CN104931948A - 基于普通波束扫描的fda雷达第一种接收方案改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于普通波束扫描的FDA雷达第一种接收方案改进方法，其主要实现思路是：针对频率分集阵列(FDA)雷达接收到的回波信号，首先利用宽通带的带通滤波器对选定通带范围内的回波信号进行滤波，滤除选定通带范围外的噪声、干扰后，再经过一个输出为单一载频的窄带滤波器，得到一个具有单一载频的回波信号；然后对得到的单一载频回波信号进行普通波束扫描，这样就可以实现对频率分集阵列(FDA)雷达接收到的回波信号进行完全利用。

Description

基于普通波束扫描的FDA雷达第一种接收方案改进方法

技术领域

本发明属于阵列雷达信号处理技术领域，特别涉及基于普通波束扫描的FDA雷达第一种接收方案改进方法，即基于普通波束扫描的频率分集阵列(FDA)雷达第一种接收方案改进方法。

背景技术

通常，频率分集阵列(FDA)雷达为一均匀线阵，共有N个阵元，每个阵元的发射载频按阵元次序递增，且每个阵元的发射载频恒定不变；即假定f₀为参考频率，并且f₀表示0号阵元发射载频，则1号阵元发射载频为f₀+Δf，2号阵元发射载频为f₀+2Δf，Δf表示频率增量，依此类推得到N个阵元的发射载频。并且，具有N个阵元的频率分集阵列(FDA)，利用这N个阵元发射并接收信号，即发射阵元序号为0,1,2,…,n,…,N-1，接收阵元序号也为0,1,2,…,n,…,N-1，其中n和N均为正整数。频率分集阵列(FDA)雷达中的每个接收阵元接收的回波信号包含了所有发射阵元的发射信号，该频率分集阵列(FDA)雷达的第一种接收方案是从每个接收阵元里的N个回波信号中提取感兴趣的单频回波信号，即从第n号接收阵元的N个回波信号中滤出一个载频为f_n的单频回波信号。

该接收方案虽简单易行，但也会造成在滤出选定单频回波信号的同时，其余的有用回波信号也被滤除掉。因此，对频率分集阵列(FDA)雷达接收到的回波信号进行完全利用，以获取更好的信号处理结果就显得非常重要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于普通波束扫描的FDA雷达第一种接收方案改进方法，即基于普通波束扫描的频率分集阵列(FDA)雷达的第一种接收方案改进方法。

为实现上述目的，本发明的实现思路是：针对频率分集阵列(FDA)雷达接收到的回波信号，首先利用宽通带的带通滤波器对选定通带范围外的回波信号进行滤波，得到没有噪声、干扰的回波信号后，再经过一个输出为单一载频的窄带滤波器，得到一个具有单一载频的回波信号；然后对得到的单一载频回波信号进行普通波束扫描，这样就可以实现对频率分集阵列(FDA)雷达接收到的回波信号进行完全利用。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种基于波束扫描的频率分集阵列(FDA)第一种接收方案的改进方法包括以下步骤：

步骤1，构造频率分集阵列雷达结构，该频率分集阵列雷达结构是具有N个阵元的均匀线阵，这N个阵元既是发射阵元，也是接收阵元，阵元间距为d，阵元序号依次为0,1,2,…,n,…,N-1，该频率分集阵列雷达的参考频率为f₀，频率分集阵列雷达的频率增量为Δf，第n号阵元的发射信号载频f_n表示为：

f_n＝f₀+nΔf

然后，以该频率分集阵列雷达结构为背景，选定远场中的一个点目标D，该点目标D的到达角为θ_s，点目标D与第0号阵元的距离为r_s；

步骤2，频率分集阵列雷达发射窄带信号，得出频率分集阵列雷达中第n号阵元的发射信号s_n(t)，n∈{0,1,2,…,N-1}，t表示时间变量；并且频率分集阵列雷达发射信号时，频率分集阵列雷达中任意两个阵元的发射信号波形相互正交；

步骤3，利用具有N个阵元的频率分集阵列雷达接收点目标D的回波信号，得到第n号阵元的发射信号经点目标D反射后被第m号阵元接收的回波信号记为r_m,n(t)；这样，N个接收阵元相当于接收得到N×N个回波信号；其中，n∈{0,1,2,…,N-1}，m∈{0,1,2,…,N-1}，N表示频率分集阵列雷达的阵元个数；

步骤4，对步骤3中得到的N×N个回波信号进行滤波，先对每个阵元接收到的N个回波信号经过一个宽通带为[f₀-0.5B,f_N-1+0.5B]的带通滤波器滤除噪声和干扰后，再经过一个输出为单一载频的窄带滤波器，得到一个具有单一载频的回波信号；N个接收阵元对应N个窄带滤波器，且N个窄带滤波器的通带中心频率依次为f₀～f_N-1，且与N个接收阵元序号一一对应，所述N个窄带滤波器最终对应输出N个单一载频回波信号f₀(t)～f_N-1(t)；其中，B表示宽通带滤波器的带宽；

步骤5，对步骤4得到的N个单一载频回波信号f₀(t)～f_N-1(t)分别进行普通波束扫描后，形成频率分集阵列雷达的阵列方向图。

本发明的有益效果为：

(1)由于本发明对接收到的回波信号先进行带通滤波，滤除回波信号选定带宽范围外的噪声和干扰后，再通过窄带滤波器滤出单一载频回波信号，最后对得到的单一载频回 波信号进行普通波束扫描，实现对接收阵元回波信号的完全利用。

(2)使用本发明产生的阵列方向图的表达式中，含有项，该项能够提高本发明处理方案的效果；使用本发明产生的阵列方向图能够在点目标主瓣上形成大增益的情况下，点目标主瓣以外的其他区域也会形成尽可能多的最小增益点，实现增强点目标增益和抑制干扰的目的。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明基于普通波束扫描的频率分集阵列(FDA)雷达第一种接收方案改进方法流程图；

其中，图中坐标轴上的三角符号为接收阵元，共有N个接收阵元，接收阵元序号依次为0,1,2,…,n,…,N-1，每个接收阵元接收N个不同载频的回波信号，阵元间距为d，每个接收阵元上方的一簇平行线为远场某点目标的回波信号，该回波信号载频依次为f₀～f_N-1，回波的来波方向为θ_s，r_s表示点目标D与频率分集阵列(FDA)参考阵元的距离，且标注在第0号阵元的阵列轴线处；每个接收阵元接收的N个不同载频的回波信号都先经过一个带宽为[f₀-0.5B,f_N-1+0.5B]的带通滤波器滤除带宽范围外的噪声和干扰后，再经过一个与该接收阵元序号对应、输出为单一载频信号的窄带滤波器，得到一个具有单一载频的信号。图中的N个矩形窗符号表示有N个窄带滤波器，其通带中心频率依次为f₀～f_N-1，分别与接收阵元序号数一一对应。N个阵元接收到没有噪声、干扰的的回波信号后，分别经过图中矩形窗符号表示的N个窄带滤波器后，依次输出N个单一载频的信号；图中的一组圆形符号表示对窄带滤波器的N个输出信号分别加载的普通波束扫描权值，该普通波束扫描权值依次为w₀～w_N-1，并且分别与N个窄带滤波器载频一一对应，最终输出阵列方向图|y(t,r_s,θ_s)|，t表示时间变量。

图2为本发明的频率分集阵列(FDA)雷达的阵列结构示意图；

其中，图中坐标轴上的三角号为发射阵元，共有N个发射阵元，发射阵元的序号依次为0,1,2,…,n,…,N-1，各发射阵元均匀排列成等距线阵，阵元间距为d，该频率分集阵列(FDA)的频率增量为Δf；第0号发射阵元为参考阵元，其参考频率为f₀；图中三角符号上方的平行斜线均为远场某点目标的回波信号，其来波方向与频率分集阵列(FDA)的轴线夹角为θ_s，第n号阵元发射信号的载频f_n表示为：

f_n＝f₀+nΔf

图3为仿真实验采用本发明得到的阵列方向图；

其中，横向表示距离，距离范围在[0,150]km，纵向表示点目标到达角，角度范围在[-90°,90°]，角度-距离单元为30°-50km处的灰色圆圈表示点目标，右边的竖灰度窄条为表示的增益值，单位为db。

图4为仿真实验采用基于第一种接收方案得到的阵列方向图；

其中，横向表示距离，距离范围在[0,150]km，纵向表示点目标到达角，角度范围在[-90°,90°]，角度-距离单元为30°-50km处的灰色圆圈表示点目标，右边的竖灰度窄条表示的增益值，单位为db。

具体实施方式

参照图1，为基于普通波束扫描的频率分集阵列(FDA)雷达第一种接收方案改进方法流程图，该基于普通波束扫描的FDA雷达第一种接收方案改进方法，包括以下步骤：

步骤1，构造频率分集阵列雷达结构，该频率分集阵列雷达结构是具有N个阵元的均匀线阵，这N个阵元既是发射阵元，也是接收阵元，阵元间距为d，阵元序号依次为0,1,2,…,n,…,N-1，该频率分集阵列雷达的参考频率为f₀，频率分集阵列雷达的频率增量为Δf，第n号阵元的发射信号载频f_n表示为：

f_n＝f₀+nΔf

然后，以该频率分集阵列雷达结构为背景，选定远场中的一个点目标D，该点目标D的到达角为θ_s，点目标D与第0号阵元的距离为r_s。

其具体子步骤为：

参照图2，构造含有N个无方向性阵元的频率分集阵列(FDA)雷达结构，并且该频率分集阵列(FDA)结构为均匀线阵，并且阵元间距为d。该频率分集阵列(FDA)雷达中每个阵元发射信号的载频恒定且依次成线性增加，阵元序号依次为0,1,2,…,N-1。因此，第n号阵元发射信号的载频f_n表示为：

f_n＝f₀+nΔf,n∈{0,1,2,…,N-1}

其中，设第0号阵元为参考阵元，则f₀表示频率分集阵列(FDA)雷达的参考频率，Δf表示已知的频率增量，且Δf远小于f₀。

选定远场中有一个点目标D，该点目标D的到达角为θ，点目标D与第0号阵元的 距离为r_s。此处点目标D的到达角θ指：点目标D回波信号的来波方向与频率分集阵列(FDA)雷达轴线的夹角，而频率分集阵列(FDA)雷达的轴线是与频率分集阵列(FDA)雷达的面阵相垂直的任一条直线。

这样，频率分集阵列(FDA)雷达中第n号阵元、第0号阵元同时接收信号时，由于波程差而导致的相位差Δφ_n表示为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\φ}}_n=-2{\mathrm{\πf}}_n\frac{r_s-{\mathrm{ndsin\θ}}_s}{c}+2{\mathrm{\πf}}_0\frac{r_s}{c}\\ =2\mathrm{\π}\[-{\mathrm{\Δfnr}}_s/c+f_0{\mathrm{ndsin\θ}}_s/c+{\mathrm{\Δfn}}^2{\mathrm{dsin\θ}}_s/c\]\end{array}$

其中，f_n表示频率分集阵列(FDA)雷达中第n号阵元发射信号的载频，r_s表示点目标D与频率分集阵列(FDA)雷达参考阵元的距离，阵元序号数n∈{0,1,2,…,N-1}，N表示频率分集阵列(FDA)雷达的阵元数，d表示频率分集阵列(FDA)雷达的阵元间距，θ_s表示点目标D的到达角，c表示光速，f₀表示频率分集阵列(FDA)雷达的参考频率，Δf表示频率分集阵列(FDA)雷达的频率增量。

由上式可知，相位差Δφ_n展开式的第二个等号右侧共有三项；其中，第一项2π[-Δfnr_s/c]表示频率分集阵列(FDA)雷达依赖于点目标与频率分集阵列(FDA)雷达参考阵元的距离r_s；第二项2π[f₀ndsinθ_s/c]表示频率分集阵列(FDA)雷达中的第n号阵元和第0号阵元同时接收回波信号时的相位差，与传统相控阵雷达中第n号阵元和第0号阵元接收信号时的相位差相同；当Δf(N-1)＜＜f₀时，第三项2π[Δfdsinθ_sn²/c]可以忽略。所以，频率分集阵列(FDA)的第n号阵元、第0号阵元同时接收信号时，由于波程差而导致的相位差可近似地表示为：

$\mathrm{\Δ}{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_n\≈2\mathrm{\π}\[-{\mathrm{\Δfr}}_{s}n/c+f_0{\mathrm{dsin\θ}}_{s}n/c\]$

考虑到频率分集阵列(FDA)雷达的发射信号是窄带信号，故取所有接收阵元的权值均为1，则对此频率分集阵列(FDA)雷达的所有接收阵元加权后，得到的输出方向图P(θ_s,r_s)可以近似的表示为：

$\begin{array}{c}P({\mathrm{\θ}}_s,r_s)\≈\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}\exp \{j2\mathrm{\π}\[-{\mathrm{\Δfr}}_{s}n/c+f_0{\mathrm{dsin\θ}}_{s}n/c\]\}\\ =\frac{\sin \[N\mathrm{\π}(-{\mathrm{\Δfr}}_s/c+{\mathrm{dsin\θ}}_s/{\mathrm{\λ}}_0)\]}{\sin \[\mathrm{\π}(-{\mathrm{\Δfr}}_s/c+{\mathrm{dsin\θ}}_s/{\mathrm{\λ}}_0)\]}{e}^{j(N-1)\mathrm{\π}(-{\mathrm{\Δfr}}_s/c+{\mathrm{dsin\θ}}_s/{\mathrm{\λ}}_0)}\end{array}$

其中，λ₀＝c/f₀，c表示光速，f₀表示频率分集阵列(FDA)的参考频率，Δf表示频率分集阵列(FDA)的频率增量，r_s表示点目标D与频率分集阵列参考阵元的距离，阵元序号数n∈{0,1,2,…,N-1}，N表示频率分集阵列(FDA)的阵元数，d表示频率分集阵列(FDA)的阵元间距，θ_s表示点目标D的到达角。

由输出方向图P(θ_s,r_s)的表达式可知，此频率分集阵列(FDA)的方向图P(θ_s,r_s)依赖于点目标D与频率分集阵列(FDA)参考阵元的距离r_s和点目标D的到达角θ_s。

步骤2，频率分集阵列雷达发射窄带信号，得出频率分集阵列雷达中第n号阵元的发射信号s_n(t)，n∈{0,1,2,…,N-1}，t表示时间变量；并且频率分集阵列雷达发射信号时，频率分集阵列雷达中任意两个阵元的发射信号波形相互正交。

步骤2的具体子步骤为：

利用频率分集阵列(FDA)雷达发射窄带信号，得到频率分集阵列(FDA)雷达中第n号阵元的发射信号s_n(t)表示为：

其中，E表示频率分集阵列(FDA)雷达中N个阵元所发射信号的总能量，N表示频率分集阵列(FDA)雷达的阵元个数，表示频率分集阵列(FDA)雷达中第n号阵元发射信号的复包络，f_n表示频率分集阵列(FDA)雷达中第n号阵元的发射信号载频，阵元序号数n∈{0,1,2,…,N-1}，t表示时间变量，T表示频率分集阵列(FDA)雷达的脉冲重复周期，也就是频率分集阵列(FDA)雷达的脉冲持续时间。

频率分集阵列(FDA)雷达发射窄带信号时，任意两个阵元的发射信号波形相互正交，即有以下公式：

其中，表示频率分集阵列(FDA)雷达中第l号阵元发射信号的复包络，l表示 第几号阵元，n表示第几号阵元，n∈{0,1,2,…,N-1}，l∈{0,1,2,…,N-1}且l≠n，τ表示任意的时间延迟，表示频率分集阵列(FDA)雷达中第n号阵元发射信号的复包络经延时τ后的共轭，∫_T表示在一个脉冲重复周期T内进行积分。

步骤3，利用具有N个阵元的频率分集阵列雷达接收点目标D的回波信号，得到第n号阵元的发射信号经点目标D反射后被第m号阵元接收的回波信号记为r_m,n(t)；这样，N个接收阵元接收得到N×N个回波信号；其中，n∈{0,1,2,…,N-1}，m∈{0,1,2,…,N-1}，N表示频率分集阵列雷达的阵元个数。

步骤3的具体过程为：

每个阵元接收的回波信号包含了所有发射阵元的信号，即每个阵元接收N个不同载频的回波信号，N个阵元相当于接收到N×N个回波信号。假设第n号阵元的发射信号经点目标D反射后被第m号阵元接收，其回波信号r_m,n(t)表示为：

则具有N个阵元的均匀线阵中，第m号阵元接收点目标D的回波信号r_m(t)表示为：

其中，ξ_s表示已知点目标D的复系数，n∈{0,1,2,…,N-1}，m∈{0,1,2,…,N-1}，N表示频率分集阵列(FDA)雷达的阵元个数，表示频率分集阵列(FDA)雷达中第n号阵元发射信号的复包络，t表示时间变量，f_n表示频率分集阵列(FDA)雷达中第n号阵元的发射信号载频，τ_s(m,n)表示由频率分集阵列(FDA)雷达中第n号阵元发射的信号经点目标D反射后被第m号阵元接收的时间延迟τ_s(m,n)。

而时间延迟τ_s(m,n)表示式如下： 

${\mathrm{\τ}}_s(m,n)=\frac{2r_s}{c}-\frac{(m+n){\mathrm{dsin\θ}}_s}{c}$

其中，r_s表示点目标D与频率分集阵列(FDA)雷达的参考阵元距离，c表示光速，阵元序号数n∈{0,1,2,…,N-1}，阵元序号数m∈{0,1,2,…,N-1}，θ_s表示点目标D的到达角，d表示具有N个阵元的频率分集阵列(FDA)雷达的阵元间距。

步骤4，对步骤3中得到的N×N个回波信号进行滤波，先对每个阵元接收到的N个回波信号经过一个宽通带为[f₀-0.5B,f_N-1+0.5B]的带通滤波器滤除噪声和干扰后，再经过一个输出为单一载频的窄带滤波器，得到一个具有单一载频的回波信号；N个接收阵元对应N个窄带滤波器，且N个窄带滤波器的通带中心频率依次为f₀～f_N-1，且与N个接收阵元序号一一对应，所述N个窄带滤波器最终对应输出N个单一载频回波信号f₀(t)～f_N-1(t)；其中，B表示宽通带滤波器的带宽。

步骤4的具体过程为：

首先，每个阵元接收到的N个回波信号，分别经过一个宽通带为[f₀-0.5B,f_N-1+0.5B]的带通滤波器滤除选定通带范围以外的信号后，再经过一个输出为单一载频信号的窄带滤波器，得到一个具有单一载频的信号；N个接收阵元对应N个窄带滤波器，这N个窄带滤波器载频依次为f₀～f_N-1，并且这N个窄带滤波器组成一个窄带滤波器组，该窄带滤波器组中的第一个窄带滤波器输出载频为f₀的回波信号，记其输出信号为f₀(t)，窄带滤波器组中的第二个窄带滤波器输出载频为f₁(即f₁＝f₀+Δf)的回波信号，记其输出信号为f₁(t)；依次类推得到N个单一载频回波信号，即f₀(t)～f_N-1(t)，则第n个窄带滤波器的输出信号f_n(t)表示为：

其中，窄带滤波器个数为N，频率分集阵列(FDA)的阵元个数为N，阵元序号数n和窄带滤波器的载频下标n一一对应，且n∈{0,1,2,…,N-1}，阵元序号数m∈{0,1,2,…,N-1}；r_m,n(t)表示第n号阵元的发射信号经点目标D反射后被第m号阵元接收到的回波信号，ξ_s表示已知点目标D的复系数，表示频率分集阵列(FDA)雷达中第n号阵元的发射信号复包络，t表示时间变量，f_n表示频率分集阵列(FDA)雷达中第n号阵元的发射信号载频，τ_s(m,n)表示频率分集阵列(FDA)雷达中第n号阵元的发射信号经点目标D反射后被第m号阵元接收的时间延迟。

并且时间延迟τ_s(m,n)可表示为： 

${\mathrm{\τ}}_s(m,n)=\frac{2r_s}{c}-\frac{(m+n){\mathrm{dsin\θ}}_s}{c}$

其中，r_s表示点目标D与频率分集阵列(FDA)雷达参考阵元的距离，c表示光速， θ_s表示点目标D的到达角，d表示具有N个阵元的频率分集阵列(FDA)雷达的阵元间距。

步骤5，对步骤4得到的N个单一载频回波信号f₀(t)～f_N-1(t)分别进行普通波束扫描后，形成频率分集阵列雷达的阵列方向图。

首先，将N个单一载频回波信号f₀(t)～f_N-1(t)写成点目标D回波信号的快拍数据矢量f(t)，该快拍数据矢量f(t)的表达式如下所示：

f(t)＝[f₀(t),f₁(t),…,f_n(t),…,f_N-2(t),f_N-1(t)]^T

其中，0,1,2,…,n,…,N-1表示第几号阵元，0,1,2,…,n,…,N-1也表示窄带滤波器的载频下标。

由于脉冲重复周期内的回波信号复包络，不会影响频率分集阵列(FDA)雷达的波束形成效果，所以第n号阵元滤波后的输出信号f_n(t)表示为：

$f_n\left(t\right)=\exp \[j2{\mathrm{\πf}}_n(t-\frac{2r_s}{c}+\frac{N-1}{2c}{\mathrm{dsin\θ}}_s+\frac{{\mathrm{ndsin\θ}}_s}{c})\]\frac{sin({\mathrm{N\πf}}_n{\mathrm{dsin\θ}}_s/c)}{sin({\mathrm{\πf}}_n{\mathrm{dsin\θ}}_s/c)}$

其中，f_n表示频率分集阵列(FDA)雷达中第n号阵元的发射信号载频，t表示时间变量，N表示滤波器数目和频率分集阵列(FDA)雷达的阵元数目,d表示阵元间距,r_s表示点目标D与频率分集阵列(FDA)雷达的参考阵元距离，c表示光速，阵元序号数n和窄带滤波器的载频下标n一一对应，n∈{0,1,2,…,N-1}，阵元序号数m＝0,1,2,…,m,…,N-1，θ_s表示点目标D的到达角。

然后对点目标D回波信号的快拍数据矢量f(t)分别加载匹配滤波权向量w＝[w₀,w₁,…,w_n,…,w_N-1]^T进行普通波束扫描；根据第n号阵元滤波后的输出信号f_n(t)，得到匹配滤波权向量w的第n+1项匹配滤波权值w_n，w_n可表示为：

$w_n=\exp \[-j2{\mathrm{\πf}}_n(\frac{2\widehat{r_s}}{c}-\frac{N-1}{2c}dsin\widehat{{\mathrm{\θ}}_s}-\frac{ndsin\widehat{{\mathrm{\θ}}_s}}{c})\]$

从而得到频率分集阵列(FDA)雷达中点目标D回波信号的快拍数据矢量f(t)，经过普通波束扫描后的输出绝对值|y(t,r_s,θ_s)|，形成频率分集阵列(FDA)雷达阵列方向图。

而输出绝对值|y(t,r_s,θ_s)|，与点目标D回波信号的快拍数据矢量f(t)和匹配滤波权向量w三者之间的关系表示如下：

其中，令令t表示时间变量，f₀表示频率分集阵列(FDA)雷达中的参考阵元，f₀也是第0号阵元的发射信号载频，Δf表示频率分集阵列(FDA)雷达的频率增量，r_s表示点目标D与频率分集阵列(FDA)雷达参考阵元的距离，(表示在点目标D所在的距离范围内按设定的距离间隔变化，对点目标D与频率分集阵列(FDA)参考阵元的距离r_s进行扫描)，θ_s表示点目标D的到达角，(在点目标D所在的角度范围内按设定的角度间隔变化，对来波方向θ_s进行扫描)，c表示光速，{}^H表示共轭转置，d表示阵元间距，匹配滤波权向量w＝[w₀,w₁,…,w_n,…,w_N-1]^T分别与阵元序号数一一对应，N表示频率分集阵列(FDA)雷达的阵元个数，N也表示窄带滤波器个数。

本发明的效果可以通过下述仿真实验得到验证。

(1)仿真条件

接收信号的频率分集阵列(FDA)雷达为均匀线阵，频率分集阵列(FDA)雷达的阵元数N＝12，这12个阵元沿水平方向均匀放置，阵元序号依次为0,1,2,…,11；参考阵元为第0号阵元，其发射载频f₀＝3GHz，频率增量Δf＝4.5KHz；λ_min表示频率分集阵列(FDA)雷达中回波信号的最小波长，且λ_min＝c/[f₀+(N-1)Δf]，阵元间距d＝λ_min/4≈0.025m，光速c＝3×10⁸m/s；设定一个点目标C的实际到达角θ_s＝30°，点目标C与参考阵元的距离r_s＝50km；采用本发明的改进方案对12个接收阵元接收到的回波信号进行处理。其中，距离扫描区间为[0,160]km，距离扫描间隔为1km，角度扫描区间为[-90°,90°]，角度扫描间隔为1°。

(2)实验内容

在完全相同的实验条件下，采用本发明的改进方案和原有第一种接收方案分别进行普 通波束扫描，进而对各自形成的阵列方向图进行比较；参照图3，为仿真实验采用原有的第一种接收方案进行普通波束扫描得到的阵列方向图；参照图4，为仿真实验采用本发明提出的改进方案进行普通波束扫描得到的阵列方向图。两幅图中的横纵坐标分别表示角度-距离单元，且两幅图中30°-50km处的灰色圆圈均为点目标C的所在位置，竖灰度窄条表示点目标C的增益值，单位为db。

(3)结果分析

由图3和图4可见，两种方案都能在点目标C处形成大增益；但在使用本发明的接收方案得到的阵列方向图中，点目标C的主瓣以外有更多的最小增益点，而且第一个副瓣出现明显间断，这有利于抑制不需要方向的杂波或噪声干扰。

综上所述，针对频率分集阵列(FDA)雷达接收回波信号的现有方法中，尽管存在一些解决方案，但是基于保留非全部有用回波信号或滤波器数目相当多的情况下处理的；而在实际环境中，为了提高效率及可行性，必须尽可能使用有限的滤波器对回波信号进行充分利用，对点目标产生大增益，使得对点目标的方位与距离做出比较精准的估计；同时，也要在点目标以外的角度-距离单元产生尽可能小的增益。但在接收方案一的情况下，大部分有用的回波信号会被滤除，使得在点目标以外的角度-距离单元处增益变大，使得估计误差值变大，估计精度降低；而本发明使用基于普通波束扫描的FDA第一种接收方案的改进方法，有效地降低了点目标以外的角度-距离单元增益，提高了点目标方位与距离的估计精度和准确性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.基于普通波束扫描的FDA雷达第一种接收方案改进方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，构造频率分集阵列雷达结构，该频率分集阵列雷达结构是具有N个阵元的均匀线阵，这N个阵元既是发射阵元，也是接收阵元，阵元间距为d，阵元序号依次为0,1,2,…,n,…,N-1，该频率分集阵列雷达的参考频率为f₀，频率分集阵列雷达的频率增量为Δf，第n号阵元的发射信号载频f_n表示为：

f_n＝f₀+nΔf

然后，以该频率分集阵列雷达结构为背景，选定远场中的一个点目标D，该点目标D的到达角为θ_s，点目标D与第0号阵元的距离为r_s；

步骤2，频率分集阵列雷达发射窄带信号，得出频率分集阵列雷达中第n号阵元的发射信号s_n(t)，n∈{0,1,2,…,N-1}，t表示时间变量；并且频率分集阵列雷达发射信号时，频率分集阵列雷达中任意两个阵元的发射信号波形相互正交；

步骤3，利用具有N个阵元的频率分集阵列雷达接收点目标D的回波信号，得到第n号阵元的发射信号经点目标D反射后被第m号阵元接收的回波信号记为r_m,n(t)；这样，N个接收阵元相当于接收得到N×N个回波信号；其中，n∈{0,1,2,…,N-1}，m∈{0,1,2,…,N-1}，N表示频率分集阵列雷达的阵元个数；

步骤4，对步骤3中得到的N×N个回波信号进行滤波，先对每个阵元接收到的N个回波信号经过一个宽通带为[f₀-0.5B,f_N-1+0.5B]的带通滤波器滤除噪声和干扰后，再经过一个输出为单一载频的窄带滤波器，得到一个具有单一载频的回波信号；N个接收阵元对应N个窄带滤波器，且N个窄带滤波器的通带中心频率依次为f₀～f_N-1，且与N个接收阵元序号一一对应，所述N个窄带滤波器最终对应输出N个单一载频的回波信号f₀(t)～f_N-1(t)；其中，B表示宽通带滤波器的带宽；

步骤5，对步骤4得到的N个单一载频回波信号f₀(t)～f_N-1(t)分别进行普通波束扫描后，形成频率分集阵列雷达的阵列方向图。

2.如权利要求1所述的基于普通波束扫描的FDA雷达第一种接收方案改进方法，其特征在于，在步骤4的N个窄带滤波器中，第n个窄带滤波器的输出信号f_n(t)表示为：

其中，窄带滤波器个数为N，频率分集阵列的阵元个数为N，阵元序号数n和窄带滤波器的载频下标n一一对应，且n∈{0,1,2,…,N-1}，阵元序号数m∈{0,1,2,…,N-1}；r_m,n(t)表示第n号阵元的发射信号经点目标D反射后被第m号阵元接收到的回波信号，ξ_s表示已知点目标D的复系数，表示频率分集阵列雷达中第n号阵元的发射信号复包络，t表示时间变量，f_n表示频率分集阵列雷达中第n号阵元的发射信号载频，τ_s(m,n)表示频率分集阵列雷达中第n号阵元的发射信号经点目标D反射后被第m号阵元接收的时间延迟。

并且时间延迟τ_s(m,n)可表示为：

${\mathrm{\τ}}_s(m,n)=\frac{2r_s}{c}-\frac{(m+n)d\sin {\mathrm{\θ}}_s}{c}$

其中，r_s表示点目标D与频率分集阵列雷达参考阵元的距离，c表示光速，θ_s表示点目标D的到达角，d表示具有N个阵元的频率分集阵列雷达的阵元间距。