CN106093926A - 双边带频率分集阵列雷达系统及其目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供双边带频率分集阵列雷达系统及其目标定位方法，属于雷达信号处理技术领域，其中，双边带频率分集阵列雷达系统由N个呈等间距线性排列的阵元构成，其中N为正整数；每个阵元包括发射部分和接收部分。发射部分包括调制信号生成器、双边带调制器和发射天线；调制信号生成器的输出端与双边带调制器的输入端相连，双边带调制器的输出端连接发射天线。接收部分包括接收天线、滤波器组和定位解算单元；滤波器组由2个通过频率不同的窄带滤波器组成；接收天线同时连接这2个窄带滤波器的输入端，2个窄带滤波器的输出端同时与定位解算单元的输入端连接。

Description

双边带频率分集阵列雷达系统及其目标定位方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，具体涉及一种双边带频率分集阵列雷达系统及其目标定位方法。

背景技术

雷达目标检测技术在军事和民用领域都有广泛的应用需求。相控阵被广泛应用于雷达目标定位，但由于其波束方向图只与角度有关，无法从其波束方向图中直接提取目标距离信息，也无法有效抑制距离依赖的干扰和杂波。

频率分集阵列(frequency diverse array,FDA)同时依赖于距离和角度的波束方向图，使其成为近几年国内外学者研究的热点。但由于其固有的距离、角度耦合，无法直接从其波束图中提取距离和角度信息。此外，目前实现频率分集阵列雷达目标探测主要是通过采用多个不同频率偏置的FDA子阵或FDA与相控阵联合收发等方法，不易用于实际场景且较难实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有频率分集阵列无法直接提取目标的距离和角度信息，且不易用于实际场景和较难实现的问题，提供一种双边带频率分集阵列雷达系统及其目标定位方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

双边带频率分集阵列雷达系统，由N个呈等间距线性排列的阵元构成，其中N为正整数；每个阵元包括发射部分和接收部分；其中

发射部分包括调制信号生成器、双边带调制器和发射天线；调制信号生成器的输出端与双边带调制器的输入端相连，双边带调制器的输出端连接发射天线；

接收部分包括接收天线、滤波器组和定位解算单元；滤波器组由2个通过频率不同的窄带滤波器组成；接收天线同时连接这2个窄带滤波器的输入端，2个窄带滤波器的输出端同时与定位解算单元的输入端连接。

上述方案中，优选的是每个阵元的双边带调制器主要由乘法器构成；乘法器的一个输入端与调制信号生成器连接，乘法器的另一个输入端接入载波信号。

进一步的，上述方案中，优选的是每个阵元的双边带调制器所接入的载波信号均相同。

上述方案中，优选的是每个阵元的发射部分还进一步包括幅值归一化调整单元，该幅值归一化调整单元串接在双边带调制器和发射天线之间，即幅值归一化调整单元的输入端与双边带调制器的输出端连接，幅值归一化调整单元的输出端与发射天线连接。

上述方案中，优选的是第n个阵元的2个窄带滤波器的通过频率分别为f₀-nΔf和f₀+nΔf；其中n＝1,2,…,N，N为阵元的个数，f₀为阵列载波频率，Δf为偏置频率。

基于双边带频率分集阵列雷达系统的目标定位方法，其包括如下步骤：

步骤1，N个阵元的调制信号生成器产生N个频率不同的调制信号；

步骤2，N个阵元的双边带调制器分别对这N个调制信号进行调制后，得到N个双边带已调信号；

步骤3，N个阵元发射天线分别将这N个双边带已调信号向外发出；

步骤4，N个阵元发出的N个双边带已调信号遇到远场目标后返回；

步骤5，N个阵元的接收天线接收返回的回波信号；

步骤6，回波信号经过N个阵元的接收天线滤波器组进行滤波得到上边带信号和下边带信号；

步骤7，接收天线定位解算单元对所有下边带信号和上边带信号分别进行相干检波和叠加处理得到下边带回波响应和上边带回波响应；

步骤8，选定角度-距离联合估算式对下边带回波响应进行估算得到第一组角度-距离估算值，选定角度-距离联合估算式对上边带回波响应进行估算得到第二组角度-距离估计值，其中r_-1(R₀,θ)为下边带回波响应，r₁(R₀,θ)为上边带回波响应；

步骤9，取第一组角度-距离估算值和第二组角度-距离估计值的交集即可得到目标的角度-距离的估计值。

上述方法中，优选的是步骤2中N个阵元的双边带调制器分别把x_n(t)＝cos(2πnΔft)的调制信号与载波信号cos(2πf₀t)相乘得到N个双边带已调信号；其中n＝1，2…，N，f₀为阵列载波频率，Δf为偏置频率，t为时间。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、本发明可以在发射单个频率偏置信号的情况下获取远程目标的角度和距离信息。

2、进一步的，本发明能够完成单个目标的单频率偏置信号定位。

3、本发明的目标定位方法的发射信号中不需要载波直流信息，有效地节约发射功率。

4、本发明的发射波形中不包含载频分量，可以有效地提高抗干扰和抗截获的能力。

附图说明

图1为双边带频率分集阵列雷达系统的发射部分的原理示意图。

图2为双边带调制器的原理示意图。

图3为双边带频率分集阵列雷达系统的接收部分的原理示意图。

图4是上边带-下边带联合估计图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明：

双边带频率分集阵列雷达系统，如图1所示，由N个呈等间距线性排列的阵元构成，其中N为正整数。阵元与阵元间的间隔为d，其中d一般为发射信号的1/2波长，每个阵元包括发射部分和接收部分。

发射部分包括调制信号生成器、双边带调制器、幅值归一化调整单元和发射天线；调制信号生成器的输出端与双边带调制器的输入端相连，调制信号生成器经过调制输出频率不同的正弦信号x_n(t)＝cos(2πnΔft)，其中n＝1,2…,N。每个阵元的双边带调制器主要由乘法器构成；乘法器的一个输入端与调制信号生成器连接，乘法器的另一个输入端接入载波信号，其中载波信号为cos(2πf₀t)，f₀为阵列载波频率，t为时间。每个阵元的双边带调制器把调制信号生成器输出的频率不同的正弦信号与载波信号相乘后得到已调信号。由于幅值归一化调整单元串接在双边带调制器和发射天线之间，因此已调信号经过幅值归一化调整单元后，再由发射天线把已调信号发射出去，如图1、2所示。

接收部分包括接收天线、滤波器组和定位解算单元；滤波器组由2个通过频率不同的窄带滤波器组成；接收天线同时连接这2个窄带滤波器的输入端，2个窄带滤波器的输出端同时与定位解算单元的输入端连接。第n个阵元的2个窄带滤波器的通过频率分别为f₀-nΔf和f₀+nΔf；其中n＝1,2,…,N，N为阵元的个数，f₀为阵列载波频率，Δf为偏置频率。回波信号由接收天线进行接收，并经过N个阵元的接收天线滤波器组进行滤波得到上边带信号和下边带信号；接收天线定位解算单元对所有下边带信号和上边带信号分别进行相干检波和叠加处理得到下边带回波响应和上边带回波响应，如图3所示。

基于双边带频率分集阵列雷达系统的目标定位方法，包括如下步骤：

步骤1，N个阵元的调制信号生成器产生N个频率不同的正弦信号x_n(t)，

x_n(t)＝cos(2πnΔft) n＝1，2…，N

其中，Δf为偏置频率，t为时间。

步骤2，N个阵元的双边带调制器分别对这N个调制信号进行与载波cos(2πf₀t)相乘，得到N个双边带已调信号s_n′(t)：

$s_n^{\′}\left(t\right)=\frac{1}{2}cos\left\{2\mathrm{\π}(f_0-n\mathrm{\Δ}f)t\right\}+\frac{1}{2}cos\left\{2\mathrm{\π}(f_0+n\mathrm{\Δ}f)t\right\}$

为方便分析和计算，将s_n(t)转化为复信号，且进行幅值归一化，可得第n个阵元的发射信号：

s_n(t)＝exp{j2π(f₀-nΔf)t}+exp{j2π(f₀+nΔf)t}

可知，与传统FDA发射信号仅含上边带不同，双边带FDA发射信号同时包括上边带和下边带信息。

步骤3，N个阵元发射天线分别接收N个阵元的双边带调制器传入的已调信号s_n(t)，同时把这N个双边带已调信号s_n(t)向外发出。

步骤4，N个阵元发出的N个双边带已调信号当遇到远场目标后，由目标将发射信号反射回来。

步骤5，N个阵元的接收天线接收返回的回波信号，每个接收天线接收的回波信号为：以第n个接收天线为列，第n个接收天线的回波信号为r_n(t)；

$\begin{array}{c}{r}_n\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{N}{\Σ}}\exp \left\{j2\mathrm{\π}(f_0-m\mathrm{\Δ}f)(f-\frac{R_0-nd\sin \mathrm{\θ}}{c}-\frac{R_0-md\sin \mathrm{\θ}}{c})\right\}\\ +\underset{m=1}{\overset{N}{\Σ}}\exp \left\{j2\mathrm{\π}\left(f_0+m\mathrm{\Δ}f\right)(f-\frac{R_0-nd\sin \mathrm{\θ}}{c}-\frac{R_0-md\sin \mathrm{\θ}}{c})\right\}\end{array}$

其中，m表示第m个发射阵元，为方便分析和计算，R₀表示目标相对于阵列虚拟参考阵元的距离，虚拟参考阵元位于第一个阵元的左侧，与第1个阵元的间隔为d，因为目标位于远场，故距离R₀可近似作为目标相对于阵列的距离；θ表示目标相对于阵列法线的角度。

步骤6，回波信号经过N个阵元的接收天线滤波器组进行滤波,以第n个接收天线的窄带滤波器为例，分别为下边带窄带滤波器h_n,-1和上边带窄带滤波器h_n,1，分别仅能通过频率为f₀-nΔf和f₀+nΔf的信号；

则通过频率为f₀-nΔf滤波器h_n,-1后的信号为r_n,-1：

$r_{n,-1}=\exp \{j2\mathrm{\π}(f_0-n\mathrm{\Δ}f)\[t-\frac{2R_0}{c}+\frac{2ndsin\mathrm{\θ}}{c}\]\}$

通过频率为f₀+nΔf滤波器h_n,1后的信号为r_n,1：

$r_{n,1}=\exp \{j2\mathrm{\π}(f_0+n\mathrm{\Δ}f)\[t-\frac{2R_0}{c}+\frac{2ndsin\mathrm{\θ}}{c}\]\}$

分别对r_n,-1和r_n,1运用非自适应波束形成处理，导向权向量分别为：

$w_{n,-1}=\exp \{j2\mathrm{\π}(f_0-n\mathrm{\Δ}f)\frac{2R_s}{c}-\frac{2nd{\mathrm{sin\θ}}_s}{c}\}$

$w_{n,1}=\exp \left\{j2\mathrm{\π}(f_0+n\mathrm{\Δ}f)(\frac{2R_s}{c}-\frac{2nd{\mathrm{sin\θ}}_s}{c})\right\}$

其中R_s表示波束指向的距离，θ_s表示波束指向的角度。

对于目标点(R₀,θ)处的回波信号进行处理得到下边带信号和上边带信号：

$r_{n,-1}(t,R_0,\mathrm{\θ})=\exp \{j2\mathrm{\π}(f_0-n\mathrm{\Δ}f)\[t-\frac{2(R_0-R_s)}{c}+\frac{2nd(\sin \mathrm{\θ}-{\mathrm{sin\θ}}_s)}{c}\]\}$

$r_{n,1}(t,R_0,\mathrm{\θ})=\exp \{j2\mathrm{\π}(f_0+n\mathrm{\Δ}f)\[t-\frac{2(R_0-R_s)}{c}+\frac{2nd(\sin \mathrm{\θ}-{\mathrm{sin\θ}}_s)}{c}\]\}$

其中，r_n,-1(t,R,θ)为下边带信号，r_n,1(t,R,θ)为上边带信号。

步骤7，接收天线定位解算单元对所有下边带信号和上边带信号分别进行相干检波和叠加处理，以第n个接收天线为列，对下边带信号r_n,-1(t,R₀,θ)以频率f₀-nΔf进行相干检波，检波后的信号为：

$\begin{array}{c}{r}_{n,-1}^{\′}(R_0,\mathrm{\θ})=\exp \{-j2{\mathrm{\πf}}_0\[\frac{2(R_0-R_s)}{c}-\frac{2d(\sin \mathrm{\θ}-{\mathrm{sin\θ}}_s)}{c})\}\·\\ \exp \{jn\[2\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}f\frac{2(R_0-R_s)}{c}-\frac{2d(\sin \mathrm{\θ}-{\mathrm{sin\θ}}_s)}{c})\}\end{array}$

对所有阵元上接收的下边带信号叠加：

$\begin{array}{c}{r}_{-n}(R_0,\mathrm{\θ})=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{r}_{n,-1}^{\′}(R_0,\mathrm{\θ})\\ =\exp \{-j2{\mathrm{\πf}}_0\[\frac{2(R_0-R_s)}{c}+\frac{2d(\sin \mathrm{\θ}-{\mathrm{sin\θ}}_s)}{c}\]\}\·\\ \exp \{j(N+1)\mathrm{\π}\[\mathrm{\Δ}f\frac{2(R_0-R_s)}{c}+f_0\frac{2d(\sin \mathrm{\θ}-{\mathrm{sin\θ}}_s)}{c}\]\}\·\\ \frac{\sin \{N\mathrm{\π}\[\mathrm{\Δ}f\frac{2(R_0-R_s)}{c}+f_0\frac{2d(\sin \mathrm{\θ}-{\mathrm{sin\θ}}_s)}{c}\]\}}{\sin \{\mathrm{\π}\[\mathrm{\Δ}f\frac{2(R_0-R_s)}{c}+f_0\frac{2d(\sin \mathrm{\θ}-{\mathrm{sin\θ}}_s)}{c}\]\}}\end{array}---\left(1\right)$

其中，r_-1(R₀,θ)为下边带回波响应；

同样地，对于上边带信号：将所有n个阵元处的回波信号r_n,1(t,R₀,θ)，先进行相干检波，再进行叠加，得出所述阵列上边带回波响应：

对于第n个阵元，以频率f₀+nΔf进行相干检波，检波后的信号为：

对所有阵元上接收的下边带信号叠加：

$\begin{array}{c}{r}_1(R_0,\mathrm{\θ})=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{r}_{n,1}^{\′}(R_0,\mathrm{\θ})\\ =\exp \{-j2{\mathrm{\πf}}_0\[\frac{2(R_0-R_s)}{c}+\frac{2d(\sin \mathrm{\θ}-{\mathrm{sin\θ}}_s)}{c}\]\}\·\\ \exp \{j(N+1)\mathrm{\π}\[\mathrm{\Δ}f\frac{2(R_0-R_s)}{c}+f_0\frac{2d(\sin \mathrm{\θ}-{\mathrm{sin\θ}}_s)}{c}\]\}\·\\ \frac{\sin \{N\mathrm{\π}\[-\mathrm{\Δ}f\frac{2(R_0-R_s)}{c}+f_0\frac{2d(\sin \mathrm{\θ}-{\mathrm{sin\θ}}_s)}{c}\]\}}{\sin \{\mathrm{\π}\[-\mathrm{\Δ}f\frac{2(R_0-R_s)}{c}+f_0\frac{2d(\sin \mathrm{\θ}-{\mathrm{sin\θ}}_s)}{c}\]\}}\end{array}---\left(2\right)$

其中，r₁(R₀,θ)为上边带回波响应。

步骤8，选定角度-距离联合估算式对下边带回波响应r_-1(R₀,θ)进行估算得到第一组角度-距离估算值，其中表示使|r_-1(R₀,θ)|取得最大值的(R_s,θ_s)的集合，为目标距离估计值，为目标角度估计值。选定角度-距离联合估算式对上边带回波响应r₁(R₀,θ)进行估算得到第二组角度-距离估计值。

步骤9，取第一组角度-距离估算值和第二组角度-距离估计值的交集即可得到目标的角度-距离的估计值。

图4为所述双边带频率分集阵列目标定位方法仿真图，仿真参数为：N＝30，f₀＝10G，Δf＝100K，d＝λ₀/2,目标点坐标为(0°,10km)。图中幅度最大值处的坐标为(0°,10km)，与目标点坐标符合。图中还存在两条幅度在30左右的曲线，其中斜率为正的曲线是各阵元接收到的上边带信号相干叠加后的幅度最大值，其对应的坐标为上边带角度-距离的估计值集合；斜率为负的曲线是各阵元接收到的下边带信号相干叠加后的幅度最大值，其对应的坐标为下边带角度-距离的估计值集合；图中幅度最大处是两条曲线的交点处，其对应的坐标为目标点的角度-距离值。

Claims (7)

1.双边带频率分集阵列雷达系统，其特征在于：由N个呈等间距线性排列的阵元构成，其中N为正整数；每个阵元包括发射部分和接收部分；其中

发射部分包括调制信号生成器、双边带调制器和发射天线；调制信号生成器的输出端与双边带调制器的输入端相连，双边带调制器的输出端连接发射天线；

接收部分包括接收天线、滤波器组和定位解算单元；滤波器组由2个通过频率不同的窄带滤波器组成；接收天线同时连接这2个窄带滤波器的输入端，2个窄带滤波器的输出端同时与定位解算单元的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的双边带频率分集阵列雷达系统，其特征在于：每个阵元的双边带调制器主要由乘法器构成；乘法器的一个输入端与调制信号生成器连接，乘法器的另一个输入端接入载波信号。

3.根据权利要求2所述的双边带频率分集阵列雷达系统，其特征在于：每个阵元的双边带调制器所接入的载波信号均相同。

4.根据权利要求1所述的双边带频率分集阵列雷达系统，其特征在于：每个阵元的发射部分还进一步包括幅值归一化调整单元，该幅值归一化调整单元串接在双边带调制器和发射天线之间，即幅值归一化调整单元的输入端与双边带调制器的输出端连接，幅值归一化调整单元的输出端与发射天线连接。

5.根据权利要求1所述的双边带频率分集阵列雷达系统，其特征在于：第n个阵元的2个窄带滤波器的通过频率分别为f₀-nΔf和f₀+nΔf；其中n＝1,2,…,N，N为阵元的个数，f₀为阵列载波频率，Δf为偏置频率。

6.基于权利要求1所述双边带频率分集阵列雷达系统的目标定位方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1，N个阵元的调制信号生成器产生N个频率不同的调制信号；

步骤2，N个阵元的双边带调制器分别对这N个调制信号进行调制后，得到N个双边带已调信号；

步骤3，N个阵元发射天线分别将这N个双边带已调信号向外发出；

步骤4，N个阵元发出的N个双边带已调信号遇到远场目标后返回；

步骤5，N个阵元的接收天线接收返回的回波信号；

步骤6，回波信号经过N个阵元的接收天线滤波器组进行滤波得到上边带信号和下边带信号；

步骤7，接收天线定位解算单元对所有下边带信号和上边带信号分别进行相干检波和叠加处理得到下边带回波响应r_-1(R₀,θ)和上边带回波响应r₁(R₀,θ)；

步骤8，选定角度-距离联合估算式对下边带回波响应进行估算得到第一组角度-距离估算值，选定角度-距离联合估算式对上边带回波响应进行估算得到第二组角度-距离估计值，其中r_-1(R₀,θ)为下边带回波响应，r₁(R₀,θ)为上边带回波响应，表示使|r_-1(R₀,θ)|取得最大值的(R_s,θ_s)的集合，为目标距离估计值，为目标角度估计值；

步骤9，取第一组角度-距离估算值和第二组角度-距离估计值的交集即可得到目标的角度-距离的估计值。

7.基于权利要求6所述双边带频率分集阵列雷达系统的目标定位方法，其特征在于：所述步骤2中N个阵元的双边带调制器分别把x_n(t)＝cos(2πnΔft)的调制信号与载波信号cos(2πf₀t)相乘得到N个双边带已调信号；其中n＝1,2…,N，f₀为阵列载波频率，Δf为偏置频率，t为时间。