CN103682677B - 一种艇载雷达共形稀疏阵列天线及其信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种艇载雷达共形稀疏阵列天线及其实现和信号处理方法。该共形稀疏阵列天线包括：多个在艇身上稀疏布设的子阵，所述子阵采用有源相控子阵，并采用刚性结构以保证子阵阵面控制精度；所述子阵的收/发组件为带辐射阵元立体集成的瓦片式Tile结构，每个子阵均发射和接收频分或码分正交信号，实现全阵收发功能。所述共形稀疏阵列天线观测范围由子阵天线波束宽度决定，高的空间分辨率由全阵天线实现；所述的共形稀疏阵列天线艇载雷达用于高分辨率对地成像与运动目标探测。
Description
技术领域
本发明涉及雷达天线技术和雷达系统领域，特别是一种艇载雷达共形稀疏阵列天线实现及其信号处理方法。
背景技术
飞艇拥有较大的空间和超长的续航能力，以其为平台的艇载雷达系统可以实现全天候、长时间稳定的对地成像和运动目标探测。
合成孔径雷达是利用雷达运动产生的空间虚拟孔径合成等效大孔径天线，实现较高的空间分辨率。飞艇悬浮驻留的特点，使其利用合成孔径雷达原理实现对地成像存在困难，但其巨大的体积(如美国的HAA飞艇长152.4米，直径48.7米)(参见：http://www.globalsecurity.org/intell/system/haa.htm)，又为利用大尺寸天线雷达实现实孔径成像对地观测提供了可能。
大尺寸的雷达天线为实现实孔径高分辨率成像创造了条件，但与之对应的大量天线单元和接收通道，使雷达系统的体积重量及复杂度增加。为覆盖足够的观测范围，天线波束需扫描或天线应具有同时多波束形成能力，这使得系统变得更为复杂。解决上述问题的一个途径就是考虑采用易于大尺寸稀疏布设的稀疏阵列天线，并共形布设在飞艇艇身上。
共形稀疏阵列天线可采用结构集成技术，通过雷达和飞艇一体化综合设计，使雷达天线与飞艇的外表面共形，较好地消除天线安装对飞艇气动布局的影响；此外，共形稀疏阵列天线可增大雷达天线的面积，增加天线口径，提高雷达的探测能力，改善雷达角分辨力和测角的精度。
飞艇是共形稀疏阵列天线采用结构集成技术实现应用的一个重要平台。美国高级研究计划局(DARPA)于2006年提出了“综合传感器即是结构”(IntegratedSensorisStructure，ISIS)计划，并将其应用于飞艇平台。该计划将雷达天线与艇身结构进行集成，使整个平台成为一部传感器，以减轻重量。ISIS计划的艇载雷达系统由多组电扫阵列组成，雷达采用双波段(X和UHF波段)方式工作，天线的直径约50米，X波段和UHF波段天线孔径面积均为5725m2，雷达波束以相控阵方式进行扫描，可在几种模式下同时工作，除具有部分数据链和语音传输能力外，还具有低空运动目标和地面运动目标检测能力。天线具有上视、前视和下视能力，可提供长达一年的全面且持续的监视和跟踪。ISIS计划的艇载雷达旨在追踪600公里范围内的空中运动目标和300公里范围内的地面移动目标，其X波段雷达可以提供10倍于现有美军雷达分辨率的火控功能。
目前，ISIS计划的艇载雷达验证系统由洛克希德-马丁公司承担研制，验证系统的天线直径约22m，X波段孔径面积为98m2，UHF孔径面积约530m2，预计首次放飞时间为2013年。该验证系统X和UHF波段的大型有源电扫相控阵雷达贴在飞艇内部的一个圆柱体上，是飞艇蒙皮的一个重要组成部分。现行方案将组件安装在圆形的圆柱体上，可以用更少的收发组件提供全空域覆盖，其中，X波段的阵列天线面积约100m2，共10万个收发组件，而未来实用的艇载雷达天线阵面积将达到约6000m2，X波段阵列拥有的组件数将近700万个。上述美国ISIS计划在共形阵列天线的技术实现上，实际上采用了基于阵元级共形密集布局的方案。
除了美国的众多艇载雷达项目外，俄罗斯NISS科学研究所研制的“海龙”浮空器雷达在8000m高空的探测距离达到200km，而以色列Elta系统公司基于“绿松”地基远程预警雷达研制的飞艇可编程雷达(APR)在以色列和印度都有着不错的市场，但均存在雷达功率较大，系统复杂度高，工程上难以实现等问题。(参见：罗敏.浮空器雷达载荷发展浅析[J].现代雷达，2010，32(6)：14-16.)
国内已有相关单位对飞艇技术展开了研究工作，目前已有投入使用的飞艇如CA-120型软式载人飞艇，飞宇M6-2000飞艇等，但将稀疏阵列天线共形布设到飞艇平台，尚未见报道。关于稀疏阵列天线设计，目前的研究工作主要集中在简单的线阵和面阵上；在共形阵列天线的技术实现上，国内跟踪研究了美国ISIS计划基于阵元级共形密集布局的方案。由于飞艇具有悬停和巡航速度慢的特点，使其利用合成孔径雷达原理实现对地成像存在困难，其高分辨率对地成像问题亟待解决。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是公开一种基于共形稀疏阵列天线的艇载雷达实现方法。要解决的技术问题包括：
●对地成像和运动目标探测所需的大尺寸阵列天线的构型及其在艇身的共形布设
●共形稀疏阵列天线形变误差测量及高空间分辨率方向图形成
针对以上问题，本发明采用基于稀疏阵列的大尺寸天线，其子阵共形布设在艇身蒙皮上；在子阵天线上安装分布式多节点、高精度位置和姿态测量系统，对多子阵相位中心空间位置实施高精度测量并进行误差补偿，经孔径综合处理后，形成高空问分辨率方向图。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提出了一种艇载雷达共形稀疏阵列天线实现及其信号处理方法
根据本发明的一方面，其提供了一种艇载雷达共形稀疏阵列天线，其包括：多个在艇身上稀疏布设的子阵，所述子阵采用有源相控子阵，并采用刚性结构以保证子阵阵面控制精度；所述子阵的收/发组件为带辐射阵元立体集成的瓦片式Tile结构，每个子阵均发射和接收频分或码分正交信号，实现全阵收发功能。
其中，所述阵列天线全阵工作在与艇身蒙皮共形的非刚性状态下，在子阵天线上安装分布式多节点、高精度位置和姿态测量系统，对多子阵相位中心空间位置实施高精度测量。
根据本发明的另一方面，其还提供了一种上述艇载雷达共形稀疏阵列天线的实现及其信号处理方法，其包括：
步骤1、确定所述艇载雷达共形稀疏阵列天线的参数；
步骤2、设计艇载雷达共形稀疏阵列天线的多子阵天线；
步骤3、测量所述多个子阵天线相位中心的相对空间位置；
步骤4、对所述艇载雷达共形稀疏阵列天线的多子阵天线相位中心进行孔径综合处理；
步骤5、利用所述艇载雷达共形稀疏阵列天线对地成像和探测运动目标。
其中，步骤1中确定所述艇载雷达共形稀疏阵列天线的参数具体包括：
根据艇载雷达对空间分辨率的要求确定全阵尺寸，根据飞艇对设备尺寸的约束条件确定子阵尺寸，利用现有的模拟退火优化方法得到子阵的数量并获得其在稀疏阵列的位置，使稀疏阵列天线共形布设在艇身蒙皮上。
其中，步骤4具体为：引入合成孔径雷达成像处理中的运动补偿方法，去除较大阵列形变误差对全阵方向图的影响，然后对所述艇载雷达共形稀疏阵列天线的多子阵天线相位中心进行孔径综合处理，使综合后的相位中心数量和分布情况与直线阵列满阵天线的相同，形成全阵方向图，以获取高的空间分辨率并避免稀疏阵列栅瓣和旁瓣较高的问题。
其中，步骤4具体为：对所述艇载雷达共形稀疏阵列天线的多相位中心进行孔径综合处理后采用与阵列构型无关的后向投影(BP)算法对回波信号进行处理得到成像结果。
其中，步骤5中对地成像时，所述艇载雷达共形稀疏阵列天线的各子阵天线同时收发频分正交信号实现多发多收，形成大尺寸的实孔径收发阵列，通过实孔径成像处理提高飞艇在悬停状态下的空间分辨率，通过SweepSAR模式对应的波束扫描方式扩大观测幅宽。
其中，步骤5中探测运动目标时，所述艇载雷达共形稀疏阵列天线将稀疏阵换成满阵利用空时二维信号处理技术抑制杂波实现运动目标探测。
其中，步骤5中在探测运动目标时，所述艇载雷达共形稀疏阵列天线将压缩感知理论引入稀疏阵列信号处理过程，利用运动目标显示处理技术抑制杂波，使观测场景中的运动目标信号具有稀疏特性，根据稀疏阵列构型和脉冲压缩后的信号形式，构造基矩阵，并进一步实现运动目标图像重建。
其中，步骤5中，在运动目标探测过程中，对于高速低信噪比运动目标，所述艇载雷达共形稀疏阵列天线还引入逆合成孔径雷达的成像处理方法，以提高检测目标的信噪比；并采用多频信号和双频共轭处理对高速运动目标回波信号进行多普勒解模糊处理，使用Keystone变换对运动目标进行距离走动校正。
本发明提出的基于子阵级共形稀疏布局的阵列天线方案具有宽波束发射、数字波束形成(DBF)窄波束接收处理的特点，易于大尺寸稀疏布设，对提高雷达的实孔径成像分辨率有利；其不仅可大幅减少设备体积重量，在原理上其天线在一个方向的空间尺寸可达到百米量级，且工程上易于实现，在对地成像和运动目标探测领域具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明中共形布设稀疏阵列雷达天线的飞艇采集信号的模型示意图；
图2为本发明中稀疏阵列雷达天线布置示意图；
图3(a)～图3(b)为本发明中雷达系统发射信号波形示意图，图3(a)为码分正交信号，图3(b)为频分正交信号；
图4为本发明中对地成像信号处理流程图；
图5为本发明中运动目标探测信号处理流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种艇载雷达系统，该雷达系统包括：飞艇平台以及布设在所述飞艇平台上的艇载雷达共形稀疏阵列天线，且所述稀疏阵列天线与所述飞艇的艇身共形布阵。
其中，所述艇载雷达共形稀疏阵列天线包括：多个在艇身上稀疏布设的子阵，所述子阵采用有源相控子阵，并采用刚性结构以保证子阵阵面控制精度；所述子阵的收/发组件为带辐射阵元立体集成的瓦片式Tile结构，每个子阵均发射和接收频分或码分正交信号，实现全阵收发功能。所述阵列天线全阵工作在与艇身蒙皮共形的非刚性状态下，在子阵天线上安装分布式多节点、高精度位置和姿态测量系统，对多子阵相位中心空间位置实施高精度测量。
本发明还公开了一种艇载雷达共形稀疏阵列天线实现及其信号处理方法，该方法包括：
步骤1、确定所述共形稀疏阵列天线的参数；
步骤2、设计所述共形稀疏阵列中多子阵天线；
步骤3、测量多子阵天线相位中心的相对空间位置；
步骤4、，对所述共形稀疏阵列天线的多子阵天线相位中心进行孔径综合处理；
步骤5、利用所述艇载雷达共形稀疏阵列天线对地成像和探测运动目标。
图1为本发明中共形布设有稀疏阵列雷达天线的飞艇采集信号的模型示意图。如图1所示，该模型中，载荷平台为飞艇，稀疏阵列雷达天线共形布设在飞艇蒙皮上，用于实现对地面静止场景的成像和地面与低空运动目标的探测。
图2为本发明中稀疏阵列雷达天线布置示意图。参照图2，本发明中采用有源相控子阵稀疏阵列，所述稀疏阵列工作在Ku波段，全阵尺寸优选为70m×0.5m，根据模拟退火算法优化计算得到每一侧稀疏阵列包含20个子阵，占据68个空间位置。本发明中为实现所述稀疏阵列与艇身的共形布阵，采用已有的优化算法设计基于二次椭球面的稀疏阵列，完成曲线稀疏阵列优化布阵。
本发明中所述的天线子阵采用有源相控子阵，其可采用体积小重量轻的带辐射阵元立体集成的瓦片式Tile结构；所述天线子阵采用刚性结构以保证阵面控制精度，在此基础上形成高效轻量小型子阵，子阵尺寸根据飞艇参数选为1m×0.5m。所述子阵发射和接收频分(或码分)正交信号，实现全阵收发功能，波束扫描范围为±60°。
本发明中所述的天线子阵数量和通道数较多，数据量较大，考虑到艇载雷达的实际应用需求，平台应有一定的实时信号处理能力。为保证信号质量和通道一致性，信号采集可使用中频采样，相关的实时信号处理硬件结构采用FPGA+DSP的方式实现，多子阵信号的频率和定时基准采用光纤传输。
本发明中所述的共形稀疏阵列天线全阵工作在与艇身蒙皮共形的非刚性状态下，在子阵天线上安装分布式多节点、高精度位置和姿态测量系统，对多子阵相位中心空间位置实施高精度测量。所述系统的位置测量精度设计为5cm(相对位置精度1-1.5mm)，姿态精度设计为0.005°，航向精度设计为0.01°，速度精度设计为0.005m/s。
其中，上述步骤3中对多子阵相位中心实施高精度测量；即利用安装在子阵天线上的分布式多节点、高精度位置和姿态测量系统测量所述天线子阵的相位中心空间位置及其姿态，得到所述天线子阵在各个时刻的姿态和位置分布信息；
上述步骤4中，引入合成孔径雷达成像处理中的运动补偿方法，根据所得到的天线子阵的位置分布，对所述共形稀疏阵列天线的相位中心进行补偿，去除较大阵列形变误差对全阵方向图的影响；然后对所述共形稀疏阵列天线的相位中心进行孔径综合处理，使综合后的相位中心数量和分布情况与直线阵列满阵天线的相同，形成全阵方向图，以获取高的空间分辨率并避免稀疏阵列栅瓣和旁瓣较高的问题。
此外，步骤4中还可以通过对所述共形稀疏阵列天线的多相位中心进行孔径综合处理后采用与阵列构型无关的后向投影(BP)算法对回波信号进行处理得到。
步骤5中，当本发明所述的雷达系统用于对地成像时，各子阵同时收发频分正交信号实现多发多收如图3(b)所示。通过大尺寸天线提高实孔径成像处理的空间分辨率，通过SweepSAR模式对应的波束扫描方式扩大观测幅宽。
图4示出了本发明中对地成像的信号处理流程图。如图4所示，该处理过程包括：
步骤51、对于每个子频率的回波，经过高精度的补偿后，补偿等效相位中心误差；
步骤52、利用稀疏阵列多相位中心孔径综合，对不同频率的信号进行孔径综合处理；
步骤53、对同一相位中心处的正交信号进行频率拼接以合成宽带信号，提高距离分辨率；
步骤54、利用SweepSAR模式对应的波束扫描方式在时域进行信号合成，扩大距离向幅宽。对地成像信号处理流程图见图4。
步骤5中，在运动目标探测时，一方面使用如图3(a)所示的码分信号，通过孔径综合将稀疏阵换成满阵后利用空时二维信号处理(STAP)技术抑制杂波以实现运动目标探测；另一方面，使用如图3(b)所示的频分信号，利用运动目标显示处理(MTI)技术抑制杂波，使观测场景中的运动目标信号具有稀疏特性，并将压缩感知(CS)理论引入稀疏阵列信号处理过程，根据稀疏阵列构型和脉冲压缩后的信号形式，构造基矩阵，并进一步实现运动目标图像重建，在原理上可不做孔径综合。
图5示出了本发明中对运动目标进行探测的信号处理流程。如图5所示，该处理流程包括：
步骤55、对于每个子频率的回波，经过高精度的补偿后，补偿等效相位中心误差，不同脉冲对消进行杂波抑制。
步骤56、对于回波信号进行脉冲压缩，并在脉冲压缩的同时，实现距离走动校正；
步骤57、采用不同脉冲重复周期的信号完成脉冲积累，以提高信噪比。取出所有子阵运动目标所在的距离-多普勒单元数据，采用基于压缩感知理论的成像算法，完成运动目标成像。采用压缩感知的运动目标探测流程见图5。
本发明将逆合成孔径雷达(ISAR)的成像处理方法引入运动目标的探测过程，用来提高检测目标的信噪比。在此基础上，雷达对远距离目标信号可采用长时间相干积累，对近距离目标信号可采用短时间相干积累，并自动实现一定的灵敏度时间控制(STC)功能。由于在成像处理过程中，在获得目标径向速度的同时，也可获得目标的横向速度，故雷达成像可获得更多的运动目标信息。
本发明采用多频信号和双频共轭处理解决高速运动目标回波信号的多普勒模糊问题，使用Keystone变换对运动目标进行距离走动校正，以有效解决低信噪比高速运动目标探测问题。
结合以上说明，本发明优选实施例中形成的一个艇载雷达共形稀疏阵列天线设计实例如下：
●天线形式：有源相控子阵共形稀疏阵列
●波段：Ku
●发射信号波形：频分/码分正交信号
●全阵尺寸：约70m×0.5m
●子阵尺寸：1m×0.5m
●子阵数量：20
●子阵相对空间位置：1245691521273336424854606364656768
●子阵波束宽度：1°×2°
●全阵波束宽度：0.02°×2°
●全阵实孔径对地成像分辨率：优于5m(30km斜距)
天线波束扫描范围：方位向±60°，俯仰向+15°～-45°
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种艇载雷达共形稀疏阵列天线，其包括：多个在艇身上稀疏布设的子阵，所述子阵采用有源相控子阵，并采用刚性结构以保证子阵阵面控制精度；所述子阵的收/发组件为带辐射阵元立体集成的瓦片式Tile结构，每个子阵均发射和接收频分或码分正交信号，实现全阵收发功能；所述阵列天线全阵工作在与艇身蒙皮共形的非刚性状态下，且所述阵列天线的多子阵天线相位中心经过孔径综合处理，所述相位中心的数量和分布情况与直线阵列满阵天线相同，形成全阵方向图；并且在子阵天线上安装有分布式多节点、高精度位置和姿态测量系统，对多子阵相位中心空间位置实施高精度测量；其中，所述阵列天线的多子阵天线相位中心经过孔径综合处理时引入合成孔径雷达成像处理中的运动补偿方法，对所述艇载雷达共形稀疏阵列天线的多相位中心进行孔径综合处理后采用与阵列构型无关的后向投影算法对回波信号进行处理得到成像结果，去除较大阵列形变误差对全阵方向图的影响，然后对所述艇载雷达共形稀疏阵列天线的多子阵天线相位中心进行孔径综合处理，使综合后的相位中心数量和分布情况与直线阵列满阵天线的相同，形成全阵方向图，以获取高的空间分辨率并避免稀疏阵列栅瓣和旁瓣较高的问题；
所述阵列天线的各个子阵天线通过多发多收形成大尺寸的实孔径收发阵列，以对大地进行成像；
所述阵列天线通过将稀疏阵换成满阵利用空时二维信号处理方式抑制杂波实现运动目标的探测；并通过将压缩感知理论引入稀疏阵列信号处理过程，利用运动目标显示处理技术抑制杂波，使观测场景中的运动目标信号具有稀疏特性，根据稀疏阵列构型和脉冲压缩后的信号形式，构造基矩阵，进一步实现运动目标图像重建。
2.一种如权利要求1所述的艇载雷达共形稀疏阵列天线的实现及其信号处理方法，其包括：
步骤1、确定所述艇载雷达共形稀疏阵列天线的参数；
步骤2、设计艇载雷达共形稀疏阵列天线的多子阵天线；
步骤3、测量所述多个子阵天线相位中心的相对空间位置；
步骤4、对所述艇载雷达共形稀疏阵列天线的多子阵天线相位中心进行孔径综合处理；
步骤5、利用所述艇载雷达共形稀疏阵列天线对地成像和探测运动目标。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1中确定所述艇载雷达共形稀疏阵列天线的参数具体包括：
根据艇载雷达对空间分辨率的要求确定全阵尺寸，根据飞艇对设备尺寸的约束条件确定子阵尺寸，利用现有的模拟退火优化方法得到子阵的数量并获得其在稀疏阵列的位置，使稀疏阵列天线共形布设在艇身蒙皮上。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤4具体为：引入合成孔径雷达成像处理中的运动补偿方法，去除较大阵列形变误差对全阵方向图的影响，然后对所述艇载雷达共形稀疏阵列天线的多子阵天线相位中心进行孔径综合处理，使综合后的相位中心数量和分布情况与直线阵列满阵天线的相同，形成全阵方向图，以获取高的空间分辨率并避免稀疏阵列栅瓣和旁瓣较高的问题。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤4具体为：对所述艇载雷达共形稀疏阵列天线的多相位中心进行孔径综合处理后采用与阵列构型无关的后向投影(BP)算法对回波信号进行处理得到。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤5中对地成像时，所述艇载雷达共形稀疏阵列天线的各子阵天线同时收发频分正交信号实现多发多收，形成大尺寸的实孔径收发阵列，通过实孔径成像处理提高飞艇在悬停状态下的空间分辨率，通过SweepSAR模式对应的波束扫描方式扩大观测幅宽。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤5中探测运动目标时，所述艇载雷达共形稀疏阵列天线将稀疏阵换成满阵利用空时二维信号处理技术抑制杂波实现运动目标探测。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤5中在探测运动目标时，所述艇载雷达共形稀疏阵列天线将压缩感知理论引入稀疏阵列信号处理过程，利用运动目标显示处理技术抑制杂波，使观测场景中的运动目标信号具有稀疏特性，根据稀疏阵列构型和脉冲压缩后的信号形式，构造基矩阵，并进一步实现运动目标图像重建。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤5中，在运动目标探测过程中，对于高速低信噪比运动目标，所述艇载雷达共形稀疏阵列天线还引入逆合成孔径雷达的成像处理方法，以提高检测目标的信噪比；并采用多频信号和双频共轭处理对高速运动目标回波信号进行多普勒解模糊处理，使用Keystone变换对运动目标进行距离走动校正。
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