CN108363058A - 频控阵成像雷达的信号参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于频控阵雷达成像技术领域，涉及一种频控阵成像雷达的信号参数设计方法。本发明的目的是针对雷达对场景成像的要求，结合频控阵雷达方向图的特性，提出了一种基于任意目标场景成像的频控阵雷达信号参数设计方法，该方法能够通过改变雷达波形参数来实现对目标成像场景的持续观测。

Description

频控阵成像雷达的信号参数设计方法

技术领域

本发明属于频控阵雷达成像技术领域，涉及一种频控阵成像雷达的信号参数设计方法。

背景技术

频控阵(FDA)的概念于2006年由Antonik等人首次在IEEE雷达会议上提出，相比传统阵列天线，频控阵具有更多系统自由度，可形成随距离、角度以及时间而规律变化的方向图，使得阵列波束扫描更加灵活，同时还具有距离维信号的区分能力。由于存在显著优势，一经提出就得到了国内外学者广泛研究。

在相控阵体制雷达系统中，当波束方向确定之后，在发射功率允许的情况下，雷达可以探测到该波束方向上任意距离的目标。频控阵雷达不同于传统相控阵雷达之处在于，其发射信号的载频存在差异，天线各个单元发射的电磁波在空间某点相干叠加形成波束主瓣，而在其他区域去相关形成旁瓣，当确定波束照射方向以后，雷达只能探测到某些固定距离范围内的回波信号，其他距离上的信号则会变得非常微弱，因此，若要实现频控阵雷达对目标场景成像，频控阵雷达发射的信号参数设计显得非常关键。

文献《Beampattern analysis of planar frequency diverse array》基于频率分集阵列天线方向图距离-角度依赖的特点，对频控阵天线方向图的周期性进行了分析，通过选择脉冲信号持续时间实现了俯仰维波束自扫描。该方法能完成俯仰维空间的覆盖，但缺少对方位维覆盖的分析，并且由于频控阵方向图的时变性，该方法没有解决对固定场景观测时的信号参数设计问题。文献《Range—angle-dependent beamforming of pulsedfrequency diverse array》则针对频率分集阵列天线发射方向图的时变问题，提出采用脉冲体制的发射信号实现准静态的发射方向图设计，有利于信号处理，并提出通过改变阵元间频率步进量来对观测区域进行覆盖。该方法设计出的参数能使波束有效地覆盖规定观测范围，但在系统的具体实现中，通过改变频率步进量来实现覆盖的方法实施起来较为困难，难以实施。

发明内容

本发明的目的是针对雷达对场景成像的要求，结合频控阵雷达方向图的特性，提出了一种基于任意目标场景成像的频控阵雷达信号参数设计方法，该方法能够通过改变雷达波形参数来实现对目标成像场景的持续观测。

本发明的技术方案为，包括步骤：

a、设计信号带宽B：

根据距离分辨率：

其中，c为光速，γ_r为距离向窗函数引入的展宽系数；

设定系统对成像场景距离向分辨率的要求为ρ_r≤a，则信号带宽B的取值范围为

b、获取合成孔径时间T_a：

根据方位分辨率：

其中，θ为斜视角，V_s为雷达运动速度，γ_a为方位向窗函数引入的展宽系数，D为实际孔径，r为目标斜距，信号波长f₀为首个阵元发射信号的载波频率；

设定ρ_a≤b，则

c、由合成孔径时间和成像场景确定信号的脉冲重复频率f_r：

根据成像场景离雷达的最近距离R₁和最远距离R₂，则脉冲重复频率需满足如下关系式：

其中，n为正整数，取满足上述不等式要求的f作为系统的脉冲重复频率；

d、由观测角度的不模糊要求获取天线相邻阵元间的间距d：

根据频控阵发射方向图幅度特性：

其中，sin(x)表示变量为x的正弦函数，|x|表示x的幅度值，△f为发射信号相邻阵元的频率增量；为了在斜距r，角度θ处形成最大增益，需满足m为任意常数；可得即发射方向图距离周期为为防止出现角度域模糊，需满足：即

e、由观测场景与雷达的相对位置关系获取频控阵天线阵元间的频率增量△f：

根据频控阵发射方向图幅度特性，设定r的主瓣持续范围为：

获得距离向主瓣宽度为则3dB处主瓣宽度R_r3dB为

设定观测要求斜距范围为△R，则雷达波束3dB处主瓣宽度须大于观测要求斜距范围的二分之一，即同时使天线指向角度为θ时，天线主瓣峰值照射在r处，则需满足l为任意整数，t为发射信号的持续时间；

则△f需同时满足：

f、由频率增量△f和天线阵元的数量确定发射信号的脉冲持续时间T_r：

根据频控阵发射方向图的幅度特性，获得发射信号的主瓣持续时间要求为：

对于观测区域内任意一点P，在这段时间内，主瓣位于点P所在区域，3dB处主瓣宽度为想要消除发射方向图在空间中的时变特性，实现稳态波束的形成，发射信号的脉冲持续时间长度应满足：

g、根据步骤a～f获得的参数，由下式获得频控阵成像雷达各阵元的发射信号形式：

其中，为调频率，T_r为发射信号的脉冲宽度，j为虚数单位，k＝1,2,3,……为发射脉冲数的序号，T_prf＝1/f_r为脉冲重复周期，为时间中心，kT_prf为脉冲宽度为T_r的矩形窗，exp(·)为底为e的指数函数。

本发明的有益效果为，对频控阵成像雷达的信号参数进行了详细的设计，并给出了频控阵成像雷达各阵元发射信号相应的表达式，为频控阵在雷达成像中的理论研究和发射信号参数设计提供指导。

附图说明

图1为本发明频控阵成像雷达发射波形参数设计流程示意图；

图2为频控阵成像雷达工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。

实施例

本例中设定雷达为8阵元均匀线阵，工作频率为9.6GHz,成像范围要求为2km×1km，频控阵成像雷达斜视条带工作，雷达斜视角θ＝30°，俯仰角载机高度为6km，载机速度为300m/s，要求距离向分辨率ρ_r≤1m，方位向分辨率要求ρ_a≤1m，γ_r＝γ_a＝1.25。

如图1所示，具体包括：

a.由距离向分辨率要求ρ_r≤1m可得所以B≥187.5MHz，取B＝200MHz

b.由方位分辨率要求ρ_a≤1m可得其中根据几何关系可得r＝9.8km又λ₀＝0.03125，则

c.由附图所示几何关系可得R₂＝10.11km，R₁＝9.5km，ΔR＝R₂-R₁＝0.61km。

又因此324.75Hz≤f_r’(n-1)×15.79kHz≤f_r≤n×14.84kHz，此例中取f_r＝10kHz。

d.阵元间距

e.①②考虑初始时刻t＝0时，Δf＝(7.65-61.2l)KHz。此例中取Δf＝7.65KHz。

f.脉冲持续时间此例中取10μs。

g.将以上步骤计算所得参数带入公式(1)，得到各阵元发射信号为：

Claims (1)

1.频控阵成像雷达的信号参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、设计信号带宽B：

根据距离分辨率：

其中，c为光速，γ_r为距离向窗函数引入的展宽系数；

设定系统对成像场景距离向分辨率的要求为ρ_r≤a，则信号带宽B的取值范围为

b、获取合成孔径时间T_a：

根据方位分辨率：

其中，θ为斜视角，V_s为雷达运动速度，γ_a为方位向窗函数引入的展宽系数，D为实际孔径，r为目标斜距，信号波长f₀为首个阵元发射信号的载波频率；

设定ρ_a≤b，则

c、由合成孔径时间和成像场景确定信号的脉冲重复频率f_r：

根据成像场景离雷达的最近距离R₁和最远距离R₂，则脉冲重复频率需满足如下关系式：

其中，n为正整数，取满足上述不等式要求的f作为系统的脉冲重复频率；

d、由观测角度的不模糊要求获取天线相邻阵元间的间距d：

根据频控阵发射方向图幅度特性：

其中，sin(x)表示变量为x的正弦函数，|x|表示x的幅度值，△f为发射信号相邻阵元的频率增量；为了在斜距r，角度θ处形成最大增益，需满足m为任意常数；可得即发射方向图距离周期为为防止出现角度域模糊，需满足：即

e、由观测场景与雷达的相对位置关系获取频控阵天线阵元间的频率增量△f：

根据频控阵发射方向图幅度特性，设定r的主瓣持续范围为：

获得距离向主瓣宽度为则3dB处主瓣宽度R_r3dB为

设定观测要求斜距范围为△R，则雷达波束3dB处主瓣宽度须大于观测要求斜距范围的二分之一，即同时使天线指向角度为θ时，天线主瓣峰值照射在r处，则需满足l为任意整数，t为发射信号的持续时间；

则△f需同时满足：

f、由频率增量△f和天线阵元的数量确定发射信号的脉冲持续时间T_r：

根据频控阵发射方向图的幅度特性，获得发射信号的主瓣持续时间要求为：

对于观测区域内任意一点P，在这段时间内，主瓣位于点P所在区域，3dB处主瓣宽度为则发射信号的脉冲持续时间长度为：

g、根据步骤a～f获得的参数，由下式获得频控阵成像雷达各阵元的发射信号形式：

其中，为调频率，T_r为发射信号的脉冲宽度，j为虚数单位，k＝1,2,3,……为发射脉冲数的序号，T_prf＝1/f_r为脉冲重复周期，为时间中心，kT_prf为脉冲宽度为T_r的矩形窗，exp(·)为底为e的指数函数。