制的缺陷是：观测距离有限，且需要另外一部窄带雷达完成对目标的检测和跟踪。

步进跳频体制(Stepped frequency)是将完整的宽带信号分为若干子带，每一个子带在不同的发射周期发射并接收，在所有子带信号接收完成后在将子带信号合并成宽带信号。这种体制的缺点是：首先，子带信号是分时收发的，目标的运动会对子带信号的合成有明显的影响；其次，雷达工作的重频较低，更容易造成速度模糊。

另一方面近年来宽带阵列技术将触角伸向高分辨成像领域。相比采用机械扫描天线的宽带雷达，宽带阵列雷达空间搜索速度快，可以形成多波束对空间个方位目标观测。目前的宽带阵列系统主要包括：发射瞬时宽带窄脉冲信号、同时采用光电结合时延处理的宽带阵列，发射扫频信号、同时采用时频转换(STRETCH)信号处理方法的阵列系统，和采用步进调频信号的宽带相控阵。目前宽带阵列的主要问题在于宽带波束形成问题。首先，信号频带很宽，如果只按照中心载频设计信号加权，则将出现波束跑动的问题，即频带边缘分量波束指向于频带中心分量波束指向不一致。其次，对于宽带信号的接收波束形成，单单靠调整信号相位是不够的，必须补偿每个阵元信号的时延差。对于波束跑动问题，一般要将宽带信号在频域分解为若干窄带信号，每个窄带信号设计不同的加权系数。对于需要进行时延调整的宽带阵列，目前一般采用真时延线以及光电转换用光信号加以处理。这种雷达目前造价还较高。

发明内容

本发明的目的是：将多发多收频分信号的思想与宽带成像雷达相结合，提高雷达系统重频以克服对机动目标成像质量差的缺陷，在保证不增加对器件性能要求的同时，提供一种能够同时完成检测、跟踪和成像的多功能雷达系统及其成像方法。

为实现上述发明目的，本发明提供的采用多发多收频分信号的宽带雷达，包括阵列天线，与阵列天线连接的发射机分系统和接收机分系统，以及分别与发射机分系统和接收机分系统连接的时钟源；其特征在于，所述发射机分系统包括M个并行的子发射机，共产生M路频分信号；所述接收机分系统包括N个并行的子接收机和信号处理机，所述子接收机为M路频分并行接收机。

上述技术方案中，所述时钟源产生M个不同频率的时钟激励信号。

本发明提供的采用多发多收频分信号的宽带雷达成像方法，包括如下步骤：

1)雷达发射机的M个阵元同步发射M个子带信号；

2)雷达接收机的每个接收阵元设置M个对应于所述M个子带信号频段的接收通道，接收阵列中的N个接收阵元接收回波信号，从而共获得M×N路回波信号；

3)对由接收阵列获得的M×N路回波信号进行信号处理，完成目标的检测，并将检测到的目标回波合成高分辨距离像。

上述技术方案中，所述步骤1)中的每个频分子带信号占有一定的频带范围，各个子带信号在频域可以相互重叠也可不重叠；整个子带信号集可以连续也可有间断地覆盖一个带宽。

上述技术方案中，所述步骤1)中包括如下子步骤：

11)发射机产生M个基带信号s_m(t)，其中m＝1，2，……，M；各基带信号的发射功率、时宽及有效带宽可以互不相同也可以相同；

12)将M个基带信号s_m(t)依序号分配给第1到第M个子发射机，各子发射机首先将s_m(t)调制到中频频率f_I；再经过第一次混频，混频的中心频率为f_m＝f₀+△f_m，其中f₀表示分配给第1路子发射机的第一次混频中心载频，其中△f_m表示第m路子带信号的中心频率相对于第1路子带信号的中心频率的增量；最后用f_c对子带信号进行第二次混频，得到载频为f_c+f_m+f_I的发射子带频分信号；

13)将M个子带频分信号，由不同子发射机并行同步发射。

上述技术方案中，所述步骤2)中包括如下子步骤：

21)接收机采用阵列结构由N个阵元构成，每个阵元设置M个接收通道；每个接收通道采用相应频率的参考信号对回波进行混频并将其下变频到基带，然后经过带通滤波器排除其他频段的子带信号，从而使每个接收阵元获得与M个发射子带信号相对应的M路基带信号；

22)对步骤21)中获得的M×N路基带信号，进行零中频数字采样处理和I/Q正交双通道数字下变频处理，获得可供数字信号处理机使用的M×N路回波信号。

上述技术方案中，所述步骤3)中包括如下子步骤：

31)对M×N路回波信号的接收波束形成，以完成对观测空间的扫描；

32)在形成接收波束的方向上检测是否存在目标，并将目标的回波存储，同时完成对已检测到目标的跟踪；

33)将不同频段的子带信号通过预处理补偿子带间的时延和相位差；然后将子带信号的频谱搬移以合成宽带信号，其中各子带间搬移量的差值与对应发射子带信号中心频率差相等；最后对合成宽带信号进行逆傅里叶变换得到一维高分辨距离像。

上述技术方案中，所述步骤31)中对M×N路回波信号的接收波束形成是：

对N个不同阵元同一频段接收通道的基带信号做波束形成处理，从而将来自N个多路频分并行接收机的N×M路正交双通道信号合并为M路方位合成信号。

上述技术方案中，所述步骤3)中还包括如下子步骤：

34)将对同一目标多次观测得到的一维高分辨距离像在完成运动补偿后，通过频率分析的方法合成二维高分辨像。

上述技术方案中，所述合成二维高分辨像的方法可采用波数域算法、Chirp-Scaling算法、Chirp-Z变换算法以及时频分析的方法。多发多收频分信号的宽带雷达成像方法适用于SAR或ISAR成像领域。

本发明的技术效果如下：本发明通过多发多收技术用窄带信号合成宽带信号从而降低了对雷达系统瞬时带宽的要求；同时通过多发多收技术与阵列技术的相结合获得新的宽带阵列实现方案，使得多发多收宽带雷达具有电子扫描的能力，可以并行的完成多目标检测、跟踪和成像功能。同目前所使用的宽带雷达信号产生和处理方法相比，多发射多接收频分信号雷达有很多优点：与时频转换方法相比，成像距离不再受到限制，同时不必由另外一部窄带雷达完成搜索与跟踪功能；与步进跳频方法相比，多发多收宽带雷达的重频较高，可以克服对机动目标成像质量差的缺陷；与发射宽带信号接收采用脉压处理方法的雷达相比，多发多收宽带雷达对发射和接收机器件的性能要求较低，便于实现。

附图说明

图1是多发多收体制雷达系统框图；

图2是第m路子带发射机框图；

图3是M路频分并行接收机框图；

图4是M路频分子带中频信号时频关系示意图；

图5是多发多收频分宽带雷达信号处理流程示意图；

图6是接收波束形成处理流程示意图；

图7是窄带合成宽带信号处理流程示意图；

图8是本发明的宽带雷达成像方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

图1给出了采用多发多收频分宽带雷达系统框图。本实施例的雷达系统主要由发射/接收阵列天线、发射机分系统、接收机分系统、时钟源、监控分系统和电源构成。本实施例的发射机分系统包括M个并行的子发射机，共产生M路频分信号，接收机分系统包括N个并行的子接收机和信号处理机，所述子接收机为M路频分并行接收机。本实施例的雷达系统的各部件分别描述如下：

①发射/接收阵列天线：接收天线和发射天线可共用一套阵列天线，此时如图1中虚线所示，接收机各个分机和发射机各分机通过收发双工器连接到阵列天线上。收发双工器完成发射和接收过程的切换，可以很好的完成发射与接收的隔离。此时，发射阵元数M与接收阵元数N相等。但多发多收雷达为了获得更好的波束形成效果和利用空间分集对抗目标“闪烁”常采用稀疏阵列，此时发射和接收不再使用同一套阵列天线。此时M与N可以不等。

②发射机分系统：发射机共有M个子发射机，将产生M路频分信号。图2给出了一个子发射机的框图。结合图2，子发射机的工作流程为：

步骤11：在系统时钟的控制下，由激励源控制数字频率综合器产生基带信号。如第m路基带信号为s_m(t)，其时宽为T_m，有效带宽为B_m，m＝1，2，……，M。各基带信号的发射功率、时宽及有效带宽可以相同也可互不相同。信号的形式也可以互不相同。

步骤12：将第m路基带信号进行两次混频。首先将基带信号s_m(t)调制到中频频率f_I，再经过第一次混频，其混频的中心频率为f_m＝f₀+△f_m，其中f₀表示分配给第一路子发射机的第一次混频中心载频，即所有子带信号中最低的第一次混频中心载频，△f_m表示第m路子带信号的中心频率相对于第1路子带信号的中心频率的增量；然后用f_c对子带信号进行第二次混频，其中，f_c是雷达射频部件的载频频率。经过上述过程第m个子发射机最终的发射的子带频分信号的载频为f_c+f_m+f_I。

步骤13：将经过混频后的高频信号送高频放大器，放大后送发射天线。

③接收机分系统：接收机共有N路子接收机。每路子接收机具有M个接收通道，这种子接收机在本发明中称作M路频分并行接收机，如图3所示。接收阵列中的N个接收阵元接收回波信号。每个接收阵元设置M个接收通道，每个接收通道采用不同频率的参考信号对回波进行混频并将其下变频到基带，从而使各子带信号的中心频率为零，即得到零中频子带信号；下变频后的信号经过低通滤波器以排除其他频段的子带信号，从而获得与M个发射子带信号相对应的M个基带信号。经过上述处理，整个接收阵列共得到N×M路基带信号。这N×M路基带信号是通过不同的频段和不同的阵元区分开的。现结合图3介绍第m路子接收机的工作流程，其余各路均同。

步骤21：将来自接收阵元的信号送低噪声放大器以获得高信噪比。

步骤22：第一次混频。混频的本振为高稳定本振(即本地振荡器)，中心频率为f_c，另配有滤波器，通带中心频率为f_m，通带带宽为第m路子带信号的有效带宽B_m；

步骤23：第二次混频。多路接收机混频本振的中心频率分别对应各个子带信号的中心频率，例如第m路接收通道的第二次混频频率为f_m；

步骤24：进行带通滤波。带通滤波器的通带带宽为B_m；

步骤25：进行中频A/D采样；

步骤26：数字正交下变频，产生I/Q双通道数字信号，最终产生M路正交双通道数字信号，其中心载频为f_I；

步骤27：将数据传送至数字信号处理机，以完成波束形成、目标检测与跟踪以及目标成像。

④其他分系统包括时钟源，监控分系统和电源。其中时钟源不同于常规雷达系统之处在于它产生M路不同频率的时钟信号。本发明的收发机制中，接收阵元与发射阵元同步。各发射阵元根据需要并行或部分并行发射互不相同或部分相同的子带信号，各个接收阵元可接收全部信号也可有选择的接收部分信号，各个接收阵元配有多路对应不同子带信号的接收机，每路接收机工作在对应的窄带频段。其他部分和常规脉冲雷达系统相同。

如图8所示，本发明的采用多发多收频分宽带雷达成像方法包括如下步骤：

步骤1：发射步骤。在雷达发射端，从发射阵列的M个发射阵元同步发射M个子带信号。图4给出了本实施例中发射阵元采用的多子带基带信号的时频关系，描述如下：

本实施例的雷达采用的子带信号集合为频分信号集合，每个子带占有一定的频带范围，但各个子带信号在频域可以相互重叠也可不重叠；整个子带集可以连续或有间断地覆盖一个较大的带宽；各个子带信号可以采用线性调频信号结构，也可以采用非线性调频结构以及其它调制方式；各子带可以使用相同调制方式，也可以使用不同的调制方式。另外，本发明的雷达采用脉冲体制。

本实施例的发射方式如下：频分信号集合是一个正交频分信号集合，该集合中所有子带信号的基带形式彼此相同，各个子带信号调制在不同频率的载频上。雷达系统将不同的子带信号一一对应的分配给不同的发射阵元。所有的发射阵元在同一时刻发射子带信号。具体的雷达信号发射流程如步骤11至步骤13所述，这里不再赘述。

步骤2：接收步骤。在雷达接收端，接收阵列中的N个接收阵元接收回波信号。每个接收阵元设置M个接收通道，每个接收通道采用不同频率的参考信号对回波进行混频并将其下变频到基带，即使子带信号的中心频率为零；下变频后的信号经过低通滤波器以排除其他频段的子带信号，从而获得与M个发射子带信号相对应的M个基带信号。经过上述处理，整个接收阵列共得到N×M路基带信号。这N×M路基带信号是通过不同的频段和不同的阵元区分开的。

本步骤中雷达信号的具体接收流程如步骤21至步骤27所述，这里不再赘述。

步骤3：信号处理步骤。将接收阵列获得的N×M路基带信号输入信号处理设备，完成目标的检测，并将检测到的目标回波合成高分辨距离像。

本步骤是在信号处理机中完成的，本发明的信号处理机位于M路频分并行接收机之后。接收机分系统将由接收阵列接收到的信号经过一次变频、二次变频、零中频采样处理后，分离为N×M路正交双通道数字基带信号，并输入信号处理机。信号处理机的处理过程如图5所示，该流程的一个优选实施例包括如下步骤：

步骤31：划分扇区，每个扇区对应一个方位参数。选定一个方位参数，对N个不同阵元同一频段接收通道的基带信号做波束形成处理，从而将来自N个多路频分并行接收机的N×M路正交双通道信号合并为M路方位合成信号。

本步骤的具体方法如图6所示，描述如下：

将来自不同阵元的相同频段的信号输入同一DBF(即数字波束形成)处理单元；

每一DBF处理单元根据对应信号的频段设置加权值，以抑制宽带阵列的波束跑动。例如第m路DBF接收机对应的信号频率为f_dm＝f_m+f_c+f_I，并且假设阵列为均匀线阵，阵元间距为d，待扫描的方位角为θ，采用均匀加权，则该路DBF的加权值矢量为

$[\frac{1}{N},\frac{1}{N}\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{f_{\mathrm{dm}}d\sin \mathrm{\θ}}{c}\right)\·\·\·,\frac{1}{N}\exp [j2\mathrm{\π}\frac{f_{\mathrm{dm}}(N-1)d\sin \mathrm{\θ}}{c}\left]\right],$

其中，c表示电波传播速度。

将M个DBF单元的M路对应扫描方位的信号(方位合成信号)输出。

步骤32：在当前所选定的方位上进行目标检测。本步骤是用经过波束形成后的、对应某个确定方位的M路方位合成信号完成目标信号的检测，即检测目标是否存在，目标距离雷达多远。在优选实施例中多发多收雷达先分别用M路方位合成信号中的每一路完成检测，再将检测得到的检测变量做非相参积累，或用分布检测方法将M路方位合成信号的检测结果合并，以提高雷达的检测性能。

本步骤中的检测方法可采用非相参积累、或分布检测原理。

步骤33：判断在当前所选定的方位上，是否存在目标。如存在目标，则进入步骤34；如不存在目标，则进入步骤38。

步骤34：存储目标的方位参数，距离参数，以及步骤32中得到的对应于目标所在方位的M路方位合成信号。值得注意的是，在同一方位的不同距离上可能存在多个目标，此时需要将目标所对应的多个距离波门内的信号分别存储。

步骤35：提取步骤34存储下来的M路方位合成信号，并根据目标的方位对M路方位合成信号进行补偿。补偿的目的是消除由于发射阵列位置差异而造成的M路信号的相位差和时延差，进而使信号相关以得到高分辨距离像。

该补偿处理过程为：将M路方位合成信号变换到频域；采用子带信号的相关处理估计目标在接收波束内的位置作为初值，再利用迭代估计方法估计出目标的较为精确的方位；将整个接收波束有效宽度等分为M个条带，根据目标位于的条带产生权矢量，对各个子带频谱加权。

步骤36：将步骤35得到的M路方位合成信号合并为宽带信号，进而得到一维高分辨距离像。本发明宽带合成的原理为：将一个完整的宽带信号分割成若干窄带信号，并分别加以发射和接收，每一路发射和接收机都是窄带的，在接收端在将这些窄带信号经过频率搬移恢复其宽带信号的原貌。

具体做法为如图7所示：

首先将M路经过预处理的子带信号分别匹配滤波处理，并将匹配滤波的输出经过低通滤波器，低通滤波器的带宽为发射子带信号的有效带宽，例如对应第m路子带信号的第m路子带接收机的带宽为B_m。

其次，将得到匹配滤波处理信号作相应的频率搬移，频率搬移过程的目的是将多窄带信号合成宽带信号，即恢复发射子带信号间的频谱结构。例如第m路子带的频率搬移量为△f_m，即将第m路频谱沿频率轴搬移△f_m。

最后，将经过频率搬移后的子带信号频谱相加而合成宽带信号频谱；进行频谱补偿，经过逆傅里叶变换就可以得到一维高分辨距离像，并将其存储下来。

步骤37：二维成像处理。将本次处理周期以前若干重复周期内存储下来的对应方位和距离目标的一维高分辨距离像进行合并，根据SAR或ISAR成像原理就可以得到目标的二维高分辨像。例如对于ISAR雷达，接收机对不同重频周期内得到的一维高分辨距离像经过平动补偿，即包络对齐、相位校正，进一步通过频率分析的方法得到目标的二维高分辨像。此时，本步骤与传统的ISAR成像处理过程相同。

本步骤结束后，进入步骤38。

步骤38：判断是否所有方位均检测完毕，如果判断为是，则结束本次处理周期；如果判断为否，选定下一个方位，回到步骤31做波束形成处理。

另外，本实施例中的步骤32、33、34的顺序可以变换，这是本领域技术人员容易理解的。

Claims (10)

1、一种采用多发多收频分信号的宽带雷达，包括阵列天线，与阵列天线连接的发射机分系统和接收机分系统，以及分别与发射机分系统和接收机分系统连接的时钟源；其特征在于，所述发射机分系统包括M个并行的子发射机，共产生M路频分信号；所述接收机分系统包括N个并行的子接收机和信号处理机，所述子接收机为M路频分并行接收机。

2、按权利要求1所述的采用多发多收频分信号的宽带雷达，其特征在于，所述时钟源产生M个不同频率的时钟激励信号。

3、一种采用多发多收频分信号的宽带雷达成像方法，包括如下步骤：

1)雷达发射机分系统的M个阵元同步发射M个频分子带信号；

2)雷达接收机分系统采用接收阵列结构，共有N个接收阵元，每个接收阵元设置M个对应于所述M个子带信号频段的接收通道，使得雷达接收机分系统共获得M×N路回波信号；

3)对由雷达接收机分系统获得的M×N路回波信号进行信号处理，完成目标的检测，并在检测到目标的方位和距离上将多路目标回波合成高分辨距离像。

4、按权利要求3所述的采用多发多收频分信号的宽带雷达成像方法，所述步骤1)中的每个频分子带信号占有一定的频谱范围，各个子带信号在频域可以相互重叠也可不重叠；整个子带信号集可以连续也可有间断地覆盖一个宽带频段。

5、按权利要求3所述的采用多发多收频分信号的宽带雷达成像方法，所述步骤1)中包括如下子步骤：

11)发射机产生M个基带信号s_m(t)，其中m＝1，2，……，M；各基带信号的发射功率、时宽及有效带宽可以互不相同也可以相同；

12)将M个基带信号s_m(t)依序号分配给第1到第M个子发射机，各子发射机首先将s_m(t)调制到中频频率f_I；再经过第一次混频，混频的中心频率为f_m＝f₀+Δf_m，其中f₀表示分配给第1路子发射机的第一次混频中心载频，Δf_m表示第m路子带信号的中心频率相对于第一路子带信号的中心频率的增量；最后用fc对子带信号进行第二次混频，得到载频为f_c+f_m+f_I的发射子带频分信号；

13)将M个子带频分信号，由不同子发射机并行发射。

6、按权利要求3所述的采用多发多收频分信号的宽带雷达成像方法，所述步骤2)中包括如下子步骤：

21)接收机采用阵列结构，有N个阵元，每个阵元设置M个接收通道；每个接收通道采用相应频率的参考信号对回波进行混频并将其下变频到基带，然后经过带通滤波器排除其他频段的子带信号，从而使每个接收阵元获得与M个发射子带信号相对应的M路基带信号；

22)对步骤21)中获得的M×N路基带信号，进行零中频数字采样和I/Q正交双通道数字下变频，获得可供数字信号处理机使用的M×N路回波信号。

7、按权利要求3所述的采用多发多收频分信号的宽带雷达成像方法，所述步骤3)中包括如下子步骤：

31)对M×N路回波信号的接收波束形成，以完成对观测空间的扫描；

32)在形成接收波束的方向上检测是否存在目标，并将目标的回波存储，同时完成对已检测到目标的跟踪；

33)将不同频段的子带信号通过预处理补偿子带间的时延和相位差；然后将子带信号的频谱搬移以合成宽带信号，其中各子带间搬移量的差值与对应发射子带信号间中心频率差值相等；最后对合成宽带信号做匹配滤波，从而得到一维高分辨距离像。

8、按权利要求7所述的采用多发多收频分信号的宽带雷达成像方法，所述步骤31)中对M×N路回波信号的接收波束形成是：

对N个不同阵元同一频段接收通道的基带信号做波束形成处理，从而将来自N个多路频分并行接收机的N×M路正交双通道信号合并为M路方位合成信号。

9、按权利要求7所述的采用多发多收频分信号的宽带雷达成像方法，所述步骤3)中还包括如下子步骤：

34)将对同一目标多次观测得到的一维高分辨距离像在完成运动补偿后，通过频率分析的方法合成二维高分辨像。

10、按权利要求9所述的采用多发多收频分信号的宽带雷达成像方法，所述合成二维高分辨像的方法可采用波数域算法、Chirp-Scaling算法、Chirp-Z变换算法或时频分析的方法。

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