CN101329397B

CN101329397B - 一种多波束快速探测方法及装置

Info

Publication number: CN101329397B
Application number: CN2007101176383A
Authority: CN
Inventors: 吴永清; 王永丰; 蔡惠智
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2027-06-20
Also published as: CN101329397A

Abstract

本发明涉及一种多波束快速探测方法及装置，其探测方法是在一次主动探测中向至少两个波束分别发射波形不同、互不相关的脉冲，接收端根据波形的不同来区分回波的方位。本发明的探测装置包括主动探测发射端，主动探测接收端，双工转换器和波束扫描同步器。与现有技术相比，本发明的优点是：(1)能够在一次发射中覆盖多个波束，与传统单波束扫描的方法相比，缩短了扫描整个探测空间所用的时间；(2)与全向或宽波束发射的系统相比，采用本发明扫描方法的主动探测系统可以采用更窄的发射波束，有利于降低混响/杂波的影响，从而提高检测性能。

Description

一种多波束快速探测方法及装置

技术领域

本发明涉及声纳和雷达技术，更具体地说，本发明涉及用于主动探测中的一种多波束快速扫描探测方法及装置。

背景技术

在声纳和雷达领域，为获得目标的空间信息(方位角、俯仰角)，常使所发射的主动脉冲具有一定的空间指向性，即形成发射波束。每次脉冲对特定区域(由波束宽度决定)进行探测。为了覆盖整个探测空间，系统按照“预置波束—>发射脉冲—>接收回波—>指向下一波束”的流程重复，进行扫描。早期声纳或雷达通过换能器/天线结构设计和机械扫描来实现这一目的，现代声纳和雷达一般采用换能器/天线阵列相控的方法来形成发射波束，以电子方式进行扫描。对于采用发射波束扫描的系统来说，需要扫描遍历所有波束后才得到探测空间的完整信息，对目标信息进行一次更新。

本领域技术人知道，发射波束越窄，得到的目标空间信息越精确，同时也更有利于回波检测，因为窄的发射波束所引起的混响/杂波强度更小。然而在现有的声纳/雷达探测中，在一个波束上发射脉冲信号后，需要等待进行回波接收，然后才能指向下一个波束发射脉冲信号，这是因为：1)现有的声纳/雷达系统在每个波束都发射相同的脉冲，如果当前波束回波接收没有结束就向其它波束发射脉冲，就不能判断回波来自哪个波束；2)对于脉冲探测系统来说，发射主动脉冲期间接收机通常会因为直达波耦合而饱和，不能正常工作，如果在回波接收过程中发射主动脉冲，会丢失可能的目标回波。在每个波束上等待的时间由系统的最大探测距离决定：对于给定的探测距离d，在每个发射波束上都必须等待t＝2d/c的时间，其中c为声波/电磁波的速度。因此，虽然采用更多的波束、更窄的发射波束有利于提高探测性能，但却意味着扫描整个探测范围所需的时间更长。与此同时，人们总是希望系统能够尽可能快地更新信息，及时反映探测范围内的态势。这样，系统探测目标的精度与更新速度之间的需求就存在矛盾。由于声速很低，对于主动声纳探测来讲这一问题就更加突出，因此在声纳中多采用较宽的发射波束或者全向发射，同时在接收端作全波束形成的方法来获得方位信息。但是，采用宽的发射波束或者全向发射不利于提高发射源级，并且会带来较强的混响干扰，使得检测性能下降。

由于现有技术的不足，就需要一种快速扫描方法和扫描装置。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种多波束快速扫描方法及装置，以提高采用发射波束扫描的主动探测系统的信息更新速度。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

在一次主动探测中向多个波束分别发射波形不同、互不相关(即波形具有小的互相关函数值，例如利用同阶的不同本原多项式m序列码对相同载波调相产生的波形)的脉冲，接收端根据波形的不同来区分回波的方位，使得在一个脉冲周期内可以覆盖更大的探测区域，从而提高扫描速度。具体步骤如下：

(1)根据在一个脉冲周期内需要覆盖的波束数目设计一组互不相关的波形；

(2)根据在当前脉冲周期内所要覆盖的波束号对步骤(1)所生成的发射波形分别作预波束形成，得到要加载到换能器/天线阵元上的信号，将对应同一阵元的不同波形的预波束信号相加后加载到该阵元上进行发射；

(3)接收脉冲回波，以各发射脉冲为复本对回波进行匹配处理，得到各波束指向上的目标信息；

(4)重复步骤(2)—步骤(3)，在余下的波束中确定下一组波束并进行扫描，直到遍历所有波束指向为止。

在上述技术方案中，所述步骤(1)中是按照码分或/和频分的方法生成波形不同、互不相关的脉冲。

在上述技术方案中，进一步地，所述步骤(2)中，同一组内的不同波束互相位于其它波束的最小响应位置。

在上述技术方案中，在步骤(2)中发射预波束形成是通过相控方法实现的。

为了达到上述发明目的，本发明提出一种采用多波束快速扫描的主动探测装置，包括以下结构：

主动探测发射端，包括一个波束选择器、预波束形成器、信号相加器，由换能器/天线阵列以及与阵元数相对应的功率放大器组成的相控发射单元；

主动探测接收端，包括接收换能器/天线阵列以及与阵元数相对应的前置放大器、波束形成器、回波信号检测器及显示单元；

双工转换器，用于完成换能器/天线阵列发射/接收状态的隔离与转换；

波束扫描同步器，用于同步选择发射端与接收端的扫描波束号。

本发明能够达到如下技术效果：

(1)能够在一次发射中覆盖多个波束，与传统单波束扫描的方法相比，缩短了扫描整个探测空间所用的时间；

(2)与全向或宽波束发射的系统相比，采用本发明扫描方法的主动探测系统可以采用更窄的发射波束，有利于降低混响/杂波的影响，从而提高检测性能。

附图说明

图1是本发明波束扫描方法与传统单波束扫描方法的对比示意图；图1.a所示为传统的单波束扫描系统发射探测脉冲的工作流程；图1.b所示为采用本发明的多波束快速扫描系统的工作流程；

图2是本发明同一次发射中不同脉冲的指向性示意图；

图3是采用本发明所述的多波束快速扫描方法的一个主动探测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明的原理是在一次发射中发射分别覆盖多个波束的不同脉冲，各脉冲波形采用码分或/和频分方法设计，脉冲之间具有小的互相关性，接收机可根据波形的不同来区分回波所属波束(例如利用同阶的不同本原多项式m序列码对相同载波调相产生的波形)，从而获得方位信息。

作为多波束快速扫描方法的实施例，具体步骤如下：

(1)根据目标系统的具体应用需求确定系统覆盖的探测范围和方位分辨精度，即整个扫描开角φ、以及单个发射波束的宽度_Δφ，则所需要扫描的总波束数目为M＝φ/_Δφ；

(2)确定每次发射中所能扫描的波束数目。由于在一次发射中覆盖多个波束，等于将发射系统的能量分配到多个波束，在总的发射功率一定的情况下，波束越多，每个波束上的等效源级就越小。所以，需要根据系统设计指标中所要求的每个发射波束上的等效发射源级，来确定一组发射中所能覆盖的波束数目。假设一次发射中所能扫描的波束数目为N，则需要重复K＝M/N次扫描以覆盖整个探测范围；

(3)确定扫描方案，即每次扫描所要覆盖的波束号。尽可能找到一种分配方案，使得在一次发射中所扫描的波束相互位于最小响应位置(避免出现在旁瓣上)，以减小不同波束之间的相互干扰；

(4)采用码分或/和频分方法设计N个互不相关的脉冲波形；

(5)根据步骤(3)所确定的方案进行一次扫描发射：将步骤(4)所得到的发射波形对当前所要覆盖的波束分别作预波束形成，并将对应同一阵元的不同波形的预波束信号相加后发射；

(6)接收脉冲回波，以各发射波形为复本分别对回波进行匹配处理，得到各波束指向上的目标信息；

(7)重复步骤(5)、步骤(6)，在余下的波束中确定下一组波束并进行扫描，重复K次以遍历所有波束。

图1为本发明所提出的发射波束扫描方法与传统单波束扫描方法的对比示意图。图中T为主动脉冲时间长度，T_P为一个脉冲探测周期(两次发射间隔，通常取T+2d/c)。如图1.a所示，传统扫描方法每次发射一个脉冲，对应一个波束。新方法中每次发射多个波形不同的脉冲，分别对应不同的波束，如图1.b所示。为了减小一次发射中不同脉冲之间相互干扰，它们所对应的波束号(方位角)并不连续，而是相互位于其它脉冲所在波束的极小响应位置上，如图2所示。图2是同一次发射中不同脉冲的指向性图，图中脉冲P₁、P₂、P₃分别指向-14°、0°、+14°。在-14°(脉冲P1主瓣峰)处，脉冲P₂、P₃为极小响应。相应地，P₁、P₃在0°处为极小响应，P₁、P₂在+14°处为极小响应。同一次发射中不同脉冲的指向都被选取为满足这种相互位于“零点”的角度，从而进一步减小了不同脉冲间的干扰。仅作为原理描述目的，假设整个探测空间分为M＝9个波束，则传统单波束扫描需要9次发射才可以完成覆盖。假设采用新方法后一次发射波所覆盖的波束数为N＝3，则只需3次发射，覆盖探测空间所需时间缩短为原来的1/3，信息更新速率提高3倍。

图3是采用本发明所述的多波束快速扫描方法的主动探测装置结构示意图。系统采用收/发共用的线阵列，由一个双工转换器完成发射和接收信号的隔离。双工器以下左侧为发射端部分，由波形产生器、预波束形成器、波形相加器及功率放大器组成。右侧为接收端，由波束形成器、相干检测接收机以及回波后处理/显示单元组成。波束选择和扫描控制器控制发射接收端的波束扫描操作。该系统可在一次发射中同时扫描3个波束。工作时，扫描控制器选择一组波束，发射端的预波束形成器据此分别对由主动波形生成器产生3个脉冲波形作相控预波束形成，接下来在波形相加器中，对应同一阵元的波形被相加在一起，并且经过功率放大器送到相应阵元发射。脉冲发射结束后，系统进入回波接收状态，阵列输出信号首先经过前置放大器进行调理放大，然后进入波束形成器，波束形成器根据扫描控制器提供的波束号作波束形成，接下来各波束信号被送入相干检测接收机进行回波检测。相干检测接收机的核心是3个相关器，它们分别以发射脉冲为复本与对应波束的信号做相关。检测接收机输出经过后处理后最终由显示单元显示。一次脉冲周期结束后，扫描控制器选择下一组波束，系统对另外3个波束进行扫描探测。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种多波束快速探测方法，该方法在一次主动探测中向至少两个波束分别发射波形不同、互不相关的脉冲，接收端根据波形的不同来区分回波的方位；其中，所述多波束快速探测方法的主动探测发射阶段包括如下步骤：

(2)将对应同一阵元的不同波形的预波束信号相加，然后发射出去。

2.按权利要求1所述的多波束快速探测方法，其特征在于，所述不同波形的预波束信号是根据当前脉冲周期内所要覆盖的波束号对步骤(1)所生成的发射波形分别作预波束形成而得到的信号。

3.按权利要求2所述的多波束快速探测方法，其特征在于，其主动探测接收阶段包括如下步骤：

(3)接收脉冲回波，以各发射脉冲为复本对回波进行匹配处理，得到各波束指向上的目标信息。

4.按权利要求3所述的多波束快速探测方法，其特征在于，所述多波束快速探测方法还包括如下步骤：

(4)不断重复步骤(2)-步骤(3)，在余下的波束中确定下一组波束并进行扫描，直到遍历所有波束指向为止。

5.按权利要求1所述的多波束快速探测方法，其特征在于，所述步骤(1)中是按照码分或/和频分的方法生成波形不同、互不相关的脉冲。

6.按权利要求2所述的多波束快速探测方法，其特征在于，所述步骤(2)中，同一组内的不同波束互相位于其它波束的最小响应位置。

7.按权利要求2所述的多波束快速探测方法，其特征在于，在步骤(2)中发射预波束形成是通过相控方法实现的。

8.一种多波束快速探测装置，包括以下结构：

主动探测发射端，用于在一次主动探测中向至少两个波束分别发射波形不同、互不相关的脉冲；还用于根据在一个脉冲周期内需要覆盖的波束数目设计一组互不相关的波形；并将对应同一阵元的不同波形的预波束信号相加，然后发射出去；

主动探测接收端，用于对回波进行匹配处理，得到各波束指向上的目标信息。

9.按权利要求8所述的多波束快速探测装置，其特征在于，所述多波束快速探测装置还包括：收/发共用的线阵列、双工转换器以及波束选择和扫描控制器，所述双工转换器用于完成发射和接收信号的隔离；所述波束选择和扫描控制器控制发射端和接收端的波束扫描操作；

所述主动探测发射端包括波形产生器、预波束形成器、波形相加器和功率放大器；

所述主动探测接收端包括前置放大器、波束形成器、相干检测接收机和回波后处理/显示单元。