CN107037396A - 到达角估计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到达角估计，公开了一种用于确定由天线阵列接收的入射平面波的到达角的方法。该方法包括从多个天线接收信道接收信号，基于在多个接收信道处接收的信号确定入射平面波的一组可能的到达角，测量在多个接收信道处接收的信号之间的入射平面波的脉冲延迟，以及基于所述一组可能的到达角和测得的脉冲延迟来计算所述入射平面波的到达角。

Description

到达角估计

本申请要求于2016年1月22日提交的美国临时专利申请序号62/281,822的权益，该申请的全部内容特此通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及雷达系统，并且更具体地，涉及在具有宽阔地间隔开的元件的天线阵列中的到达角的估计。

背景技术

雷达是对象检测系统，其使用由天线发射和接收的无线电波来确定对象的范围、角度和/或速度。在大多数现代系统中，雷达采用由多个天线元件组成的阵列天线，这些天线元件被布置和互连以形成单个天线。在操作中，测量由天线元件接收的信号之间的相位差，并将其用于建立信号到达方向。例如，如果天线元件位于平面表面上，并且如果信号垂直于表面到达，则每个天线元件的信号输出是同相的，并且元件之间的相对相位差理想地为零。如果信号倾斜地到达平面，则元件之间的相位差根据信号频率、天线元件之间的距离和信号方向而变化。换言之，由于从信号源到各个天线元件的传播距离的差异，每个天线元件均观测到信号的不同相移。然后能够使用该相移来确定输入信号的到达方向。

存在许多已知的用于基于天线元件之间的相位差来确定入射信号的到达角的方法。然而，基本关系最好地通过考查两个元件线性阵列10来解释，如图1中所示。天线元件12a、12b被间隔分开距离“d”，并且形成波前16的入射信号14的到达角是θ，其具有180°的跨度。到达角θ以垂直于阵列的平面的轴线（即，垂射（broadside）于阵列）为基准，并且在从π/2到-π/2（90°到-90°）的角度的范围中。在设计成垂射于天线阵列辐射的阵列中，辐射图在π/2和-π/2（90°和-90°）处为最小值，并且在以0（0 °）垂射于阵列处变成最大值。如本领域技术人员所理解的，到达角也能够以阵列的轴线为基准。在这种情况下，θ仍然具有180°的跨度，但是代替地在从0到π（0°到180°）的范围内，并且最小值在0和π（0°和180°），且最大值在π/ 2（90°）。

天线阵列是定向的，因为它们被设计成通过将天线元件与随到达方向而变的相位调整组合来将天线辐射图朝向具体方向聚焦。辐射图的方向由主射束波瓣给出，其指向辐射功率的主体（bulk）行进的方向。天线阵列的方向性和增益能够根据天线的归一化场强度和阵列因子来表示，这是天线阵列理论的基本原理并且是本领域众所周知的。例如，再次参考图1，在垂射地测得的角度θ处的归一化场强度E(θ)与(sinNΨ/2)/(NsinΨ/2)成比例，其中N是阵列中天线元件的数量，Ψ是相邻天线元件之间的相位差并且等于2πd/λ(sinθ)，其中λ是波长，且d(sinθ)表示相邻天线元件之间波前16的传播延迟的线性距离。因此，能够通过知道相位差Ψ来确定入射信号14的到达角θ。

然而，出现了问题，因为元件之间的相位仅能够在180°的范围内无歧义地测得。当天线元件被宽阔地间隔开时（即，当天线元件之间的距离超过入射信号的波长的一半时），天线元件之间的相位差能够跨越大于360°。因此，能够获得到达的多于一个可能的到达，并且这通常被称为模糊性。

由宽阔地间隔开的天线阵列引起的模糊性导致栅瓣，其指代当辐射图旁瓣的振幅变得显著地更大，并且接近主瓣的水平时发生的空间混叠效应。栅瓣沿随机方向辐射，并且在幅度上与主波束波瓣相同或几乎相同。例如，上面提及归一化场强度方程E(θ)，当分母为零时，或当sinθ=±n/(d/λ)（其中n=0, 1, 2, 3 ...）时出现最大值。在其中天线元件之间的间距d等于波长的一半的阵列中，阵列沿θ= 0°的方向在阵列的可见区域中产生单个最大值（即，主瓣）。在其中天线元件之间的间距d大于波长的一半的阵列中，额外的最大值以除了主瓣方向之外的角度出现在可见区域中。比如，当天线元件之间的间距为2λ时，主瓣出现在θ= 0°处，但是栅瓣也出现在θ=±30°和±90°处。由于这些角度中的每一个均对应于最大值，因此雷达系统不能够区分对应于主瓣的到达角和对应于栅瓣的到达角。以另一方式陈述，单个相位测量可以指代多个到达角，从而导致额外的模糊性。

通常针对带有高角分辨率的最佳方向性设计天线阵列。然而，角分辨率与天线口径的大小和天线元件的数量成比例。高角分辨率需要大口径和大量的天线元件，这增加了天线的成本。另外，由于相位模糊性，口径的大小和元件的数量受到天线元件间距的限制。下文描述的方法解决了与宽阔地间隔开的天线阵列相关联的相位模糊性的问题，从而以减少数量的信道（channel）实现了确切的（unambiguous）高角分辨率。通过减少阵列中所使用的天线元件实现显著的成本减少。

发明内容

根据本发明的实施例，提供了一种用于确定由天线阵列接收的入射平面波的到达角的方法。该方法包括从多个天线接收信道接收信号，基于在多个接收信道处接收的信号确定入射平面波的一组可能的到达角，测量在所述多个接收信道处接收的信号之间的入射平面波的脉冲延迟，以及基于所述一组可能的到达角和测得的脉冲延迟计算所述入射平面波的到达角。

根据本发明的另一实施例，提供了一种用于估计由具有多个均匀地宽阔地间隔开的天线元件的天线阵列接收的入射平面波的到达角的方法。该方法包括：响应于入射平面波从多个天线元件接收信号；确定在所述多个天线元件处接收到的信号之间的相位差；基于在所述多个天线元件处接收到的信号之间的相位差确定所述入射平面波的一组可能的到达角；确定在所述多个天线元件处接收的信号之间的到达时间差；以及基于所述一组可能的到达角和在所述多个天线元件处接收的信号之间的到达时间差计算入射平面波的确切到达角。

根据本发明的又一个实施例，提供了一种用于计算入射平面波的确切到达角的系统。该系统包括具有多个均匀地宽阔地间隔开的天线元件的天线阵列，被配置为响应于入射平面波从多个天线元件接收信号的接收器和信号处理器，并且其中所述接收器和/或所述信号处理器被配置为基于在所述多个天线元件处接收的信号确定所述入射平面波的一组可能的到达角，其中所述一组可能的到达角是由于相位模糊性引起的，测量在所述多个天线元件处接收的信号之间的所述入射平面波的脉冲延迟，并且基于所述一组可能的到达角和测得的脉冲延迟计算所述入射平面波的确切到达角。

本发明还包括以下技术方案：

方案1. 一种用于确定由天线阵列接收的入射平面波的到达角的方法，所述方法包括以下步骤：

从多个天线接收信道接收信号；

基于在所述多个接收信道处接收的信号确定所述入射平面波的一组可能的到达角；

测量在所述多个接收信道处接收的信号之间的所述入射平面波的脉冲延迟；和

基于所述一组可能的到达角和测得的所述脉冲延迟来计算所述入射平面波的到达角。

方案2. 根据方案1所述的方法，其中，从所述天线接收信道接收的信号表示响应于所述入射平面波，来自与每个所述天线接收信道相关联的天线元件的输出。

方案3. 根据方案1所述的方法，其中，所述一组可能的到达角是由于相位模糊性引起的。

方案4. 根据方案1所述的方法，其中，基于在所述多个接收信道之间接收的信号之间测得的相位差来确定所述一组可能的到达角。

方案5. 根据方案1所述的方法，还包括基于测得的所述脉冲延迟确定在所述多个接收信道处接收的信号之间的到达时间差。

方案6. 根据方案5所述的方法，其中，使用匹配的滤波器响应来确定所述到达时间差。

方案7. 根据方案5所述的方法，还包括将所述到达时间差转换为估计的到达角。

方案8. 根据方案7所述的方法，其中，计算所述到达角的步骤还包括通过将所述一组可能的到达角与所述估计的到达角相比较来解决与所述一组可能的到达角相关联的模糊性。

方案9. 根据方案8所述的方法，其中，计算所述到达角还包括从所述一组可能的到达角中确定具有相对于所述估计的到达角的最小绝对差的到达角。

方案10. 根据方案2所述的方法，其中，所述入射平面波具有波长λ，并且其中，所述天线元件均匀地分开大于或等于所述波长λ的一半的距离。

方案11. 一种用于估计由具有多个均匀地宽阔地间隔开的天线元件的天线阵列接收的入射平面波的到达角的方法，所述方法包括以下步骤：

响应于所述入射平面波从所述多个天线元件接收信号；

确定在所述多个天线元件处接收的信号之间的相位差；

基于在所述多个天线元件处接收的信号之间的相位差来确定所述入射平面波的一组可能的到达角；

确定在所述多个天线元件处接收的信号之间的到达时间差；和

基于所述一组可能的到达角和在所述多个天线元件处接收的信号之间的到达时间差来计算所述入射平面波的确切到达角。

方案12. 根据方案11所述的方法，其中，所述一组可能的到达角表示关于所述入射平面波的到达角的模糊性。

方案13. 根据方案11所述的方法，其中，在所述多个天线元件处接收的信号之间的到达时间差基于测得的脉冲延迟。

方案14. 根据方案11所述的方法，其中，使用匹配的滤波器响应来确定所述到达时间差。

方案15. 根据方案11所述的方法，还包括将所述到达时间差转换为估计的到达角。

方案16. 根据方案14所述的方法，其中，计算所述确切到达角的步骤还包括通过将所述一组可能的到达角与所述估计的到达角相比较来解决与所述一组可能的到达角相关联的模糊性。

方案17. 根据方案15所述的方法，其中，计算所述确切到达角的步骤还包括从所述一组可能的到达角中确定具有相对于所述估计的到达角的最小绝对差的到达角。

方案18. 一种用于计算入射平面波的确切到达角的系统，所述系统包括：

具有多个均匀地宽阔地间隔开的天线元件的天线阵列；

接收器和信号处理器，其被配置为响应于所述入射平面波从所述多个天线元件接收信号，并且其中，所述接收器和/或所述信号处理器被配置为：

基于在所述多个天线元件处接收的信号来确定所述入射平面波的一组可能的到达角，其中，所述一组可能的到达角是由于相位模糊性引起的；

测量在所述多个天线元件处接收的信号之间的所述入射平面波的脉冲延迟；和

基于所述一组可能的到达角和测得的所述脉冲延迟来计算所述入射平面波的确切到达角。

方案19. 根据方案18所述的系统，其中，所述接收器和/或所述信号处理器被配置为将所述脉冲延迟转换为估计的到达角。

方案20. 根据方案19所述的系统，其中，计算所述确切到达角还包括从所述一组可能的到达角中确定具有相对于所述估计的到达角的最小绝对差的到达角。

附图说明

下文中将结合附图描述本发明的一个或多个实施例，其中同样的附图标记表示同样的元件，并且附图中：

图1是描绘双元件线性天线阵列的图；

图2图示能够利用本文所公开的方法的雷达检测系统的实施例；和

图3图示根据本发明的实施例的用于估计入射平面波的到达角的方法。

具体实施方式

下文描述的系统和方法涉及当确定入射平面波的到达角时解决与天线阵列相关联的相位模糊性。该方法包括测量在每个天线信道处接收的信号之间的相位差，以基于相位模糊性产生一组可能的到达角。将这些模糊性与基于从每个天线信道获得的到达时间测量的估计的到达角相比较。通过从所述一组可能的到达角中选择具有相对估计的到达时间的最小的绝对差的到达角来解决模糊性。

图2图示能够被用于实现本文所公开的方法的示例性雷达检测系统20。雷达检测系统20包括线性天线阵列22，其具有以距离d分隔开的N个均匀间隔的天线元件12_a-N。形成波前16的输入入射信号14的到达角为θ，其具有180°的跨度。波前16垂直于由输入信号14指示的平面波的方向。假设波前16上的所有点均具有相等的振幅和相位值。在该实施例中，到达角θ以垂直于阵列的平面的轴线（即，阵列的垂射侧）为基准，并且在从π/2到-π/2（90°到-90°）的角度的范围内。

雷达检测系统20还包括接收器24和信号处理器26。接收器24被配置为从与每个天线元件12_a-N相关联的多个天线接收信道12'_a-N接收信号。从每个天线接收信道12'_a-N接收的信号表示来自每个天线元件12_a-N相对于冲击波前16的输出响应，并且随波方向而变。在一个实施例中，接收器24可以包括（但不限于）放大器、混频器、振荡器、合路器、滤波器和转换器。由接收器24执行的功能可以变化，但通常包括在将输出信号数字化并发送到信号处理器26之前执行各种滤波、放大和转换功能。信号处理器26通常被配置为分析由接收器24接收的信号的性质以确定信号的特性，诸如相位、频率和振幅。如本领域技术人员所理解的，用于从信号中提取该信息的技术可以变化，但是可以包括（但不限于）同相和正交分析以及使用傅里叶变换的频域分析。在一个实施例中，信号处理器26也可以包括（但不限于）部件以执行脉冲压缩和杂波抑制（例如，多普勒滤波）功能。

从每个天线接收信道12'_a-N接收的信号由通常被称为基带信号（BBS）或中频信号（IFS）的低频带信号组成，其被调制到高载波频率。所得的调制信号由波形包络和正弦波形载波组成。波形包络通常是脉冲串（pulse train），其持续时间与基带信号带宽相关。包络内的正弦波形具有载波频率的频率。与正弦载波波形相比，波形包络以远为更低的频率波动。如下面详细阐述的，所公开的方法利用调制信号的两个分量来确定到达角。换言之，入射平面波的每个到达角均导致每个接收天线元件12_a-N之间的特定延迟差异。使用两个不同的测量捕获这些延迟差异：一个涉及正弦载波波形之间的载波相位差；一个涉及BBS或IFS中的延迟差异，其测量波形包络到达时间差（即，脉冲的前缘之间的时间差）。波形包络的到达时间差在下文中被称为“脉冲延迟”。

虽然下文描述的途径和方法涉及图2中所示的雷达配置，但是本领域的一个普通技术人员应当认识到，雷达检测系统20仅仅是示例性的，并且为了便于解释，已经以许多方式被简化。还应当认识的是，本文公开的构思和方法可以被应用于带有任何几何配置的任何合适的雷达检测系统，包括但不限于具有合成和/或物理天线元件均匀地或不均匀地间隔开并且布置成线性阵列、平面阵列和/或共形阵列的雷达系统。天线阵列也可以是具有有源或无源移相器的动态相控阵列或固定相控阵列。此外，本领域一个普通技术人员理解，为了便于解释，图2中所示的接收器24和信号处理器26被过度简化。在实践中，根据雷达检测系统20的具体应用和设计标准，接收器24和信号处理器26可以在结构和复杂性上变化。此外，虽然图2出于解释的目的图示单个接收器24和信号处理器26，但本领域一个普通技术人员认识到，雷达系统20可以被配置为使得对于每个天线元件12_a-N或者对于天线元件的子集而言，均存在单独的接收器模块。

图3示出用于估计入射平面波的到达角和用于解决通常与宽阔地间隔开的天线阵列相关联的模糊性的示例性方法100，其中所述天线阵列总体是带有大于或等于λ/2的天线元件之间的均匀间距d的任何阵列。关于图2中所示的示例性雷达检测系统20参考下文描述的方法100，但是可以使用任何合适的雷达系统来实现该方法100。在步骤102，接收器24从所有接收天线信道12'_a-N接收信号。在步骤104，测量在接收信道12'_a-N处接收的信号之间的相位差Ψ。给定天线阵列22的已知配置，能够以入射平面波16的到达角θ表达相位差Ψ，在一个实施例中，所述相位差Ψ是2πd/λ(sinθ)，其中到达角θ以垂射（broadside）为基准，d是天线阵列22中的两个天线元件之间的距离，λ是波长，并且其中d(sinθ)表示在邻近的接收信道12'_a-N之间波前16的传播延迟的线性距离。然而，由于天线阵列元件是宽阔地间隔开的，因此存在模糊性，因为相位差Ψ测量可以指代多于一个可能的到达角θ。因此，基于相位差Ψ和归一化场强度方程E(θ)之间的关系，在步骤106，使用已知技术生成一组可能的到达角Ω_θ。在一个示例性实施例中，Ω_θ可以被表达为Ω _θ ={θ ₁ ,θ _2,…, θ _J }，其中表示对应于波束成形频谱中的一组J个最大峰的可能的到达角。如本领域普通技术人员所理解的，波束成形频谱中的最大峰也可以指代阵列响应中的最大值，其在具有模糊性的阵列中可以包括呈栅瓣形式的峰。在一个非限制性示例中，用于确定这一组可能的到达角Ω_θ的技术包括评估被称为天线阵列22的波束成形频谱的接收的信号频谱的相位校正和的功率P，其随到达角假设而变。如下所示，涉及波束成形频谱的功率参考在每个相位处接收的信号，其中x是接收信号列向量，d是两个邻近元件12_a-N之间的距离，λ是波长，并且N是天线元件12_a-N的数量。

方法100在步骤108继续，其中根据在步骤102接收到的信号，在天线元件12_a-N处接收的信号的波形包络（例如，BBS或IFS）之间测量脉冲延迟。根据该脉冲延迟，确定天线元件12_a-N之间的入射平面波16的到达时间差τ。虽然存在许多已知技术，但是在一个实施例中，使用匹配得到滤波器响应确定到达时间差τ，所述滤波器相应通常在原始信号和原始信号的复制品上执行卷积以滤除干扰和噪声。匹配额滤波器的峰值时期是信号的到达时间。换言之，匹配的滤波器的峰值输出发生的时间提供了接收信道12'_a-N之间的到达时间差τ的估计。在步骤110，使用关系τ=(d/c)*(sin θ_T)将在步骤108确定的到达时间差τ转换为估计的到达角θ_T，其中d是天线阵列22中的每一个天线元件之间的距离，并且c是光速。于是角度θ_T是基于接收信道12'_a-N之间的到达时间计算的入射平面波16的到达角。

在步骤112，通过将在步骤106生成的这一组可能的到达角与估计的到达角θ_T相比较，并且从组Ω_θ中选择相对估计的角度θ_T具有最小的绝对差的角度，来解决与入射平面波16的到达角相关联的模糊性。数学地表示，入射平面波16的确切的估计的到达角θ_E是。

应当理解的是，前述内容是对本发明的一个或多个实施例的描述。本发明不限于本文所公开的（多个）具体实施例，而是仅由以下的权利要求限定。此外，前述描述中包含的陈述涉及具体实施例，并且不应被解释为对本发明的范围或在权利要求中使用的术语的限定的限制，除非其中上文明确地限定了术语或短语的情况。各种其它实施例以及对所公开的（多个）实施例的各种改变和改型对本领域技术人员而言将变得显而易见。所有这样的其它实施例、改变和改型均旨在落入所附权利要求的范围内。

如在本说明书和权利要求中所使用的，当与一列表的（a listing of）一个或多个部件或其它项结合使用时，术语“例如（e.g.）”、“例如”、“比如”、“诸如”和“类似”以及动词“包括”、“具有” 、“包含”及其其它动词形式中的每一个均将被解释为开放式的，意味着该列表将不被认为排除其它的、额外的部件或项。其它术语将使用其最广泛的合理意义来解释，除非它们在需要不同阐释的背景中使用。

Claims (10)

1.一种用于确定由天线阵列接收的入射平面波的到达角的方法，所述方法包括以下步骤：

从多个天线接收信道接收信号；

基于在所述多个接收信道处接收的信号确定所述入射平面波的一组可能的到达角；

测量在所述多个接收信道处接收的信号之间的所述入射平面波的脉冲延迟；和

基于所述一组可能的到达角和测得的所述脉冲延迟来计算所述入射平面波的到达角。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述天线接收信道接收的信号表示响应于所述入射平面波，来自与每个所述天线接收信道相关联的天线元件的输出。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一组可能的到达角是由于相位模糊性引起的。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，基于在所述多个接收信道之间接收的信号之间测得的相位差来确定所述一组可能的到达角。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括基于测得的所述脉冲延迟确定在所述多个接收信道处接收的信号之间的到达时间差。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，使用匹配的滤波器响应来确定所述到达时间差。

7.根据权利要求5所述的方法，还包括将所述到达时间差转换为估计的到达角。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，计算所述到达角的步骤还包括通过将所述一组可能的到达角与所述估计的到达角相比较来解决与所述一组可能的到达角相关联的模糊性。

9.一种用于估计由具有多个均匀地宽阔地间隔开的天线元件的天线阵列接收的入射平面波的到达角的方法，所述方法包括以下步骤：

响应于所述入射平面波从所述多个天线元件接收信号；

确定在所述多个天线元件处接收的信号之间的相位差；

基于在所述多个天线元件处接收的信号之间的相位差来确定所述入射平面波的一组可能的到达角；

确定在所述多个天线元件处接收的信号之间的到达时间差；和

基于所述一组可能的到达角和在所述多个天线元件处接收的信号之间的到达时间差来计算所述入射平面波的确切到达角。

10.一种用于计算入射平面波的确切到达角的系统，所述系统包括：

具有多个均匀地宽阔地间隔开的天线元件的天线阵列；

接收器和信号处理器，其被配置为响应于所述入射平面波从所述多个天线元件接收信号，并且其中，所述接收器和/或所述信号处理器被配置为：

基于在所述多个天线元件处接收的信号来确定所述入射平面波的一组可能的到达角，其中，所述一组可能的到达角是由于相位模糊性引起的；

测量在所述多个天线元件处接收的信号之间的所述入射平面波的脉冲延迟；和

基于所述一组可能的到达角和测得的所述脉冲延迟来计算所述入射平面波的确切到达角。