CN109375213A - 基于子阵划分的频率分集阵列信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于子阵划分的频率分集阵列信号处理方法，主要解决现有技术计算复杂和分辨率低的问题。其实现方案是：1.通过对频率分集阵列发射端的阵元进行子阵划分，设置其系统参数；2.根据频率分集阵列发射端阵元发射的线性调频脉冲信号，获取其发射信号；3.根据发射信号，获取接收回波信号；4.根据发射信号，分析频率分集阵列的模糊函数；5.根据模糊函数，设计匹配滤波器；6.利用匹配滤波器对接收回波信号做匹配滤波处理，得到频率分集阵列处理后的回波信号。本发明能够有效减小其计算复杂度，提高频率分集阵列的距离分辨率，可用于频率分集阵列对目标的参数估计。

Description

基于子阵划分的频率分集阵列信号处理方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，更进一步涉及一种频率分集阵列信号的处理方法，可 用于频率分集阵列对目标的参数估计。

背景技术

传统相控阵雷达通过电扫描控制波束指向，进行波束扫描，同一时间只能形成一个固 定的窄波束，指向某一较小的角度范围。多输入多输出MIMO雷达通过利用发射自由度， 可以同时形成多个波束，但MIMO雷达与相控阵雷达一样，不能抑制与目标方位角相同、距离不同的干扰，若干扰和感兴趣的目标方位角相同、距离不同，则MIMO雷达的定位性 能就会大大降低。而且MIMO雷达各阵元发射波形要求完全正交，实际情况中难以实现。

频率分集阵列FDA的概念最早由Antonik和Wicks提出，这种阵列主要通过调节各阵 元之间的载频差来实现新的系统功能。与传统相控阵不同，FDA的波束不仅具有方位角的 依赖性，而且具有距离依赖性，因而能够填补传统相控阵波束没有距离指向分辨能力的不 足，有效抑制距离依赖干扰。

目前，已有许多针对频率分集阵列FDA体制的研究，比如电子科技大学一篇题目为频控阵雷达阵列优化设计及其目标参数估计方法研究的博士论文，该论文提出通过对发射信号的载频设计来达到去耦合的目的，即在发射端的不同阵元之间发射具有不同载频的线性调频信号，使得载频之间相对的频率偏移量呈指数递增的，阵元间距引起的相位变化和频率偏移量引起的相位变化不再同步，以此实现频率分集阵列波束方向图中距离和角度的无耦合，但是该方法分辨率有限，计算复杂，实现困难。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于子阵划分的频率分集阵列 信号处理方法，以减小计算复杂度，提高分辨率。

本发明的技术方案是这样实现的：

一.技术原理

本发明根据频率分集阵列FDA体制，提出基于子阵划分的频率分集阵列信号处理方 法，发射端发射一种基于子阵划分的LFM脉冲信号，同一子阵中的阵元之间发射相同的线 性调频脉冲信号，子阵之间的信号载频具有相对的频率增量，再根据其发射信号分析其模 糊函数，通过匹配滤波函数的设计，对接收信号进行滤波处理，最终达到提高分辨率的效 果。

二.实现方案：

根据上述原理，本发明基于子阵划分的频率分集阵列信号处理方法，包括：

1)参数设置：

设频率分集阵列发射端有M个阵元，并将发射端M个阵元划分为Q个子阵；

设接收端有N个阵元，目标角度为θ，目标距离为R，目标的距离延τ＝2R/c，c为 光速；

2)获取频率分集阵列发射端的发射信号s(t,θ)：

s(t,θ)＝[d(θ)⊙c(θ)]^Ts'(t)

其中，⊙表示矩阵乘积，(·)^T表示转置，d(θ)为Q个子阵的发射导向矢量，c(θ)为发 射增益，s'(t)为Q个子阵发射的线性调频脉冲信号，t表示时间；

3)根据发射信号s(t,θ)，获得接收端接收的回波信号y(t-τ,θ)：

4)根据发射信号s(t,θ)，设雷达系统的探测角度为θ₀，得到其模糊函数|χ(τ,θ,θ₀)|；

5)根据模糊函数|χ(τ,θ,θ₀)|，设计匹配滤波函数h(t,θ_j)：

h(t,θ_j)＝[d(θ_j)⊙c(θ_j)]^Ts'(t)

其中，θ_j为发射端第j个阵元的波束指向，j＝1,2,…,M表示发射端的第j个阵元；

6)由匹配滤波器h(t,θ_j)对接收到的回波y(t-τ,θ)进行匹配滤波，输出对频率分集阵列 处理后的信号Z(τ,θ)。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明通过在频率分集阵列发射端发射线性调频脉冲信号，使得发射信号具有 较大的时宽带宽积，方便实用。

第二，本发明通过分析雷达系统的模糊函数，设计匹配滤波函数h(t,θ_j)，使得接收端 能够获得更多的自由度。

第三，本发明通过将频率分集阵列发射端M个阵元划分为Q个子阵，Q个子阵发射线性调频脉冲信号s'(t)，经过匹配滤波器h(t,θ_j)的处理，能够有效提高频率分集阵列的距离分辨率。

附图说明

图1是本发明的发射端使用场景图；

图2是本发明的接收端使用场景图；

图3是本发明的实现流程图；

图4是现有FDA阵元发射相干脉冲的距离-角度模糊图；

图5是用本发明仿真的FDA子阵发射相干脉冲的距离-角度模糊图；

图6是现有FDA阵元发射相干脉冲的角度-角度模糊图；

图7是本发明仿真的FDA子阵发射相干脉冲的角度-角度模糊图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的实施例和效果做进一步描述。

参照图3，本发明对实现步骤进行介绍：

步骤1，设置参数。

参照图1，本发明的频率分集阵列发射端有M个阵元，发射端阵元之间的距离为d₀，为了实现宽发射波束的同时得到相干积累增益，将发射端的M个阵元划分为Q个子阵，第 q个子阵中有M_q个互斥或重叠的阵元,q＝1,2,…,Q；

参照图2，本发明的频率分集阵列接收端有N个阵元，接收端阵元之间的距离为d₁，设场景中有一个静止的点目标，其距离为R，角度为θ，目标的距离延τ＝2R/c，c为光 速。

步骤2，获取频率分集阵列发射端的发射信号s(t,θ)。

2a)计算第q个子阵中单个阵元的发射信号s'_q(t)：

其中，E为发射信号的总能量，M为发射端阵元个数，t表示时间，j为虚数单位，为线性调频信号的复包络，μ＝B/T_p为线性调频信号的调频斜率，B为发射信 号的带宽，T_p为发射信号的时宽，为矩形包络，f_q＝f₀+(q-1)Δf 为第q个子阵发射信号的载频，q＝1,2,…,Q，f₀是第一个阵元的载频，Δf为频率增量；

2b)根据2a)的结果计算发射端第q个子阵的发射信号s_q(t,θ)：

其中，M_i表示第i个子阵中包含的阵元个数，i＝0,1,2，…,q-1，M_q为第q个子阵中的阵元 数，m_q＝1,2,...,M_q为第q个子阵中阵元个数，λ₀为波长；

2c)由第q个子阵的发射信号s_q(t,θ)得到发射端总的发射信号为s(t,θ)：

其中，⊙表示矩阵乘积，(·)^T表示转置，d(θ)为发射端Q个子阵总的发射导向矢量， 具体表达式如下：

其中，为q个子阵总的发射导向数据；

c(θ)为发射增益，其表示如下：

其中，(·)^H表示共轭转置，为第q个子阵的发射增益，为第q个子阵的发射导向矢量，为第q个子阵中的第k个阵元的发射导向数据，k＝1,2,…,M_q，w_q为第q个子阵 元波束形成矢量；

s'(t)为Q个子阵发射的线性调频脉冲信号，具体表达式如下：

s'(t)＝[s′₁(t),s'₂(t),…,s'_q(t),…,s'_Q(t)]^T，

其中，s'_q(t)为第q个子阵中单个阵元的发射信号。

步骤3，根据发射信号s(t,θ)，获得接收端接收回波信号y(t-τ,θ)。

3a)计算接收端第n个阵元接收到的回波y_n(t-τ,θ)：

y_n(t-τ,θ)＝ξexp{j2πd₁(n-1)sinθ/λ₀}s(t-τ,θ)，

其中，n＝1,2,…,N，ξ为目标的反射系数，τ＝2R/c为目标的距离延时，R为目标 距离，c为光速，d₁为接收端阵元间距；

3b)根据3a)的结果计算接收端N个阵元总的接收回波y(t-τ,θ)：

y(t-τ,θ)＝[y₁(t-τ,θ),y₂(t-τ,θ),…,y_n(t-τ,θ),…,y_N(t-τ,θ)]^T。

步骤4，根据发射信号s(t,θ)，得到雷达系统的模糊函数|χ(τ,θ,θ₀)|。

4a)计算发射信号的相关积分

其中，(·)*表示共轭算子，s'_q(t)为第q个子阵中单个阵元的发射信号，p＝1,2,…,Q， s'_p(t)为第p个子阵中单个阵元的发射信号，q＝1,2,…,Q；

4b)根据4a)的结果计算雷达系统模糊函数|χ(τ,θ,θ₀)|：

其中，θ₀表示探测角度，m_q表示第q个子阵中的第m_q个阵元，m_q＝1,2,…,M_q，m_p表 示第p个子阵中的第m_p个阵元，m_p＝1,2,…,M_p。

步骤5，根据模糊函数|χ(τ,θ,θ₀)|，设计匹配滤波函数h(t,θ_j)。

其中，θ_j为第j个阵元的波束指向，j＝1,2,…,M，s_q(t,θ_j)是等效的发射端第q个子阵的发射信号，d(θ_j)是等效的发射端Q个子阵总的发射导向矢量，c(θ_j)是等效的发射增益，s'(t)为Q个子阵发射的线性调频脉冲信号。

步骤6，根据匹配滤波器h(t,θ_j)对接收端接收到的回波y(t-τ,θ)进行匹配滤波，输出 对频率分集阵列处理后的信号Z(τ,θ)。

6a)计算接收端第n个阵元的接收回波处理后的信号Z(τ,θ)：

其中，ξ为目标的反射系数，(·)^*表示共轭算子，s'(t)为Q个子阵发射的线性调频脉冲信号；

6b)根据6a)的结果，计算得出接收端N个阵元所有的接收回波处理后的信号Z(τ,θ)：

Z(τ,θ)＝[z₁(τ,θ),z₂(τ,θ),…,z_n(τ,θ),…,z_N(τ,θ)]^T。

本发明的效果可以进一步通过仿真实验来说明。

1.仿真参数：

基于子阵的脉冲LFM频率分集阵采用半波长等距线阵，阵元数N＝25，发射端包括5个相同的子阵，每个子阵有5个阵元组成，接收端阵元个数与发射端一致，收发共用。

参数设置如表1：

表1系统仿真参数

参数	数值	参数	数值
				信号载频	1GHz	带宽	20MHz
频率增量	100kHz	相对时移	10us
				阵元数	25	波长	0.3m
SNR	0dB	JNR	30dB

2.仿真内容：

仿真1，在上述仿真参数下，用现有FDA的阵元发射相干脉冲方法，当波束形成方向θ₀＝0°时，对其距离-角度的联合模糊函数进行仿真，结果如图4所示。其中，图4(a)是 距离-角度模糊函数，图4(b)是图4(a)中目标角度θ＝0°时的距离剖面图。

仿真2，在上述仿真参数下，用本发明方法在FDA的子阵发射相干脉冲，波束形成方向θ₀＝0°时，对权利1中的距离-角度的联合模糊函数进行仿真，结果如图5所示，其中， 图5(a)是距离-角度模糊函数，图5(b)是图5(a)中目标角度θ＝0°时的距离剖面图。

从图4(a)与图5(a)中均可看出距离与角度之间具有依赖关系；

从图4(b)与图5(b)的对比可看出图5(a)中的距离分辨率明显比图4(b)中的 小；由此说明在FDA的子阵发射相干脉冲情况下的距离分辨率比在FDA的阵元发射相干脉 冲情况下的明显有较大提高。

仿真3，在上述仿真参数下，用现有FDA的阵元发射相干脉冲方法，当时延τ＝0时，对其角度-角度的联合模糊函数进行仿真，结果如图6所示，其中，图6(a)是角度-角度 模糊函数，图6(b)是图6(a)中探测角度为θ_p＝0°时的角度剖面图。

仿真4，在上述仿真参数下，用本发明方法，在FDA的子阵发射相干脉冲，时延τ＝0时， 对权利1中的角度-角度的联合模糊函数进行仿真，结果如图7所示，其中，图7(a)是 角度-角度模糊函数，图7(b)是图7(a)中探测角度为θ_p＝0°时的角度剖面图

从图6(a)与图7(a)中可以看出探测角度的覆盖域，其中图6(a)实现了角度域 的全向覆盖，图7(a)中的角度覆盖域明显比图6(a)中小；

从图6(b)与图7(b)中可以看出，在探测角度为θ₀＝0°时等效的发射波束，两幅图并无较大差异；

由图6和图7对比可以看出，本发明用FDA的子阵发射相干脉冲时角度覆盖范围比现 有技术利用FDA的阵元发射相干脉冲情况下的角度覆盖范围小，因此本发明方法的角度覆 盖范围受到一定限制。

上述仿真验证了本发明的正确性、有效性和可靠性。

Claims (6)

1.基于子阵划分的频率分集阵列信号处理方法，包括：

1)参数设置：

设频率分集阵列发射端有M个阵元，并将发射端M个阵元划分为Q个子阵；

设接收端有N个阵元，目标角度为θ，目标距离为R，目标的距离延τ＝2R/c，c为光速；

2)获取频率分集阵列发射端的发射信号s(t,θ)：

s(t,θ)＝[d(θ)⊙c(θ)]^Ts'(t)

其中，⊙表示矩阵乘积，(·)^T表示转置，d(θ)为Q个子阵的发射导向矢量，c(θ)为发射增益，s'(t)为Q个子阵发射的线性调频脉冲信号，t表示时间；

3)根据发射信号s(t,θ)，获得接收端接收的回波信号y(t-τ,θ)；

4)根据发射信号s(t,θ)，设雷达系统的探测角度为θ₀，得到其模糊函数|χ(τ,θ,θ₀)|；

5)根据模糊函数|χ(τ,θ,θ₀)|，设计匹配滤波函数h(t,θ_j)：

h(t,θ_j)＝[d(θ_j)⊙c(θ_j)]^Ts'(t)

其中，θ_j为发射端第j个阵元的波束指向，j＝1,2,…,M表示发射端的第j个阵元；

6)由匹配滤波器h(t,θ_j)对接收到的回波y(t-τ,θ)进行匹配滤波，输出对频率分集阵列处理后的信号Z(τ,θ)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤2)获取频率分集阵列发射端的发射信号s(t,θ)，按如下步骤进行：

2a)计算第q个子阵中单个阵元的发射信号s'_q(t)：

其中，E为发射信号的总能量，M为发射端阵元个数，t表示时间，j为虚数单位，为线性调频信号的复包络，μ＝B/T_p为线性调频信号的调频斜率，B为发射信号的带宽，T_p为发射信号的时宽，为矩形包络，f_q＝f₀+(q-1)Δf为第q个子阵的载频，q＝1,2,…,Q，f₀是第一个阵元的载频，Δf为频率增量；

2b)计算发射端第q个子阵的发射信号s_q(t,θ)：

其中，d₀为发射端阵元之间的距离，λ₀为波长，M_i表示第i个子阵中包含的阵元个数，i＝0,1,2，…,q-1，M_q为第q个子阵中的阵元数，m_q＝1,2,...,M_q为第q个子阵中的第m_q个阵元，

2c)计算发射端总的发射信号为s(t,θ)：

其中，第⊙表示矩阵乘积，(·)^T表示转置，d(θ)为发射端Q个子阵总的发射导向矢量，具体表达式如下：

其中，为q个子阵总的发射导向数据；

c(θ)为发射增益，具体表达式如下：

其中，(·)^H表示共轭转置，为第q个子阵的发射增益，为第q个子阵的发射导向矢量，为第q个子阵中的第k个阵元的发射导向数据，k＝1,2,…,M_q，w_q为第q个子阵元波束形成矢量；

s'(t)为Q个子阵发射的线性调频脉冲信号，具体表达式如下：

s'(t)＝[s′₁(t),s′₂(t),…,s′_q,…,s'_Q(t)]^T。

其中，s'_q(t)为第q个子阵中单个阵元的发射信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤3)中获取接收信号y(t-τ,θ)，按如下步骤进行：

3a)计算接收端第n个阵元接收回波y_n(t-τ,θ)：

y_n(t-τ,θ)＝ξexp{j2πd₁(n-1)sinθ/λ₀}s(t-τ,θ)

其中，n＝1,2,…,N，ξ为目标的反射系数，τ＝2R/c为目标的距离延时，R为目标距离，c为光速，d₁为接收端阵元之间的距离；

3b)计算接收端N个阵元总的接收回波y(t-τ,θ)：

y(t-τ,θ)＝[y₁(t-τ,θ),y₂(t-τ,θ),…,y_n(t-τ,θ),…,y_N(t-τ,θ)]^T。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤4)的雷达系统模糊函数|χ(τ,θ,θ₀)|，按如下步骤进行：

4a)计算发射信号的相关积分

其中，(·)^*表示共轭算子，s'_q(t)为第q个子阵中单个阵元的发射信号，q＝1,2,…,Q，s'_p(t)为第p个子阵中单个阵元的发射信号，p＝1,2,…,Q；

4b)计算雷达系统模糊函数|χ(τ,θ,θ₀)|：

其中，θ₀表示探测角度，m_q表示第q个子阵中的第m_q个阵元，m_q＝1,2,…,M_q，m_p表示第p个子阵中的第m_p个阵元，m_p＝1,2,…,M_p。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤5)设计匹配滤波函数h(t,θ_j)，具体表示如下：

其中，θ_j为第j个阵元的波束指向，j＝1,2,…,M，s_q(t,θ_j)是等效的发射端第q个子阵的发射信号，d(θ_j)是等效的发射端Q个子阵总的发射导向矢量，c(θ_j)是等效的发射增益，s'(t)为Q个子阵发射的线性调频脉冲信号。

6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤6)中输出对频率分集阵列处理后的信号Z(τ,θ)，按如下步骤进行：

6a)计算接收端第n个阵元的接收回波处理后的信号Z(τ,θ)：

其中，ξ为目标的反射系数，(·)^*表示共轭算子，s'(t)为Q个子阵发射的线性调频脉冲信号；

6b)计算接收端N个阵元所有的接收回波处理后的信号Z(τ,θ)：

Z(τ,θ)＝[z₁(τ,θ),z₂(τ,θ),…,z_n(τ,θ),…,z_N(τ,θ)]^T。