CN105572644A - 一种极化敏感fda雷达及其波束形成方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极化敏感FDA雷达及其波束形成方法和装置，该极化敏感FDA雷达包含多个阵元，多个阵元中的每一个上包含至少一个电偶极子或至少一个磁偶极子。

Description

一种极化敏感FDA雷达及其波束形成方法和装置

技术领域

本发明涉及FDA雷达技术领域，尤其涉及一种极化敏感FDA雷达及其波束形成方法和装置。

背景技术

频控阵雷达(FDA，FrequencyDiverseRadar)在同一时间对不同阵元上的发射信号施加了不同的频率差，即：每个阵元发射出去的信号的中心频率不相同。这些发射出去的信号在空间上相互叠加，会使FDA雷达波束在空间上呈现出某些距离角度位置上加强，其他距离角度位置上减弱的特性。

FDA雷达的阵元的排列方式可以是将多个阵元排列在一条直线上，即：以线阵方式排列。

现有的FDA雷达发射信号波束加强的位置呈带状，这种样式的发射信号波束决定了FDA雷达在判定目标的距离和角度时会出现相互依赖性，即：如果不知道距离大小就无法估计出角度的大小，同样，不知道角度的大小也无法估计出距离的大小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种极化敏感FDA雷达及其波束形成方法和装置，以解决现有技术中存在的上述距离和角度相互依赖的问题。

本发明的一个实施例提供了一种极化敏感FDA雷达，包含多个阵元，多个阵元中的每一个上包含至少一个电偶极子或至少一个磁偶极子。

本发明的另一个实施例提供了一种用于极化敏感FDA雷达的波束形成方法，极化敏感FDA雷达包含多个阵元，该方法包括：参数设定步骤：设定阵元总数、阵元间距、发射信号的载波频率、每个阵元的发射信号频偏；偶极子设置步骤：在多个阵元中的每一个上设置至少一个电偶极子或至少一个磁偶极子；最优加权向量搜索步骤：用凸优化方法搜索最优加权向量；以及发射波束产生步骤：根据载波频率、频偏和加权向量在相应阵元上产生发射波束。

本法明的又一个实施例提供了一种用于极化敏感FDA雷达的波束形成装置，该极化敏感FDA雷达包含多个阵元，该装置包括：参数设定模块，用于设定阵元总数、阵元间距、发射信号的载波频率、每个阵元的发射信号频偏；偶极子设置模块，用于在多个阵元中的每一个上设置至少一个电偶极子或至少一个磁偶极子；最优加权向量搜索模块，用于用凸优化方法搜索最优加权向量；以及发射波束产生模块，用于根据载波频率、频偏和加权向量在相应阵元上产生发射波束。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字之后的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附图中：

图1为本发明的极化敏感FDA雷达示意图；

图2为本发明的用于极化敏感FDA雷达的波束形成方法的一个实施例的流程图；

图3所示为本发明的用于极化敏感FDA雷达的波束形成过程中的加权向量搜索步骤的一个实施例的流程图；

图4为本发明的用于极化敏感FDA雷达的波束形成装置一个实施例的示意性框图；

图5A为采用现有的FDA产生的雷达发射波束示意图；

图5B为采用本发明技术方案产生的雷达发射波束示意图；

图6为采用本发明技术方案时的输入信噪比与输出信干比曲线和采用现有技术方案时的输入信噪比与输出信干比曲线对比示意图。

在附图中，使用相同或类似的标号来指代相同或类似的元素。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种极化敏感FDA雷达100，雷达100可以包含多个阵元(图1中用一个黑色方块表示一个阵元)，多个阵元中的每一个上可以包含有至少一个电偶极子或至少一个磁偶极子。这多个阵元可以排列在一条直线上并且相互之间的间距可以相等。

在本发明的一个实施例中，电偶极子可以位于图1中的虚线所示的X轴方向或Y轴方向或Z轴方向，磁偶极子也可以位于图1中的虚线所示的X轴方向或Y轴方向或Z轴方向。

在本发明的一个实施例中，多个阵元中的每一个上最多可以包含有三个有效电偶极子和三个有效磁偶极子。这三个有效电偶极子可以分别位于X轴方向、Y轴方向和Z轴方向，这三个有效磁偶极子可以分别位于X轴方向、Y轴方向和Z轴方向。也就是说，一个阵元上最多可以包含六个有效极子。所谓有效电偶极子，指的是虽然某一个阵元上可以包含3个以上的电偶极子，但是其中有效的电偶极子只有三个，其他的都是冗余的。有效磁偶极子的概念也类似于有效电偶极子的概念。

在本发明的一个实施例中，多个阵元中的每一个的编号可以自基准阵元开始依次递增，每一个阵元的发射信号的频偏可以与该编号的二次方成正比。例如，参考图1，如果将最左边的阵元(坐标原点处的阵元)作为基准阵元，则可以从左到右将所有阵元按照依次递增的方式编号为1、2、3…、M。因此，任一阵元的频偏可以通过如下公式计算得到：

Δf_m＝(m-1)²Δf,m＝1,2,...,M-1

其中，Δf_m表示编号为m的阵元的频偏，Δf为预先设定的基准频偏，M表示阵元的总数。

至此描述了根据本发明实施例的极化敏感FDA雷达。对比图5A和图5B可以看出，用现有的FDA雷达产生的发射波束能量集中于一些带状区域(图5A中的501、502、503、504等区域)，因此具有明显的距离—角度依赖性。而根据本发明雷达产生的发射信号波束的能量更为集中(图5B中的505、506区域)，可以被聚焦于期望的目标位置，能够克服现有FDA雷达产生的发射波束的距离角度相互依赖的问题。

参考图2，图2为本发明的用于极化敏感FDA雷达的波束形成方法的一个实施例200的流程图。图2所示的实施例200可以包含如下步骤201至205。

步骤201是参数设定步骤：设定阵元总数、阵元间距、发射信号的载波频率、每个阵元的发射信号频偏。

在本发明的一个实施例中，阵元总数可以是8个，阵元间距可以是d＝0.5米，发射信号的载波频率可以是f₀＝2×10⁹Hz。

在本发明的一个实施例中，多个阵元中的每一个的编号可以自基准阵元开始依次递增，每一个阵元的发射信号的频偏可以与该编号的二次方成正比。例如，参考图1，如果将最左边的阵元(坐标原点处的阵元)作为基准阵元，则可以从左到右将所有阵元按照依次递增的方式编号为1、2、3…、M。因此，任一阵元的频偏可以通过如下公式计算得到：

Δf_m＝(m-1)²Δf,m＝1,2,...,M-1

其中，Δf_m表示编号为m的阵元的频偏，Δf为预先设定的基准频偏，M表示阵元的总数。

步骤202是偶极子设置步骤：在多个阵元中的每一个上设置至少一个电偶极子或至少一个磁偶极子。

在本发明的一个实施例中，可以在每一个阵元上设置至少一个电偶极子或者在每一个阵元上设置至少一个电偶极子。

在本发明的一个实施例中，电偶极子可以位于图1中的虚线所示的X轴方向或Y轴方向或Z轴方向，磁偶极子也可以位于图1中的虚线所示的X轴方向或Y轴方向或Z轴方向。

在本发明的一个实施例中，多个阵元中的每一个上最多可以包含有三个有效电偶极子和三个有效磁偶极子。这三个有效电偶极子可以分别位于X轴方向、Y轴方向和Z轴方向，这三个有效磁偶极子可以分别位于X轴方向、Y轴方向和Z轴方向。也就是说，一个阵元上最多可以包含六个有效极子。所谓有效电偶极子，指的是虽然某一个阵元上可以包含3个以上的电偶极子，但是其中有效的电偶极子只有三个，其他的都是冗余的。有效磁偶极子的概念也类似于有效电偶极子的概念。

步骤203是最优加权向量搜索步骤：用凸优化方法搜索最优加权向量。

在本发明的一个实施例中，最优加权向量可以是如下凸优化过程的结果：

$\underset{w}{min}{w}^H{R}_{z}w+\mathrm{\ξ}\left|\right|w^H{\hat{G}}_s|{|}_1$

$\left|\right|w^H{\hat{G}}_s|{|}_{\mathrm{\∞}}\≤\mathrm{\η}$

其中，w为极化敏感FDA雷达的加权向量，为期望目标方位，θ_s,φ_s,α_s,β_s,r_s分别为目标的方向角、俯仰角、极化椭圆的方向角、椭率角及目标距离与天线阵列之间的距离，为期望目标对应的方位导向向量，针对第k个目标的方位导向向量可以表示为：

其中，Ω为由“1”和“0”构成的p×6(p＝1,2,3,4,5,6)维选择矩阵，代表哪些电磁场成分被测量。

$C({\mathrm{\θ}}_k,{\mathrm{\φ}}_k,{\mathrm{\α}}_k,{\mathrm{\β}}_k=\left[\begin{array}{cc}-\sin {\mathrm{\θ}}_k& -\cos {\mathrm{\θ}}_k\sin {\mathrm{\φ}}_k\\ \cos {\mathrm{\θ}}_k& -\sin {\mathrm{\θ}}_k\sin {\mathrm{\φ}}_k\\ 0& \cos {\mathrm{\φ}}_k\\ -\cos {\mathrm{\θ}}_k\sin {\mathrm{\φ}}_k& \sin {\mathrm{\θ}}_k\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_k\sin {\mathrm{\φ}}_k& -\cos {\mathrm{\θ}}_k\\ \cos {\mathrm{\φ}}_k& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\α}}_k& \sin {\mathrm{\α}}_k\\ -\sin {\mathrm{\α}}_k& \cos {\mathrm{\α}}_k\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\cos {\mathrm{\β}}_k\\ j\sin {\mathrm{\β}}_k\end{array}\right],$

c为光速， 为旁瓣域对应的方位导向矩阵，即为波束指向的相应旁瓣域所对应的方位导向向量构成的方位导向矩阵，其中旁瓣域等间隔划分L-2q+1个观测个数，q为表明波束主瓣和旁瓣边界的一个正整数。R_z为阵列输出数据t＝1,2,...,T的协方差矩阵，R_z＝E{Z(t)Z^H(t)}，其中s_k(t)为第k个目标信号源，T为快拍数。代表向量中的元素对应相乘元算，表示克罗内克积，向量的1-范数||·||₁等于向量中各个元素的绝对值之和，向量的∞-范数||·||_∞等于向量元素的绝对值的最大值，[·]^T代表向量的转置，η为按阵列系统对最大的旁瓣高度的要求来确定的正数(即：最大旁瓣高度门限值)，ξ为总输出能量最小方差约束和波束图稀疏约束之间的折衷系数。

在本发明的一个实施例中，参考图3，步骤203可以包含如下子步骤301至302。

在子步骤301中，产生多组备选加权向量，多组备选加权向量中的每一组均可使得极化敏感FDA雷达在期望目标方位上的主瓣高度归一化且最大旁瓣高度不超过预先设定的门限值。

在本发明的一个实施例中，子步骤301中产生的备选向量可以是同时满足上述的两个公式的向量。

在子步骤301中，在多组备选加权向量中，搜索使得极化敏感FDA雷达总发射能量的方差与总旁瓣值之和最小的一组备选加权向量作为最优加权向量。

在本发明的一个实施例中，可以从多组备选加权向量中找出使得最小的那一组备选加权向量作为最优加权向量。

步骤204是发射波束产生步骤：根据载波频率、频偏和加权向量在相应阵元上产生发射波束。

利用之前步骤得到的载波频率、频偏和加权向量，就可以通过FDA雷达波束产生的公式在相应阵元上产生发射波束。

至此描述了根据本发明实施例的用于极化敏感FDA雷达的波束形成方法。对比图5A和图5B可以看出，用现有的FDA雷达波束形成方法产生的发射波束能量集中于一些带状区域(图5A中的501、502、503、504等区域)，因此具有明显的距离—角度依赖性。而根据本发明方法产生的FDA雷达发射信号波束的能量更为集中(图5B中的505、506区域)，可以被聚焦于期望的目标位置，能够克服现有方法产生的雷达发射波束的距离角度相互依赖的问题。此外，通过图6可以看出，相对于现有的MVDR方法而言，本发明方法可以在输入信噪比(SNR)相同的情况下提高输出信号(发射信号)的信干比(SINR)。

与该方法类似，本发明还提供了相应的用于极化敏感FDA雷达的波束形成装置。

图4所示为本发明的用于极化敏感FDA雷达的波束形成装置400的一个实施例的示意性框图。极化敏感FDA雷达包含多个阵元，装置400还可以包括：参数设定模块401，用于设定阵元总数、阵元间距、发射信号的载波频率、每个阵元的发射信号频偏；偶极子设置模块402，用于在多个阵元中的每一个上设置至少一个电偶极子或至少一个磁偶极子；最优加权向量搜索模块403，用于用凸优化方法搜索最优加权向量；以及发射波束产生模块，用于根据载波频率、频偏和加权向量在相应阵元上产生发射波束。

在本发明的一个实施例中，最优加权向量搜索模块403可以进一步包括：备选加权向量产生模块，用于产生多组备选加权向量，多组备选加权向量中的每一组均可使得极化敏感FDA雷达在期望目标方位上的主瓣高度归一化且最大旁瓣高度不超过预先设定的门限值；以及备选加权向量搜索模块，用于在多组备选加权向量中，搜索使得总输出能量的方差与总旁瓣值之和最小的一组备选加权向量作为最优加权向量。

至此描述了根据本发明实施例的用于极化敏感FDA雷达的波束形成装置。对比图5A和图5B可以看出，用现有的FDA雷达波束形成装置产生的发射波束能量集中于一些带状区域(图5A中的501、502、503、504等区域)，因此具有明显的距离—角度依赖性。而根据本发明装置产生的FDA雷达发射信号波束的能量更为集中(图5B中的505、506区域)，可以被聚焦于期望的目标位置，能够克服现有装置产生的雷达发射波束的距离角度相互依赖的问题。此外，通过图6可以看出，相对于现有的实施MVDR的装置而言，本发明装置可以在输入信噪比(SNR)相同的情况下提高输出信号(发射信号)的信干比(SINR)。

Claims (10)

1.一种极化敏感FDA雷达，包含多个阵元，其特征是，所述多个阵元中的每一个上包含至少一个电偶极子或至少一个磁偶极子。

2.根据权利要求1所述的极化敏感FDA雷达，其特征是，所述电偶极子位于X轴方向或Y轴方向或Z轴方向，所述磁偶极子位于X轴方向或Y轴方向或Z轴方向。

3.根据权利要求1所述的极化敏感FDA雷达，其特征是，所述多个阵元中的每一个上最多包含有三个有效电偶极子和三个有效磁偶极子。

4.根据权利要求1所述的极化敏感FDA雷达，其特征是，所述多个阵元中的每一个的编号自基准阵元开始依次递增，每一个阵元的发射信号的频偏与所述编号的二次方成正比。

5.根据权利要求1所述的极化敏感FDA雷达，其特征是，所述多个阵元排列在一条直线上。

6.一种用于极化敏感FDA雷达的波束形成方法，所述极化敏感FDA雷达包含多个阵元，其特征是，所述方法包括：

参数设定步骤：设定阵元总数、阵元间距、发射信号的载波频率、每个阵元的发射信号频偏；

偶极子设置步骤：在所述多个阵元中的每一个上设置至少一个电偶极子或至少一个磁偶极子；

最优加权向量搜索步骤：用凸优化方法搜索最优加权向量；以及

发射波束产生步骤：根据所述载波频率、所述频偏和所述加权向量在相应阵元上产生发射波束。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述加权向量搜索步骤进一步包括：

产生多组备选加权向量，所述多组备选加权向量中的每一组均可使得极化敏感FDA雷达在期望目标方位上的主瓣高度归一化且最大旁瓣高度不超过预先设定的门限值；以及

在所述多组备选加权向量中，搜索使得极化敏感FDA雷达总发射能量的方差与总旁瓣值之和最小的一组备选加权向量作为最优加权向量。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征是：所述多个阵元中的每一个的编号自基准阵元开始依次递增，每一个阵元的发射信号的频偏与所述编号的二次方成正比。

9.一种用于极化敏感FDA雷达的波束形成装置，所述极化敏感FDA雷达包含多个阵元，其特征是，所述装置包括：

参数设定模块，用于设定阵元总数、阵元间距、发射信号的载波频率、每个阵元的发射信号频偏；

偶极子设置模块，用于在所述多个阵元中的每一个上设置至少一个电偶极子或至少一个磁偶极子；

最优加权向量搜索模块，用于用凸优化方法搜索最优加权向量；以及

发射波束产生模块，用于根据所述载波频率、所述频偏和所述加权向量在相应阵元上产生发射波束。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征是，所述最优加权向量搜索模块进一步包括：

备选加权向量产生模块，用于产生多组备选加权向量，所述多组备选加权向量中的每一组均可使得极化敏感FDA雷达在期望目标方位上的主瓣高度归一化且最大旁瓣高度不超过预先设定的门限值；以及

备选加权向量搜索模块，用于在所述多组备选加权向量中，搜索使得总输出能量的方差与总旁瓣值之和最小的一组备选加权向量作为最优加权向量。