CN102565764B

CN102565764B - 一种宽带稀布阵雷达通道近场延时校准方法

Info

Publication number: CN102565764B
Application number: CN2011103832260A
Authority: CN
Inventors: 徐超
Original assignee: 724th Research Institute of CSIC
Current assignee: 724th Research Institute of CSIC
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: CN102565764A

Abstract

本发明涉及一种宽带稀布天线单元阵雷达多通道近场延时校准方法，其中包括：在近场环境架设一个信号源辐射一定频率和带宽的调频信号，使用待校准大型稀布阵天线接收信号源辐射的信号，采集各个通道接收到的信号；使用去斜技术将通道信号变换到频域；在频域使用频率差值高精度估计方法获得通道信号频率差值的高精度估计，进而得到通道信号的延时估计初始值；使用时域延时高精度估计方法对通道的相位差值进行修正，获得通道的延时校准值；用该校准值对稀布阵雷达信号处理单元的延时滤波器进行校准。

Description

一种宽带稀布阵雷达通道近场延时校准方法

技术领域

本发明涉及一种宽带稀布阵雷达通道近场延时校准方法。尤其涉及通过在近场条件下对宽带稀布阵雷达各通道间的延时差进行测量，实现对通道内部延时差和相位差进行校准的技术。

背景技术

大型宽带稀布天线单元阵列雷达由于具有极强的角分辨力和距离分辨力，已成为警戒搜索雷达技术的发展方向。为了提高角分辨能力和作用距离，阵列天线的阵元数不断增加；提高距离分辨力的直接结果，使雷达采用了瞬时带宽更大的宽带信号。而获得雷达探测的高分辨力能力的前提是雷达对应天线单元多通道间的一致性性能，因此必须通过校准技术对雷达通道进行校准，才能获得预期的雷达信号处理效果。

大型宽带稀布阵列雷达中由于各单元器件的不一致性导致天线单元、模拟及数字通道存在内部延时差和相位差；天线单元的稀布，使到达各个数字通道的时统信号存在一定延时差，导致数字采样信号存在时间差。在进行雷达信号处理之前必须对通道内的各种延时差和相位差测量出来，并调整各个通道的延时和相位特性，实现对雷达单元通道的校准。由于天线孔径较大，远场校准方法虽然算法实现简单，但必须有足够的距离架设信号源以满足远场校准条件。本发明克服了远场校准的空间限制，增强了方法的实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型宽带稀布阵雷达通道近场校准方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：通过在近场架设信号源辐射一定带宽和频率的调频信号，稀布阵列雷达天线接收信号源辐射信号，使用待测大型稀布阵雷达采集空间辐射的信号。对接收到信号采用去斜方法将调频信号变为单频信号；将各个通道的信号变换到频域；选定一个通道作为参考通道，对各个通道的频域信号进行插值滤波，初步判断各个通道频率峰值位置和参考通道的频率峰值位置的差值，作为通道频率差值的初始估计值；该差值作为插值滤波器的参数，对各通道进行插值滤波，插值滤波器的输出是经过频率平移的各通道频域信号；在通道频率差值的初始估计值附近做局部搜索，比较插值滤波器输出的频域信号和参考通道的频域信号，取最小二乘意义上的通道频率差值估计值作为通道频率差值，将通道频率差值换算成通道延时差值；将各个通道采集的时域信号变换到零中频输入到延时滤波器，延时滤波器的参数初始估计值为上一步获得的通道延时差值，微调各个通道的延时滤波器的参数，在延时差初始估计值附近做局部搜索，比较各个通道输出的时域零中频信号和参考通道的时域零中频信号，取最小二乘意义上的通道延时差值作为通道延时差值的最终估计值；使用激光测距仪等高精度距离测量设备测量信号源到稀布阵雷达各个天线单元空间距离差值，将该距离差值换算成空间延时差值，通道延时差值与该空间延时差值相减，得到各个通道内部延时差值；用该通道内部延时差值，调整雷达信号处理过程中延时滤波器，实现稀布阵列雷达各个通道的校准。

附图说明

图1本发明大型稀布阵雷达通道近场延时校准结构图。

图2频率差值高精度估计的算法结构图。

图3高精度相位差值修正方法结构框图。

具体实施方式

大型稀布阵雷达通道近场延时校准结构如图1所示。其中包括：信号源、辐射喇叭天线、大型稀布阵列雷达天线接收单元、校准算法。通过激光测距装置测量近场喇叭天线到各个单元的距离，并求得喇叭天线到各个天线单元的空间延时差；通过在近场架设信号源辐射一定带宽和频率的调频信号，稀布阵列雷达天线接收信号源辐射信号，采集各个通道的信号，利用校准算法计算通道延时差值；通道延时差值减空间延时差值，即得到大型稀布阵列雷达通道内延时差值。

设采集输入的第n个通道的信号为

X_{n} (m T_{s}) = S_{n} (m T_{s}) + N_{n} (m T_{s})

= \frac{a_{n}}{\sqrt{T_{p}}} rect (\frac{m T_{s} - τ_{n}}{T_{p}}) \exp [j 2 π f_{I} (m T_{s} - ΔT)] \cdot \exp [jπu {(m T_{s} - ΔT)}^{2} + φ_{n}]

+ N_{n} (m T_{s})

其中，Ts为采样间隔，T_p为时宽，ΔT为第n个通道相对于参考通道的延时，φ_n为第n个通道相对于参考通道的相位差值。N_n(mT_s)为噪声。近场辐射源到达稀布阵各个通道数字采集前端的系统延时差值包括两个部分：

ΔT＝ΔT_in+ΔT_dist

通过使用高精度测距仪测量辐射源与稀布天线阵各个单元间的位置关系，计算空间延时ΔT_dist，得到通道内部的延时差为：

ΔT_in＝ΔT-ΔT_dist

本方法的核心内容是通道延时差的计算，其中包括四个步骤：

1)首先，使用信号处理中广泛使用的去斜技术将调频信号变换为单频信号，信号频率与通道的延时差有密切关系。

构造参考信号，设信号形式为：

S_{ref} (m T_{s}) = rect (\frac{m T_{s}}{T_{ref}}) \exp (j 2 π f_{I} m T_{s}^{'}) \exp [jπu {(m T_{s})}^{2}]

其中，T_ref为参考信号脉冲宽度，将X_n(mT_s)与参考信号S_ref(mT_s)共轭相乘，即做差频处理：

X_{or} (m T_{s}) = X (m T_{s}) S_{ref}^{*} (m T_{s}) = S_{or} (m T_{s}) + N_{or} (m T_{s})

易证明，

N_{or} (m T_{s}) = N (m T_{s}) S_{ref}^{*} (m T_{s})

是均值为0，方差为

的高斯白噪声。信号部分可以简化为：

S_{or} (m T_{s}) \approx \frac{a_{n}}{\sqrt{T_{p}}} rect (\frac{m T_{s} - Δ T_{n}}{T_{p}}) \exp (- j 2 π f_{I} τ_{n}) \exp [- j 2 πum T_{s} Δ T_{n}]

将各通道的时域信号变换到频域，其频谱是一个sinc函数，谱峰位置为：

f_n＝-uT_n

将该单元通道信号与参考单元通道信号进行比较得到二者的频率差值为：

Δf_n.init＝-uΔT_n

这里u是调频斜率。

2)对变换后的信号做频率差值的高精度估计。

该频率差值为频率估计值，将待测通道经过插值滤波器平移频域信号，并与参考通道进行比较，在频率估计值附近做频率搜索，选取最小二乘意义上的通道频率差值估计值作为通道频率差值，算法结构图如图2所示。

设通道n的频域信号为X(mf_s.n)，频域信号最大值出现在f_n.max处，参考通道的频域信号为X(mf_s.0)，频域信号最大值出现在f_0.max处，二者的频域差值如下：

Δf_n.init＝f_n.max-f_0.max＝-uΔT_n

插值滤波器可以用拉格郎日滤波器、加窗sinc函数滤波器，或者加权最小均方误差滤波器实现。将Δf_n.init作为插值滤波器的初始值，在该值附近做局部搜索。经插值滤波器输出的通道n的频域信号为：

X^{'} (m f_{s . n}) = X (m f_{s . n}) &CircleTimes; H (Δ f_{n . init} + uΔ f_{s})

其中，H(·)为插值滤波器系统函数，u为搜索步长，Δf_s为频率分辨单元。图2中，e值为：

e = (\sqrt{{(| X^{'} (m f_{s . n}) | - | X (m f_{s . 0}) |)}^{2}})

调节Δf_s，当e取最小值时得到Δf_n的最终估计值，计算延时估计值，公式为：

Δ T_{n . init} = \frac{Δ f_{n}}{- u}

这里u是调频斜率，ΔT_n.init是通道n的延时估计初始值。

3)对通道进行高精度相位差修正。

经过以上计算，得到通道n与参考信号的延时差的初步估计值，但是通道n与参考通道的相位差值φ_n无法计算得到，必须校准两个通道的相位差值。高精度相位差修正结构图如图3所示。相位校准的原理是通过将相位差变换为延时差，对延时差进行估计。载频f₀时信号相位与延时差值可以表示为：

Δφ＝f₀·ΔT_φ

使用延时滤波器对通道n信号进行延时滤波，滤波器输出如下：

X_{n}^{'} (m T_{s}) = X (m T_{s}) &CircleTimes; H (Δφ + u T_{s})

其中，H(·)为延时滤波器系统函数，u为搜索步长，T_s为频率分辨单元。图3中，e值为：

e = (\sqrt{{(| x_{n}^{'} (m T_{s}) | - | x_{0} (mTs) |)}^{2}})

其中，X₀为参考通道零中频信号，X′_n为滤波器输出的通道n的零中频信号。当e取最小值时得到延时的最终估计值ΔT_n：

ΔT_n＝ΔT_n.init+ΔT_φ

4)使用上一步计算出的通道n的延时估计值对信号处理中的通道n的延时滤波器进行修正。

Claims

1.一种宽带稀布阵雷达通道近场延时校准方法，其特征在于：首先，在近场环境架设一个信号源辐射一定频率和带宽的调频信号，采集各个通道接收到的信号；使用去斜技术将通道信号变换到频域；在频域对通道信号频率差值进行初步估计，作为通道频率差值的初始估计值，该差值作为插值滤波器的参数，对各通道进行插值滤波，在通道频率差值的初始估计值附近做局部搜索，比较插值滤波器输出的频域信号和参考通道的频域信号，取最小二乘意义上的通道频率差值估计值作为通道频率差值，进而得到通道信号的延时估计初始值；将各个通道采集的时域信号变换到零中频输入到延时滤波器，延时滤波器的参数初始估计值为上一步获得的通道延时差值，微调各个通道的延时滤波器的参数，在延时差初始估计值附近做局部搜索，比较各个通道输出的时域零中频信号和参考通道的时域零中频信号，取最小二乘意义上的通道延时差值作为通道延时差值的最终估计值，获得通道的延时校准值；用该校准值对稀布阵雷达信号处理单元的延时滤波器进行校准。