CN112213714A - 一种稳态距离-角度解耦合波束形成方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于信号处理技术领域，公开了一种稳态距离‑角度解耦合波束形成方法及系统，该方法包括：FDA雷达天线为共址发射‑接收天线，FDA雷达天线是具有M个阵元的均匀线阵，设计非线性频率步进量，根据非线性频率步进量FDA雷达发射天线得到发射信号，发射信号经远场目标反射后，FDA雷达接收天线得到接收信号；采用M个带通滤波器对接收信号进行带通滤波处理，得到滤波处理后的信号；采用M个混频器对滤波处理后的信号进行混频处理，得到混频处理后的信号；对混频处理后的信号进行波束形成，得到稳态距离‑角度解耦合波束；该方法打破了传统FDA发射方向图的距离角度二维耦合特性，解决了FDA方向图的时变问题，提高了距离‑角度域雷达目标参数检测与跟踪的精度。

Description

一种稳态距离-角度解耦合波束形成方法及系统

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，公开了一种稳态距离-角度解耦合波束形成方法及系统。

背景技术

相控阵天线通过采用移相器产生所需波束指向的各阵元相位配置实现电子波束捷变，具有波束扫描速度快，波束扫描精度高的优势，因此在军用与民用领域均取得了广泛的应用。近年来，一种具有更为灵活波束形成能力的新型阵列，频率分集阵(Frequencydiverse array,FDA)获得了国内外学者的广泛关注。在阵列天线的基础，FDA通过在阵元间引入微小的频率步进量，可产生距离角度依赖的二维波束。因此，与相控阵天线相比，FDA在目标参数估计、同时多任务、距离依赖型干扰抑制等领域，具有更优秀的潜在应用价值。

与相控阵仅角度依赖的远场静态方向图相比，FDA的远场发射方向图不仅具有距离与角度二维依赖特性，而且具有时间依赖特性。一方面FDA远场方向图的距离角度二维依赖特性不能满足精确目标参数估计的要求，另一方面，FDA远场方向图的时变特性也增加了阵列波束指向控制的难度与复杂度。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种稳态距离-角度解耦合波束形成方法及系统，打破了传统FDA发射方向图的距离角度二维耦合特性，能够解决FDA方向图的时变问题，提高了距离-角度域雷达目标参数检测与跟踪的精度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

(一)一种稳态距离-角度解耦合波束形成方法，包括以下步骤：

步骤1，FDA雷达天线为共址发射-接收天线，所述FDA雷达发射天线是具有M个阵元的均匀FDA线阵，设计非线性频率步进量，根据所述非线性频率步进量FDA发射天线得到发射信号，所述发射信号经远场目标反射后，FDA接收天线得到接收信号；

步骤2，采用M个带通滤波器对所述接收信号进行带通滤波处理，得到滤波处理后的信号；

步骤3，采用M个混频器对所述滤波处理后的信号进行混频处理，得到混频处理后的信号；

步骤4，对所述混频处理后的信号进行波束形成，得到稳态距离-角度解耦合波束。

本发明技术方案一的特点和进一步的改进为：

(1)步骤1中，所述非线性频率步进量用于指示任意相邻阵元之间所发射的FDA信号的频率步进量差，所述频率步进量差为非固定常数，具体表示如下：

△f_m-△f_m-1≠固定常数

其中，f_m为第m个阵元的发射信号频率，f_m＝f₀+△f_m,m＝1,2,…,M，其中，f₀为参考频率，△f_m为应用于第m个阵元的频率步进量，△f_m-1为应用于第m-1个阵元的频率步进量；

所述发射信号为：

其中，j为虚数单位，t为时间，

为第m个阵元的初始相位；

所述接收信号为：

其中，R_m为第m个阵元到远场目标的距离，R_r为远场目标到接收天线的距离，c为光速，t为时间。

(2)第m个阵元的初始相位

为：

其中，d为各阵元之间的间距，θ₀为目标偏离Y轴正轴的角度，R₀为FDA雷达天线到目标的距离；

(3)M个所述带通滤波器的带宽均为相邻两阵元所采用频率步进量差的最小值，即min{|△f_m-△f_m-1|}；

所述滤波处理后的信号为：

其中*表示卷积操作，h_m(t)为第m个所述带通滤波器的临时响应函数。

(4)所述混频处理后的信号为：

(5)所述稳态距离-角度解耦合波束为：

其中，w_m为第m路信号的权值，R为发射天线到目标的距离，θ为目标偏离Y轴正轴的角度。

(6)采用带通滤波器对所述接收信号进行带通滤波处理之前，还包括：

采用低噪声放大器对所述接收信号进行低噪声放大处理，得到低噪声放大后的信号。

(7)采用混频器对所述混频处理后的信号进行波束形成之前，还包括：

采用模数转化器对所述混频处理后的信号进行模数转换，得到模数转换后的信号。

(二)一种稳态距离-角度解耦合波束形成系统，包括：FDA雷达天线、M个带通滤波器、M个混频器和波束形成模块；

所述FDA雷达接收天线的信号输出端分别与M个带通滤波器的信号输入端电连接，每个所述带通滤波器的信号输出端对应与一个所述混频器的信号输入端电连接，每个所述混频器的信号输出端分别与所述波束形成模块的信号输入端电连接，所述波束形成模块的信号输出端输出稳态距离-角度解耦合波束。

本发明技术方案二的特点和进一步的改进为：

(1)所述FDA雷达天线为共址发射-接收天线，所述FDA雷达发射天线是具有M个阵元的均匀FDA线阵；

所述FDA雷达天线用于设计非线性频率步进量，根据所述非线性频率步进量FDA雷达发射天线得到发射信号，所述发射信号经远场目标反射后FDA雷达接收天线得到接收信号；

所述带通滤波器用于对所述接收信号进行带通滤波处理，得到滤波处理后的信号；

所述混频器用于对所述滤波处理后的信号进行混频处理，得到混频处理后的信号；

所述波束形成模块用于对所述混频处理后的信号进行波束形成，得到稳态距离-角度解耦合波束。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过设计非线性频率步进量，打破了传统FDA发射方向图的距离角度二维耦合的特性，再通过带通滤波器对接收信号进行带通滤波处理，将各信号分开，通过混频器对带通滤波处理后的信号进行混频处理，将各信号中与时间有关的因子处理掉，再对混频处理后的各信号进行波束形成得到稳态距离-角度解耦合波束，解决了FDA方向图的时变问题，从而提高了距离-角度域雷达目标参数检测与跟踪的精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明实施例提供的稳态距离-角度解耦合波束形成方法的流程框图；

图2为本发明实施例提供的FDA雷达天线的几何构型图；

图3为本发明实施例提供的对接收信号的处理框图；

图4为本发明实施例提供的稳态距离角度域方向图；4(a)是采用线性频率步进量的△f_m＝-(m-1)△f稳态距离角度域方向图；图4(b)是用采用非线性频率步进量△f_m＝-△fln(m)波束指向为(R₀,θ₀)＝(50km,0°)的稳态距离角度域方向图；图4(a)和图4(b)中的横坐标分别为Range(范围)，单位：km，纵坐标分别为Magnitude(大小)，单位：dB，其中，f₀＝10GHz，d＝0.015m，M＝20 and △f＝10kHz。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

(一)一种稳态距离-角度解耦合波束形成方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，FDA雷达天线为共址发射-接收天线，FDA雷达发射天线是具有M个阵元的均匀FDA线阵，设计非线性频率步进量，根据非线性频率步进量FDA雷达发射天线得到发射信号，发射信号经远场目标反射后，FDA雷达接收天线得到接收信号；

具体的，非线性频率步进量是指任意相邻阵元之间所发射的信号的频率步进量差，所述频率步进量差为非固定常数，具体表示如下：

△f_m-△f_m-1≠固定常数

其中，FDA雷达天线是具有M个阵元的均匀线阵，以第m个阵元为例，具体的，第m个阵元的辐射信号频率为f_m，f_m＝f₀+△f_m,m＝1,2,…,M，其中，f₀为参考频率，△f_m为应用于第m个阵元的频率步进量；△f_m为应用于第m个阵元的频率步进量，△f_m-1为应用于第m-1个阵元的频率步进量；

发射信号可表示为：

其中，j为虚数单位，t为时间，

为第m个阵元的初始相位；

接收信号可表示为：

其中，R_m为第m个阵元到远场目标的距离，R_r为远场目标到接收天线的距离，c为光速。

为了保证FDA天线的波束主瓣指向期望的距离角度区域，即(R₀,θ₀)，第m个阵元的初始相位应为：

其中，d为各阵元之间的间距，θ₀为参考阵元偏离Y轴正轴的角度，R₀为FDA天线到目标阵元的距离；

在本发明中，f_m为不仅表示的是第m个阵元的发射信号频率，还表示第m路带通滤波器的中心频率、第m路混频器的中心频率。

如图2所示，由移相器产生M个阵元的初始相位，设计非线性频率步进量，根据非线性频率步进量FDA雷达发射天线得到发射信号，其中，发射信号经远场目标反射后，FDA雷达接收天线得到接收信号。

进一步的，采用低噪声放大器对接收信号进行低噪声放大处理，在接收信号较微弱的情况下，低噪声放大器对微弱的接收信号进行放大处理，提高带通滤波器对接收信号带通滤波处理的精度、以及混频器对滤波处理后的信号的混频处理精度，最终得到稳态距离-角度解耦合波束。

进一步的，采用带通滤波器对低噪声放大后的信号进行带通滤波处理，得到滤波处理后的信号；

具体的，滤波处理后的信号为：

其中*表示卷积操作，h_m(t)为第m个带通滤波器的临时响应函数。

带通滤波器能够允许特定频段的波通过同时又屏蔽其他频段的波，M个带通滤波器的带宽均为相邻两阵元所采用频率步进量差的最小值，即min{|△f_m-△f_m-1|}，其中，第m个带通滤波器的中心频率为f_m；由于每个带通滤波器的中心频率是不同的，第1个带通滤波器的中心频率为f₁，接收信号经过第1个带通滤波器处理后，得到的是发射信号频率为f₁的第一个阵元发射的信号，以此类推。

本发明实施例中，M个带通滤波器的中心频率与M个阵元的发射信号频率一一对应，带通滤波器的作用是将接收信号中M个阵元的发射信号彼此分开，得到彼此分开的滤波处理后的信号。

进一步的，采用混频器对滤波处理后的信号进行混频处理，得到混频处理后的信号；

具体的，混频处理后的信号可表示为：

注意公式中漏掉了时间t

其中，f_m为第m个混频器的中心频率。

由上式可知，第m个信号中与时间有关的因子被处理掉了。

本发明实施例中，混频器的中心频率与带通滤波器的中心频率相等，M个混频器的中心频率分别与M个带通滤波器的中心频率一一对应，其中，混频器的作用是将各信号中与时间有关的因子处理掉，得到具有时不变特性的混频处理后的信号。

进一步的，采用模数转化器对混频处理后的信号进行模数转换，得到模数转换后的信号。

进一步的，对模数转换后的信号进行波束形成，得到稳态距离-角度解耦合波束。

具体的，步骤4中，稳态距离-角度解耦合波束为：

其中，w_m为第m路信号的权值，R为发射天线到目标的距离，θ为目标偏离Y轴正轴的角度。

(二)一种稳态距离-角度解耦合波束形成系统，包括：FDA雷达天线、低噪声放大器、M个带通滤波器、M个混频器、M个模数转换器和波束形成模块；

FDA雷达接收天线的信号输出端与低噪声放大器的信号输入端电连接，低噪声放大器的信号输出端分别与M个带通滤波器的信号输入端电连接，每个带通滤波器的信号输出端对应与一个混频器的信号输入端电连接，每个混频器的信号输出端对应与一个模数转换器的信号输入端电连接，每个模数转换器的信号输出端分别与波束形成模块的信号输入端电连接，波束形成模块的信号输出端输出稳态距离-角度解耦合波束。

在本实施例中，FDA雷达天线为共址发射-接收天线，FDA雷达发射天线是具有M个阵元的均匀FDA线阵；

FDA雷达天线用于设计非线性频率步进量，根据非线性频率步进量FDA雷达发射天线得到发射信号，发射信号经远场目标反射后FDA雷达接收天线得到接收信号；

低噪声放大处理器用于对接收信号进行低噪声放大处理，得到低噪声放大处理后的信号；

带通滤波器对低噪声放大处理后的信号进行带通滤波处理，得到滤波处理后的信号；

混频器对滤波处理后的信号进行混频处理，得到混频处理后的信号；

模数转换器对混频处理后的信号进行模数转换，得到模数转换后的信号；

具体的，模数转换器的作用是把经过与标准量(或参考量)比较处理后的模拟量转换成以二进制数值表示的离散信号，模数转换器可以分为并联比较型ADC、逐次逼近型ADC、双积分型ADC等，而模数转换器的选用具体取决于输入电平、输出形式、控制性质以及需要的速度、分辨率和精度，因此，本发明在此对模数转换器的类别和型号不作具体限定。

波束形成模块用于对模数转换后的信号进行波束形成，得到稳态距离-角度解耦合波束。

如图3所示，FDA雷达接收天线得到接收信号后，接收信号经过低噪声放大处理器对接收信号进行放大，放大后的信号从低噪声放大器的信号输出端输出分别进入M个带通滤波器的信号输入端，带通滤波器对放大后的信号进行带通滤波处理，将放大后的信号中的各信号分开，每个带通滤波器得到一个带通滤波处理后的信号，带通滤波处理后的信号从带通滤波器的信号输出端输出进入混频器的信号输入端，混频器对带通滤波处理后的信号进行混频处理，将低噪声放大后的信号中与时间有关的因子处理掉，滤波处理后的信号从混频器的信号输出端输出分别从模数转换器的信号输入端进入，模数转化器对混频器处理后的信号进行模数转换，模数转换后的各个信号从模数转换器的信号输出端输出并进入波束形成模块的信号输入端，波束形成模块对M个模数转换后的信号进行波束形成，波束形成模块的信号输出端输出稳态距离-角度解耦合波束。

仿真实验

基于线性频率步进量得出如图4(a)线性频率步进量的△f_m＝-(m-1)△f稳态距离角度域方向图；基于非线性频率步进量得出如图4(b)非线性频率步进量△f_m＝-△fln(m)波束指向为(R₀,θ₀)＝(50km,0°)的稳态距离角度域方向图；

由图4(a)可知，基于所提接收处理链路，采用线性频率步进量的FDA所产生的方向图虽然解决了时变问题，但其在距离角度二维空间仍存在距离角度信息耦合问题；由图4(b)可知，基于本发明提出的稳态距离-角度解耦合波束形成方法及系统，实现了稳态距离-角度解耦合波束。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种稳态距离-角度解耦合波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，FDA雷达天线为共址发射-接收天线，所述FDA雷达发射天线是具有M个阵元的均匀FDA线阵，设计非线性频率步进量，根据所述非线性频率步进量FDA发射天线得到发射信号，所述发射信号经远场目标反射后，FDA接收天线得到接收信号；

步骤2，采用M个带通滤波器对所述接收信号进行带通滤波处理，得到滤波处理后的信号；

步骤3，采用M个混频器对所述滤波处理后的信号进行混频处理，得到混频处理后的信号；

步骤4，对所述混频处理后的信号进行波束形成，得到稳态距离-角度解耦合波束。

2.根据权利要求1所述的稳态距离-角度解耦合波束形成方法，其特征在于，步骤1中，所述非线性频率步进量用于指示任意相邻阵元之间所发射的FDA信号的频率步进量差，所述频率步进量差为非固定常数，具体表示如下：

△f_m-△f_m-1≠固定常数

其中，f_m为第m个阵元的发射信号频率，f_m＝f₀+△f_m,m＝1,2,…,M，其中，f₀为参考频率，△f_m为应用于第m个阵元的频率步进量，△f_m-1为应用于第m-1个阵元的频率步进量；

所述发射信号为：

其中，j为虚数单位，t为时间，

为第m个阵元的初始相位；

所述接收信号为：

其中，R_m为第m个阵元到远场目标的距离，R_r为远场目标到接收天线的距离，c为光速。

3.根据权利要求2所述的稳态距离-角度解耦合波束形成方法，其特征在于，第m个阵元的初始相位

为：

其中，d为各阵元之间的间距，θ₀为目标偏离Y轴正轴的角度，R₀为目标到到参考阵元的距离。

4.根据权利要求3所述的稳态距离-角度解耦合波束形成方法，其特征在于，M个所述带通滤波器的带宽均为相邻两阵元所采用频率步进量差的最小值，即min{|△f_m-△f_m-1|}；

所述滤波处理后的信号为：

其中*表示卷积操作，h_m(t)为第m个所述带通滤波器的临时响应函数。

5.根据权利要求4所述的稳态距离-角度解耦合波束形成方法，其特征在于，所述混频处理后的信号为：

6.根据权利要求5所述的稳态距离-角度解耦合波束形成方法，其特征在于，所述稳态距离-角度解耦合波束为：

其中，w_m为第m路信号的权值，R为发射天线到目标的距离，θ为阵元偏离Y轴正轴的角度。

7.根据权利要求1所述的稳态距离-角度解耦合波束形成方法，其特征在于，采用带通滤波器对所述接收信号进行带通滤波处理之前，还包括：

采用低噪声放大器对所述接收信号进行低噪声放大处理，得到低噪声放大后的信号。

8.根据权利要求1所述的稳态距离-角度解耦合波束形成方法，其特征在于，采用混频器对所述混频处理后的信号进行波束形成之前，还包括：

采用模数转化器对所述混频处理后的信号进行模数转换，得到模数转换后的信号。

9.一种稳态距离-角度解耦合波束形成系统，应用于权利要求1-8中任一项所述的稳态距离-角度解耦合波束形成方法，其特征在于，包括：FDA雷达天线、M个带通滤波器、M个混频器和波束形成模块；

所述FDA雷达接收天线的信号输出端分别与M个带通滤波器的信号输入端电连接，每个所述带通滤波器的信号输出端对应与一个所述混频器的信号输入端电连接，每个所述混频器的信号输出端分别与所述波束形成模块的信号输入端电连接，所述波束形成模块的信号输出端输出稳态距离-角度解耦合波束。

10.根据权利要求9所述稳态距离-角度解耦合波束形成系统，其特征在于，所述FDA雷达天线为共址发射-接收天线，所述FDA雷达发射天线是具有M个阵元的均匀FDA线阵；

所述FDA雷达天线用于设计非线性频率步进量，根据所述非线性频率步进量FDA雷达发射天线得到发射信号，所述发射信号经远场目标反射后FDA雷达接收天线得到接收信号；

所述带通滤波器用于对所述接收信号进行带通滤波处理，得到滤波处理后的信号；

所述混频器用于对所述滤波处理后的信号进行混频处理，得到混频处理后的信号；

所述波束形成模块用于对所述混频处理后的信号进行波束形成，得到稳态距离-角度解耦合波束。

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