CN112711018A - 一种近场空间网状结构聚焦波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种近场空间网状结构聚焦波束形成方法，包括以下步骤：步骤S1.确定雷达天线系统参数；步骤S2.将M个阵元划分为N个子阵，每个数字子阵由L个阵元组成；步骤S3.根据子阵相对参考子阵的回波延时和阵元相对参考阵元的回波延时得到目标回波信号；步骤S4.设定参考信号；步骤S5.将目标回波信号与参考信号做去斜脉冲压缩处理得到各个通道的回波信号；步骤S6.对子阵接收到的信号进行孔径渡越补偿；步骤S7.根据延时补偿后的信号聚焦形成多个空间网状波束覆盖多个目标。本方法可有效的聚焦形成多个空间网状波束覆盖目标，无需扫描、改善对目标距离像的处理，适用于宽带信号下雷达检测目标的实际位置。

Description

一种近场空间网状结构聚焦波束形成方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，主要涉及雷达波束形成技术，具体是一种近场空间网状结构聚焦波束形成方法。

背景技术

随着电子科学技术的不断发展，电磁环境变得比以往更为复杂，而如何在复杂的环境中对多个目标信号实现有效的分辨、识别、监测，已构成对现代声呐，雷达以及各类侦查系统的严峻考验。

在阵列信号处理中，通常假定信源与传感器阵列之间的距离为无限远，在这种情况下阵列接收到的信号可以当作平面波处理，阵列的各个传感器接收到的信号间的差异只存在相位差的问题，从而极大的降低了波束形成问题的复杂度。然而当信源位于阵列近场时，各个阵元接收到的信号源辐射出的信号都是球面波，因此在进行阵列波束设计时需要根据目标所处在阵列的相对位置而区别设计，此时的远场假设在某种程度上不再适用。采用球面波模型设计出的近场波束可以同时将两个处于同一方向不同距离的两个信号进行有效的分离，这是采用远场波束技术无法做到的；但如何使用这种波束在近场空间实现对多个目标的正常聚焦，仍是一个难题。

宽带信号与窄带信号相比，有更丰富的目标信息，在目标检测、参数估计与目标提取等方面更有优势，但相控阵雷达在使用宽带信号，且瞬时带宽较大的情况下时，大孔径天线由于孔径渡越时间差也会影响到对所需目标的正常聚焦。

发明内容

针对背景技术中的问题，为了应对多目标的检测以及分辨，本发明的目的是提出一种近场空间网状结构聚焦波束形成方法，本方法通过将雷达中的阵元划分为子阵以减小孔径渡越时间差，并对孔径渡越时间差进行补偿，并聚焦形成空间网状波束覆盖目标，无需扫描、改善对目标距离像的处理，适用于宽带信号下雷达检测目标的实际位置。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种近场空间网状结构聚焦波束形成方法，包括以下步骤：

步骤S1、确定雷达天线系统参数，所述雷达系统包含1个发射阵元和M个接收阵元，发射阵元为有向天线，M个阵元的方向图为各向同性全向天线，雷达发射信号为波长为λ的线性调频信号；

步骤S2、将M个接收阵元划分为N个子阵，每个子阵由L个阵元组成，设定第一个子阵为参考子阵，设定参考子阵的第一个阵元为参考阵元，设目标中心至参考阵元的距离为R₀，在此距离上发射波束覆盖的空域里等间隔的划分Q个点，形成一个网状结构，则每个点均反射雷达发射的信号，且每个点所反射的信号均为波长为λ的线性调频宽带信号，每个点所反射的信号具有不同的延时；

步骤S3、根据每个子阵相对参考子阵的延时和每个阵元相对参考阵元的延时,得到第n个子阵(n＝1…N)中第l个阵元(l＝1…L)的第q个点(q＝1…Q)的回波信号

然后对每个子阵的阵元进行模拟求和，形成第n个子阵的第q个点的回波信号

步骤S4、设定目标中心至雷达天线参考阵元的距离为R₀时为时间参考点，设发射样本延时为τ₀(τ₀≈τ_r)，其相对于参考子阵和时间参考点的延时误差为Δτ₀，得到参考信号S₀(t)；

步骤S5、将

与参考信号S₀(t)的共轭S₀ ^*(t)做去斜脉冲压缩处理，得到所有接收子阵脉冲压缩后的回波信号

步骤S6、对子阵接收到的回波信号

进行孔径渡越补偿，获得N个子阵的第q个点孔径渡越补偿后信号向量B^q(t)，

步骤S7、根据步骤S6得到的孔径渡越补偿后的信号B^q(t)，将B^q(t)与第q个点的N维权向量

相乘，即在q点聚焦形成波束，同理，分别得到Q个点补偿后的信号与对应的N维加权向量W(t)，其中W(t)＝[W¹(t)…W^q(t)…W^Q(t)],即可分别在Q个点聚焦形成空间网状波束覆盖整个发射空域。

本发明的有益效果是：

本方法通过将雷达中的阵元划分为子阵以减小孔径渡越时间差，并对孔径渡越时间差进行补偿，并聚焦形成一个空间网状波束覆盖目标，无需扫描、改善对目标距离像的处理，适用于近场环境中宽带信号下雷达检测目标的实际位置。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2是雷达线阵时延补偿几何模型。

图3是本发明空间网状聚焦波束形成实现框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明，本发明所提供的方法适用于以线性调频脉冲信号为发射信号的相控阵雷达。

如图1所示，一种近场空间网状结构聚焦波束形成方法，包括以下步骤：

步骤S1、确定雷达天线系统参数，所述雷达系统包含1个发射阵元和M个接收阵元，发射阵元为有向天线，M个阵元的方向图为各向同性全向天线，雷达发射信号为波长为λ的线性调频信号S(t)；

所述雷达的发射信号S(t)为：

其中

f₀为载波频率，μ为调频斜率，T_p表示脉冲宽度；

步骤S2、将M个接收阵元划分为N个子阵，每个子阵由L个阵元组成，设定第一个子阵为参考子阵，设定参考子阵的第一个阵元为参考阵元，设目标中心至参考阵元的距离为R₀，在此距离上发射波束覆盖的空域里等间隔的划分Q个点，形成一个网状结构，则每个点均反射雷达发射的信号，且每个点所反射的信号均为波长为λ的线性调频宽带信号，每个点所反射的信号具有不同的延时；

步骤S3、根据每个子阵相对参考子阵的延时和每个阵元相对参考阵元的延时,得到第n个子阵(n＝1…N)中第l个阵元(l＝1…L)的第q个点(q＝1…Q)的回波信号

然后对每个子阵的阵元进行模拟求和，形成第n个子阵的第q个点的回波信号

第n个子阵的第q个点的回波信号

通过以下具体方法得到：

以第一个子阵的第一个阵元为参考点建立空间直角坐标系，则第l个阵元的空间位置为(x_l,y_l,z_l)，l∈{1,2,…,M}，N个子阵的空间位置分别为(x_n,y_n,z_n)，n∈{1,2,…,N}，参考子阵的空间位置为(x_a,y_b,z_c)；

由于目标相对雷达天线参考阵元的距离为R₀，那么其延时为

假设第q个点对应的空域方位角为θ_q，俯仰角为

则第q个点的坐标为

距离雷达R₀处的第q个点的反射体到第l阵元的距离记为r_l,

其到参考阵元的距离记为r₁，

则第1个阵元接收到的信号相对于参考阵元的相对包络延迟为τ_l,1，

其中c为光速；

同理，距离雷达R₀处的第q个点的反射体到第n个子阵的距离记为r_n，

其到参考子阵的距离为r₁'，

那么第n个子阵接收到的信号相对于参考子阵的包络延迟为τ_n,1，

根据子阵相对参考子阵的包络延迟τ_n,1和阵元相对参考阵元的包络延迟τ_l,1，并以目标中心至雷达天线的距离为R₀时为时间参考点，则第n个子阵(n＝1,2…N)中第l个阵元(l＝1,2…L)的第q个点(q＝1,2…Q)的回波信号

可以表示为

对每个子阵内的阵元进行模拟求和，即形成第n个子阵第q个点的信号

步骤S4、设定目标中心至雷达天线参考阵元的距离为R₀时为时间参考点，设发射样本延时为τ₀(τ₀≈τ_r)，其相对于参考子阵和时间参考点的延时误差为Δτ₀，设S₀(t)为参考信号，则有

步骤S5、将

与参考信号S₀(t)的共轭S₀ ^*(t)做去斜脉冲压缩处理，得到所有接收子阵脉冲压缩后的回波信号

所述步骤S5中，以参考信号的共轭S₀ ^*(t)对信号

做去斜脉冲压缩后，得到的所有接收子阵脉冲压缩后的信号

如下式所示：

步骤S6、对第n个子阵接收到的回波信号

进行孔径渡越补偿，获得N个子阵的第q个点孔径渡越补偿后信号向量B^q(t)，

步骤S6中，对子阵接收到的信号

进行孔径渡越补偿，获得N个子阵的第q个点孔径渡越补偿后的信号向量B^q(t)的具体方法如下：

根据步骤S5得到的子阵接收信号

以参考子阵的数据作为参考数据，其余子阵的数据分别与参考数据的共轭相乘，以子阵2为例，结果如下：

其中频率值f＝2πμ(τ_1,1-τ_2,1)；

相位值

从上式可以看出，孔径渡越主要是由子阵相对参考子阵的时间延迟引起的，只要完成时间延迟的补偿就可以完成孔径渡越补偿；

由于设定第一个子阵为参考子阵，参考信号S₀(t)变换为：

对目标的回波信号

进行去斜处理有：

此时频率值f₁＝2πμ(Δτ₀-τ_l,1)，相位值为

去斜处理后的频率值与子阵通道号无关，频率偏移得到有效补偿；

相位值的最后一项与子阵通道号有关，可用处理后的最大频率值的最大相位对各子阵通路相位项进行补偿，即

实际中2πμτ_n,1(Δτ₀-τ_l,1)很小，它对系统带来的损失可以忽略，

因此，N个子阵的第q个点孔径渡越补偿后的接收信号向量B^q(t)即为：

步骤S7、根据步骤S4得到的孔径渡越补偿后的信号B^q(t)，将B^q(t)与第q个点的N维权向量

相乘，即在q点聚焦形成波束，同理，分别得到Q个点补偿后的信号与对应的N维加权向量W(t)，其中W(t)＝[W¹(t)…W^q(t)…W^Q(t)]^T,即可分别在Q个点聚焦形成空间网状波束覆盖整个发射空域；

所述步骤S7中，根据各个点的孔径补偿后的信号与N维加权向量相乘在Q个点聚焦形成空间网状波束，其具体方法如下：

各个阵元为全向天线，N个子阵的空间位置分别为(x_n,y_n,z_n)，n∈{1,2,…,N}，对N个子阵分别进行数字加权在q点聚焦形成波束，第q个点的坐标为(x_q,y_q,z_q)，那么第q个点与第个n子阵之间的距离d_n为：

则N个子阵的数字加权为：

其中T表示转置操作，

表示第n个子阵的数字加权，那么对于距离雷达R₀处的第q个点聚焦形成的波束输出可以表示为：

因此根据Q个点补偿后的信号B(t)＝[B¹(t)…B^q(t)…B^Q(t)]和与其对应的N维加权向量W(t)，其中W(t)＝[W¹(t)…W^q(t)…W^Q(t)],可分别在Q个点聚焦形成空间网状波束覆盖整个发射空域；

t时刻形成在Q点聚焦形成的空间网状波束的输出表达式为：

y(t)＝B(t)*W(t)＝[y¹(t)y²(t)…y^q(t)…y^Q(t)]

本发明的原理如下：

图2是雷达线阵时延补偿几何模型，以第一个阵元作为参考阵元，根据各个阵元接收到的信号相对参考阵元的延时进行相应的补偿可以得到聚焦波束的输出；

图3是本发明空间网状聚焦波束形成：首先，雷达阵面接收目标回波信号，获得多路回波信号，根据发射信号进行时延控制得到参考信号，参考信号与回波信号进行去斜处理，通过高速模数转换器件对各路信号进行转换，从模拟信号转变为数字信号；在数字域完成低通滤波、正交下变频以及降采样率等部分，随后通过延时差加到回波信号中进行补偿，完成多通道接收延时处理后，再进行通道间的相位补偿即可完成孔径渡越补偿，然后对每个子阵施加一个权值聚焦形成多个空间网状波束覆盖多个目标。

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。

本发明未详述部分为现有技术。

Claims (5)

1.一种近场空间网状结构聚焦波束形成方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤S1、确定雷达天线系统参数，所述雷达系统包含1个发射阵元和M个接收阵元，发射阵元为有向天线，M个阵元的方向图为各向同性全向天线，雷达发射信号为波长为λ的线性调频信号；

步骤S2、将M个接收阵元划分为N个子阵，每个子阵由L个阵元组成，设定第一个子阵为参考子阵，设定参考子阵的第一个阵元为参考阵元，设目标中心至参考阵元的距离为R₀，在此距离上发射波束覆盖的空域里等间隔的划分Q个点，形成一个网状结构，则每个点均反射雷达发射的信号，且每个点所反射的信号均为波长为λ的线性调频宽带信号，每个点所反射的信号具有不同的延时；

步骤S3、根据每个子阵相对参考子阵的延时和每个阵元相对参考阵元的延时,得到第n个子阵(n＝1…N)中第l个阵元(l＝1…L)的第q个点(q＝1…Q)的回波信号

然后对每个子阵的阵元进行模拟求和，形成第n个子阵的第q个点的回波信号

步骤S4、设定目标中心至雷达天线参考阵元的距离为R₀时为时间参考点，设发射样本延时为τ₀(τ₀≈τ_r)，其相对于参考子阵和时间参考点的延时误差为Δτ₀，得到参考信号S₀(t)；

步骤S5、将

与参考信号S₀(t)的共轭S₀ ^*(t)做去斜脉冲压缩处理，得到所有接收子阵脉冲压缩后的回波信号

步骤S6、对子阵接收到的回波信号

进行孔径渡越补偿，获得N个子阵的第q个点孔径渡越补偿后信号向量B^q(t)，

步骤S7、根据步骤S6得到的孔径渡越补偿后的信号B^q(t)，将B^q(t)与第q个点的N维权向量

相乘，即在q点聚焦形成波束，同理，分别得到Q个点补偿后的信号与对应的N维加权向量W(t)，其中W(t)＝[W¹(t)…W^q(t)…W^Q(t)],即可分别在Q个点聚焦形成空间网状波束覆盖整个发射空域。

2.根据权利要求1所述的一种近场空间网状结构聚焦波束形成方法，其特征是：所述步骤S3中，第n个子阵的第q个点的回波信号

通过以下具体方法得到：

所述雷达的发射信号S(t)为：

其中

f₀为载波频率，μ为调频斜率，T_p表示脉冲宽度；

以第一个子阵的第一个阵元为参考点建立空间直角坐标系，则第l个阵元的空间位置为(x_l,y_l,z_l)，l∈{1,2,…,M}，N个子阵的空间位置分别为(x_n,y_n,z_n)，n∈{1,2,…,N}，参考子阵的空间位置为(x_a,y_b,z_c)；

由于目标相对雷达天线参考阵元的距离为R₀，那么其延时为

假设第q个点对应的空域方位角为θ_q，俯仰角为

则第q个点的坐标为

距离雷达R₀处的第q个点的反射体到第l阵元的距离记为r_l,

其到参考阵元的距离记为r₁，

则第1个阵元接收到的信号相对于参考阵元的相对包络延迟为τ_l,1，

其中c为光速；

同理，距离雷达R₀处的第q个点的反射体到第n个子阵的距离记为r_n，

其到参考子阵的距离为r₁'，

那么第n个子阵接收到的信号相对于参考子阵的包络延迟为τ_n,1，

根据子阵相对参考子阵的包络延迟τ_n,1和阵元相对参考阵元的包络延迟τ_l,1，并以目标中心至雷达天线的距离为R₀时为时间参考点，则第n个子阵(n＝1,2…N)中第l个阵元(l＝1,2…L)的第q个点(q＝1,2…Q)的回波信号

可以表示为

对每个子阵内的阵元进行模拟求和，即形成第n个子阵第q个点的信号

3.根据权利要求1所述的一种近场空间网状结构聚焦波束形成方法，其特征是：所述步骤S5中，以参考信号的共轭S₀ ^*(t)对信号

做去斜脉冲压缩后，得到的所有接收子阵脉冲压缩后的信号

具体步骤为：

将发射样本延时为τ₀(τ₀≈τ_r)，其相对于参考子阵和时间参考点的延时误差为Δτ₀，则参考信号S₀(t)的表达式为：

那么经过去斜脉压处理后可得信号

4.根据权利要求1所述的一种近场空间网状结构聚焦波束形成方法，其特征是：所述步骤S6中，对子阵接收到的信号

进行孔径渡越补偿，获得N个子阵的第q个点孔径渡越补偿后的信号向量B^q(t)的具体方法如下：

由于设定第一个子阵为参考子阵，参考信号S₀(t)变换为：

对目标的回波信号

进行去斜处理有：

此时频率值f₁＝2πμ(Δτ₀-τ_l,1)，

相位值为

相位值的最后一项与子阵通道号有关，可用处理后的最大频率值的最大相位对各子阵通路相位项进行补偿，即：

实际中2πμτ_n,1(Δτ₀-τ_l,1)很小，因此选择忽略不计，则N个子阵的第q个点孔径渡越补偿后的接收信号向量B^q(t)为：

5.根据权利要求1所述的一种近场空间网状结构聚焦波束形成方法，其特征是：所述步骤S7中，根据各个点的孔径补偿后的信号与N维加权向量相乘在Q个点聚焦形成空间网状波束，其具体方法如下：

各个阵元为全向天线，N个子阵的空间位置分别为(x_n,y_n,z_n)，n∈{1,2,…,N}，对N个子阵分别进行数字加权在q点聚焦形成波束，第q个点的坐标为(x_q,y_q,z_q)，那么第q个点与第个n子阵之间的距离d_n为：

则N个子阵的数字加权为：

其中T表示转置操作，

表示第n个子阵的数字加权，那么对于距离雷达R₀处的第q个点聚焦形成的波束输出可以表示为：

因此根据Q个点补偿后的信号B(t)＝[B¹(t)…B^q(t)…B^Q(t)]和与其对应的N维加权向量W(t)，其中W(t)＝[W¹(t)…W^q(t)…W^Q(t)],可分别在Q个点聚焦形成空间网状波束覆盖整个发射空域；

t时刻形成在Q点聚焦形成的空间网状波束的输出表达式为：

y(t)＝B(t)*W(t)＝[y¹(t) y²(t)…y^q(t)…y^Q(t)]。

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