CN110596686A - 一种基于时间反转技术的频控阵时间聚焦方法 - Google Patents

一种基于时间反转技术的频控阵时间聚焦方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于时间反转技术的频控阵时间聚焦方法，该方法包括：频控阵接收设备发送第一信号；频控阵发射设备接收第二信号；将所述第一信号与所述第二信号进行去卷积，以得到多径信道；所述频控阵发射设备将发射信号通过所述多径信道发射出去。目前多径对频控阵无线传输具有信号损耗，时间反演技术可利用多径信号的损耗，时间反演信道可有效收集利用多径信号，明显改善系统的传输性能。

Description

一种基于时间反转技术的频控阵时间聚焦方法
技术领域
本发明属于频控阵技术领域，具体涉及一种基于时间反转技术的频控阵时间聚焦方法。
背景技术
阵列天线技术在雷达、无线通信、声呐及导航等领域有着广泛的应用，根据实际应用的需求天线可以有不同的排列方式，最基本的可以分为线阵和面阵。与单个天线相比，阵列天线可以实现波束扫描、波束赋形以及多波束等功能。国内外科研工作者往往按照阵列天线的功能分类来进行性能和应用的研究，比如相控阵天线、频率扫描天线、自适应天线以及多入多出(MIMO)天线等。近些年来，在相控阵和MIMO基础上衍生的新型阵列吸引了广泛关注，比如相控阵-MIMO以及差分阵列等。这些新型阵列带来了更多的自由度和广泛的应用前景，也带来了许多需要探索和解决的问题。
相控阵雷达区别于传统机械扫描雷达，其优势之一在于可自由地实现波束的空间扫描，因而广泛地应用于雷达目标检测与成像应用。通常相控阵雷达每个阵元发射(接收)的是同一信号，通过在每个阵元的输出端接入移相器进行波束方向控制，调整移相器的相移量便可实现波束的空域扫描。此外，还可以通过改变雷达系统的工作频率来实现波束扫描，即频率扫描天线。然而，相控阵、频率扫描天线和MIMO雷达都存在一个缺点：在每一扫描快拍内，波束指向在距离上是恒定的，也就是说波束指向与距离是无关的，不能利用线性相控阵雷达实现目标距离和方位角二维联合估计。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于时间反转技术的频控阵时间聚焦方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于时间反转技术的频控阵时间聚焦方法，将传统频控阵结合时间反演技术，克服频控阵的距离周期性，使得能量在目标距离处的某一时刻聚焦，该聚焦方法包括：
频控阵接收设备发送第一信号；
频控阵发射设备接收第二信号；
将所述第一信号与所述第二信号进行去卷积，以得到多径信道；
所述频控阵发射设备将发射信号通过所述多径信道发射出去。
可选地，接收设备首先发送一个探测信号，所述第一信号为：
其中，f0表示第一个阵元发射信号载频，Δf为不同阵元之间的载波频率增量，N表示总的发射阵元个数。
可选地，将探测信号接收并进行时间反演，所述第二信号为：
其中，E(r,t)表示在时间t距离r处的接收信号，r是参考阵元到目标点的距离，c表示光速。
可选地，估计得到目标点(接收设备)距离发射设备的信道估计，所述信道包括直接传播路径和反射传播路径。
可选地，得到直接传播路径的接收信号，目标点接收到的直接传播路径为：
其中，Edn(r,t)表示在时间t距离r处的直接传播接收信号分量，rdn表示第n阵元的直接传播距离目标点的距离。
可选地，反射路径传播的接收信号，目标点接收到的反射传播路径为：
其中，Ern(r,t)表示在时间t距离r处的多径传播接收信号分量，rrn表示第n阵元的多径传播距离目标点的距离。
可选地，根据发射信号及目标点已得接收信号去卷积得到信道，目标点接收信号表示为：
可选地，目标点已得接收信号需已知，某目标点的接收信号为：
其中，sin(·)表示水平极化，cos(·)表示垂直极化，Etot(r,t)表示在时间t距离r处的接收信号。
如上所述，本发明的一种基于时间反转技术的频控阵时间聚焦方法，具有以下有益效果：
(1)目前多径对频控阵无线传输具有信号损耗，时间反演技术可利用多径信号的损耗，时间反演信道可有效收集利用多径信号，明显改善系统的传输性能。
(2)由于所有的范围位置都会存在传输信号，所以时间方差和范围周期性是不可避免的。在目前的研究中忽略了频控阵的时间方差。利用时间反演技术的时空聚焦性能，实现频控阵的波束聚焦性能。
附图说明
为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。
图1为本发明所使用的频控阵多径模型示意图；
图2为本发明的时间反演频控阵系统模型图；
图3为本发明的频控阵多径模型水平极化波束图；
图4为本发明的频控阵传统信道响应和频控阵时间反演信道响应对比图；
图5为本发明的频控阵有无时间反演技术的响应峰值的比较图；
图6为本发明的基于时间反演技术的频控阵距离角接收信号图；
图7为本发明的不同频偏下的有无时间反演技术的频控阵信道对比图；
图8为本发明的一种基于时间反转技术的频控阵时间聚焦方法的流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图8所示，一种基于时间反转技术的频控阵时间聚焦方法，包括：
频控阵接收设备发送第一信号；
频控阵发射设备接收第二信号；
将所述第一信号与所述第二信号进行去卷积，以得到多径信道；
所述频控阵发射设备将发射信号通过所述多径信道发射出去。
对于线性均匀阵列天线，如图1所示。假设有N＝12个发射天线，相邻天线之间的距离为第一个阵元(参考阵元)发射信号载频为f0＝1GHz，也被称为系统的中心频率，不同阵元之间的载波频率增量为Δf＝1KHz，则第n个阵元的发射信号频率被表示为：
fn＝f0+nΔf,n＝0,1,2,...N-1
其中，fn表示第n个阵元的发射信号频率，f0表示第一个阵元(参考阵元)发射信号载频，N表示总的发射阵元个数。
频控阵接收设备发射信号波形为：
其中，f0表示第一个阵元(参考阵元)发射信号载频，不同阵元之间的载波频率增量为Δf，N表示总的发射阵元个数。
若参考阵元到目标点的距离是r＝10km，假设目标满足一定的距离条件(d＜＜r)，则每个阵元的辐射波束可被认为是一组平行波，并且角度均为频控阵发射设备(目标处)的接收信号为：
其中，E(r,t)表示在时间t距离r处的接收信号，f0表示第一个阵元(参考阵元)发射信号载频，N表示总的发射阵元个数，c表示光速。
均匀线性频控阵被处于多径环境(被放置在一个水平面上)时，如图1所示。频控阵天线距离水平面假设有N个发射天线，相邻天线之间的距离为d，以参考阵元为中心N个阵元沿x轴分布。第一个阵元(参考阵元)发射信号载频为f0，也被称为系统的中心频率，不同阵元之间的载波频率增量为Δf，则第n个阵元的发射信号频率被表示为：
fn＝f0+nΔf,n＝0,1,2,...N-1
载波频率上用同一振幅、相位发射连续波。此处的水平面可以是任意的地形，比如地面起伏较大或者介电常数较为复杂。为了便于分析，本实施例选择水平面为完全导电的地平面。
对于多径FDA(频控阵)有两条路径，分别是直接传播路径和反射传播路径。直接路径传播如图1所示。对于完全导电的地平面，可以根据镜像原理，将反射路径与地平面的镜像FDA联系起来。若反射波从第n个阵元到距离r的目标点传播距离为rrn，该场与原始FDA的水平极化(垂直极化)反相(同相)。目标点接收到的直接传播路径为：
其中，Edn(r,t)表示在时间t距离r处的直接传播接收信号分量，rdn表示第n阵元的直接传播距离目标点的距离，f0表示第一个阵元(参考阵元)发射信号载频，N表示总的发射阵元个数，c表示光速。
在目标点接收到的反射传播路径为：
其中，Ern(r,t)表示在时间t距离r处的多径传播接收信号分量，rrn表示第n阵元的多径传播距离目标点的距离，f0表示第一个阵元(参考阵元)发射信号载频，N表示总的发射阵元个数，c表示光速。
目标点接收信号可表示为：
其中，Etot(r,t)表示在时间t距离r处的接收信号，rdn表示第n阵元的直接传播距离目标点的距离，rrn表示第n阵元的多径传播距离目标点的距离，f0表示第一个阵元(参考阵元)发射信号载频，N表示总的发射阵元个数，c表示光速。
若r＞＞(n-1)d+ht，则rdn、rrn会被简化为：
rdn≈rrn≈r
θdn≈θrn≈θ
其中，是x轴的方向余弦，v＝cosθ是z轴的方向余弦。rdn表示第n阵元的直接传播距离目标点的距离，rrn表示第n阵元的多径传播距离目标点的距离，ht表示频控阵天线与水平面之间的距离。θdn表示第n阵元的直接传播路径到达目标点的角度，θrn表示第n阵元的多径传播路径到达目标点的角度，表示第n阵元的辐射波束直接传播路径分量的俯仰角，表示第n阵元的辐射波束多径传播路径分量的俯仰角，表示第n阵元辐射波束的俯仰角。在某目标点的接收信号可以被简化为：
其中的矩阵的sin(·)/cos(·)分别表示为水平/垂直极化。Etot(r,t)表示在时间t距离r处的接收信号，rdn表示第n阵元的直接传播距离目标点的距离，rrn表示第n阵元的多径传播距离目标点的距离，f0表示第一个阵元(参考阵元)发射信号载频，N表示总的发射阵元个数，c表示光速。
如图3所示，频控阵多径模型水平极化波束图。
频控阵接收设备发送一个探测脉冲信号，频控阵发射设备进行信号接收。使用CLEAN算法对频控阵接收设备发送的信号和频控阵发射设备接收的信号去卷积，得到该系统模型的多径信道，如图4所示，频控阵传统信道响应和频控阵时间反演信道响应对比图，由此可看出基于时间反演技术的频控阵信道响应具有时间聚焦性能。
经过时间反演技术的频控阵接收设备接收信号结果如图5所示，为频控阵有无时间反演技术的响应峰值的比较图。由此可看出，如图6所示为本发明技术方案的基于时间反演技术的频控阵距离角接收信号图，可明显看出经过时间反演技术的频控阵接收信号的波束具有聚焦性能，且峰值有提升。
将已设计完成的基于时间反演技术的频控阵无线传输设备中的关键因素频偏进行改变，如图7所示，不同频偏下的有无时间反演技术的频控阵信道对比图，进一步说明时间反演技术是频控阵的一个波束聚焦可行的实现方式。
本发明还提供一种存储介质，存储计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行前述的方法。
本发明还提供一种电子终端，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述设备执行前述的方法。
所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括:能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器((RAM,Random AccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
所述处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit,CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器可以是内部存储单元或外部存储设备，例如插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字卡(Secure Digital,SD)，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器还可以既包括内部存储单元，也包括外部存储设备。所述存储器用于存储所述计算机程序以及其他程序和数据。所述存储器还可以用于暂时地存储己经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.基于时间反转技术的频控阵时间聚焦方法，其特征在于，该聚焦方法包括：
频控阵接收设备发送第一信号；
频控阵发射设备接收第二信号；
将所述第一信号与所述第二信号进行去卷积，以得到多径信道；
所述频控阵发射设备将发射信号通过所述多径信道发射出去。
2.根据权利要求1所述的基于时间反转技术的频控阵时间聚焦方法，其特征在于，所述第一信号为：
其中，f0表示第一个阵元发射信号载频，Δf为不同阵元之间的载波频率增量，N表示总的发射阵元个数。
3.根据权利要求2所述的基于时间反转技术的频控阵时间聚焦方法，其特征在于，所述第二信号为：
其中，E(r,t)表示在时间t距离r处的接收信号，r是参考阵元到目标点的距离，c表示光速。
4.根据权利要求3所述的基于时间反转技术的频控阵时间聚焦方法，其特征在于，所述信道包括直接传播路径和反射传播路径。
5.根据权利要求4所述的基于时间反转技术的频控阵时间聚焦方法，其特征在于，目标点接收到的直接传播路径为：
其中，Edn(r,t)表示在时间t距离r处的直接传播接收信号分量，rdn表示第n阵元的直接传播距离目标点的距离。
6.根据权利要求5所述的基于时间反转技术的频控阵时间聚焦方法，其特征在于，目标点接收到的反射传播路径为：
其中，Ern(r,t)表示在时间t距离r处的多径传播接收信号分量，rrn表示第n阵元的多径传播距离目标点的距离。
7.根据权利要求6所述的基于时间反转技术的频控阵时间聚焦方法，其特征在于，目标点接收信号表示为：
8.根据权利要求7所述的基于时间反转技术的频控阵时间聚焦方法，其特征在于，某目标点的接收信号为：
其中，sin(·)表示水平极化，cos(·)表示垂直极化，Etot(r,t)表示在时间t距离r处的接收信号。
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