CN107966686A - 一种基于线性调频的时间依赖性频控阵目标探测方法 - Google Patents
一种基于线性调频的时间依赖性频控阵目标探测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于线性调频的时间依赖性频控阵目标探测方法，其特征是，包括如下步骤：1）确定LFM‑FDA发射波束峰值时的距离、角度和频率增量与时间的关系；2）确定时间依赖性频率增量表达；3）得到时间依赖性频率增量；4）得到距离‑时间以及角度‑时间的关系；5）进行目标搜索。这种方法的优点是使得频控阵的主旁瓣比得到提高、能量汇聚效果更集中，且能使得频控阵波束能量持续汇聚在目标点所在的位置，使得能量在目标位置得到持续积累，提高了探测准确性。
Description
技术领域
本发明涉及阵列信号处理领域，具体涉是一种基于线性调频频控阵(LinearFrequency Modulation Frequency Diverse Array，LFM-FDA)的雷达探测技术，尤其是一种基于线性调频的时间依赖性频控阵目标探测方法。
背景技术
频控阵相较于相控阵而言，其相邻两个阵元之间存在一个远小于基准载频的频率增量。这使得它的波束方向图不仅与角度有关，且依赖于距离和时间，这在雷达目标探测成像中有很大的应用前景。
雷达定位技术广泛应用于航天、军事、气候探测等领域，有着很大的需求。在频控阵中使用线性调频技术，可以通过增加每个阵元的发射带宽来提高雷达定位的效果，使得主旁瓣比更大，进而使得雷达的能量汇聚更加集中。对于一个目标位置，将其在阵列的一次探测时间内实现持续照射，则可以大大提高目标探测准确性。在实际探测中，由于目标的位置并非预先知道的，所以需要在距离或角度进行扫描。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于线性调频的时间依赖性频控阵目标探测方法。这种方法的优点是使得频控阵的主旁瓣比得到提高、能量汇聚效果更集中，且能使得频控阵波束能量持续汇聚在目标点所在的位置，使得能量在目标位置得到持续积累，提高了探测准确性。
实现本发明目的的技术方案是：
一种基于线性调频的时间依赖性频控阵目标探测方法，包括如下步骤:
1)确定LFM-FDA发射波束峰值时的距离、角度和频率增量与时间的关系：通过LFM-FDA方向图峰值的表达式得出LFM-FDA发射波束峰值时的距离、角度和频率增量与时间的关系，假定线性调频频控阵的各阵元的发射频率依次线性增加，第m个阵元发射信号的载频fm为：
fm＝f0+(m-1)Δf m＝1,…,M，
第m个阵元到达远场参考点的距离为：
Rm＝R0-(m-1)d sinθ m＝1,...,M，
第m个阵元发射信号的表达式为：
由于线性调频频控阵每一次工作周期都是一个非常小的数值，因此其关于时间的二次项部分在计算其周期性时可以忽略，则LFM-FDA方向图峰值的表达式为：
其中f0为频控阵的基准载频，M为总的阵元个数，Δf为阵元间频率增量，R0为第一个阵元距离远场参考点的距离，d为相邻阵元的间距，θ为阵元到达远场的波束与法线方向的夹角，c为光速，B为每个阵元的带宽，T为阵元每次发射的脉冲持续时间；
2)确定时间依赖性频率增量表达式：结合步骤1)中方向图峰值的表达式，并将其写为与时间相关的表达形式:
n设置为1；
3)得到时间依赖性频率增量Δfp(t)：对于目标点(θp,Rp)，其中θp为目标的角度，Rp为目标的距离，结合步骤2)中时间依赖性LFM-FDA频率增量的表达式，在阵列的一次探测时间内得到目标点(θp,Rp)角度-距离下的时间依赖性频率增量Δfp(t)为：
n设置为1；
4)得到距离-时间以及角度-时间的仿真图：结合步骤3)得到的时间相关频率增量Δfp(t)与LFM-FDA频控阵信号，将整个仿真区域按距离和角度划分网格点，(θq,Rq)为其中一个距离-角度网格点，对LFM-FDA每个阵元的发射波束，针对该网格点进行时延补偿，再将各阵元经时延补偿后的发射波束进行累加，求得累加信号的模值并进行平方，在整个距离-角度网格中得到一个时间、距离和角度的关系函数：
将目标的角度θp带入关系函数，得到距离-时间关系函数：
再将目标的距离Rp带入关系函数，得到角度-时间关系函数：
依次遍历仿真范围内每个网格点，并在距离-角度维上进行仿真；
5)进行目标搜索：将阵列的一次探测工作时间划分为5-10个时间段，在每个时间段内对仿真范围内的距离和角度上进行步进，并遍历仿真中所需要的探测范围，完成在距离域和角度域的目标搜索过程，首先设置探测区域中一个感兴趣的距离R，使用LFM-FDA时间依赖性频控阵进行角度扫描，在第一个时间段内的初始角度值为θ1，相邻时间段的角度扫描步进值为Δθ，最后一个时间段的终止角度值为θ2，当一次探测时间结束时，相当于对此距离R上的角度范围θ1-θ2完成了扫描，再设置探测区域中一个感兴趣的角度θ，使用LFM-FDA时间依赖性频控阵进行距离扫描，在第一个时间段内的初始距离值为R1，相邻时间段的距离扫描步进值为ΔR，最后一个时间段的终止距离值为R2，当一次探测时间结束时，相当于对此角度θ上的距离范围R1-R2完成了扫描。
本发明要解决的技术问题是FDA阵列在融入线性调频技术后，通过设置与时间相关的频率增量，使得在一个时间段内，频控阵波束能量持续汇聚在某个目标区域的问题，分为两个部分内容，首先得出在一个时间段中LFM-FDA能量持续照射一个目标点所在的距离-角度的方法，之后提供一种在实际应用背景下，此种波束在一个感兴趣的角度上对需探测的距离区间进行扫描的过程，及在一个感兴趣的距离上对需探测的角度区间进行扫描的过程。由于频控阵以及线性调频频控阵的发射方向图是S形曲线，在目标的角度上无法持续聚焦到目标的距离，在目标的距离也无法持续聚焦到目标角度值，而时间依赖性频率增量可以实现对目标距离-角度位置的持续能量汇聚，在搜索探测中也能在某个感兴趣的距离上实现角度的步进搜索，在某个感兴趣的距离上对角度上实现步进搜索。
在搜索探测过程中，对于探测区域中感兴趣的角度值，可以使得波束在距离上实现步进搜索；对于探测区域中感兴趣的距离值，可以使得波束在角度上实现步进搜索。
这种方法的优点是使得频控阵的主旁瓣比得到提高、能量汇聚效果更集中，且能使得频控阵波束能量持续汇聚在目标点所在的位置，使得能量在目标位置得到持续积累，提高了探测准确性。
附图说明
图1为实施例中LFM-FDA阵列的结构示意图；
图2为实施例中LFM-FDA使用时间依赖性频偏后，距离和时间的关系示意图；
图3为实施例中LFM-FDA使用时间依赖性频偏后，角度和时间的关系示意图；
图4为实施例中LFM-FDA对于固定方位进行的距离搜索的图像；
图5为实施例中LFM-FDA对于固定距离进行的角度搜索的图像；
图6为实施例的方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图6，一种基于线性调频的时间依赖性频控阵目标探测方法，包括如下步骤:
1)确定LFM-FDA发射波束峰值时的距离、角度和频率增量与时间的关系：通过LFM-FDA方向图峰值的表达式得出LFM-FDA发射波束峰值时的距离、角度和频率增量与时间的关系，假定线性调频频控阵的各阵元的发射频率依次线性增加，第m个阵元发射信号的载频fm为：
fm＝f0+(m-1)Δf m＝1,…,M，
第m个阵元到达远场参考点的距离为：
Rm＝R0-(m-1)d sinθ m＝1,...,M，
第m个阵元发射信号的表达式为：
由于线性调频频控阵每一次工作周期都是一个非常小的数值，因此其关于时间的二次项部分在计算其周期性时可以忽略，则LFM-FDA方向图峰值的表达式为：
其中f0为频控阵的基准载频，M为总的阵元个数，Δf为阵元间频率增量，R0为第一个阵元距离远场参考点的距离，d为相邻阵元的间距，θ为阵元到达远场的波束与法线方向的夹角，c为光速，B为每个阵元的带宽，T为阵元每次发射的脉冲持续时间；
2)确定时间依赖性频率增量表达式：结合步骤1)中方向图峰值的表达式，并将其写为与时间相关的表达形式:
n设置为1；
3)得到时间依赖性频率增量Δfp(t)：对于目标点(θp,Rp)，其中θp为目标的角度，Rp为目标的距离，结合步骤2)中时间依赖性LFM-FDA频率增量的表达式，在阵列的一次探测时间内得到目标点(θp,Rp)角度-距离下的时间依赖性频率增量Δfp(t)为：
n设置为1；
4)得到距离-时间以及角度-时间的仿真图：结合步骤3)得到的时间相关频率增量Δfp(t)与LFM-FDA频控阵信号，将整个仿真区域按距离和角度划分网格点，(θq,Rq)为其中一个距离-角度网格点，对LFM-FDA每个阵元的发射波束，针对该网格点进行时延补偿，再将各阵元经时延补偿后的发射波束进行累加，求得累加信号的模值并进行平方，在整个距离-角度网格中得到一个时间、距离和角度的关系函数：
将目标的角度θp带入关系函数，得到目标位置的距离-时间关系函数：
再将目标的距离Rp带入关系函数，得到目标位置的角度-时间关系函数：
依次遍历仿真范围内每个网格点，并在距离-角度维上进行仿真；
5)进行目标搜索：将阵列的一次探测工作时间划分为5-10个时间段，在每个时间段内对仿真范围内的距离和角度上进行步进，并遍历仿真中所需要的探测范围，完成在距离域和角度域的目标搜索过程，首先设置探测区域中一个感兴趣的距离R，使用LFM-FDA时间依赖性频控阵进行角度扫描，在第一个时间段内的初始角度值为θ1，相邻时间段的角度扫描步进值为Δθ，最后一个时间段的终止角度值为θ2，当一次探测时间结束时，相当于对此距离R上的角度范围θ1-θ2完成了扫描，再设置探测区域中一个感兴趣的角度θ，使用LFM-FDA时间依赖性频控阵进行距离扫描，在第一个时间段内的初始距离值为R1，相邻时间段的距离扫描步进值为ΔR，最后一个时间段的终止距离值为R2，当一次探测时间结束时，相当于对此角度θ上的距离范围R1-R2完成了扫描。
本技术方案的效果可以由以下仿真结果进一步说明：
一、仿真条件：
线性调频频控阵的天线模型采用如图1所示的均匀线阵，其中阵列中的阵元数M为16，雷达信号的基准载频为f0为10GHz，阵元间距d为半波长，线性调频带宽B设置为1MHz，脉冲持续时间T为0.1ms，仿真中时间域t取(0-0.1)ms，成像距离范围：(0-1200)Km，距离域扫描间隔是120m；当阵列处于照射特定方位的模式时，成像角度范围:(-90-90)°，角度域扫描间隔为1.8°，在距离搜索过程中，起始距离为15Km，距离的步进值为5Km，终止距离为50Km；在角度搜索过程中，其实角度为-30°，角度的步进值为15°，终止角度为60°。
二、仿真内容与结果：
仿真1：设置一个点目标，相对于LFM-FDA阵列来说，其方位角为θp＝30°，径向距离θp＝300Km，采用本发明进行针对单个目标的定位，图2所示为角度为30°时，在阵元间使用时间依赖性频率增量Δfp(t)时距离和时间的关系图，在图中可以看出，当距离为300Km时，在整个0-0.1ms的时间范围内，能量曲线的斜率为0，即在此时间段内能量持续照射在这个距离上，而在其他有能量汇聚的距离区域，曲线的斜率不为0，因此能量无法持续汇聚在这些距离值上，这种特性提高了目标被探测到的概率；图3所示为距离300Km时，在阵元间使用与角度相关的时间依赖性频率增量Δfp(t)时角度和时间的关系图，在图中可以看出，当角度为30°时，在整个0-0.1ms的时间范围内，阵列的发射能量持续汇聚在此角度值上，因此在30°处斜率为0，综上所述，通过使用由目标的角度-距离二维信息所求得的时间依赖性频率增量，可以使阵列实现在一个时间段内对一个目标位置(θp,Rp)的持续照射。
仿真2：使用时间依赖性频率增量Δfp(t)在一定的距离范围和角度范围进行遍历搜索，先在感兴趣的角度上对距离扫描过程进行仿真，设置一个感兴趣的角度为30°，将整个扫描时间0.1ms划分为8段，每段历时0.125ms，起始扫描距离R1＝15Km，扫描间隔ΔR＝5Km，扫描的终止距离R2＝50Km，仿真结果如图4所示，可见在每一个时间段内，能量主瓣只对一个距离值实现持续的照射，从15Km开始，以5Km为增量逐步增至50Km，可以在一个感兴趣的角度对整个距离范围进行依次探测，再在感兴趣的距离上对角度扫描过程进行仿真，设置感兴趣的距离为300Km，将时间区间像上文一样划分为8段，起始扫描角度为-30°，扫描间隔为15°，扫描的终止角度为60°，仿真结果如图5所示，可见在一个时间段内，能量主瓣只对一个角度值实现持续的照射，从-30°开始，以15°为增量逐步增至60°，可以在一个固定的距离上对整个方位范围进行依次探测，但当方位角较大时，其性能也将变差，仿真结果如图5所示。
综上所述，本技术方案在频控阵的基础上应用了线性调频技术，通过使用与时间依赖性频率增量Δfp(t)实现在阵列一次探测时间内对目标位置进行持续照射，对于其他区域不进行持续照射，使得目标区域照射能量得到累积，对目标的探测准确性有促进作用，之后又通过距离和角度步进的方式完成了在感兴趣的角度上对于所取距离范围的扫描及在感兴趣的距离上对所取角度范围的扫描。
Claims (1)
1.一种基于线性调频的时间依赖性频控阵目标探测方法，其特征是，包括如下步骤:
1)确定LFM-FDA发射波束峰值时的距离、角度和频率增量与时间的关系：通过LFM-FDA方向图峰值的表达式得出LFM-FDA发射波束峰值时的距离、角度和频率增量与时间的关系，假定线性调频频控阵的各阵元的发射频率依次线性增加，第m个阵元发射信号的载频fm为：
fm＝f0+(m-1)Δf m＝1,…,M，
第m个阵元到达远场参考点的距离为：
Rm＝R0-(m-1)dsinθ m＝1,...,M，
第m个阵元发射信号的表达式为：
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则LFM-FDA方向图峰值的表达式为：
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其中f0为频控阵的基准载频，M为总的阵元个数，Δf为阵元间频率增量，R0为第一个阵元距离远场参考点的距离，d为相邻阵元的间距，θ为阵元到达远场的波束与法线方向的夹角，c为光速，B为每个阵元的带宽，T为阵元每次发射的脉冲持续时间；
2)确定时间依赖性频率增量表达式：结合步骤1)中方向图峰值的表达式，并将其写为与时间相关的表达形式:
n设置为1；
3)得到时间依赖性频率增量Δfp(t)：对于目标点(θp,Rp)，其中θp为目标的角度，Rp为目标的距离，结合步骤2)中时间依赖性LFM-FDA频率增量的表达式，在阵列的一次探测时间内得到目标点(θp,Rp)角度-距离下的时间依赖性频率增量Δfp(t)为：
n设置为1；
4)得到距离-时间以及角度-时间的仿真图：结合步骤3)得到的时间相关频率增量Δfp(t)与LFM-FDA频控阵信号，将整个仿真区域按距离和角度划分网格点，(θq,Rq)为其中一个距离-角度网格点，对LFM-FDA每个阵元的发射波束，针对该网格点进行时延补偿，再将各阵元经时延补偿后的发射波束进行累加，求得累加信号的模值并进行平方，在整个距离-角度网格中得到一个时间、距离和角度的关系函数：
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依次遍历仿真范围内每个网格点，并在距离-角度维上进行仿真；
5)进行目标搜索：将阵列的一次探测工作时间划分为5-10个时间段，在每个时间段内对仿真范围内的距离和角度上进行步进，并遍历仿真中所需要的探测范围，完成在距离域和角度域的目标搜索过程，首先设置探测区域中一个感兴趣的距离R，使用LFM-FDA时间依赖性频控阵进行角度扫描，在第一个时间段内的初始角度值为θ1，相邻时间段的角度扫描步进值为Δθ，最后一个时间段的终止角度值为θ2，当一次探测时间结束时，相当于对此距离R上的角度范围θ1-θ2完成了扫描，再设置探测区域中一个感兴趣的角度θ，使用LFM-FDA时间依赖性频控阵进行距离扫描，在第一个时间段内的初始距离值为R1，相邻时间段的距离扫描步进值为ΔR，最后一个时间段的终止距离值为R2，当一次探测时间结束时，相当于对此角度θ上的距离范围R1-R2完成了扫描。
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