CN109343047B - 一种脉冲体制测量系统提高目标角度探测精确的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲体制测量系统提高目标角度探测精确的测量方法，用于通过转动天线探测目标的雷达系统，特别在面临天线高转速以提高探测效率与提高目标测量精度不能兼顾的情况。本发明提供了一种将滑窗检测与单脉冲雷达的和差波束信号测角相结合的方法，在提高目标测量精度的同时，满足天线高速转动以提高探测效率的需求。该方法的关键在于避免了和差波束信号支路模拟电路的温漂对测量精度的影响，具有性能稳定的优点。

Description

一种脉冲体制测量系统提高目标角度探测精确的测量方法

技术领域

本发明涉及一种脉冲体制测量系统提高目标角度探测精确的测量方法。

背景技术

通常雷达转动天线带动波束移动，波束平滑扫描整个探测区域；当波束扫过被测目标时，可获得目标空间位置，探测出目标距离以及相对于天线的角度信息。目标检测是根据接收机收到的回波信息来检测并判断有无目标存在，同时计算出坐标位置，通常称之为点迹提取。在点迹提取前一般先进行MTD动目标检测处理和恒虚警处理等，以降低虚警率、背景地物与气象干扰，提高信噪比。然后对处理过的一连串回波进行二次积累再判断，当积累结果超过第二门限时才判断为存在目标，常用方法是滑窗检测。

脉冲体制被雷达探测系统被广泛使用，通过转动天线移动波束方向来探测目标位置。脉组变周、MTI以及MTD技术越来越普及应用，背景抑制、目标探测灵敏度得到改善。但是，在一些应用场合目标位置的测量精度要求较高，常规的滑窗检测方法存在探测精度与需求不匹配的问题。脉冲体制的探测系统周期性发射脉冲，测量数据是离散的，造成目标数据测量误差。并且其发射周期越长，测量数据的时间离散性越严重，天线转速越快，测量误差也越大。伴随技术的进步，MTD动目标检测技术普遍应用，加剧数据离散性的恶化。这是由于MTD通常采用脉组变周处理技术，将数个周期相同的发射回波数据分成一组处理，处理后变成一组数据。这样一来，每一组MTD处理后数据的时间间隔将增大数倍，例如若MTD脉组包含32次发射，则MTD动目标检测后的脉组周期比发射周期增加32倍，造成相邻测量数据的时间间隔变大，也就是目标测量数据的时间离散性增加，从而造成目标测量误差进一步恶化。特别在面临天线高转速以提高探测效率与高测量精度发生冲突的情况。在目标测量系统通常采用了和差波束信号支路的馈源系统天线，通过和差波束I、Q矢量信号，用其测量出目标偏离中心电轴的角度，再叠加上天线电轴角度，从而获得目标的测量角度。该方法采用预先标定表格数据，实时查询表格的方法获得目标偏离中心电轴的角度，改善了由于测量数据时间上离散而造成的测量误差。但是模拟电路通常避免不了温度漂移和性能变化，增益变化、相位漂移都会引起和差波束支路一致性发生变化，进而造上述成查表方法获得的目标偏离中心电轴角度的查表计算误差，降低了目标的测量精度。

发明内容

本发明针对通过转动天线带动波束扫描搜索探测空域目标的雷达探测系统，并且该系统的天线需要具备和差波束。振幅和差式单脉冲雷达取得角误差信号的基本方法是将天线在一个角平面内的两个部分重叠的波束同时收到的信号进行和、差处理，分别得到与和差波束相应的和、差信号，其中差信号用来确定该角度平面内的角误差信号，和波束则可用来发现目标。两个部分重叠的波束用同一个天线中的两个馈源分别接收，两个波束重叠部分的中心是天线的电轴方向。本发明适用于具备这种和差波束支路的双馈源探测系统的天线。本发明基于滑窗检测技术以及单脉冲雷达的和差信号测角技术，提出了一种脉冲体制测量系统提高目标角度探测精确的测量方法，本发明的步骤如下：

步骤1、探测系统的天线均匀转动、波束平滑扫过目标空域。

步骤2、获取和波束信号、差波束信号的基带I、Q分量，并进行预处理，得到处理后的和波束信号

步骤3、根据处理后的和波束信号，获得目标距离和角度位置；

步骤4、运动目标引起雷达电测波信号的多普勒频移，从而引起电磁波反射回来后相位变化。相邻发射脉冲回波的相位变化量为2π的整数倍时的目标速度称为盲速，在盲速情况下通过信号相位判断不出目标的运动。针对盲速问题，雷达通常采用脉组变周的工作方式。若雷达采用脉组不变周的工作方式，则跳过本步骤，执行步骤5；若雷达采用脉组变周的工作方式，则将周期相同的脉组分为同一簇，从而将脉组变周的情况转化为在同簇内脉组周期相同的情况；

步骤5、在步骤3发现目标的距离单元上，在步骤3发现目标的角度位置的前后各半个波束宽度(和波束)的角度范围内、从步骤4的同一簇的脉组中提取出一组和波束信号、差波束信号的I、Q数据；

步骤6、从步骤5差波束信号I、Q数据组中找出相位发生翻转的位置，获得翻转前的和差波束信号I、Q数据、以及翻转后的和差波束信号I、Q数据，同时找出翻转前的那个脉组天线电轴所处的角度位置和翻转后的那个脉组天线电轴所处的角度位置；

步骤7、根据相位翻转前的差波束信号I、Q数据计算出其信号幅度A1，根据相位翻转后的差波束信号I、Q数据计算出其信号幅度A2；

步骤8、计算得到翻转前后两个角度位置的差值δ；

步骤9、计算目标偏离的角度值θ1；

步骤10、计算得到目标所处的测量角度。

步骤2包括：一个射频信号，在极坐标上用振幅和相位来表示，在直角坐标上分别用X和Y的值来表示；在雷达系统中，X用I来代替，表示同相，而Y用Q来代替，表示90°相位，对步骤1得到的和波束信号、差波束信号进行A/D采样，实现模数变换和采样，采样后的信号和数字域的同频相乘，得到基带的I、Q分量；脉冲压缩是广泛使用的一种技术，就是在雷达发射机中发射时宽较宽，峰值功率较低的脉冲，通过对载频进行编码以增加发射波形的带宽，根据发射信号的调制方式采用I、Q分量对回波实施相应的脉冲压缩，从而达到窄脉冲、高峰值功率的简单脉冲体制雷达所具有的分辨能力和探测性能。随后进行常规的动目标检测(MTD，moving targets detection)以及恒虚警处理(CFAR，ConstantFalse-Alarm Rate)，得到处理后的和波束信号；

步骤3包括：将步骤2处理后的和波束信号在相邻发射脉冲或脉冲组之间的相同距离单元上进行横向积累，用滑窗方法检测、发现目标，并获得目标距离和角度位置。

步骤7包括：采用公式sqrt(I*I+Q*Q)，根据相位翻转前的差波束信号I、Q数据计算出其信号幅度A1；

采用公式sqrt(I*I+Q*Q)，根据相位翻转后的差波束信号I、Q数据计算出其信号幅度A2。

步骤8包括：将步骤6相位翻转后的那个脉组天线电轴所处角度减去相位翻转前的那个脉组天线电轴所处角度，得到翻转前后两个角度位置的差值δ。

步骤9包括：根据如下公式计算目标偏离的角度值θ1：

θ1＝δ*A1/(A1+A2)。

步骤10包括：根据步骤6信号相位翻转前那个脉组天线电轴所处的角度位置、目标偏离的角度值θ1，将二者相加，即目标偏离的角度θ1加上翻转前那个脉组天线电轴所处的角度位置，得到目标所处的测量角度。

本发明通过滑窗检测可以获得以脉组间隔为单位的测量角度，在此基础上再通过和差信号测角技术以获得介于脉组间隔角度内的更精细的测量。本发明根据归一化差波束信号在目标中心附近相位翻转以及幅度变化情况，首先确定出最靠近目标中心角度的相邻两次脉冲(脉组)测量，同时提取出这两次测量的和差波束信号测量数据、以及天线和波束所在的角度位置并计算出这两个角度的差值；然后根据这两次和差波束信号测量值的比值、以及其两次电轴角度差值进一步计算出目标偏离电轴的角度，再加上该处电轴的角度，从而获得探测目标的测量角度。该方法只涉及和差波束信号的在极短时间内的两次测量数据的比值，其特点一是弥补了脉冲体制的测量数据在时间上的离散、不连续而造成的目标测量误差；二是避免了模拟电路通常具有的温度漂移和性能变化、增益变化、相位漂移而引起的对测量精度的影响，性能稳定。

有益效果：本发明的其核心内容是当天线波束扫过目标时，相对于和波束信号的差波束信号相位发生翻转，据此首先确定出目标位于相邻两次脉冲(脉冲组)所在角度之间，同时提取出这两次的天线的和差波束信号测量数据、以及天线所在的两个角度位置并计算出这两个角度的差值；计算出相对于和波束信号的差波束信号相位，同相时差波束信号为正，反相为负；然后再根据这两个差波束信号幅度的比值、以及其电轴角度差值进一步确定出目标偏离测量电轴的角度；将该测量所处电轴角度加上计算出的目标偏离该电轴的角度，从而获得探测目标的探测角度。该方法只涉及和差波束支路的在极短时间内的两组信号测量数据的比值，这样一来在改善了脉冲体制的测量数据由于时间上的离散、不连续而造成的目标测量误差的同时，还避免了模拟电路通常具有的温度漂移和性能变化、增益变化、相位漂移而引起的对测量精度的影响。本发明适用于天线具备和差波束信号的脉冲探测系统。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是天线的和波束信号F_Σ、差波束信号F_Δ与目标偏离天线中心指向角度的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供了一种脉冲体制测量系统提高目标角度探测精确的测量方法，包括：

步骤1、振幅和差式单脉冲雷达取得角误差信号的基本方法是将天线在一个角平面内的两个部分重叠的波束同时收到的信号进行和、差处理，分别得到与和差波束相应的和、差信号，其中差信号用来确定该角度平面内的角误差信号，和波束信号则用来探测目标。两个部分重叠的波束用同一个天线中的两个馈源分别接收，两个波束重叠部分的中心是天线的电轴方向。具备这种和差波束支路的双馈源系统的天线，均匀转动、波束平滑扫过被探空域，以得到被探测区域目标的和波束信号、差波束信号，以及天线(电轴)的运动轨迹和角度位置；

步骤2、一个射频信号，在极坐标上可以用振幅和相位来表示，在直角坐标上可以用X和Y的值来表示；在雷达系统中，一般X用I来代替，表示同相，而Y用Q来代替，表示90°相位。步骤1的和波束信号、差波束信号经过A/D采样，实现模数变换和采样，采样后的信号和数字域的同频相乘，可以得到基带的I、Q分量。脉冲压缩是广泛使用的一种技术，就是在雷达发射机中发射时宽较宽，峰值功率较低的脉冲，通过对载频进行编码以增加发射波形的带宽，根据工作体制采用I、Q分量对回波实施脉冲压缩，从而达到窄脉冲、高峰值功率的简单脉冲体制雷达所具有的分辨能力和探测性能。随后进行常规的动目标检测(MTD)以及恒虚警处理(CFAR)。

步骤3、步骤2处理后的和波束信号在相邻发射脉冲(或脉冲组)之间的相同距离单元上进行横向积累，用滑窗方法检测、发现目标，并获得目标距离和角度位置。

步骤4、若脉组不变周，则跳过本步骤；若脉组变周，则将周期相同的脉组分为同一簇，这样就把脉组变周的情况转化为在同簇内脉组周期相同的情况。

步骤5、在步骤2发现目标的距离单元上，在步骤2发现目标的角度位置的前后各半个波束宽度(和波束)的角度范围内、从步骤4的同一簇的脉组中提取出一组和波束信号、差波束信号的I、Q数据。

步骤6、从步骤5差波束信号I、Q数据组中找出相位发生翻转的位置，获得翻转前的和差波束信号I、Q数据、以及翻转后的和差波束信号I、Q数据，同时找出翻转前的那个脉组天线电轴所处的角度位置和翻转后的那个脉组天线电轴所处的角度位置。

步骤7、根据相位翻转前的差波束信号I、Q数据用公式sqrt(I*I+Q*Q)计算出其信号幅度A1，根据相位翻转后的差波束信号I、Q数据用公式sqrt(I*I+Q*Q)计算出其信号幅度A2；

步骤8、将步骤6相位翻转后的那个脉组天线电轴所处角度减去相位翻转前的那个脉组天线电轴所处角度，得到两个角度位置的差值δ；

步骤9、用步骤7的信号幅度A1、A2以及步骤8的角度位置的差值δ计算目标偏离的角度值θ1，公式为：θ1＝δ*A1/(A1+A2)；

步骤10、根据步骤6信号相位翻转前那个脉组天线电轴所处的角度位置、步骤9目标偏离的角度值θ1，将二至相加，即目标偏离的角度θ1加上翻转前那个脉组天线电轴所处的角度位置，得到目标所处的测量角度，公式为：

目标角度＝相位翻转前的脉组天线电轴所处角度+目标偏离的角度θ1；

本发明所指利用和差波束信号进行目标角度测量，是通过波束中心电轴再加上目标偏离该电轴的角度θ。中心电轴的角度是即和波束的中心指向，而目标偏离电轴角θ与和波束信号F_Σ及差波束信号F_△的幅度、相位有关，如图1所示。当目标的偏差角度θ为零时，和波束输出的信号F_Σ最大，差波束输出的信号F_△为零。当目标偏离中心电轴时，在电轴附近一定范围内差波束信号正比于目标偏离角θ，且相对于和波束信号的差波束信号相位随目标偏离中心电轴的方向而变化。当θ角为正时，差波束信号与和波束信号同相。当θ为负时，差波束信号与和波束信号反相。

综上所述，波束经过目标中心附近时具备以下特征：

其1、和波束信号幅度达到最大点；

其2、相对于和波束信号的差波束信号相位发生180°翻转；

其3、在一定范围内差波束信号幅度正比于偏离中心电轴的角度θ。

在天线均匀转动、波束平滑扫过目标的情况下，当波束扫过目标中心附近时差波束信号幅度先逐步减小，在和波束中心电轴方向差信号幅度降为零达到最小值，然后差波束信号幅度逐步变大增加。在这过程中，相对于和波束信号差波束信号的相位发生180°翻转，和波束信号相位维持不变。也就是说，比较处于目标中心前后位置的差波束信号，其相位有180°的翻转。假设天线在经过目标中心前的差波束信号为正，则在经过目标中心后的差波束信号变为负；或者若天线在经过目标中心前的差波束信号为负，则在经过目标中心后的差波束信号变为正。并且，在一定范围内，处于目标中心前后位置上的差波束信号幅度与偏离目标中心的角度θ成比例。若在目标中心前后各取一个位置，与中心电轴偏离角分别为θ1和θ2，其差波束信号幅度分别为A1和A2，则：

A1＝k*θ1

A2＝k*θ2

其中k为系数。有上式可得：

A1*θ2＝A2*θ1；

假设上述前后两个测量位置对应的角度差为δ，则：

δ＝后一个测量位置的角度-前一个测量位置的角度

根据定义很显然δ＝θ1+θ2，由上述公式可得：

A1*(δ-θ1)＝A2*θ1

整理后得

θ1＝δ*A1/(A1+A2)

上述公式表明，在目标中心位置前后取两个位置，通过测量该前后两个位置对应的角度差以及差波束信号在两个位置上的对应的幅度，可计算出在基于该前后位置的目标偏离的角度θ1，叠加上该位置所处的角度，从而获得目标的测量角度。

MTD采用脉组处理技术，将若干个发射回波数据分成一组处理，处理后变成一组数据。这样一来，每一组MTD测量数据的间隔将数倍增大，例如32个发射为一个MTD脉冲组，则32发射才获得一次目标测量数据，即MTD动目标检测脉组周期是其发射周期的32倍。每一个MTD脉组处理可看成为一次测量，其中每个MTD脉冲组所处的中心角度则代表该次测量和波束的电轴方向。一次次MTD脉组测量实际上就是天线的和差波束信号的一组组采样。

从这一连串天线的和差波束信号的一组组采样数据中发现目标后，在和波束信号最大处附近寻找差波束信号相位发生翻转的两个采样点(脉组数据)，记录该采样点的所在的角度，计算出二者的角度差，结合来自差波束的两个信号幅度，用上述公式可获得目标的测量角度。

本发明的关键特征：其1、在常规的滑窗检测探测目标的基础上，通过采用具备和差波束的馈源，从和差波束信号中进一步获得目标偏离电轴角度的精细量，用于消除因脉组时间间隔造成的测量模糊。其2、从和差波束信号中计算目标偏离电轴角度的精细量时，只用到在极短时间内和差波束信号的两次测量值的比值。其3、本发明采用两次和差波束信号测量的比值与单脉冲雷达的和差波束信号测角技术区别在于：模拟电路温度漂移、性能变化、增益变化以及相位漂移等原因引起和差波束支路一致性发生变化，进而造成了通常使用的归一化和差波束信号查表方法进行目标偏离中心电轴角度的计算误差，降低了目标的测量精度；本发明使用了两次和差波束信号测量的比值，两次测量采样时间间隔又极短，模拟电路温度漂移、性能变化、增益变化以及相位漂移对两次测量的信号影响几近相同，而计算公式只包含两次采样信号幅度的比值，从而保证了目标探测角度精确的稳定性。

本发明的用途：适用于平滑转动天线探测目标的雷达系统，特别在面临天线高转速以提高探测效率与提高目标测量精度不能兼顾的情况。本方法提供了一种将滑窗检测与单脉冲雷达的和差波束信号测角相结合的方法，在提高目标测量精度的同时，满足天线高速转动以提高探测效率的需求。该方法关键在于避免了和差波束信号支路模拟电路的温漂对测量精度的影响，具有性能稳定的优点。

本发明提供了一种脉冲体制测量系统提高目标角度探测精确的测量方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种脉冲体制测量系统提高目标角度探测精确的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、探测系统的天线均匀转动、波束平滑扫过目标空域，得到被探测区域目标的和波束信号、差波束信号，以及天线即电轴的运动轨迹和角度位置；

步骤2、获取和波束信号、差波束信号的基带I、Q分量，并进行预处理，得到处理后的和波束信号；

步骤3、根据处理后的和波束信号，获得目标距离和角度位置；

步骤4、若雷达采用脉组不变周的工作方式，则跳过本步骤，执行步骤5；若雷达采用脉组变周的工作方式，则将周期相同的脉组分为同一簇，从而将脉组变周的情况转化为在同簇内脉组周期相同的情况；

步骤5、在步骤3发现目标的距离单元上，在步骤3发现目标的角度位置的前后各半个波束宽度的角度范围内、从步骤4的同一簇的脉组中提取出一组和波束信号、差波束信号的I、Q数据；

步骤6、从步骤5差波束信号I、Q数据组中找出相位发生翻转的位置，获得翻转前的和差波束信号I、Q数据、以及翻转后的和差波束信号I、Q数据，同时找出翻转前的那个脉组天线电轴所处的角度位置和翻转后的那个脉组天线电轴所处的角度位置；

步骤7、根据相位翻转前的差波束信号I、Q数据计算出其信号幅度A1，根据相位翻转后的差波束信号I、Q数据计算出其信号幅度A2；

步骤8、计算得到翻转前后两个角度位置的差值δ；

步骤9、计算目标偏离的角度值θ1；

步骤10、计算得到目标所处的测量角度；

步骤2包括：对步骤1得到的和波束信号、差波束信号进行A/D采样，实现模数变换和采样，采样后的信号和数字域的同频相乘，得到基带的I、Q分量，根据发射信号调制方式采用I、Q分量对回波实施相应的脉冲压缩，然后进行动目标检测以及恒虚警处理，得到处理后的和波束信号；

步骤3包括：将步骤2处理后的和波束信号在相邻发射脉冲或脉冲组之间的相同距离单元上进行横向积累，用滑窗方法检测、发现目标，并获得目标距离和角度位置；

步骤7包括：采用公式A1＝sqrt(I*I+Q*Q)，根据相位翻转前的差波束信号I、Q数据计算出其信号幅度A1；

采用公式A2＝sqrt(I*I+Q*Q)，根据相位翻转后的差波束信号I、Q数据计算出其信号幅度A2；

步骤8包括：将步骤6相位翻转后的那个脉组天线电轴所处角度减去相位翻转前的那个脉组天线电轴所处角度，得到翻转前后两个角度位置的差值δ；

步骤9包括：根据如下公式计算目标偏离的角度值θ1：

θ1＝δ*A1/(A1+A2)；

步骤10包括：根据步骤6信号相位翻转前那个脉组天线电轴所处的角度位置、目标偏离的角度值θ1，将二者相加，得到目标所处的测量角度。

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