CN101109810A - 提高数字单脉冲系统跟踪精度的方法 - Google Patents

Abstract

提高数字单脉冲系统跟踪精度的方法，是在一个数字单脉冲系统中，当来波信号信噪比下降时，通过调整数字波束形成器中基带阵列信号的加权系数，改变数字单脉冲单元波束的指向，增大单元波束之间的夹角，将由来波信号信噪比下降导致的跟踪精度下降减少到最小，以保持跟踪精度不变。采用本发明方法无需在现有数字单脉冲系统上进行任何硬件改动，实现简单；成本低，可行性高；只需在数字信号处理器中增加很少的运算量，没有硬件开销；可随来波信号信噪比的恶化自动改善跟踪精度，削弱甚至消除信噪比恶化对跟踪精度的影响；当跟踪系统设计考虑不够周到，得到的跟踪精度与标准要求相差不远时，可以在一定范围内提高精度，弥补系统设计的不足。

Description

提高数字单脉冲系统跟踪精度的方法

技术领域

本发明涉及提高数字单脉冲系统跟踪精度的方法，具体涉及一种提高数字单脉冲系统跟踪精度的单元波束夹角调整法，属于通讯技术领域。

背景技术

单脉冲技术是在圆锥扫描和波束转换基础上发展起来的一种精密角跟踪技术，它能同时提供对角误差敏感所需的所有波束，在单个脉冲上同时比较各波束的输出，从而消除回波幅度随时间变化对测角和跟踪的影响。传统单脉冲技术一般分为比幅、比相和与差单脉冲，其中，和差单脉冲由于对通道的平衡性要求比较宽松，因而得到了最广泛的应用。

传统单脉冲雷达中，单元波束与和差波束的指向在天线设计定型之后就固定了，最多通过加装天线转台，以转台的转动带动天线波束转动，但天线的刚性部分不易改变，因而即便单元波束与和差波束的指向可以随转台转动而变化，但各单元波束与和差波束之间的相对关系却无法改变。这类雷达一般在设计之初就有一定的精度指标要求，设计完成之后再想人为提高跟踪精度就非常困难。

数字单脉冲是近年发展起来的一种新技术，它在传统单脉冲技术的原理上，利用阵列天线和数字波束形成技术，通过对数字化的阵列信号进行加权同时得到多个数字波束，并在数字域求解单脉冲比，进而求解目标角度或角误差。数字单脉冲跟踪系统的结构如图1所示，根据雷达为有源单脉冲雷达或无源单脉冲雷达，整个系统可分为发射与接收两大部分。

发射部分工作原理如下：发射波束形成器根据输入的发射子阵权系数调整准备送往天线阵的阵列信号；对调整后的发射阵列信号进行上变频，然后经功率放大器放大，分别送至每个需要使用的发射子阵阵元；所有发射子阵阵元将信号发射到空中，信号在空中叠加后形成一个较胖的发射波束，照亮目标。

接收部分工作原理如下：首先，天线阵(阵元1到阵元N)接收空间信号，经过低噪声放大器和本振混频之后变换到中频；中频信号经过中频放大器之后，进行数字下变频，成为基带阵列信号；基带信号送入数字信号处理器，首先进行波达方向估计，计算目标的波达方向(Direction of Arrival，DOA)，并将该DOA作为单脉冲瞄准线的初始指向，输入单脉冲和差波束形成器；在和差波束形成器中，根据DOA给出的瞄准线初始指向，计算相应的阵列权系数，与相应的阵列输入信号相乘后叠加，得到差波束与和波束(二维跟踪系统中得到的是两组差波束，一组方位差，一组俯仰差；一维跟踪一般情况下只得到方位差波束)；和差波束再送入角误差计算器得到相应的角误差；角误差反馈回和差波束形成器，调整单脉冲瞄准线(同时也就调整了和差波束的指向)，使和波束瞄准目标方向。

在雷达设计上，对单脉冲雷达跟踪精度影响较大的是天线波束的宽度，波束越窄，相同条件下能够达到的跟踪精度就越高。而在环境因素上，接收信号的信噪比也对跟踪精度有非常重要的影响。实际应用中，包括天气因素、外来干扰等多种原因都可能导致雷达接收信号的信噪比下降，此时，若不采取措施，则系统跟踪精度必然会随之下降。当接收信号信噪比严重恶化时，雷达的跟踪会受到非常大的影响，甚至可能无法正常实现跟踪。

传统和差比幅单脉冲雷达一般通过合理设计天线馈源与反射面得到较窄的波束，以满足雷达设计对跟踪精度的要求。对于由环境因素导致的接收信号信噪比下降，从而跟踪精度下降，没有较有效的改善方法。新型数字单脉冲雷达采用阵列天线，利用数字波束形成技术得到单脉冲波束，其波束宽度与阵列孔径有关。因而此类单脉冲雷达一般是通过合理设计阵列阵型与合理选择阵列孔径来满足雷达设计对跟踪精度的要求。由于数字单脉冲是一种新技术，其系统结构也只是近两年才提出，因而除了在天线阵设计上想办法外，未见有关此类系统上改善精度的其他方法的研究与报道。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种通过动态调整单元波束夹角，在无需对现有数字单脉冲系统做任何硬件设计改动的条件下，提高数字单脉冲系统跟踪精度的单元波束夹角调整法。

本发明的目的是这样实现的：提高数字单脉冲系统跟踪精度的方法，在一个数字单脉冲系统中，当由于各种原因导致来波信号信噪比下降时，通过调整数字波束形成器中基带阵列信号的加权系数，改变数字单脉冲单元波束的指向，增大单元波束之间的夹角，将由来波信号信噪比下降导致的跟踪精度下降减少到最小，甚至保持跟踪精度不变。

具体包括如下步骤，参看图4：

1、天线阵接收到的信号经采集成为基带数字信号后，首先送入波达方向(DOA)估计器，计算得到一个初始波达方向值θ₀。

2、以θ₀作为单脉冲跟踪的初始瞄准线指向，并选取一个合适的单元波束夹角Δθ(一般可选为单元波束半功率波束宽度的一半)，从而得到单脉冲数字单元波束的初始指向θ₀±Δθ/2和单脉冲和波束的初始指向θ₀。

3、在数字波束形成器(DBF)中，根据天线阵的阵列流型计算形成数字单元波束所需的加权矢量，对阵列信号进行加权，得到数字单脉冲单元波束，再由单元波束相减得到差波束。并根据天线阵阵列流型与和波束的指向θ₀计算形成和波束所需的加权矢量，对阵列信号进行加权，得到数字单脉冲和波束。以等距线阵为例，单元波束与和差波束的形成见式(1)、(2)和式(3)、(4)。

${\mathrm{Beam}}_1=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp (\mathrm{jk}\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_1\right))---\left(1\right)$

$\mathrm{Beam}2=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp (\mathrm{jk}\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_2\right))---\left(2\right)$

$\mathrm{\Σ}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{e^{\mathrm{jk}\sin \mathrm{\θ}}\right[\cos (\mathrm{kA}+\mathrm{kB})+\cos (\mathrm{kA}-\mathrm{kB})-j\sin (\mathrm{kA}+\mathrm{kB})-j\sin (\mathrm{kA}-\mathrm{kB})\left]\right\}$

$=2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{e^{\mathrm{jk}\sin \mathrm{\θ}}\right[\cos \left(\mathrm{kA}\right)\cos \left(\mathrm{kB}\right)-j\sin \left(\mathrm{kA}\right)\cos \left(\mathrm{kB}\right)\left]\right\}$

$=2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[\cos \left(\mathrm{kB}\right)e^{\mathrm{jk}\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{jkA}}\right]$

$=2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[\cos \left(\mathrm{kB}\right)e^{\mathrm{jk}(\sin \mathrm{\θ}-A)}\right]---\left(3\right)$

$\mathrm{\Δ}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{e^{\mathrm{jk}\sin \mathrm{\θ}}\right[\cos (\mathrm{kA}+\mathrm{kB})-\cos (\mathrm{kA}-\mathrm{kB})-j\sin (\mathrm{kA}+\mathrm{kB})+j\sin (\mathrm{kA}-\mathrm{kB})\left]\right\}$

$=-2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{e^{\mathrm{jk}\sin \mathrm{\θ}}\right[\sin \left(\mathrm{kA}\right)\sin \left(\mathrm{kB}\right)+j\cos \left(\mathrm{kA}\right)\sin \left(\mathrm{kB}\right)\left]\right\}---\left(4\right)$

$=-2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[\sin \left(\mathrm{kB}\right)e^{\mathrm{jk}\sin \mathrm{\θ}+j(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{kA})}\right]$

$=-2j\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[\sin \left(\mathrm{kB}\right)e^{\mathrm{jk}(\sin \mathrm{\θ}-A)}\right]$

4、在单脉冲处理器中，计算差波束与和波束的比值(即单脉冲比MR)，并根据单脉冲比曲线在瞄准线附近近似线性的特性，求出测角结果θ₀ ^*。

5.单脉冲处理器输出的测角结果θ₀ ^*接着反馈回数字波束形成器，作为下一次单脉冲数字波束形成的瞄准线指向，从而保证数字单脉冲瞄准线始终指向目标方向。

6.判断输入信号的信噪比SNRi是否恶化。当SNRi不变时，保持单元波束夹角Δθ不变，计算此时数字单元波束的指向θ₀ ^*±Δθ/2。当SNRi下降时，适当增大单元波束夹角为Δθ^*，计算此时数字单元波束的指向θ₀ ^*±Δθ^*/2。

7.根据步骤6得到的单元波束指向与天线阵的阵列流型，计算形成新的数字单元波束所需的加权矢量，对阵列信号进行加权，得到新的数字单元波束，再由单元波束相减得到新的差波束。并根据天线阵阵列流型与新的瞄准线的指向θ₀ ^*计算新的和波束所需的加权矢量，对阵列信号进行加权，得到指向θ₀ ^*的新的和波束。

8.回到步骤4。

相比现有技术，本发明具有如下显著效果：

1、无需在现有数字单脉冲系统上进行任何硬件改动，实现简单。单元波束夹角Δθ与两个单元波束的指向角θ₁和θ₂以及单脉冲瞄准线θ₀之间的关系可表示为：

${\mathrm{\θ}}_1={\mathrm{\θ}}_0+\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}---\left(5\right)$

${\mathrm{\θ}}_2={\mathrm{\θ}}_0-\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}---\left(6\right)$

Δθ＝θ₁-θ₂                                (7)

因而在瞄准线一定时，要调整单元波束夹角Δθ，只需调整两个单元波束的指向θ₁和θ₂。由于数字单脉冲跟踪系统采用数字波束形成技术形成单元波束，而数字波束形成技术通过调整接收到的基带阵列信号的加权系数来改变波束指向。因此，只需调整阵列信号的加权系数即可改变单元波束夹角θ₁和θ₂，从而改变Δθ。

2、成本低，可行性高。本方法中运算量较大的是波达方向估计器和数字波束形成器，而这两个组件是数字单脉冲系统中必备的组件(见图1)，因而采用本方法只需在数字信号处理器中增加很少的运算量，没有硬件开销。

3、可随来波信号信噪比的恶化自动改善跟踪精度，削弱甚至消除信噪比恶化对跟踪精度的影响。

4、当跟踪系统设计考虑不够周到，得到的跟踪精度与标准要求相差不远时，可以在一定范围内提高精度，弥补系统设计的不足。

附图说明

图1是现有数字单脉冲跟踪系统的结构示意图

图2是典型和差单脉冲比曲线

图3是不同单元波束夹角下的和差单脉冲比曲线

图4是本发明单元波束夹角调整法的流程图

图5(a)、(b)是不同单元波束夹角下输入信号信噪比与跟踪精度的关系图

具体实施方式

参见图4，一种提高数字单脉冲系统跟踪精度的方法，在一个数字单脉冲系统中，当由于各种原因导致来波信号信噪比下降时，通过调整数字波束形成器中基带阵列信号的加权系数，改变数字单脉冲单元波束的指向，增大单元波束之间的夹角，将由来波信号信噪比下降导致的跟踪精度下降减少到最小，甚至保持跟踪精度不变。

具体包括如下步骤，参看图4：

1、天线阵接收到的信号经采集成为基带数字信号后，首先送入波达方向(DOA)估计器，计算得到一个初始波达方向值θ₀。

2、以θ₀作为单脉冲跟踪的初始瞄准线指向，并选取一个合适的单元波束夹角Δθ(一般可选为单元波束半功率波束宽度的一半)，从而得到单脉冲数字单元波束的初始指向θ₀±Δθ/2和单脉冲和波束的初始指向θ₀。

3、在数字波束形成器(DBF)中，根据天线阵的阵列流型计算形成数字单元波束所需的加权矢量，对阵列信号进行加权，得到数字单脉冲单元波束，再由单元波束相减得到差波束。并根据天线阵阵列流型与和波束的指向θ₀计算形成和波束所需的加权矢量，对阵列信号进行加权，得到数字单脉冲和波束。以等距线阵为例，单元波束与和差波束的形成见式(1)、(2)和式(3)、(4)。

${\mathrm{Beam}}_1=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp (\mathrm{jk}\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_1\right))---\left(1\right)$

$\mathrm{Beam}2=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp (\mathrm{jk}\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\α}\left({\mathrm{\θ}}_2\right))---\left(2\right)$

$\mathrm{\Σ}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{e^{\mathrm{jk}\sin \mathrm{\θ}}\right[\cos (\mathrm{kA}+\mathrm{kB})+\cos (\mathrm{kA}-\mathrm{kB})-j\sin (\mathrm{kA}+\mathrm{kB})-j\sin (\mathrm{kA}-\mathrm{kB})\left]\right\}$

$=2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{e^{\mathrm{jk}\sin \mathrm{\θ}}\right[\cos \left(\mathrm{kA}\right)\cos \left(\mathrm{kB}\right)-j\sin \left(\mathrm{kA}\right)\cos \left(\mathrm{kB}\right)\left]\right\}---\left(3\right)$

$=2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[\cos \left(\mathrm{kB}\right)e^{\mathrm{jk}\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{jkA}}\right]$

$=2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[\cos \left(\mathrm{kB}\right)e^{\mathrm{jk}(\sin \mathrm{\θ}-A)}\right]$

$\mathrm{\Δ}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{e^{\mathrm{jk}\sin \mathrm{\θ}}\right[\cos (\mathrm{kA}+\mathrm{kB})-\cos (\mathrm{kA}-\mathrm{kB})-j\sin (\mathrm{kA}+\mathrm{kB})+j\sin (\mathrm{kA}-\mathrm{kB})\left]\right\}$

$=-2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{e^{\mathrm{jk}\sin \mathrm{\θ}}\right[\sin \left(\mathrm{kA}\right)\sin \left(\mathrm{kB}\right)+j\cos \left(\mathrm{kA}\right)\sin \left(\mathrm{kB}\right)\left]\right\}---\left(4\right)$

$=-2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[\sin \left(\mathrm{kB}\right)e^{\mathrm{jk}\sin \mathrm{\θ}+j(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{kA})}\right]$

$=-2j\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[\sin \left(\mathrm{kB}\right)e^{\mathrm{jk}(\sin \mathrm{\θ}-A)}\right]$

4、在单脉冲处理器中，计算差波束与和波束的比值(即单脉冲比MR)，并根据单脉冲比曲线在瞄准线附近近似线性的特性，求出测角结果θ₀ ^*。

5.单脉冲处理器输出的测角结果θ₀ ^*接着反馈回数字波束形成器，作为下一次单脉冲数字波束形成的瞄准线指向，从而保证数字单脉冲瞄准线始终指向目标方向。

6.判断输入信号的信噪比SNRi是否恶化。当SNRi不变时，保持单元波束夹角Δθ不变，计算此时数字单元波束的指向θ₀ ^*±Δθ/2。当SNRi下降时，适当增大单元波束夹角为Δθ^*，计算此时数字单元波束的指向θ₀ ^*±Δθ^*/2。

7.根据步骤6得到的单元波束指向与天线阵的阵列流型，计算形成新的数字单元波束所需的加权矢量，对阵列信号进行加权，得到新的数字单元波束，再由单元波束相减得到新的差波束。并根据天线阵阵列流型与新的瞄准线的指向θ₀ ^*计算新的和波束所需的加权矢量，对阵列信号进行加权，得到指向θ₀ ^*的新的和波束。

8.返回到步骤4。

以数字单脉冲雷达跟踪空中飞行器的方位角变化为例。雷达天线阵采用阵元间距半波长的8单元等距线阵(Unified Linear Array，ULA)，初始单元波束夹角选为单元波束宽度的一半，即0.125rad，设计指标要求跟踪精度达到2×10^-4。

当天气晴好时，设输入信号信噪比为0dB，此时雷达的跟踪精度为1.1×10^-4。此时天气变化，出现降雨，雷达接收信号的信噪比明显下降，降至-10dB。若不采用本发明提出的方法，则雷达跟踪精度下降至3.6×10^-4，已经达不到设计指标的要求。此时，采用本发明的方法，将单元波束夹角增大至0.15，重新计算和差波束的加权系数，并在数字波束形成器中形成新的和差波束，然后在单脉冲处理器中求出差波束与和波束的比值(单脉冲比)，并根据单脉冲比曲线在瞄准线附近的近线性特性，求出目标角度。接着，用求得的目标角度作为下一次跟踪的单脉冲瞄准线指向，继续跟踪。图5给出了该系统在不同单元波束夹角下输入信号信噪比与跟踪精度的关系。由图5(a)可以看出，此时跟踪精度已经提高至2.5×10^-4。考虑到设计指标要求跟踪精度达到2×10^-4，可以将单元波束夹角进一步增大至0.19rad，并按同样步骤进行跟踪。由图5(b)可以看出，此时跟踪精度可提高至1.1×10^-4，不但达到了设计指标要求，而且回到了天气晴好时的跟踪精度水平。

若天气情况不发生变化，但跟踪雷达遇到宽频干扰，导致接收信号信噪比下降至-10dB。此时，若不采用本发明提出的方法，则雷达跟踪精度下降至3.6×10^-4，已经达不到设计指标的要求。而采用本方法后，通过将单元波束夹角增大至0.19rad，同样可保持跟踪精度在1.1×10^-4，与没有遭遇干扰时的跟踪精度相当。

Claims (2)

1.提高数字单脉冲系统跟踪精度的方法，其特征在于在一个数字单脉冲系统中，当由于各种原因导致来波信号信噪比下降时，通过调整数字波束形成器中基带阵列信号的加权系数，改变数字单脉冲单元波束的指向，增大单元波束之间的夹角，将由来波信号信噪比下降导致的跟踪精度下降减少到最小，以保持跟踪精度不变。

2.根据权利要求1所述的提高数字单脉冲系统跟踪精度的方法，其特征在于具体包括如下步骤：

1)天线阵接收到的信号经采集成为基带数字信号后，首先送入波达方向估计器，计算得到一个初始波达方向值θ₀；

2)以θ₀作为单脉冲跟踪的初始瞄准线指向，并选取一个合适的单元波束夹角Δθ，从而得到单脉冲数字单元波束的初始指向θ₀±Δθ/2和单脉冲和波束的初始指向θ₀；

3)在数字波束形成器中，根据天线阵的阵列流型计算形成数字单元波束所需的加权矢量，对阵列信号进行加权，得到数字单脉冲单元波束，再由单元波束相减得到差波束；并根据天线阵阵列流型与和波束的指向θ₀计算形成和波束所需的加权矢量，对阵列信号进行加权，得到数字单脉冲和波束；

4)在单脉冲处理器中，计算差波束与和波束的比值，并根据单脉冲比曲线在瞄准线附近近似线性的特性，求出测角结果θ₀ ^*；

5)单脉冲处理器输出的测角结果θ₀ ^*接着反馈回数字波束形成器，作为下一次单脉冲数字波束形成的瞄准线指向，从而保证数字单脉冲瞄准线始终指向目标方向；

6)判断输入信号的信噪比SNRi是否恶化：当SNRi不变时，保持单元波束夹角Δθ不变，计算此时数字单元波束的指向θ₀ ^*±Δθ/2；当SNRi下降时，适当增大单元波束夹角为Δθ^*，计算此时数字单元波束的指向θ₀ ^*±Δθ^*/2；

7)根据步骤6)得到的单元波束指向与天线阵的阵列流型，计算形成新的数字单元波束所需的加权矢量，对阵列信号进行加权，得到新的数字单元波束，再由单元波束相减得到新的差波束；并根据天线阵阵列流型与新的瞄准线的指向θ₀ ^*计算新的和波束所需的加权矢量，对阵列信号进行加权，得到指向θ₀ ^*的新的和波束；

8)返回步骤4)。

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