CN104297747B - 相控阵波束跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种相控阵波束跟踪方法，包含：环形共型相控阵通过控制方位向波束遍历其方位向上所有波位，确定跟踪目标所在方位向的波位；控制方位向波束指向跟踪目标所在波位，以此波位作为跟踪循环扫描的中心波位；环形共型相控阵以中心波位为中心，对跟踪目标相邻空域内的三个波位进行跟踪循环扫描，分别记录目标回波能量；环形共型相控阵比较跟踪目标相邻空域内三个波位的目标回波能量的大小，取其中目标回波能量最大的波位确定为下一次跟踪循环扫描的中心波位。本发明利用目标回波能量的大小确定目标的方位，实现相控阵在方位向上的波束跟踪功能，有效降低相控阵设计的复杂度，节省设计空间，利于相控阵的小型化设计。

Description

相控阵波束跟踪方法
技术领域
本发明涉及相控阵波束控制领域，具体涉及一种相控阵波束跟踪方法。
背景技术
现有的相控阵雷达系统主要依靠和差功分网络实现测角和波束跟踪功能。相控阵雷达通过和差功分网络形成天线的和差方向图，相控阵雷达控制收发（TR）单元接收目标回波信号，通过和差功分网络后形成和通道信号和差通道信号。相控阵雷达的信号处理机对和差通道信号进行和差比幅比相测角，计算出目标在方位向和俯仰向上的雷达角误差，并通过雷达角误差对波束指向进行闭环控制，实现相控阵波束跟踪。
上述的传统波束跟踪技术以相控阵雷达的和差功分网络为基础，对相控阵的硬件结构依赖较大；和差功分网络的使用需占用一定的平台体积，且由于其自身的原因，小型化设计较为困难。因此，传统的波束跟踪技术很难在小型化的相控阵雷达系统上进行应用。
当技术的应用和研究背景是一种小型的环形共型相控阵。该环形共型相控阵由若干条一维线阵沿方位向共型拼接而成。由于体积较小，相控阵在方位向无法进行和差网络的设计。因此，无法通过常规的单脉冲测角的方式实现波束在方位向上的跟踪。
通过检索，找到与本专利相关的论文两篇，专利一篇。分别是《微波学报》2012年12月第28卷第6期的《一种基于信标的移动卫星相控阵波束跟踪算法》、《南京航空航天大学学报》2011年8月第43卷第4期的《基于目标威胁度计算的相控阵快速确认跟踪模式》以及公开号为CN102522632的《卫星移动通信相控阵天线的分子阵数字化波束跟踪方法》专利。
其中，《一种基于信标的移动卫星相控阵波束跟踪算法》提出了一种利用卫星信标信号来实施基于相控阵天线的波束跟踪算法，该算法能够克服卫星信标信号强度弱，检测困难等弱点，提高跟踪信噪比。其最大的优点是没有任何陀螺仪的辅助，提高了天线的适应能力。但该算法要求将相控阵天线划分为4个象限，且每个象限后端要求具有其独立的和差功分网络和跟踪接收机，结构较为复杂，对相控阵平台的体积要求较高。而本专利提出的技术能够在没有和差功分网络的情况下，实现相控阵的波束跟踪，适用于平台体积较小的相控阵系统。
《基于目标威胁度计算的相控阵快速确认跟踪模式》提出的跟踪模式，也是以传统的相控阵和差功分网络为基础，采用优化的相控扫描模式，充分利用相控阵波束捷变能力，对相控阵目标跟踪策略进行了优化，并未提出全新的波束跟踪方法。
专利《卫星移动通信相控阵天线的分子阵数字化波束跟踪方法》的申请人与论文《一种基于信标的移动卫星相控阵波束跟踪算法》的作者一致。通过仔细比对以上的专利与论文，发现两者所提出的波束跟踪方法一致，因此，上述专利并未涉及到本专利所提出的波束跟踪技术。
发明内容
本发明提供一种相控阵波束跟踪方法，解决了在没有和差网络的情况下，小型环形共型相控阵的测角和波束跟踪问题。
为实现上述目的，本发明提供一种相控阵波束跟踪方法，其特点是，该方法适用于环形共型相控阵，该环形共型相控阵包含若干条一维线阵，若干条该一维线阵沿方位向共型拼接呈环形结构；
上述相控阵波束跟踪方法包含：
步骤1、环形共型相控阵通过控制方位向波束遍历其方位向上所有波位，确定跟踪目标所在方位向的波位；
步骤2、环形共型相控阵控制方位向波束指向跟踪目标所在波位，并以此波位作为跟踪循环扫描的中心波位；
步骤3、环形共型相控阵以中心波位为中心，对跟踪目标相邻空域内的三个波位进行跟踪循环扫描，分别检测并记录三个波位中的目标回波能量；
步骤4、环形共型相控阵比较跟踪目标相邻空域内三个波位的目标回波能量的大小，取其中目标回波能量最大的波位确定为下一次跟踪循环扫描的中心波位；
重复步骤3和步骤4，环形共型相控阵在方位向上进行持续波束跟踪。
上述一维线阵沿其俯仰向设有若干通道的收发组件；
环形共型相控阵通过各个一维线阵上若干通道的收发组件进行俯仰向上的波束扫描。
上述环形共型相控阵中若干相邻的一维线阵同时工作，形成方位向波束；
当若干相邻的一维线阵处于相同相位工作，方位向波束的波位指向为法线方向。
若干相邻的上述一维线阵同时工作时，通过改变各一维线阵之间的相位差，可以得到相对于法线方向分别具有+a或-a夹角的两种指向的方位向波束，a为方位向波束与法线方向的夹角。
上述方位向波束与法线方向的夹角a为3.75度。
上述步骤1中，环形共型相控阵通过按顺序更改同时工作的一维线阵的组合，控制方位向波束遍历环形共型相控阵方位向上所有波位。
上述步骤4具体包含：
设此时的中心波位为波位号为n，则扫描的波位号包含：n-1、n以及n+1；比较波位n-1、n以及n+1的目标回波能量；
当波位n的目标回波能量最大时，则判定追踪目标位于中心波位。
当波位n的目标回波能量逐渐减小，波位n-1的目标回波能量最大时，判定追踪目标位置移至波位n-1，环形共型相控阵将下一次跟踪循环扫描的中心波位切换至波位n-1。
当波位n的目标回波能量逐渐减小，波位n+1的目标回波能量最大时，判定追踪目标位置移至波位n+1，环形共型相控阵将下一次跟踪循环扫描的中心波位切换至波位n+1。
上述环形共型相控阵的直径小于200毫米，高度小于170毫米。
本发明相控阵波束跟踪方法和现有技术的相控阵波束跟踪方法相比，其优点在于，本发明可以在方位向上没有和差通道的情况下，利用目标回波能量的大小确定目标的方位，从而实现相控阵在方位向上的波束跟踪功能，能够有效地降低了相控阵设计的复杂度，节省设计空间，有利于相控阵的小型化设计；本发明不需要设计方位向上的和差网络，在相控阵设计和制造成本的控制上具有一定优势；本发明同样适用于相控阵俯仰向上的波束跟踪，这对进一步简化相控阵设计，降低成本有较大帮助；本发明的波束跟踪精度较高，能够替代精度较低的捷联去耦装置，满足相控阵平台的去耦操作；综上，本发明在简化雷达控制平台设计方面也具有一定的优势。
附图说明
图1为环形共型相控阵的结构示意图；
图2为一维线阵的结构示意图；
图3为本发明相控阵波束跟踪方法的流程图；
图4为本发明方位向波束指向示意图；
图5为本发明方位向波束扫描示意图；
图6a为追踪目标位于中心波位时的示意图；
图6b为追踪目标左移时的示意图；
图6c为将下一次跟踪循环扫描的中心波位左移时的示意图；
图6d为追踪目标右移时的示意图；
图6e为将下一次跟踪循环扫描的中心波位右移时的示意图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
本发明公开一种用于小型环形共型相控阵的相控阵波束跟踪方法。本发明应用和研究背景是一种小型的环形共型相控阵，该小型环形共型相控阵的直径小于200毫米，高度小于170毫米。该环形共型相控阵由若干条一维线阵沿方位向共型拼接而成。由于体积较小，相控阵在方位向无法进行和差网络的设计。因此，无法通过常规的单脉冲测角的方式实现波束在方位向上的跟踪。本发明利用波束方向图与目标回波能量的对应关系，通过后期信号处理的方式，解决了在没有和差网络的情况下，小型环形共型相控阵的测角和波束跟踪问题。
如图1和图2所示，为一种本发明相控阵波束跟踪方法所适用的小型环形共型相控阵的实施例。本实施例中，环形共型相控阵包含有48条一维线阵。一维线阵呈长方形结构，其一长边的端面上分布有8通道的收发组件（TR组件），环形共型相控阵通过控制一维线阵的8通道收发组件的相位，完成俯仰向上的波束扫描工作。48条一维线阵沿环形共型相控阵的方位向共型拼接，形成环形结构，其中所有一维线阵设有收发组件的一端朝向环形共型相控阵的外端设置。
如图3所示，本发明公开了一种基于能量取大方法的相控阵波束跟踪方法，该方法具体包含以下步骤：
步骤1、环形共型相控阵通过控制方位向波束遍历其方位向上所有波位，确定跟踪目标所在方位向的波位。其中，方位向波束由环形共型相控阵通过若干相邻的一维线阵同时工作即可形成。
如图4所示，为方位向波束指向示意图，其中黑点表示工作中的一维线阵，白点表示未工作的一维线阵。如图可见，本实施例中采用16个相邻一维线阵同时工作，形成方位向波束。
当16个相邻的一维线阵处于相同相位工作，方位向波束的波位指向为法线方向，可以称该方位向波束为法向波束。
当16个相邻的一维线阵同时工作时，通过改变各一维线阵之间的相位差，可以得到相对于法线方向+3.75°或-3.75°的两种指向的方位向波束。由此可知，每16个相邻线阵可产生三个波位。
如图5所示，为方位向波束扫描示意图，其中黑点表示工作中的一维线阵，白点表示未工作的一维线阵。环形共型相控阵通过按顺序更改同时工作的一维线阵的组合，即可控制方位向波束遍历扫描环形共型相控阵方位向上所有波位。，已知二维环形相控阵由48条一维线阵组成，16个相邻线阵为一个组合。通过排列组合可知，48条线阵环形排列，取其中16条相邻线阵的取法有33种，因此有33种组合。已知每个组合，即16个相邻线阵组合，同时工作可以得到相对于法线方向+3.75°、0°或-3.75°的三种指向的方位向波束，因此环形共型相控阵在方位向上共有3×33=99个波位。通过上述计算可知，线阵共有33种组合，每个组合有3个波位，因此，环形共型相控阵在方位向上共有99个波位。
步骤2、环形共型相控阵控制方位向波束指向跟踪目标所在波位，并以此波位作为跟踪循环扫描的中心波位。
步骤3、环形共型相控阵以中心波位为中心，对跟踪目标相邻空域内的三个波位进行跟踪循环扫描，分别检测并记录三个波位中的目标回波能量。
步骤4、环形共型相控阵比较跟踪目标相邻空域内三个波位的目标回波能量的大小。
步骤5、判断是否跟踪结束，若是，则环形共型相控阵结束跟踪。若否，则跳转到步骤6、
步骤6、判断目标回波能量的最大值是否改变，若是，将其中目标回波能量最大的波位确定为下一次跟踪循环扫描的中心波位，并跳转到步骤3。若否，则跳转到步骤3，继续跟踪循环扫描。
重复上述步骤3至6，即实现环形共型相控阵在方位向上进行持续波束跟踪。
以下以相邻的3个波位为例，具体说明基于能量取大算法的波束跟踪过程。
如图6a所示，假设此时的中心波位为波位号为n，则扫描的波位号包括：n-1、n以及n+1。环形共型相控阵比较波位n-1、n以及n+1的目标回波能量。当追踪目标位于中心波位中时，波位n的目标回波能量最大。
如图6b所示，当波位n的目标回波能量逐渐减小，波位n-1的目标回波能量最大时，则可判定追踪目标位置移至波位n-1（图中左移）。如图6c所示，在判定追踪目标位置移至波位n-1后，环形共型相控阵将下一次跟踪循环扫描的中心波位切换至波位n-1。
如图6d所示，当波位n的目标回波能量逐渐减小，波位n+1的目标回波能量最大时，则可判定追踪目标位置移至波位n+1（图中右移）。如图6e所示，在判定追踪目标位置移至波位n+1后，环形共型相控阵将下一次跟踪循环扫描的中心波位切换至波位n+1。
如此，相控阵在方位向跟踪时，中心波位能够随着目标的移动而切换，保证追踪目标始终处于小范围扫描的中心波位上，实现了方位向上波束跟踪。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种相控阵波束跟踪方法，其特征在于，该方法适用于环形共型相控阵，该环形共型相控阵包含若干条一维线阵，若干条该一维线阵沿方位向共型拼接呈环形结构；所述相控阵波束跟踪方法包含：
步骤1、环形共型相控阵通过控制方位向波束遍历其方位向上所有波位，确定跟踪目标所在方位向的波位；环形共型相控阵通过按顺序更改同时工作的一维线阵的组合，控制方位向波束遍历环形共型相控阵方位向上所有波位；
步骤2、环形共型相控阵控制方位向波束指向跟踪目标所在波位，并以此波位作为跟踪循环扫描的中心波位；
步骤3、环形共型相控阵以中心波位为中心，对跟踪目标相邻空域内的三个波位进行跟踪循环扫描，分别检测并记录三个波位中的目标回波能量；
步骤4、环形共型相控阵比较跟踪目标相邻空域内三个波位的目标回波能量的大小，取其中目标回波能量最大的波位确定为下一次跟踪循环扫描的中心波位；
重复步骤3和步骤4，环形共型相控阵在方位向上进行持续波束跟踪；
所述一维线阵沿其俯仰向设有若干通道的收发组件；环形共型相控阵通过各个一维线阵上若干通道的收发组件进行俯仰向上的波束扫描；
所述环形共型相控阵中若干相邻的一维线阵同时工作，形成方位向波束；当若干相邻的一维线阵处于相同相位工作，方位向波束的波位指向为法线方向。
2.如权利要求1所述的相控阵波束跟踪方法，其特征在于，若干相邻的所述一维线阵同时工作时，通过改变各一维线阵之间的相位差，可以得到相对于法线方向分别具有+a或-a夹角的两种指向的方位向波束，a为方位向波束与法线方向的夹角。
3.如权利要求2所述的相控阵波束跟踪方法，其特征在于，所述方位向波束与法线方向的夹角a为3.75度。
4.如权利要求1所述的相控阵波束跟踪方法，其特征在于，所述步骤4具体包含：
设此时的中心波位为波位号为n，则扫描的波位号包含：n-1、n以及n+1；比较波位n-1、n以及n+1的目标回波能量；
当波位n的目标回波能量最大时，则判定追踪目标位于中心波位。
5.如权利要求4所述的相控阵波束跟踪方法，其特征在于，当波位n的目标回波能量逐渐减小，波位n-1的目标回波能量最大时，判定追踪目标位置移至波位n-1，环形共型相控阵将下一次跟踪循环扫描的中心波位切换至波位n-1。
6.如权利要求4所述的相控阵波束跟踪方法，其特征在于，当波位n的目标回波能量逐渐减小，波位n+1的目标回波能量最大时，判定追踪目标位置移至波位n+1，环形共型相控阵将下一次跟踪循环扫描的中心波位切换至波位n+1。
7.如权利要求1所述的相控阵波束跟踪方法，其特征在于，所述环形共型相控阵的直径小于200毫米，高度小于170毫米。
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