CN112526510B - 基于方向图分集的单通道角度超分辨方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于方向图分集的单通道角度超分辨方法及系统。该方法可以通过一个任意结构的单通道扫描阵实现，该天线具有N个扫描角度或状态，在各扫描角度下接收目标回波信号向量Y_N。同时，采用傅里叶变换将天线的N个扫描方向图等效为具有幅相权重的均匀直线阵天线，得到权重矩阵W_N。得到Y_N与W_N后，将含有目标角度信息的口径幅相分布X_N与Y_N的关系转化为线性方程组，求解该线性方程组就能单通道地恢复口径幅相分布。将恢复的幅相分布根据具体应用需求代入合适的超分辨算法，实现了单通道角度超分辨。本发明具有单个射频通道、结构简单、成本低、性能好等优点。

Description

基于方向图分集的单通道角度超分辨方法及系统

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，特别涉及一种基于方向图分集的单通道角度超分辨方法及系统。

背景技术

军事探测领域中，雷达必不可少。雷达是一种通过发射无线电磁波对目标进行照射，利用接收的回波获得目标的距离、速度、方位、高度等信息的目标探测装置。雷达技术的迅速发展派生出了相控阵技术、自适应技术、数字波束形成(DBF)技术、微波成像技术、隐身技术等各种新兴技术。这些技术有的在通信领域也有重要应用。DBF技术的基本原理是探测每个阵元上的信号并且将它们转换成数字基带信号，然后通过对这些信息加权求和输出获得所需要的波束或者用于实现超分辨算法方位超分辨等等。

传统的DBF天线阵列要求每个阵元的信号都被采集下来，因此每个阵元后面都连接着一路射频通道和一套A/D采样设备，造成体积大、功耗高。同时由于通道之间的不一致性，通道校正也是一个很大的挑战。为了研究结构简单、成本低的DBF天线，学者们提出了诸多方法，例如：子阵划分的方法、开关单通道DBF、基于时序相位权重技术(TSPW)的单通道DBF等等，很大程度的减少了系统的硬件成本和信号处理的复杂度。然而，子阵划分的方法对波束的副瓣和接收通道的噪声输出功率有影响，从而影响最终的性能。开关单通道DBF天线工作思路直观，但天线阵列任意时刻只有一个阵元工作，存在不容易克服的互耦和失配问题。基于时序相位权重技术(TSPW)的单通道 DBF，总体性能良好，但是它对阵元数量有一定的要求，且需要与阵元数相等数目的0/π移相器。尽管与同等数量的射频通道相比成本已经大幅降低，但仍存在尺寸大、结构复杂、成本高的问题。

综上所述，单通道DBF技术已经有了一定的发展，硬件结构简单、低成本的单通道DBF仍然是研究热点。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种基于方向图分集的单通道角度超分辨方法及系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于方向图分集的单通道角度超分辨方法，该方法通过一个任意结构的单通道扫描阵实现，所述方法包括以下步骤：

步骤1，采用N个不同扫描角度的扫描波束接收目标回波，得到天线的N个目标回波信号，构成目标回波信号向量Y_N；

步骤2，采用傅里叶变换将天线的N个扫描方向图等效为具有幅相权重的均匀直线阵天线，得到权重矩阵W_N；

步骤3，基于所述Y_N和W_N，利用方向图分集方法求解含有目标角度信息的口径幅相分布即天线阵口径分布X_N；

步骤4，将天线阵口径分布X_N代入超分辨算法，实现单通道角度超分辨。

进一步地，步骤2所述采用傅里叶变换将天线的N个扫描方向图等效为具有幅相权重的均匀直线阵天线，得到权重矩阵W_N，具体过程包括：

步骤2-1，针对某一波束的扫描方向图f(θ)，对其进行傅里叶变换得到线源的电流幅相：

式中，I(z)为线源z处的电流幅相，u＝k sinθ，λ为工作波长， -π/2≤θ≤π/2，2L为天线的扫描面长度；

步骤2-2，基于均匀直线阵天线的单元间距d，得到均匀直线阵的阵元幅相为I(-L+d)、 I(-L+2d)、I(-L+3d)、…、I(L-2d)、I(L-d)，则该波束的幅相权重H_i＝[I(-L+d)、I(-L+2d)、I(-L+3d)、…、I(L-2d)、I(L-d)]；

步骤2-3，对其他的N-1个波束重复上述步骤2-1和步骤2-2，可以求得每个波束的幅相权重，形成权重矩阵W_N＝[H₁,H₂,…,H_N]^T。

进一步地，步骤3所述基于所述Y_N和W_N，利用方向图分集方法求解含有目标角度信息的口径幅相分布即天线阵口径分布X_N，所依据的公式为：

Y_N＝W_NX_N

即

则：

X_N＝W_N ^-1Y_N

式中，x_j为含有目标角度信息的第j个口径幅相，y_j为第j个波束对应的目标回波信号，j＝1,…,N。

一种基于方向图分集的单通道角度超分辨系统，所述系统包括：

采集模块，用于采用N个不同扫描角度的扫描波束接收目标回波，得到天线的N 个目标回波信号，构成目标回波信号向量Y_N；

等效模块，用于采用傅里叶变换将天线的N个扫描方向图等效为具有幅相权重的均匀直线阵天线，得到权重矩阵W_N；

求解模块，用于基于所述Y_N和W_N，利用方向图分集方法求解含有目标角度信息的口径幅相分布即天线阵口径分布X_N；

超分辨模块，用于将天线阵口径分布X_N代入超分辨算法，实现单通道角度超分辨。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)单个射频通道恢复口径幅相分布，避免了大量射频通道带来的成本、工程实现难度、调试和维修的难度增加；2)可以应用任意扫描阵，应用场景广泛，采用任意结构的扫描阵都可以单通道地恢复口径幅相分布，继而实现超分辨或数字波束形成，可根据实际应用任意选择天线、硬件结构，不限于常规相控阵，尤其可以是低成本、高性能的扫描阵，具有单个射频通道、结构简单、成本低、性能好等优点。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明基于方向图分集的单通道角度超分辨方法的流程图。

图2为现有多通道技术和本发明的单通道技术的硬件实现结构图，其中图(a)为现有多通道技术硬件实现结构图，图(b)为本发明的单通道技术的硬件实现结构图。

图3为一个实施例中采用的低成本双极化一维电描透射阵结构图。

图4为一个实施例中选取的合适的扫描波束图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

结合图1，提供了一种基于方向图分集的单通道角度超分辨方法，该方法通过一个任意结构的单通道扫描阵实现，所述方法包括以下步骤：

步骤1，采用N个不同扫描角度的扫描波束接收目标回波，得到天线的N个目标回波信号，构成目标回波信号向量Y_N；

步骤2，采用傅里叶变换将天线的N个扫描方向图等效为具有幅相权重的均匀直线阵天线，得到权重矩阵W_N；

这里，传统相控阵存在结构复杂成本高的问题，为了简化结构、降低成本，本发明使用扫描透射阵作为硬件结构。与传统相控阵不同，扫描透射阵的每个波束的幅相权重系数H_i不是已知的。然而对于任何一个非相控阵的实孔径天线，根据其远场方向图，总可以找到与它等效的幅相权重为H的均匀直线阵天线；

步骤3，基于所述Y_N和W_N，利用方向图分集方法求解含有目标角度信息的口径幅相分布即天线阵口径分布X_N，由此实现了单通道恢复口径分布；

步骤4，将天线阵口径分布代入超分辨算法(可以是任意的超分辨率算法)，实现单通道角度超分辨。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤2中所述具有幅相权重的均匀直线阵天线的单元间距d为λ/2。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤2所述采用傅里叶变换将天线的N个扫描方向图等效为具有幅相权重的均匀直线阵天线，得到权重矩阵W_N，具体过程包括：

步骤2-1，针对某一波束的扫描方向图f(θ)，对其进行傅里叶变换得到线源的电流幅相：

式中，I(z)为线源z处的电流幅相，u＝ksinθ，λ为工作波长， -π/2≤θ≤π/2，2L为天线的扫描面长度；

步骤2-2，基于均匀直线阵天线的单元间距d，得到均匀直线阵的阵元幅相为I(-L+d)、 I(-L+2d)、I(-L+3d)、…、I(L-2d)、I(L-d)，则该波束的幅相权重H_i＝[I(-L+d)、I(-L+2d)、 I(-L+3d)、…、I(L-2d)、I(L-d)]；

步骤2-3，对其他的N-1个波束重复上述步骤2-1和步骤2-2，可以求得每个波束的幅相权重，形成权重矩阵W_N＝[H₁,H₂,…,H_N]^T。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤3所述基于所述Y_N和W_N，利用方向图分集方法求解含有目标角度信息的口径幅相分布即天线阵口径分布X_N，所依据的公式为：

Y_N＝W_NX_N

即

则：

X_N＝W_N ^-1Y_N

式中，x_j为含有目标角度信息的第j个口径幅相，y_j为第j个波束对应的目标回波信号，j＝1,…,N。

在具体实现时，受限于扫描阵的最大扫描角度与角度间隔，权重矩阵W_N的条件数往往远大于1，X_N＝W_N ^-1Y_N会出现病态问题。为了准确求解X_N，可以采用任意合适的求解方法，由于权重矩阵条件数比较大，优选地，采用正则化方法进行求解。

进一步优选地，步骤4中所述超分辨算法采用MUSIC算法。

本发明提供了一种基于方向图分集的单通道角度超分辨系统，所述系统包括：

采集模块，用于采用N个不同扫描角度的扫描波束接收目标回波，得到天线的N 个目标回波信号，构成目标回波信号向量Y_N；

等效模块，用于采用傅里叶变换将天线的N个扫描方向图等效为具有幅相权重的均匀直线阵天线，得到权重矩阵W_N；

求解模块，用于基于所述Y_N和W_N，利用方向图分集方法求解含有目标角度信息的口径幅相分布即天线阵口径分布X_N；

超分辨模块，用于将天线阵口径分布X_N代入超分辨算法，实现单通道角度超分辨。

关于基于方向图分集的单通道角度超分辨系统的具体限定可以参见上文中对于基于方向图分集的单通道角度超分辨方法的限定，在此不再赘述。上述基于方向图分集的单通道角度超分辨系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

如图2(a)所示，现有的技术里要获取目标口径幅相分布来实现超分辨，需要采用N个接收天线来接收信号，并在每个天线后接一个射频接收通道来获取口径幅相分布，从而实现超分辨。在大部分情况下阵元个数比较多，与此对应的大量的射频通道会极大地增加成本、工程实现难度、调试和维修的难度。在近期一些研究中也陆续提出了单通道 DBF，但是这些方法均需要采用某一种特定的结构，且存在尺寸大、结构复杂、成本高的问题。而本发明所提出的方法，如图2(b)所示，能采用任意结构的扫描阵，可以是传统的扫描阵，例如：相控扫描阵、机械扫描阵，也可以是其他新型扫描阵，例如：相控扫描透射阵、偏焦扫描透射阵，基于所提出的方向图分集的方法，用单个射频通道恢复出口径幅相分布，从而大大降低了硬件的实现难度，降低了成本，应用范围更为广泛。

作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明的基于方向图分集的单通道角度超分辨方法进行进一步验证说明：

结合图3，为该实施例采用的低成本双极化一维电描透射阵的硬件结构图。该透射阵天线的平面尺寸为550mm×430mm(10.1λ₀×7.9λ₀)，剖面为189mm(3.46λ₀)。其工作频率为5.5GHz，通过对移相器和开关的控制来改变波束扫描角度，最终可实现扫描范围±30°。共计使用四个单刀五掷(SP5T)开关和四个四位移相器，成本比传统相控阵低得多。

对天线的扫描方向图进行傅里叶变换，可以发现该透射阵的扫描波束都可以等效成一个19元直线阵。结合透射阵的扫描范围，本实施例选择了下面这19个扫描角度来实现单通道恢复目标的幅相口径分布：-24°、-18°、-16°、-12°、-10°、-8°、-6°、-3°、-2 °、0°、2°、3°、6°、8°、10°、12°、16°、18°、24°。方向图如图4所示。对这19个波束进行傅里叶变换分别得到它们的幅相权重，然后将这19个幅相权重组成权重矩阵 W_N，矩阵W_N见下表1。此时的权重矩阵W_N的条件数为5.34e16。

表1各波束通过傅里叶变换得到的权重矩阵

按HFSS全波仿真结果，得到两目标的实际接收信号Y_N，通过正则化方法求解得到目标的幅相分布X_N。将得到的X_N代入MUSIC算法来分辨出两目标的角度信息。

结合下表2和下表3，可以看出，在采用低成本双极化偏焦扫描透射阵为硬件结构时，可以通过方向图分集实现单通道的角度超分辨，分辨出相隔6度以内的两目标。

表2存在2个目标无噪声时恢复幅相和超分辨结果

表3信噪比不同时存在2个目标恢复幅相和超分辨结果

由上可知，本发明采用低成本双极化一维电扫透射阵作为硬件结构，实现了单通道角度超分辨。

综上，本发明采用任意结构的扫描阵都可以单通道地恢复口径幅相分布，可根据实际应用任意选择天线、硬件结构，不限于常规相控阵，尤其可以是低成本、高性能的扫描阵，具有单个射频通道、结构简单、成本低、性能好等优点。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于方向图分集的单通道角度超分辨方法，其特征在于，该方法通过一个任意结构的单通道扫描阵实现，所述方法包括以下步骤：

步骤1，采用N个不同扫描角度的扫描波束接收目标回波，得到天线的N个目标回波信号，构成目标回波信号向量Y_N；

步骤2，采用傅里叶变换将天线的N个扫描方向图等效为具有幅相权重的均匀直线阵天线，得到权重矩阵W_N；所述具有幅相权重的均匀直线阵天线的单元间距d为λ/2；所述采用傅里叶变换将天线的N个扫描方向图等效为具有幅相权重的均匀直线阵天线，得到权重矩阵W_N，具体过程包括：

步骤2-1，针对某一波束的扫描方向图f(θ)，对其进行傅里叶变换得到线源的电流幅相：

式中，I(z)为线源z处的电流幅相，u＝k sinθ，λ为工作波长，-π/2≤θ≤π/2，2L为天线的扫描面长度；

步骤2-2，基于均匀直线阵天线的单元间距d，得到均匀直线阵的阵元幅相为I(-L+d)、I(-L+2d)、I(-L+3d)、…、I(L-2d)、I(L-d)，则该波束的幅相权重H_i＝[I(-L+d)、I(-L+2d)、I(-L+3d)、…、I(L-2d)、I(L-d)]；

步骤2-3，对其他的N-1个波束重复上述步骤2-1和步骤2-2，可以求得每个波束的幅相权重，形成权重矩阵W_N＝[H₁，H₂，…，H_N]^T；

步骤3，基于所述Y_N和W_N，利用方向图分集方法求解含有目标角度信息的口径幅相分布即天线阵口径分布X_N；

步骤4，将天线阵口径分布X_N代入超分辨算法，实现单通道角度超分辨。

2.根据权利要求1所述的基于方向图分集的单通道角度超分辨方法，其特征在于，步骤3所述基于所述Y_N和W_N，利用方向图分集方法求解含有目标角度信息的口径幅相分布即天线阵口径分布X_N，所依据的公式为：

Y_N＝W_NX_N

即

则：

X_N＝W_N ^-1Y_N

式中，x_j为含有目标角度信息的第j个口径幅相，y_j为第j个波束对应的目标回波信号，j＝1，…，N。

3.根据权利要求2所述的基于方向图分集的单通道角度超分辨方法，其特征在于，步骤3采用正则化方法求解含有目标角度信息的口径幅相分布即天线阵口径分布X_N。

4.根据权利要求3所述的基于方向图分集的单通道角度超分辨方法，其特征在于，步骤4中所述超分辨算法采用MUSIC算法。

5.基于权利要求1至4任意一项所述方法的基于方向图分集的单通道角度超分辨系统，其特征在于，所述系统包括：

采集模块，用于采用N个不同扫描角度的扫描波束接收目标回波，得到天线的N个目标回波信号，构成目标回波信号向量Y_N；

等效模块，用于采用傅里叶变换将天线的N个扫描方向图等效为具有幅相权重的均匀直线阵天线，得到权重矩阵W_N；

求解模块，用于基于所述Y_N和W_N，利用方向图分集方法求解含有目标角度信息的口径幅相分布即天线阵口径分布X_N；

超分辨模块，用于将天线阵口径分布X_N代入超分辨算法，实现单通道角度超分辨。