CN104375125A - 一种相控阵雷达共孔径同时发射多波束方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相控阵雷达共孔径同时发射多波束方法，属于相控阵雷达技术领域，具体上是涉及数字阵列相控阵雷达共孔径同时发射多波束形成方法。在阵列天线发射端发射两个经过相位加权后线性叠加的正交码波形信号并且经过线性功放放大之后再由天线阵元发射出去，可以得到不同指向的波束。接收天线接收远场目标反射回来的信号，然后再经过匹配滤波器匹配处理就可以分离出两个发射信号。从而具有在雷达探测时盲区较小、不会因为子阵分割造成波束展宽，特别适合相控阵雷达近程和中程距离的多目标检测与跟踪的效果。

Description

一种相控阵雷达共孔径同时发射多波束方法

技术领域

本发明属于相控阵雷达技术领域，具体上是涉及数字阵列相控阵雷达共孔径同时发射多波束形成方法。

背景技术

相控阵雷达又称作相位阵列雷达，是一种以改变发射信号相位来改变波束指向的电子扫描阵列雷达。它与天线进行机械扫描的雷达相比，最大的差别在于天线无需转动即可使天线波束快速扫描。数字阵列雷达(Digital Array Radar)是一种接收和发射波束都以数字方式实现的全数字相控阵雷达。它可以在数字域进行幅相加权，实现收发数字波束形成，其核心技术是全数字的T/R组件。

数字阵列雷达的另一个优势就是易于形成多个波束，这一优势为相控阵雷达性能带来不少新的潜力：扩大雷达天线的辐射覆盖范围从而提高搜索与跟踪数据率；便于实现双/多基地雷达组网等。

目前，相控阵雷达发射多波束形成的方式主要有两种，一种是分时发射多波束，如图1所示；另一种就是同时发射多波束。第一种方式虽然可以简化设备和降低成本，但是也增加了连续跟踪目标的难度，容易跟丢目标。对于同时发射多波束而言，目前，可以采用多波束形成网络(如Rotman透镜)的模拟方式实现，或者将雷达大型发射阵列天线分为几个发射阵面，每个阵面各自独立形成发射波束。对于前者，用硬件实现的模拟方法，一旦多波束网络方案确定之后，波束形状和波束指向等就固定了，不易改动，特别是不能自适应的形成多个波束，抗干扰能力很差。对于后者，雷达天线阵列被分割成L个子阵，每个子阵独立形成波束，这样一来，雷达发射机的能量未能充分被利用，天线的口径和峰值发射功率均下降为分割前的1/L，大幅降低了雷达的测角精度。

发明内容

针对背景技术的不足，本发明提供了一种利用正交多相码相位加权合成的方法形成共孔径同时发射波束。

本发明的技术方案是一种相控阵雷达共孔径同时发射多波束方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：选择W组有限长度正交多相码，正交码选取的准则应遵循码的自相关峰值旁瓣低，码间互相关峰值旁瓣低；

步骤2：对雷达阵列天线的每一个阵元，利用直接数字式频率合成器(DDS)按照步骤一中的W组正交码分别调制产生中频正弦信号,得到W个不同的发射信号波形；

步骤3：将产生的W个信号波形叠加之后再通过上变频变换至所需的射频信号；

步骤4：由于合成信号的包络非恒定，所以采用线性功放放大步骤3得到的射频信号。

进一步的，所述步骤1选择两组有限长度正交多相码，假设正交码集S包含L个信号，每个信号的码长为N，编码相位个数为M，则第l个信号可以表示为：

{s_l(n)＝exp[jφ_l(n)]}                  (1)

式中，n＝1,2,...N；l＝1,2,...L。                          (2)

编码相位取为：

${\mathrm{\φ}}_l\left(n\right)\∈\{0,\frac{2\mathrm{\π}}{M},2\frac{2\mathrm{\π}}{M},...,(M-1)\frac{2\mathrm{\π}}{M}\}---\left(3\right)$

于是，整个码组信号矩阵可以表示为：

$S(L,N,M)=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\φ}}_1\left(1\right),& {\mathrm{\φ}}_1\left(2\right)& ,...,& {\mathrm{\φ}}_1\left(N\right)\\ {\mathrm{\φ}}_2\left(1\right),& {\mathrm{\φ}}_2\left(2\right)& ,...,& {\mathrm{\φ}}_2\left(N\right)\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ {\mathrm{\φ}}_L\left(1\right),& {\mathrm{\φ}}_L\left(2\right)& ,...,& {\mathrm{\φ}}_L\left(N\right)\end{array}\right]---\left(4\right).$

进一步的，所述步骤2：对雷达阵列天线的每一个阵元，利用直接数字式频率合成器(DDS)按照步骤一中得到的两组正交码分别对一中频信号进行相位调制，得到两个不同的发射信号波形s₁(n)、s₂(n)，这其中，发射分别指向θ₁、θ₂的两个波束的相位调整分别在DDS1、DDS2中通过控制系统给的相位控制字1、相位控制字2完成。

进一步的，所述步骤3：DDS1、DDS2产生的两个数字信号叠加输出，设天线阵元数为P，以第y个阵元为例，即

$s_1\left(n\right)e^{-j{\mathrm{\φ}}_{1y}}+s_2\left(n\right)e^{-j{\mathrm{\φ}}_{2y}}---\left(5\right)$

进一步的，所述步骤4：合成信号经过上变频，数模转换之后送至线性功放输入端经过放大之后再由天线发射出去，对于雷达的不同阵元发射的信号为：

{s₁₁+s₂₁、s₁₂+s₂₂、...、s_1P+s_2P}               (6)

其中， $S_{\mathrm{iy}}=S_i\left(t\right)e^{-j{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{iy}}},{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{iy}}=(m-1)\frac{2\mathrm{\π}d\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{\mathrm{\λ}}$

(i＝1、2；y＝1、2、...、P)，λ为发射信号波长      (7)。

本发明与现有技术相比较优点在于：

(1)本发明对雷达近距离盲区的改善，传统的顺序多波束的多个方位的波形是依次顺序发射，其距离盲区会随波束指向的增加而增加，采用本方法后其雷达近距离盲区等同于单一指向下的近距离盲区，且与指向数无关。

(2)本发明相对于传统的多个子阵同时多波束，由于采用共孔径，其方位分辨力与单波束下相同，不会因为子阵分割造成波束展宽。

(3)本发明由于波形和波束可灵活设定和配置，但最大作用距离有所影响，所以特别适合相控阵雷达近程和中程距离的多目标检测与跟踪。

附图说明

图1为传统顺序发射多波束和本方法同时多波束的时序图。

图2为本发明实现的共孔径同时发射多波束单个发射通道的结构图。

图3为相控阵雷达发射模型。

图4为正交多相编码信号发射多波束图。

具体实施方式

下面结合附图并举实例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种相控阵雷达同时发射多波束的方法，在阵列天线发射端发射两个经过相位加权后线性叠加的正交码波形信号并且经过线性功放放大之后再由天线阵元发射出去，可以得到不同指向的波束。接收天线接收远场目标反射回来的信号，然后再经过匹配滤波器匹配处理就可以分离出两个发射信号。

本发明提出的共孔径同时发射多波束方法(以2波束为例)，具体步骤如下：

步骤1，选择两组有限长度正交多相码。假设正交码集S包含L个信号，每个信号的码长为N，编码相位个数为M，则第l个信号可以表示为：

{s_l(n)＝exp[jφ_l(n)]}             (1)

式中，n＝1,2,...N；l＝1,2,...L。                  (2)

编码相位取为：

${\mathrm{\φ}}_l\left(n\right)\∈\{0,\frac{2\mathrm{\π}}{M},2\frac{2\mathrm{\π}}{M},...,(M-1)\frac{2\mathrm{\π}}{M}\}---\left(3\right)$

于是，整个码组信号矩阵可以表示为：

$S(L,N,M)=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\φ}}_1\left(1\right),& {\mathrm{\φ}}_1\left(2\right)& ,...,& {\mathrm{\φ}}_1\left(N\right)\\ {\mathrm{\φ}}_2\left(1\right),& {\mathrm{\φ}}_2\left(2\right)& ,...,& {\mathrm{\φ}}_2\left(N\right)\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ {\mathrm{\φ}}_L\left(1\right),& {\mathrm{\φ}}_L\left(2\right)& ,...,& {\mathrm{\φ}}_L\left(N\right)\end{array}\right]---\left(4\right)$

步骤2，对雷达阵列天线的每一个阵元，利用直接数字式频率合成器(DDS)按照步骤一中得到的两组正交码分别对一中频信号进行相位调制，得到两个不同的发射信号波形s₁(n)、s₂(n)，这其中，发射分别指向θ₁、θ₂的两个波束的相位调整分别在DDS1、DDS2中通过控制系统给的相位控制字1、相位控制字2完成。

步骤3，DDS1、DDS2产生的两个数字信号叠加输出(如图2，假设天线阵元数为N，以第m个阵元为例)，即

$s_1\left(n\right)e^{-j{\mathrm{\φ}}_{1m}}+s_2\left(n\right)e^{-j{\mathrm{\φ}}_{2m}}---\left(5\right)$

步骤4，合成信号经过上变频，数模转换之后送至线性功放输入端经过放大之后再由天线发射出去。对于雷达的不同阵元发射如图3，阵元发射的信号为：

{s₁₁+s₂₁、s₁₂+s₂₂、...、s_1N+s_2N}   (6)

其中， $S_{\mathrm{im}}=S_i\left(t\right)e^{-j{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{im}}},{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{im}}=(m-1)\frac{2\mathrm{\π}d\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{\mathrm{\λ}}$

(i＝1、2；m＝1、2、...、N)。      (7)

本发明的结果可以通过以下计算机仿真进行验证：

1.仿真条件

仿真中，阵元个数N＝40，发射信号中心频率f₀＝1MHz，d/λ＝1/2(d为阵元间距、λ为发射信号波长)，多波束指向为[0 45°]。按照正交码自相关、互相关性能良好的原则选取了两组码长N＝40，相位编码数M＝4的四相编码，两组码元见表一：

表一 两组正交码

2.仿真内容

利用上述条件，通过对波形s₁(n)、s₂(n)进行对应不同波束指向的相位加权，叠加后经过线性功放放大并发射，可以得到空间上同时形成的发射多波束。如图4所示。

Claims (5)

1.一种相控阵雷达共孔径同时发射多波束方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：选择W组有限长度正交多相码，正交码选取的准则应遵循码的自相关峰值旁瓣低，码间互相关峰值旁瓣低；

步骤2：对雷达阵列天线的每一个阵元，利用直接数字式频率合成器(DDS)按照步骤一中的W组正交码分别调制产生中频正弦信号,得到W个不同的发射信号波形；

步骤3：将产生的W个信号波形叠加之后再通过上变频变换至所需的射频信号；

步骤4：由于合成信号的包络非恒定，所以采用线性功放放大步骤3得到的的射频信号。

2.如权利要求1所述的一种相控阵雷达共孔径同时发射多波束方法，其特征在于所述步骤1选择两组有限长度正交多相码，假设正交码集S包含L个信号，每个信号的码长为N，编码相位个数为M，则第l个信号可以表示为：

{s_l(n)＝exp[jφ_l(n)]}   (1)

式中，n＝1,2,...N；l＝1,2,...L。   (2)

编码相位取为：

${\mathrm{\φ}}_l\left(n\right)\∈\{0,\frac{2\mathrm{\π}}{M},2\frac{2\mathrm{\π}}{M},...,(M-1)\frac{2\mathrm{\π}}{M}\}---\left(3\right)$

于是，整个码组信号矩阵可以表示为：

$S(L,N,M)=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\φ}}_1\left(1\right),& {\mathrm{\φ}}_1\left(2\right),& ...,& {\mathrm{\φ}}_1\left(N\right)\\ {\mathrm{\φ}}_2\left(1\right),& {\mathrm{\φ}}_2\left(2\right),& ...,& {\mathrm{\φ}}_2\left(N\right)\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ {\mathrm{\φ}}_L\left(1\right),& {\mathrm{\φ}}_L\left(2\right),& ...,& {\mathrm{\φ}}_L\left(N\right)\end{array}\right]---\left(4\right).$

3.如权利要求1所述的一种相控阵雷达共孔径同时发射多波束方法，其特征在于所述步骤2：对雷达阵列天线的每一个阵元，利用直接数字式频率合成器(DDS)按照步骤一中得到的两组正交码分别对一中频信号进行相位调制，得到两个不同的发射信号波形s₁(n)、s₂(n)，这其中，发射分别指向θ₁、θ₂的两个波束的相位调整分别在DDS1、DDS2中通过控制系统给的相位控制字1、相位控制字2完成。

4.如权利要求1所述的一种相控阵雷达共孔径同时发射多波束方法，其特征在于所述步骤3：DDS1、DDS2产生的两个数字信号叠加输出，设天线阵元数为P，以第y个阵元为例，即

$s_1\left(n\right)e^{{-j{\mathrm{\φ}}_1}_y}+s_2\left(n\right)e^{{-j{\mathrm{\φ}}_2}_y}---\left(5\right)$

5.如权利要求1所述的一种相控阵雷达共孔径同时发射多波束方法，其特征在于所述步骤4：合成信号经过上变频，数模转换之后送至线性功放输入端经过放大之后再由天线发射出去，对于雷达的不同阵元发射的信号为：

{s₁₁+s₂₁、s₁₂+s₂₂、...、s_1P+s_2P}   (6)

其中， $S_{\mathrm{iy}}=S_i\left(t\right)e^{{-\mathrm{j\φ}}_{\mathrm{iy}}},{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{iy}}=(m-1)\frac{2\mathrm{\π}d\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{\mathrm{\λ}}$

(i＝1、2；y＝1、2、...、P)，λ为发射信号波长   (7)。