CN111796241A - 一种多波束阵列波束间比幅的副瓣抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多波束阵列波束间比幅的副瓣抑制方法，采用FFT方法实现侦测空域同时多波束覆盖，对检测后的信号进行幅度比较，从多个波束中选择出目标方向的波束，抑制偏离目标方向的副瓣信号，并且可以分离同时到达的不同频率的不同方向的目标信号，再结合比幅测向算法完成目标方位精确测向。该方法硬件资源利用率高，具有目标侦测方位准确度高的特点，在低信噪比时也可以有很好的效果，尤其适合用于宽带数字相控阵系统的工程实现。
Description
技术领域
本项目属于雷达信号被动侦测信息处理领域，涉及一种多波束同时接收处理间比幅的副瓣抑制的副瓣抑制方法。
背景技术
目前的相控阵体制的侦测系统DBF技术主要采用数字配相法，其主要通过改变配相值控制波束扫描，覆盖一定角度的空域。而采用FFT法实现的多波束DBF可在较大角度范围同时产生多个波束，瞬时覆盖空域大。这种方法可以起到更好的信号侦测截获效果，同时也带来了多波束间从副瓣进入的虚假较多的问题。
为避免从副瓣进入的信号产生虚假信号，传统方式是采用添加辅助天线用于副瓣抑制。通过设计辅助天线波束覆盖住主天线的副瓣。采用辅助天线进行副瓣抑制时，对于辅助天线的设计要求较为严格，辅助天线波束需覆盖主天线的副瓣，一般需要多个辅助天线才能达到所需要求，系统复杂度较高。对于虚假抑制抑制，一种基于动态孔径的SAR虚假目标干扰抑制方法及系统的中国发明专利公开号CN106772273B公开日期2019.3.5。该专利涉及SAR中的虚假抑制，主要采用图像处理技术构建虚假方位一维图像，求解欺骗干扰分离问题的目标函数。该方法主要应用于主动雷达SAR领域不适合被动信号侦测，并且算法实现不适合FPGA平台；基于副峰识别的外辐射源雷达虚假目标抑制方法及装置的中国发明专利公开号CN106291484A公开日期2017.1.4。该方法通过计算参考信号与杂波抑制后的监测信号的互模糊函数及恒虚警检测获取疑似目标信息；然后根据副峰性质分别检测并剔除同一距离元和同一多普勒元上副峰引起的虚假目标，获得真实目标信息；一种机场场面监视雷达多径虚假目标航迹抑制方法的中国发明专利公开号CN106959441B公开日期2019.5.31。该方法涉及一种基于目标点迹和路径的虚假抑制方法，主要应用于主动雷达领域不适合被动信号侦测。
以上分析可见，现有技术主要适用于主动雷达领域，而且很多算法不适用于FPGA平台实现。
发明内容
本发明目的在于发明一种多波束数字阵列波束间比幅的副瓣抑制方法，解决了多波束数字阵列系统从副瓣进入信号的虚假信号抑制问题。
本发明提出的一种多波束阵列波束间比幅的副瓣抑制方法，步骤如下：
步骤1：采用FFT算法对数字阵列系统实现多波束接收；
步骤2：通过比较多波束间接收同一信号的幅度，选出接收信号幅度最高的波束；
步骤3：在接收信号幅度最高波束比邻两侧的两个波束中，选出接收该信号幅度次高的波束；
步骤4：剔除步骤2和步骤3选出的两个波束以外其它波束接收到的该信号。
进一步的，步骤1所述的采用FFT算法对数字阵列系统实现多波束接收，是利用天线方位图函数与天线口径照射函数之间，存在着傅里叶变换对的关系，通过FFT算法实现接收多波束形成。
进一步的，步骤2可包括以下步骤：
步骤2-1：对于数据中信号脉冲进行检测，并对其脉宽进行测量，确定比较数据的长度；
步骤2-2：采用粗略测频法测量频率，并进行通道聚类；
步骤2-3：平滑滤波器对于数据进行平滑；
步骤2-4：采用分治比较法和表决法寻找目标波束；
步骤2-5：对于每一聚类为不同频率的信号单独进行波束间幅度比较过程。
进一步的，步骤3所述的最高波束比邻两侧的两个波束，是指为完成步骤4比幅测向算法，选取次强波束时，要在在最高波束相邻的左右两个波束中选取。
进一步的，步骤4所述的结合波束方向图的比幅测向算法，是指两波束交叠处对应的方位为θ0，两波束的中心方位分别为θ1和θ2。先求得两波束接收到的幅度差值，然后在预先准备的幅度差—方位表中查找该值对应的方位修正值，结合θ0，得到真实方位。
本发明针对多波束情况下虚假较多的情况，可以抑制波束中的虚假信号，分离同时到达的不同方向和频率的信号，在低信噪比时也可以有很好的效果，尤其适合用于宽带数字相控阵系统中。相较于数字配相方法FFT算法实现接收多波束形成算法，提升了瞬时空域覆盖范围，降低了DBF计算所需要的硬件资源，大幅度降低了硬件成本。
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
附图1为副瓣抑制方法总体流程图。
附图2为FFT方法DBF波束合成流程图运算框图。
附图3FFT多波束合成波束覆盖效果示意图。
附图4波束间副瓣抑制方法示意图。
附图5过零测量法采样数据示例。
附图6为数据流逐点分治比较法和表决法详细图。
附图7为各数据流计数器分治比较法和表决法详细图。
附图8双波束比幅测向原理图
具体实施方式
本发明提出的一种多波束阵列波束间比幅的副瓣抑制方法，实施例步骤如图1所示，具体如下：
步骤1.采用FFT算法实现接收多波束。
这一方法基于天线方位图是天线口径电流分布函数的傅里叶变换，在天线方位图函数与天线口径照射函数之间，存在着傅里叶变换对的关系。
N单元天线阵中第i单元收到的信号为
其中
为相邻单元接收信号的空间相位差，对第i单元提供的幅度加权系数为aik，相位补偿为
时，线阵的天线方向图可表示为
其中ai＝ai0·aik，若
按波束序号k取离散值，且取
设N＝2k，k为整数。则第k个波束的指向
若θk以表示k，则第k个波束方向图函数Fk(θk)可改写为F(k)
以DFT方式表示后，天线方向图由上式改写为
对于N单元天线阵，为形成N个波束，数字配相方法需要进行N2次复数乘法运算和N(N-1)次复数加法运算。当采用FFT来运算时，则只需要Nk(当(N≈2k))次复数乘法与Nk次复数加法运算。因此，在形成大量波束的情况下，采用FFT方法优点更加明显。FFT算法实现接收多波束形成算法，可同时进行宽空域探测和指定目标跟踪，降低了DBF计算所需要的资源，提升了瞬时空域覆盖范围，并大幅度降低了硬件成本。采用FFT方法进行多波束形成的运算框图如附图2所示。
附图3为FFT多波束合成波束覆盖效果示意图，图中横坐标为方位，纵坐标为波束的增益值，形成的多波束相交覆盖区域。仿真中采用64阵元进行波束合成，合成形成64个波束，波束之间的相交电平约在-3dB左右。同时通过优化FFT算法可以降低前两级乘法器数量，硬件资源相比传统方法节省80％以上。
步骤2.通过比较多波束间接收同一信号的幅度，选出接收信号幅度最高的波束。
在阵列系统覆盖区域内如附图2所示，每个波束的副瓣都被相邻波束的主瓣覆盖。因此可以通过波束间接收到信号的强度，辨别出目标信号来波方位。即利用多波束阵列系统覆盖区域内，每个波束的副瓣都被其它波束主瓣覆盖的特点可完成副瓣抑制的工作。
在信号接收区域中如附图4所示。目标信号由一个方位入射，面阵的多个波束可同时接收到目标信号，信号入射方位的波束为主瓣接收，其它方位的波束为副瓣接收，因此信号入射方位的波束接收到的信号幅度最高。在信号处理程序中，通过比较同一时刻到达接收机各波束间信号幅度的强弱，选出接收到信号强度最高的波束B1波束。步骤2具体实现过程为下面步骤2-1至步骤2-5：
步骤2-1.系统接收到的包含脉冲和噪声的数据经过N点总和法，对脉冲进行检测并对脉宽做大致判断，并且根据脉宽宽度，确定比较数据的长度。
步骤2-2.采用过零检测法测量各个波束脉冲的频率，根据频率值对波束进行聚类。
过零检测法前提是输入信号的频率每个周期至少需要4个采样点，由三角关系式：
sin[(n+2)2πfts+α]＝2cos(2πfts)sin[(n+1)2πfts+α]-sin(n2πfts+α) 公式3
式中，n为整数，ts为采样间隔，f是输入信号频率，α为任意初相。如附图5假设三个样本为x(n)x(n+1)x(n+2)
x(n)＝Asin(n2πfts+α) 公式4
x(n+1)＝Asin((n+1)2πfts+α) 公式5
x(n+2)＝Asin((n+2)2πfts+α) 公式6
把这些数据都带入式，得到：
x(n+2)＝2x(n+1)cos(n2πfts)-x(n) 公式7
由这个等式，可以求出频率：
步骤2-3.选择同一类的波束进一步处理。采用总和后的数据经过平滑滤波器平滑，可以进一步减小由于噪声带来的脉内起伏，提高后续比幅的结果准确性。对于平滑后的多路数据，采用分治比较法和表决法寻找目标通道。其具体方法参照附图6和图7。
a)不失一般性，假设波束通道数量为8，并且8路数据通道第一个数据为an，n是1到8。对于a1、a2……a8进行两两比较，将最大值保留到下一轮继续比较，以此方式比较下去，直到比较出最大值，并且记录下最大值的波束号。
b)给每个波束通道分配一个计数器cntn，n是1到8。根据最大值的波束号，将最大值波束对应的计数器cntn+1。
c)接着重复以上a)和b)两步，比较b1、b2……b8,比较完成后对应计数器cntn+1。以此类推，比较脉宽长度范围内的所有数据。
d)直到所有通道数据比较完成后，开始比较各个通道的对应计数器cntn，同样采用分治比较法，比较出最大值。根据表决法原理，最大值计数器对应的通道就判定为真实目标的对应波束。
步骤2-4.最大值计数器对应的数据通道是真实目标的波束。
步骤2-5.对于每一聚类的波束都重复步骤2-3和步骤2-4，可以分离出多个同时到达的不同方向的不同频率的信号。
步骤3在接收信号幅度最高波束B1相邻的左右两个波束中选取幅度次高波束B2，比较波束B1两侧波束接收到目标信号的幅度，选取这两个波束中幅度较大的波束为B2波束。
步骤4剔除B1波束和B2波束以外其它波束接收到的该信号。信号入射方位为B1波束与B2波束对应方位之间。采用基于波束形状的比幅测向算法，由B1波束与B2波束两波束交叠处对应的方位为θ0，两波束的中心方位分别为θ1和θ2。先求得两波束接收到的幅度差值，然后在预先准备的幅度差—方位表中查找该值对应的方位修正值，结合θ0，即可求得真实方位。其中幅度差—方位表，是依据阵列各波束方向图特征按照目标方位推导出的幅度差值与方位修正值之间的对应关系表。
Claims (4)
1.一种多波束阵列波束间比幅的副瓣抑制方法，其特征在于：
步骤1：采用FFT算法对数字阵列系统实现多波束接收；
步骤2：通过比较多波束间接收同一信号的幅度，选出接收信号幅度最高的波束；
步骤3：在接收信号幅度最高波束比邻两侧的两个波束中，选出接收该信号幅度次高的波束；
步骤4：剔除步骤2和步骤3选出的两个波束以外其它波束接收到的该信号。
2.根据权利要求1所述的一种多波束阵列波束间比幅的副瓣抑制方法，其特征在于：所述步骤1中利用天线方位图函数与天线口径照射函数之间存在着傅里叶变换对的关系，通过FFT算法实现接收多波束。
3.根据权利要求2所述的一种多波束阵列波束间比幅的副瓣抑制方法，其特征在于：所述步骤2包括：
步骤2-1：对于数据中信号脉冲进行检测，并对其脉宽进行测量，确定比较数据的长度；
步骤2-2：采用粗略测频法测量频率，并进行聚类；
步骤2-3：平滑滤波器对于数据进行平滑；
步骤2-4：采用分治比较法和表决法寻找目标波束；
步骤2-5：对于每一聚类为不同频率的信号单独进行波束间进行幅度比较。
4.根据权利要求3所述的一种多波束阵列波束间比幅的副瓣抑制方法，其特征在于：所述步骤4中幅度次高的波束选择方法为：两波束交叠处对应的方位为θ0，两波束的中心方位分别为θ1和θ2；先求得两波束接收到的幅度差值，然后在预先准备的幅度差—方位表中查找该值对应的方位修正值，结合θ0，得到真实方位。
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