CN110687531B - 提高数字多波束相控阵天线自跟踪动态目标实时性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种提高数字多波束相控阵天线实时性自跟踪动态目标的方法，旨在提供一种能改善多波束相控阵天线自跟踪实时性的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在对目标的自跟踪过程中，波控计算机以方位角+俯仰角的波束指向，按网络协议传输50ms/次与数字波束形成单元DBF之间通讯；波束跟踪角速度算法模块计算方位角速度+俯仰角速度，数字波束跟踪惯性单元按照波束指向的运动惯性指向内插1ms一次的波束指向；由数字波束形成单元DBF形成方位差信号与俯仰差信号并送跟踪接收机解出合信号幅度与方位误差电压与俯仰误差电压，并送波控计算机根据合差信号的比值及极性，通过数字跟踪环路得到目标的方位及俯仰角，形成新的波束指向。

Description

提高数字多波束相控阵天线自跟踪动态目标实时性的方法
技术领域
本发明涉及航天测控领域中一种提高数字多波束相控阵天线对动态目标的自跟踪的实时性的方法。
背景技术
相控阵天线的目标跟踪和多种工作方，以及相控阵雷达性能的提高,在很大程度上都与形成多波束能力有关。因此数字化多波束相控阵天线设计中波束对目标的自跟踪技术是一项关键技术，对波束指向、波束增益、副瓣等有着重大影响，严重时甚至不能正常接收目标信号。数字多波束天线是阵列天线技术与数字信号处理技术相结合的产物。多波束相控阵天线由许多辐射元排阵构成，用波束形成网络向阵列单元激励所需的振幅和相位，以形成不同形状的成形波束。它的优点是可对波束数目和形状进行灵活控制，并可控制波束作快速扫描；但结构较复杂，造价高。多波束相控阵天线在对目标进行跟踪时，由于波束滑动及波束穿越等的存在，需要对其动态性能的测试误差范围及数据精度进行测试。波束指向精度是数字阵列天线的一个重要指标，该指标用来衡量数字阵列天线所形成波束的方向同目标方向之间的误差，并直接决定了系统的跟踪、测量、定位精度。影响波束指向精度的误差主要包括单元天线安装误差、单元天线之间的幅相误差、通道一致性校准误差、波束形成处理中的量化误差，这些因素综合作用对波束的扫描指向造成了误差。工程应用中需要将波束的指向误差限制在一定的指标范围之内，因此需要采取一定的措施手段来对波束指向偏差进行修正校准。阵列天线形成高质量波束的前提是要控制多通道辐射或接收信号之间的误差，保持通道间的幅度相位一致性。由于天线元单之间不可避免地存在互耦效应，这些误差因素造成通道间幅度和相位的不一致性，对天线系统的增益、旁瓣电平和指向精度等性能造成影响。跟踪接收机、DBF与波控计算机是数字波束系统必须使用的设备。数字化多波束相控阵天线的自跟踪方法通常是通过划分方位俯仰差阵列，由数字波束形成单元（DBF）形成方位差信号与俯仰差信号并送跟踪接收机。再由跟踪接收机解出合信号幅度（AGC电压）与方位与俯仰差信号幅度（方位误差电压与俯仰误差电压），并送波控计算机。最后由波控计算机根据合差信号的比值及极性，通过数字跟踪环路得到目标的方位及俯仰角，并将目标的方位、俯仰角送数字波束形成单元（DBF），形成新的波束指向。跟踪接收机与波控计算机以及波控计算机与数字波束形成单元（DBF）之间通讯一般是通过网络协议传播的。为了保证网络数据传输不发生堵塞，数据包之间间隔一般大于50ms，因此自跟踪环路的两次波束指向的间隔也大于50ms。如果当目标相对天线偏转的角速度较大时，比如大于20度/s，根据上面的设定，波束自跟踪的两次波束指向间的目标偏离角度最大为1度。因此该自跟踪设计在目标动态较大情况下在某些要求天线自跟踪指向实时性较高的应用场景（例如对跟踪精度要求较高的应用，或者天线波束较窄两次波束指向间目标会偏出波束主瓣情况），由于目标会受到各种因素的干扰，如：目标背景区分度小、严重遮挡、部分遮挡、光照变化、尺度变化、遮挡、变形、运动模糊、面内旋转、面内翻转、背景混乱及尺度变化、超出视野及分辨率等因素，上述的天线自跟踪设计就不能满足要求，需要设计出更高实时性的天线自跟踪系统。
由于现有的跟踪方法都是面向特定应用环境的，所以不存在一个算法能适应所有的情况，都具有一定的适用范围。目前的运动目标跟踪方法比较有代表性主要分为四类：基于区域的跟踪、基于特征的跟踪、基于活动轮廓的跟踪和基于模型的跟踪，这种分类方法概括了目前大多数跟踪方法。基于区域的跟踪方法基本思想是：首先通过图像分割或预先人为提取包含目标区域的模板，并设定一个相似性度量，然后在序列图像中搜索目标，把度量取极值时对应的区域作为对应帧中的目标区域。由于提取的目标模板包含了较完整的目标信息，该方法在目标未被遮挡时，跟踪精度非常高，跟踪非常稳定，但通常比较耗时，特别是当目标区域较大时，因此一般应用于跟踪较小的目标或对比度较差的目标。基于特征的跟踪方法基本思想是：首先提取目标的某个或某些局部特征，然后利用某种区域匹配跟踪算法在图像序列中进行特征匹配，从而实现对目标的跟踪。区域匹配跟踪算法的缺点是计算量较大，难以达到实时性的要求，基于活动轮廓的跟踪方法基本思想是：利用封闭的曲线轮廓表达运动目标，结合图像特征、曲线轮廓构造能量函数，通过求解极小化能量实现曲线轮廓的自动连续更新，从而实现对目标的跟踪。相对于基于区域的跟踪方法，轮廓表达有减少复杂度的优点，而且在目标被部分遮挡的情况下也能连续的进行跟踪，但是该方法的跟踪结果受初始化影响较大，对噪声也较为敏感。基于模型的跟踪方法基本思想是：首先通过一定的先验知识对所跟踪目标建立模型，然后通过匹配跟踪目标，并进行模型的实时更新。通常利用测量、ＣＡＤ工具和计算机视觉技术建立模型。该方法的优点是可以精确分析目标的运动轨迹，即使在目标姿态变化和部分遮挡的情况下也能够可靠的跟踪，但跟踪精度取决于模型的精度，而在现实生活中要获得所有运动目标的精确模型是非常困难的。会给运动目标所在视频中进行目标跟踪带来难度，从而会影响运动目标检测和跟踪的准确性和稳定性，系统对不同环境的适应性，也存在很大的挑战。
发明内容
本发明的目的是针对上述数字化多波束相控阵天线对高动态目标的自跟踪中存在的问题，提供一种简单可靠、耗费硬件资源小,能够避免波束指向滞后、提升目标测轨精度和目标自跟踪的实时性，实时地自动跟踪高动态目标的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种提高数字多波束相控阵天线实时性自跟踪动态目标的方法，其特征在于包括如下步骤：将数字多波束相控阵天线自跟踪系统中的跟踪接收机与波控计算机，以及波控计算机与数字波束形成单元DBF之间通讯数据包的时间间隔保持为50ms不变，在对目标的自跟踪过程中，波控计算机以方位角+俯仰角的波束指向，按网络协议传输50ms一次与数字波束形成单元DBF之间通讯；数字波束形成单元DBF包括：数字信号处理器DSP以及与数字信号处理器DSP相连的现场可编程门阵列FPGA，DSP 中有波束跟踪角速度算法模块、数字波束跟踪惯性单元以及波束形成权值计算单元，波束跟踪角速度算法模块进行波束跟踪方位角速度+俯仰角速度的计算，数字波束跟踪惯性单元按照波束指向的运动惯性指向内插1ms一次的波束指向；在波控计算机控制数字波束形成单元DBF的两次间隔为50ms的波束指向之间，数字波束形成单元DBF利用波束跟踪角速度算法模块以最近两次波束跟踪目标的指向角，计算出目标在方位角以及俯仰角的转动角速度，波束形成权值计算单元根据该角速度，在数字信号处理器DSP内置波束形成算法中，增加1毫秒一次的波束指向的惯性控制波束指向的刷新率，由50ms一次提高为1ms一次，输出高速数据传输1ms一次波束指向权值。
本发明的有益效果是：
耗费硬件资源小。发明利用原有跟踪接收机、DBF与波控计算机，不增加附加硬件，并且为保障网络数据传输稳定性，保持了跟踪接收机与波控计算机以及波控计算机与DBF之间通讯数据包的时间间隔为50ms不变，利用在波束形成单元的DSP内置波束跟踪角速度算法模块，利用波控计算机控制的跟踪波束指向的波束跟踪角速度预测算法中增加的波束跟踪惯性单元，将跟踪波束指向的时间间隔由50ms内插到1ms，利用跟踪波束指向的惯性运动将跟踪波束指向内插到1次/ms，仅通过改进在初级DBF板块上的DSP中的波束跟踪角速度算法模块来实现1ms一次的指向内插上来改善系统对高动态目标的实时自跟踪性能，实现方法比较简单，资源占用较少，对动态环境中的运动具有较强的自适应性，不需要额外增加设备量和使用额外的硬件，节省了硬件资源和硬件成本。因此利用本发明不需要复杂设备，降低了成本。
避免波束指向滞后。本发明在初级DBF单元的波束形成算法中增加1毫秒一次的波束指向的惯性控制，并在波控计算机控制DBF的两次间隔为50ms的波束指向之间按照波束指向的运动惯性内插1ms一次的波束指向，最后将波束指向的刷新率提高为1ms一次，巧妙的利用了波束对目标跟踪的惯性量，避免了由于波束指向刷新率太低所造成的波束指向滞后情况。
提升目标测轨精度。本发明在初级DBF单元中利用最近两次波束跟踪目标的指向角，计算出目标在方位角以及俯仰角的转动角速度，根据该角速度在初级DBF板块上的DSP中的波束形成算法中增加1毫秒一次的波束指向的惯性控制，将波束指向的刷新率由50ms一次提高为1ms一次，避免了两次波束指向间数字波束对目标跟踪的滞后差，提高了波束对动态目标跟踪的实时性和对目标的测轨精度，其对目标的测轨精度可以提高50倍。
提高目标自跟踪的实时性。本发明保持跟踪接收机与波控计算机以及波控计算机与DBF之间通讯数据包的时间间隔为50ms不变，在初级DBF单元的波束形成算法中增加1毫秒一次的波束指向的惯性控制，利用最近两次波束跟踪目标的指向角，计算出目标在方位角以及俯仰角的转动角速度，DBF上的DSP中的波束形成权值计算前增加波束跟踪角速度预测与波束指向内插，在数字信号处理器DSP内置波束形成算法中，增加1毫秒一次的波束指向的惯性控制，将波束指向的刷新率由50ms一次提高为1ms一次，利用在DSP上算法的实时性较高的特点，改善了收/发信号的幅度的平稳性。进而提高了天线波束对目标自跟踪的实时性。由于波束指向的时间间隔缩小，减小了目标在两次波束指向间的偏移，因而可提保障目标始终在天线的主波束范围内，因而可提高收/发信号的稳定度。
附图说明
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
图1是本发明数字多波束相控阵天线实时性自跟踪动态目标的流程图；
图2是本发明数字多波束相控阵天线自跟踪系统示意图；
图3是本发明波束跟踪角速度算法模块的算法流程图；
图4是本发明波束指向内插算法模块的算法流程图。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，将数字多波束相控阵天线自跟踪系统中的跟踪接收机与波控计算机，以及波控计算机与数字波束形成单元DBF之间通讯数据包的时间间隔保持为50ms不变，在对目标的自跟踪过程中，波控计算机以方位角+俯仰角的波束指向，按网络协议传输50ms一次与数字波束形成单元DBF之间通讯；数字波束形成单元DBF包括：数字信号处理器DSP以及与数字信号处理器DSP相连的现场可编程门阵列FPGA，DSP 中有波束跟踪角速度算法模块、数字波束跟踪惯性单元以及波束形成权值计算单元，波束跟踪角速度算法模块进行波束跟踪方位角速度+俯仰角速度的计算，数字波束跟踪惯性单元按照波束指向的运动惯性指向内插1ms一次的波束指向；在波控计算机控制数字波束形成单元DBF的两次间隔为50ms的波束指向之间，数字波束形成单元DBF利用波束跟踪角速度算法模块以最近两次波束跟踪目标的指向角，计算出目标在方位角以及俯仰角的转动角速度，波束形成权值计算单元根据该角速度，在数字信号处理器DSP内置波束形成算法中，增加1毫秒一次的波束指向的惯性控制波束指向的刷新率，由50ms一次提高为1ms一次，输出高速数据传输1ms一次波束指向权值。
参阅图2。数字多波束相控阵天线自跟踪系统包括：向数字波束形成单元DBF提供阵列收/发信号的相控阵天线阵列，与数字波束形成单元DBF和波控计算机相连的跟踪接收机，从而组成波控计算机的数字自跟踪环路，跟踪接收机与波控计算机以及波控计算机与数字波束形成单元DBF之间通讯一般是通过网络协议传播的。为了保证网络数据传输不发生堵塞，波控计算机的自跟踪环路的两次波束指向的间隔也大于50ms。在波束形成权值计算前，进行波束跟踪角速度预测与波束指向内插，利用跟踪波束指向的惯性运动将跟踪波束指向内插到1次/ms，对波束形成进行加权值计算，FPGA利用在DSP上波束形成算法的实时性较高的特点，根据DSP计算出的包含幅度权值+相位权值的波束指向权值和高速数据传输1ms一次，利用在波束形成单元的DSP中增加的波束跟踪惯性单元，将跟踪波束指向的时间间隔由50ms内插到1ms，将接收差信号中的DBF形成方位差信号与俯仰差信号送跟踪接收机，由跟踪接收机解出自动增益控制AGC电压与方位误差电压与俯仰误差电压，将角跟踪误差信号按网络协议传输50ms一次送入波控计算机，波控计算机根据合差信号的比值及极性，通过数字跟踪环路得到目标的方位及俯仰角，并将目标的波束指向方位、俯仰角的网络协议传输50ms一次送数字波束形成单元DBF，形成新的波束指向。
参阅图3。波束跟踪角速度算法模块利用波控计算机控制的跟踪波束指向的波束跟踪角速度预测算法，判断是否收到新的波束指向数据包，在每收到一个新的波束指向数据包时进行波束跟踪角速度预测计算；计算当前方位跟踪角速度ƟE(n)与俯仰跟踪角速度ƟV(n)，并采用如下计算公式：计算方位跟踪角速度ƟE(n)=[φE(n)-φE(n-1)]/50、俯仰跟踪角速度ƟV(n)=[φV(n)-φV(n-1)]/50（（单位为:度/ms），其中，φE(n)为当前波束方位角指向，φE(n-1)为上一次波束方位角指向；φV(n)为当前波束俯仰角指向，φV(n-1)为上一次波束俯仰角指向。波束跟踪角速度算法模块获得方位跟踪角速度和俯仰跟踪角速度后，更新波束对目标跟踪的方位角速度和俯仰角速度，并送入数字波束跟踪惯性单元。
参阅图4，数字波束跟踪惯性单元首先判断是否收到新的波束指向数据包，当收到指向数据包时，根据收到的指向数据初始化波束指向数据包的波束指向角φE与俯仰指向角φV，使φE=φE0、φV=φV0，将计时器清零，并重新开始计时更新波束指向的方位角与俯仰角数据，并送波束形成权值计算单元。波束形成权值计算单元利用预测的跟踪波束角速度，通过数字波束跟踪惯性单元将跟踪波束指向由50ms一次增加到1ms一次；若数字波束跟踪惯性单元没有收到新的波束指向数据包，等待接收新的波束指向数据，若没有利用预测的跟踪波束角速度，判断计时器是否到1ms，当计时器到1ms且无新的波束指向数据时，根据当前波束跟踪角速度更新波束指向角φE与俯仰指向角φV，即φE=φE+ƟE，以及φV=φV+ƟV，单位为：度/ms，将计时器清零，并在重新开始计时，更新波束指向的方位角与俯仰角数据，并送波束形成权值计算单元，否则返回，重新判断是否收到新的波束指向数据包，如此循环。
尽管上述已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种提高数字多波束相控阵天线实时性自跟踪动态目标的方法，其特征在于包括如下步骤：将数字多波束相控阵天线自跟踪系统中的跟踪接收机与波控计算机，以及波控计算机与数字波束形成单元DBF之间通讯数据包的时间间隔保持为50ms不变，在对目标的自跟踪过程中，波控计算机以方位角+俯仰角的波束指向，按网络协议传输50ms一 次与数字波束形成单元DBF之间通讯；数字波束形成单元DBF包括：数字信号处理器DSP以及与数字信号处理器DSP相连的现场可编程门阵列FPGA，DSP 中有波束跟踪角速度算法模块、数字波束跟踪惯性单元以及波束形成权值计算单元，波束跟踪角速度算法模块进行波束跟踪方位角速度+俯仰角速度的计算，数字波束跟踪惯性单元按照波束指向的运动惯性指向内插1ms一次的波束指向；在波控计算机控制数字波束形成单元DBF的两次间隔为50ms的波束指向之间，数字波束形成单元DBF利用波束跟踪角速度算法模块以最近两次波束跟踪目标的指向角，计算出目标在方位角以及俯仰角的转动角速度，波束形成权值计算单元根据该角速度，在数字信号处理器DSP内置波束形成算法中，增加1毫秒一次的波束指向的惯性控制波束指向的刷新率，由50ms一次提高为1ms一次，输出高速数据传输1ms一次波束指向权值。
2.如权利要求1所述的提高数字多波束相控阵天线实时性自跟踪动态目标的方法，其特征在于：数字多波束相控阵天线自跟踪系统包括：向数字波束形成单元DBF提供阵列收/发信号的相控阵天线阵列，与数字波束形成单元DBF和波控计算机相连的跟踪接收机，从而组成波控计算机的数字自跟踪环路，并且跟踪接收机与波控计算机以及波控计算机与数字
波束形成单元DBF之间通讯是通过网络协议传播的。
3.如权利要求2所述的提高数字多波束相控阵天线实时性自跟踪动态目标的方法，其特征在于：在波束形成权值计算前，进行波束跟踪角速度预测与波束指向内插，利用跟踪波束指向的惯性运动将跟踪波束指向内插到1次/ms，对波束形成进行加权值计算，FPGA利用在DSP上波束形成算法的实时性较高的特点，根据DSP计算出的包含幅度权值+相位权值的波束指向权值和高速数据传输1ms一次，利用在波束形成单元的DSP中增加的波束跟踪惯性单元，将跟踪波束指向的时间间隔由50ms内插到1ms，将接收差信号中的DBF形成方位差信号与俯仰差信号送跟踪接收机，由跟踪接收机解出自动增益控制AGC电压与方位误差电压与俯仰误差电压，将角跟踪误差信号按网络协议传输50ms一次送入波控计算机，波控计算机根据合差信号的比值及极性，通过数字跟踪环路得到目标的方位及俯仰角，并将目标的波束指向方位、俯仰角的网络协议传输50ms一次送数字波束形成单元DBF，形成新的波束指向。
4.如权利要求3所述的提高数字多波束相控阵天线实时性自跟踪动态目标的方法，其特征在于：波束跟踪角速度算法模块利用波控计算机控制的跟踪波束指向的波束跟踪角速度预测算法，判断是否收到新的波束指向数据包，在每收到一个新的波束指向数据包时进行波束跟踪角速度预测计算；计算当前方位跟踪角速度ƟE(n)与俯仰跟踪角速度ƟV(n)，并采用如下计算公式：计算方位跟踪角速度ƟE(n)=[φE(n)-φE(n-1)]/50、俯仰跟踪角速度ƟV(n)=[φV(n)-φV(n-1)]/50，单位为:度/ms，其中，φE(n)为当前波束方位角指向，φE(n-1)为上一次波束方位角指向；φV(n)为当前波束俯仰角指向，φV(n-1)为上一次波束俯仰角指向。
5.如权利要求4所述的提高数字多波束相控阵天线实时性自跟踪动态目标的方法，其特征在于：波束跟踪角速度算法模块获得方位跟踪角速度和俯仰跟踪角速度后，更新波束对目标跟踪的方位角速度和俯仰角速度，并送入数字波束跟踪惯性单元。
6.如权利要求5所述的提高数字多波束相控阵天线实时性自跟踪动态目标的方法，其特征在于：数字波束跟踪惯性单元首先判断是否收到新的波束指向数据包，当收到指向数据包时，根据收到的指向数据初始化波束指向数据包的波束方位指向角φE与俯仰指向角φV，使φE=φE0、φV=φV0，将计时器清零，并在重新开始计时更新波束指向的方位角与俯仰角数据，并送波束形成权值计算单元。
7.如权利要求6所述的提高数字多波束相控阵天线实时性自跟踪动态目标的方法，其特征在于：波束形成权值计算单元利用预测的跟踪波束角速度，通过数字波束跟踪惯性单元将跟踪波束指向由50ms一次增加到1ms一次；若数字波束跟踪惯性单元没有收到新的波束指向数据包，等待接收新的波束指向数据，若没有利用预测的跟踪波束角速度，则判断计时器是否到1ms，当计时器到1ms且无新的波束指向数据时，根据当前波束跟踪角速度更新波束方位指向角φE与俯仰指向角φV，即φE=φE+ƟE，以及φV=φV+ƟV，单位为：度/ms，将计时器清零，并在重新开始计时，更新波束指向的方位角与俯仰角数据，并送波束形成权值计算单元，否则返回，重新判断是否收到新的波束指向数据包，如此循环。
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