CN110794400A - 一种基于频控阵的地形匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频控阵的地形匹配方法。频控阵雷达方向图呈“S”形，雷达各个阵元的载频不同，使得雷达方向图具有更大的自由度，并且具有普通雷达方向图不具有的距离依赖性和周期性，增大了空间分辨率。本发明的目的是针对飞行器地形匹配系统的需求，结合频控阵雷达“S”形方向图所具有的特性，提出了一种基于频控阵雷达的地形匹配方法，采用频控阵作为发射阵列，增大空间分辨力，处理目标回波时，采用非聚焦的多普勒锐化方式进行成像处理，能够缩短成像时间。该方法应用于地形跟踪/地形回避时能够得到理想的效果，具有较高的匹配精度和实时性且能够实现对待匹配场景的持续观测。

Description

一种基于频控阵的地形匹配方法

技术领域

本发明属于频控阵雷达成像技术领域，具体而言是设计一种基于频控阵雷达的地形匹配成像方法。

背景技术

相控阵雷达通过改变发射信号的相位来改变波束指向，再利用波束形成的方式就可以自由地实现波束方向控制进行空间扫描，因次被广泛地应用于雷达目标检测与成像领域。理论上，当波束的方向确定下来后，如果雷达发射机功率可以足够大，相控阵雷达可以探测到该方向的任意距离上的目标。相控阵雷达利用天线阵列发射相同的信号，从而在空间中形成阵列增益，这样可以增大目标的检测概率。然而，波束指向在所有距离分辨单元上是恒定的，其天线方向图只与角度有关，与距离无关，因此其距离维分辨率较差，在某些场合下，人们又期望天线阵列波束能够以不同的角度指向不同的距离，那么，就需要天线波束的指向能够随着距离的变化而变化。

2006年Antonik和Wicks等人在IEEE雷达年会上首次提出了频控阵(FDA)的概念并申请了有关专利。频控阵雷达与相控阵雷达最大的区别就是频控阵雷达同一时间对不同阵元施加不同的频偏，其阵元间的微小频偏会产生距离-角度依赖以及随时间而规律变化的天线方向图。因此，相比传统相控阵阵列天线，频控阵具有更多系统自由度，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，使得频控阵雷达很快引起了国内外学者的广泛关注。

文献《Nonuniform Frequency Diverse Array for Range-Angle Imaging ofTargets》提出了一种基于非均匀阵元间距的频控阵阵列作为发射阵列，而采用相同阵元数目的相控阵阵列作为接收阵列的方法。该方法非均匀间距的阵元使得辐发射波束不再是呈“S”形，发射波束只与距离有关而与角度无关，而接收波束只与角度有关而与距离无关，能够实现目标的距离方位二维成像，但未考虑频控阵方向图的时变性。文献《Forward-looking SAR Imaging With Frequency Array Antennas》采用不同的阵列几何结构和天线发射载波个数，形成点状发射波束。传统阵列天线发射单频信号，而该阵列发射一个多频信号，它在期望的目标点形成能量峰值，而在非目标点形成零陷。该方将波束能量集中在期望的预设的方向和距离处，但未利用原始“S”形波束的优势，且未考虑波束的时移性。

发明内容

本发明目的是针对飞行器工作过程中地形匹配系统的要求，结合频控阵雷达方向图的特性，提出了一种高空间精度地形匹配成像方法，该方法应用于地形跟随/地形回避时能够得到理想的效果，具有较高的匹配精度且能够实现对待匹配场景的持续观测。

本发明为了实现上述目标采用以下技术方案，步骤为：

(1)首先要选取地形匹配成像距离模型，在传统低轨合成孔径成像处理中，传感器至目标的斜距是最重要的参数，这个距离随着方位时间而变化会导致不同脉冲间的相位调制，是获得高分辨力的必要条件。传统的斜视距离模型物理意义清晰，简介明确，其包含两个重要参数为：雷达速度和斜视角。设点目标波束中心时刻t＝0、斜距为R_s，则距离模型可以表示为：

式中，θ_eq为等效斜视角，v₀为等效雷达速度。

(2)根据地形匹配应用场景及斜距模型要求，设定频控阵雷达阵元及发射信号各个参数。由于频控阵雷达成像的空间精度与阵元个数、阵元间距及阵元载频之间的频差相关，因此要设定合适的阵元个数M，阵元间隔d及各阵元之间的载频频率增量Δf。另外，考虑到回波处理，还需选取合适的脉冲重复周期f_r及相干积累时间T_s。

频控阵辐射波束方向图在目标处的场强为：

为满足发射信号之间的相干性则

为了在空间某点形成最大增益，需满足可得

由于由频率分集阵列天线方向图特性以及距离周期可知，天线发射波束的主瓣持续的斜距范围应满足：

可以计算出斜距上的主瓣宽度为2c/NΔf，天线3dB主瓣宽度R_3dB应约为c/NΔf。假设观测要求的在斜距上的范围为ΔR，则要满足覆盖要求，R_3dB需满足R_3dB≥ΔR，则

在相参处理中，为了使采样频谱不发生混叠，脉冲重复频率f_r应该大于等于天线主波束 3dB宽度对应的多普勒带宽，而根据奈奎斯采样定律需满足，f_r≥1.2Δf_d。为消除频率分集阵列的波束时变性的影响需满足f_r≤Δf。为避免成像时出现方位模糊和距离模糊，需满足f_r＜c/2r₀。其中，Δf_d为主瓣多普勒带宽。若要使得目标可以实现相参积累及不发生越距离单元走动，相干积累时间T_s需满足

频控阵是针对发射阵列而言的，因此选择以频控阵作为发射阵列，相控阵作为接收阵列建立发射-接受框架。

(3)根据上述参数对频控阵雷达各阵元发射信号波形进行建模。传统相控阵雷达发射信号为：

S_m(t)＝a₀(t)exp(j2πft) 0＜t＜Tr

由于频控阵各阵元的各载频是不一样的，设所用频控阵雷达有M个阵元，第一个阵元的辐射信号载频为f₀，第一个阵元辐射信号可表示为：

S₁(t)＝a₀(t)exp(j2πf₀t) 0＜t＜Tr

则第m个阵元的辐射信号频率为：

f_m＝f₀+m·Δf m＝1，2，...，M

第m个阵元的辐射信号可以表示为：

S_m(t)＝a₀(t)exp(j2πf_mt)＝a₀(t)exp(j2π(f₀+m·Δf)t) 0＜t＜Tr

其中，a₀(t)为基带信号，T_r为脉冲持续时间，Δf为频率增量。

(4)对建模的频控阵发射信号采取加窗函数的方式进行低副瓣处理，这可以有效的增大主瓣能量，降低低副瓣能量，提高主瓣与副瓣之间的能量差异。频控阵雷达天线方向图具有距离周期性和时间周期性，增大目标区域的波束能量，可以提高接收信号的信干噪比。

(5)最后，为满足实时成像处理的要求，对得到的回波信号进行非聚焦多普勒锐化(Doppler Beam Sharpening，DBS)处理。设定合适的锐化比，对观测区域进行非聚焦处理，可以在较短的时间内完成对大范围场景的匹配成像，减少成像所需时间，快速得到成像结果。快速得到成像结果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

传统的相控阵雷达发射波束只与角度有关而与距离无关，若角度固定，则只能探测到固定方位的目标，且距离维分辨力低。本发明将频控阵用于地形匹配成像，采用频率分集阵列作为发射阵列，传统相控阵作为接收阵列，建立频控阵-相控阵发射接收阵列，利用频控阵天线波束独特的“S”形波束图提供的距离依赖特性提高距离方位二维成像精度，在回波处理时对回波采用多普勒锐化处理。相比较于传统的聚焦合成孔径成像，在提高空间精度的同时减少了成像时间。将其应用于飞行器地形匹配成像，可以提高成像精度和实时性以及飞行器的生存能力。

附图说明

图1为本发明所述基于频控阵的地形匹配方法的流程图。

图2(a)为频控阵辐射波束方向图，图2(b)为低副瓣处理后的辐射波束方向图。

图3(a)为单目标点匹配成像结果，图3(b)为多目标点匹配成像结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

首先，根据地形匹配应用场景的要求构建距离模型；其次根据地形匹配应用场景及斜距模型要求的需求，设定频控阵雷达阵元参数及发射信号参数；然后根据上述设定的参数对雷达各阵元信号进行建模；紧接着对建模的阵元发射信号进行加窗低副瓣处理以此来增大回波的信干噪比，确立最终的阵元发射信号。最后，采用非聚焦的方式对观测区域目标进行匹配成像。最终证明了将频控阵用于地形匹配成像的可行性，且有较好的效果。

图1所示为本发明所述基于频控阵的地形匹配方法的流程图；包括以下步骤：

(1)选取匹配场景距离模型，首先要选取地形匹配成像距离模型，传统的斜视距离模型源于斜视机载SAR集合运动，该模型具有物理意义清晰，解析频谱简单明确，算法实现方便等优点，被广泛用于机载SAR成像算法，在这种斜距模型中，包含两个重要参数为：雷达速度和斜视角，传感器至目标的斜距随着方位时间而变化会导致不同脉冲间的相位调制，这是获得高分辨力的必要条件。设点目标波束中心时刻t＝0、斜距为R_s，则距离模型可以表示为：

其中，θ为等效斜视角，v₀为等效雷达速度。

任意方位时刻t高频发射信号经过双程距离延迟后在接收端完成正交解调，并在方位向形成宽带调频信号，信号的顺势相位为：

多普勒历程即瞬时方位频为：

多普勒历程的常数项定义为多普勒中心频率f_d，线性系数定义为多普勒调频率f_r，利用 f_d、k_r对模型参数v₀、θ进行反求解：

由上式可以看出通过对传统斜视距离模型做幂级数展开，结果可以精确拟合到多普勒历程的线性项，即实际距离历程的二阶分量，而二阶以上展开项则取决于双曲根式，无法精确拟合距离历程的对应分量，主要表现为三阶拟合误差。由于适用场景为低轨成像的合成孔径时间相对较短，因此，三阶分量的拟合误差可以忽略。采用该距离模型仍能够保证信号模型的简析性和简洁性，满足本发明的距离模型需求。

(2)频控阵成像空间精度包括距离向分辨ρ_r，方位向分辨力ρ_a，要求ρ_r≤2m，ρ_a≤2m。它们可以分别表示为如下的表达式：

ρ_r＝c/2(|K_rT_r|+MΔf)

ρ_a＝λ₀/2(N-1)d

式中，c为光速，M为发射阵元个数，N为接收阵元个数，λ₀为阵列第一个阵元的发射信号波长。若雷达发射信号为窄带信号的情况下，距离向分辨力就可以写为：

ρ_r＝c/2MΔf

频控阵辐射波束方向图在目标处的场强为：

频控阵辐射波束方向图如图2(a)所示。由于其方向图具有周期性，如要在空间某点形成波束最大的增益，即上式取得最大值。

由极限定理可知，如要上式取得最大值需要满足：

k为任意整数

因此，可以得到：

R_s具有周期性c/Δf，为防止角度维出现模糊，R_s需满足

即：

因此，d≤c/2f₀＝λ0/2。通常取阵元间隔d为第一个阵元波长的一半。

频控阵与相控阵的最明显的区别就在于其天线阵元的频率增量Δf不同，由辐射天线方向图的特性及斜距的周期规律，发射主瓣的斜距范围为：

天线3dB处的主瓣宽度约为

假设在斜距上的观测范围为Δr，则Δr应满足

可得

式中，R2为观测场境内离雷达阵列最远的距离，R1为观测场境内离雷达阵列最近的距离。

为满足发射信号之间的相干性则

为了在空间某点形成最大增益，需满足可得

天线发射波束的主瓣持续的斜距范围需满足

得出斜距上的主瓣宽度为2c/NΔf，天线3dB主瓣宽度R_3dB应约为c/NΔf。假设观测要求的在斜距上的范围为ΔR，则要满足覆盖要求，R_3dB需满足R_3dB≥ΔR，则

在相参处理中，为使采样频谱不发生混叠且消除频率分集阵列的波束时变性的影响，脉冲重复频率需满足1.2Δf_d≤f_r≤Δf。设Δf_d为主瓣多普勒带宽，为避免成像时出现方位模糊和距离模糊，脉冲重复频率又需满足

得f_r＜c/2r₀。若要使得目标可以实现相参积累及不发生越距离单元走动，相干积累时间T_s需满足

根据上述各参数需满足的条件，本例中频控阵雷达阵列采取斜视角θ为30°的斜带成像方式工作，俯仰角为

运载平台高度为2km，则斜距R_s＝3.3km，则R2＝3.5km，R1＝3km。取平台速度为250m/s。信号带宽B＝80MHz、方位向慢时间T_a＝0.75s、脉冲重复频率f_r＝6KHz、脉冲持续时间T_r＝10e-6s。取8个雷达阵元数，第一个阵元的工作频率为 f₀＝10GHz，由上述计算可得d＝0.015m，Δf＝10kHz。

(3)由(2)所计算的参数可以得出频控阵发射阵列第m个阵元的发射信号可以表述为：

S_m(t)＝rect(t/T_r-n/T_rfr)exp(j2π(f₀+(m-1)Δf))exp(jπk_r(t-n/T_rfr)²)0＜m＜M，n＝1，2，3…

其中，j为虚数单位，调频率k_r＝B/T_r，n为发射脉冲序号，exp(·)是底为e的指数函数。

(4)抑制空间中的强干扰信号从而提高接收信号的信干噪比是相控阵中的低副瓣处理体现的优势，在频控阵中，借鉴相控阵对发射信号进行加窗低副瓣处理依然是可行的。传统频控阵雷达采用目标点的导向矢量作为加权向量，即：

则低副瓣的加权矢量可以表示为：

w′＝w⊙w_r

式中，w′为低副瓣加权矢量，w_r为加窗处理时对应权向量即锐化加权。

对频控阵使用汉明窗加权之后的方向图可以表示为：

式中，w_m为第m个阵元的低副瓣加权值。加权低副瓣处理后的阵元发射波束图如图2(b)所示，可以看到能量均集中在主瓣区域，副瓣能量被降到最低。

(5)最后，对回波进行多普勒锐化处理(非聚焦FFT)，取锐化比为64，对观测区域进行匹配成像，图3(a)，图3(b)分别为最终的单目标及多目标匹配成像结果。可以看到，最终的成像结果清晰，效果良好。验证了本发明的有效性和实用性。

Claims (5)

1.一种基于频控阵的地形匹配方法。其特征是：采用频控阵阵列作为地形匹配系统的发射阵列取代传统的雷达阵列，构建观测场景距离模型；然后，对发射阵列参数进行合理的设计；然后，对发射信号进行低副瓣处理，增大主波束能量，最后，对回波信号进行多普勒锐化处理快速匹配成像。频控阵阵列辐射波束图具有角度-距离依赖特性，可以克服传统阵列在距离维无法抑制干扰、分辨率低的缺陷，可以有效地增大雷达目标检测性能。

2.根据权利要求1所述一种基于频控阵的地形匹配方法，其特征在于，构建观测场景距离模型。距离模型是雷达目标建模的关键基础，关系着目标检测与成像的效果。这个距离随着方位时间而变化会导致不同脉冲间的相位调制，是获得高分辨力的必要条件。设点目标波束中心时刻t＝0，斜距为R_s，距离模型可以表示为：

其中，θ_eq为等效斜视角，v₀为等效雷达速度。

3.根据权利要求1所述的一种基于频控阵的地形匹配方法，其特征在于，根据地形匹配应用场景及斜距模型要求，设定频控阵雷达阵列及阵元发射信号各个参数。由于频控阵雷达成像的空间精度受到阵元个数、阵元间距及阵元载频之间的频差影响，因此要设计合适的阵元个数M、阵元间隔d及各阵元之间的载频频率增量Δf。考虑到参数对回波处理的影响，还需合理的设计脉冲重复周期f_r及相干积累时间T_s。频控阵是针对发射阵列而言的，因此选择以频控阵作为发射阵列，相控阵作为接收阵列建立发射-接受框架。

4.根据权利要求3所述一种基于频控阵的地形匹配方法，其特征在于，根据上述参数对频控阵雷达各阵元发射信号波形进行建模。由于频控阵各阵元的载频是不一样的，设所用频控阵雷达有M个阵元，第一个阵元的辐射信号载频为f₀，第一个阵元辐射信号可表示为：

S₁(t)＝a₀(t)exp(j2πf₀t)0＜t＜Tr

第m个阵元的辐射信号频率为：

f_m＝f₀+m·Δf m＝1，2，...，M

第m个阵元的辐射信号可以表示为：

S_m(t)＝a₀(t)exp(j2πf_mt)＝a₀(t)exp(j2π(f₀+m·Δf)t) 0＜t＜Tr

其中，a₀(t)为基带信号，T_r为脉冲持续时间，Δf为频率增量。

5.根据权利要求4所述一种基于频控阵的地形匹配方法，其特征在于，为满足实时成像处理的要求，对回波信号进行多普勒锐化(Doppler Beam Sharpening，DBS)非聚焦处理。设定合适的锐化比，对观测区域进行非聚焦处理，可以在较短的时间内完成对大范围场景的匹配成像，减少成像所需时间，快速得到成像结果。

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