CN112748402A - 一种基于阵列结构的低频信号产生方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于阵列结构的低频信号产生方法，包括：百米量级阵列结构中各辐射单元以一定的时间间隔由阵列近端至远端依次顺序发射脉冲信号，等效雷达以近光速远离目标运动；根据电磁波多普勒效应设置辐射单元信号的相位，由相邻辐射单元发射信号的时间间隔和波程差实现目标区辐射单元信号包络的移动；通过辐射单元信号相位调制或多行阵列错位排布构建交错阵列的方式，使得目标区空间等效形成的相位在快时间快速变化，单个载波周期时间内即多次发生改变，由此合成低频信号，且合成信号的脉宽相对于辐射单元信号展宽；在交错阵列的情况下，辐射单元发射周期脉冲串信号，各脉冲初始相位根据多普勒效应设置，进一步降低合成信号频率。

Description

一种基于阵列结构的低频信号产生方法

技术领域

本公开涉及阵列天线、信号与信息处理技术领域，尤其涉及一种基于 阵列结构的低频信号产生方法。

背景技术

低频电磁波信号有益于低空小目标的探测，若能用高频段雷达产生低 频电磁波信号，对目标区照射后，再使用低频段外辐射源雷达对目标实施 探测，会改善对低空小目标的探测能力。基于高频天线产生低频电磁波信 号，实现多波段信号对目标的照射，不仅有可能减少低频天线尺寸，而且 有可能成为提高雷达目标探测性能的一种途径。10kHz量级低频电磁波信 号具有较强的地物穿透能力，可用于地质勘探。传统天线的辐射单元尺寸需达到发射信号的四分之一波长，否则不能有效辐射电磁波信号，因此低 频电磁波信号的应用受到发射天线的尺寸限制，研究基于适当尺寸高频雷 达天线的低频电磁波信号产生方法具有重要意义。

谐波雷达是基于频率变换实现探测的另一种体制。通过发射单频或双 频信号，利用目标的反射特性产生谐波，从而提高探测性能。谐波雷达的 问题在于其最大谐波与主波功率之比太小，且受到金属结尺寸、材料等因 素的影响。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于阵列结构的低频信号产生方法，以解决低频电 磁波信号应用受到发射天线尺寸限制的技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种基于阵列结构的低频信号产生方法，包括：

步骤A：百米量级阵列结构中各辐射单元以一定的时间间隔由阵列近 端至远端依次顺序发射脉冲信号，等效雷达以近光速远离目标运动；

步骤B：根据电磁波多普勒效应设置辐射单元信号的相位，由相邻辐 射单元发射信号的时间间隔和波程差实现目标区辐射单元信号包络的移 动；

步骤C：通过辐射单元信号相位调制或多行阵列错位排布构成交错阵 列的方式，使得目标区空间等效形成的相位变化在快时间快速变化，单个 载波周期时间内即多次发生改变，由此合成低频信号，且合成信号的脉宽 相对于各辐射单元信号展宽；

步骤D：在多行阵列错位排布构成交错阵列的情况下，各辐射单元发 射周期脉冲串信号，各脉冲初始相位根据多普勒效应设置，由此增大合成 信号的脉宽，进一步降低合成信号频率。

根据本公开的一些实施例，其中，所述步骤A中所述辐射单元发射信 号的时间间隔，在单行阵列结构的情况下，等于辐射单元间距与假设的雷 达运动速度之比，辐射单元间距等于载波半波长；在多行阵列错位构成交 错阵列的情况下，等于相邻阵列错位距离与假设的雷达运动速度之比，相 邻阵列错位距离等于载波半波长除以阵列数。

根据本公开的一些实施例，其中，所述步骤A中所述阵列近端与远端 由目标和阵列的相对位置决定。

根据本公开的一些实施例，其中，所述步骤B中所述相邻辐射单元信 号具有波程差，要求目标不能位于阵列的法线方向。

根据本公开的一些实施例，其中，所述步骤C中所述辐射单元信号相 位调制由一定的相位步进实现，相位步进由多普勒频率、相位调制的时间 间隔参数决定，合成信号脉宽相对于各辐射单元信号脉宽展宽，该展宽量 由阵列结构长度、假设的雷达运动速度决定。

根据本公开的一些实施例，其中，所述步骤C中所述利用目标区空间 等效形成的相位在快时间上的快速变化，结合二倍角公式和泰勒展开，在 相位变化时间间隔极小的情况下，正弦信号的叠加能够等效为线性信号的 叠加，根据电磁波多普勒效应设置辐射单元信号相位，能够得到特定的低 频信号。

根据本公开的一些实施例，其中，所述步骤D中所述交错阵列中，各 辐射单元发射周期脉冲串信号，以增大合成信号的脉宽，进一步降低合成 信号频率。交错阵列合成信号的脉宽受到交错阵列阵长和辐射单元信号周 期数的共同影响，其表达式为

其中，交错阵列的阵长为L_s，目标与阵列近端之间的距离分别为R₀，目标 在X轴和Y轴上的投影分别为x₀和y₀，辐射单元信号周期为T_p，各辐射单 元信号均包含N_p个周期，假设的雷达运动速度为v，光速为c。在固定阵 长的交错阵列基础上，通过增加辐射单元信号周期数，以增大合成信号脉 宽，实现更低频信号的产生。周期脉冲串信号的每个周期中脉冲初始相位 根据电磁波多普勒效应设置，脉冲内无相位调制，信号带宽由脉宽决定， 休止期由阵列结构产生的脉宽展宽量弥补。

根据本公开的一些实施例，其中，所述步骤D中所述交错阵列中，通 过多行阵列交错排布实现空间加密，通过在空间减小辐射单元间距，可降 低对时间分辨率的要求，但方法仍要求描述信号的采样频率高于辐射单元 信号频率。

根据本公开的一些实施例，其中，所述步骤D中所述交错阵列中，阵 列数的增加、错位距离的减小和辐射单元信号周期的减小，有益于抑制合 成信号中的谐波和载波分量，提高阵列发射信号的能量利用率。

根据本公开的一些实施例，用阵列天线结构等效雷达的近光速远离运 动，能够大幅降低信号频率并使信号脉冲宽度展宽。

根据本公开的一些实施例，由于涉及频率变换和脉宽变化，低频信号 的产生已不属于线性过程，阵列和辐射单元属于窄带系统，其发射信号是 窄带信号，但各信号叠加的自由空间是宽带系统，由于各信号有确定的相 位关系和时延关系，是高度相关的，和信号是各信号相互“干涉”的结果， 会产生新的频率分量。

根据本公开的一些实施例，辐射单元信号在空间叠加得到合成信号， 每个辐射单元信号的频谱中都有载波分量，但由于频谱是复数，合成信号 的频谱并非一定主要是载波分量。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于阵列结构的低频信号产生方法 至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)基于高频天线产生低频电磁波信号，实现多波段信号对目标的 照射，能够成为提高雷达目标探测性能的一种途径。

(2)基于阵列结构产生低频信号，能够减少低频天线尺寸。

附图说明

图1为本公开实施例基于阵列天线结构的低频信号产生方法的流程示 意图。

图2为本公开实施例基于阵列天线结构的低频信号产生方法中多普勒 效应示意图。

图3(a)为本公开实施例基于阵列天线结构的低频信号产生方法中的 雷达运动过程分解，图3(b)为与雷达运动过程分解对应的阵列结构示意 图。

图4为本公开实施例基于阵列天线结构的低频信号产生方法中的阵列 天线结构示意图。

图5(a)为本公开实施例基于阵列天线结构的低频信号产生方法中阵 列天线结构在目标区合成信号波形示意图；图5(b)为在目标区合成信号 频谱示意图；以及图5(c)为阵列天线结构发射信号与合成信号的频谱对 比仿真示意图。

图6为本公开实施例基于阵列天线结构的低频信号产生方法中的交错 阵列天线结构示意图。

图7为本公开实施例基于阵列天线结构的低频信号产生方法中的辐射 单元信号示意图。

图8(a)为本公开实施例基于阵列天线结构的低频信号产生方法中交 错阵列在目标区合成信号波形示意图；图8(b)为交错阵列在目标区合成 信号频谱示意图；图8(c)为图8(b)的局部放大；以及图8(d)为交 错阵列发射信号、合成信号与随机相位辐射单元所产生合成信号的频谱对 比仿真示意图。

图9(a)为本公开实施例基于阵列天线结构的低频信号产生方法中辐 射单元发射周期脉冲串信号的包络移动示意图；图9(b)为图9(a)的 局部放大。

具体实施方式

本公开提出基于阵列结构的低频信号产生方法，通过对发射信号波形、 阵列参数选择的设计，保证了合成信号的性能。

本公开提供了一种基于阵列结构的低频信号产生方法，包括：步骤A， 百米量级阵列结构中各辐射单元以一定的时间间隔由阵列近端至远端依 次顺序发射脉冲信号，等效雷达以近光速远离目标运动；步骤B，根据电 磁波多普勒效应设置辐射单元信号的相位，由相邻辐射单元发射信号的时 间间隔和波程差实现目标区辐射单元信号包络的移动；步骤C，通过辐射 单元信号相位调制或多行阵列错位排布构成交错阵列的方式，使得目标区 空间等效形成的相位在快时间快速变化，单个载波周期时间内即多次发生 改变，由此合成低频信号，且合成信号的脉宽相对于各辐射单元信号展宽； 步骤D，在多行阵列错位排布构成交错阵列的情况下，各辐射单元发射周 期脉冲串信号，各脉冲初始相位根据多普勒效应设置，由此增大合成信号 的脉宽，进一步降低合成信号频率。本公开对减少低频天线尺寸、实现多 波段信号对目标的照射、提高雷达目标探测性能具有重要意义。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一 些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多 不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供 这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于阵列结构的低频 信号产生方法。图1为本公开实施例基于阵列结构的低频信号产生方法的 流程示意图。

如图1所示，本公开基于阵列结构的低频信号产生方法包括：

步骤A，百米量级阵列结构中各辐射单元以一定的时间间隔由阵列近 端至远端依次顺序发射脉冲信号，等效雷达以近光速远离目标运动；

其中，在单行阵列结构的情况下，相邻辐射单元发射信号时间间隔等 于辐射单元间距与假设的雷达运动速度之比，辐射单元间距等于载波半波 长；在多行阵列错位构成交错阵列的情况下，相邻辐射单元发射信号的时 间间隔等于相邻阵列错位距离与假设的雷达运动速度之比，相邻阵列错位 距离等于载波半波长除以阵列数。

步骤B，根据电磁波多普勒效应设置辐射单元信号的相位，由相邻辐 射单元发射信号的时间间隔和波程差实现目标区辐射单元信号包络的移 动。

其中，相邻辐射单元信号具有波程差，要求目标不能位于阵列的法线 方向。

步骤C，通过辐射单元信号相位调制或多行阵列错位排布构成交错阵 列的方式，使得目标区空间等效形成的相位在快时间快速变化，单个载波 周期时间内即多次发生改变，由此合成低频信号，且合成信号的脉宽相对 于各辐射单元信号展宽。

其中，辐射单元信号的相位调制利用一定的相位步进实现，该相位步 进与多普勒频率、相位调制的时间间隔等参数有关。设相位调制频率为f_pm， 则相位调制的时间间隔为1/f_pm。相位调制时的相位步进由多普勒频率和相 位调制时间间隔共同决定

其中f_d为多普勒频率，v为假设的雷达运动速度，c为光速，相位步进可对 于2π取余处理。

相位调制频率必须保证相位步进经过2π取余后不等于零，即

且对于相位调制频率的选取，应当尽可能使得信号的重叠部分中，各辐射 单元信号相位调制的时间点相互错位，从而等效合成信号的相位调制时间 间隔小于1/f_pm。

通过结合二倍角公式、三角函数的泰勒展开以及相关近似可发现，在 一定条件下，正弦信号的叠加能够等效为线性信号的叠加，根据电磁波多 普勒效应设置辐射单元信号相位，能够得到特定的低频信号。根据公式推 导解释，式(4)为二倍角公式

sin 2α＝2 sinαcosα (4)；

当α较小时，例如满足

将cosα泰勒展开并近似后带入式(4)

若将相位表示为频率与时间之积，即α＝2πf₀t，则由式(5)可看作信号的 频率降低一倍，若满足α→0，则式(5)可进一步得到

sin 2α＝2α (6)；

此时将非线性信号转换为线性信号，联立式(5)和式(6)可知，在一定 条件下，正弦信号能够转化为线性信号，其频率也能够变化，当合成信号 相位变化的时间间隔小时，正弦信号的叠加能够等效为线性信号的叠加， 根据电磁波多普勒效应设置辐射单元信号相位，能够得到特定的低频信号。

合成信号脉宽相对于各辐射单元信号脉宽展宽，该展宽量与阵列结构 长度、假设的雷达运动速度等参数有关。假设辐射单元信号脉宽为τ₀，阵 长为L，目标与阵列近端、远端之间的距离分别为R₀和R_L，假设的雷达运 动速度为v，则由阵列结构导致的辐射单元信号脉宽展宽量为

合成信号脉宽由辐射单元信号脉宽及其展宽量构成

由式(8)可见合成信号脉宽大于辐射单元信号脉宽。

步骤D，在多行阵列错位排布构成交错阵列的情况下，各辐射单元发 射周期脉冲串信号，各脉冲初始相位根据多普勒效应设置，由此增大合成 信号的脉宽，进一步降低合成信号频率。

其中，交错阵列合成信号的脉宽由交错阵列阵长和辐射单元信号周期 数决定，其表达式为

其中，交错阵列的阵长为L_s，目标与阵列近端之间的距离分别为R₀，目标 在X轴和Y轴上的投影分别为x₀和y₀，辐射单元信号周期为T_p，各辐射单 元信号均包含N_p个周期，假设的雷达运动速度为v，光速为c。在固定阵 长的交错阵列基础上，通过增加辐射单元信号周期数，以增大合成信号脉 宽，实现更低频信号的产生。周期脉冲串信号的每个周期中脉冲初始相位 根据电磁波多普勒效应设置，脉冲内无相位调制，信号带宽由脉宽决定， 休止期由阵列结构产生的脉宽展宽量弥补。

图2为本公开实施例基于阵列结构的低频信号产生方法中多普勒效应 示意图。以运动雷达为信号源，接收装置位于目标区。以运动雷达为信号 源，接收装置位于目标区，二者均位于静止坐标系K中，初始坐标分别为 (R₀，0，0)和(0，0，0)。以雷达为原点建立运动坐标系K′，且在运动过程中，雷 达始终位于K′原点，K′系与K系的时间关系符合钟慢效应。记K′系中雷 达发射信号的频率为f₀，由雷达运动所产生的多普勒频率为f_d，K系中接 收信号频率为f_0r。如图2所示，左侧为接收装置，右侧为雷达与运动坐标 系K′。雷达在K系中以速度v沿X轴正方向远离接收装置运动，且在运动 过程中，K′系的X′轴与K系的X轴始终重合。

以下推导电磁波多普勒效应中脉宽与频率的变化。设雷达发射信号在 K′系中的脉宽为τ_eK′，在K系中的对应脉宽为τ_eK，K系中接收信号的脉宽 为τ_rK，其中τ_eK′和τ_eK的关系符合常见的电磁波多普勒效应，信号频率的变 化也由τ_eK′和τ_rK推导，τ_eK和τ_rK的关系表示K系中信号脉宽的变化。

由多普勒效应，当雷达远离目标运动时，K系中接收信号脉宽τ_rK与K′ 系中发射信号脉宽τ_eK′的关系为

由钟慢效应，雷达发射信号在K系与K′系中脉宽的对应关系为：

将式(11)代入式(10)可得K系中雷达发射信号与目标处接收信号脉宽 的关系

因此雷达发射信号在K′系和K系中的脉宽展宽量为分别为

式(14)表示静止坐标系K中雷达发射信号脉宽变化。

由于K′系中发射信号与K系中接收信号脉冲中信号的周期数不变，因 此信号频率变化由K′系中雷达发射信号脉宽和K系中接收信号脉宽可得

对应的多普勒频率为：

当雷达远离目标运动的速度接近电磁波速度c时，接收信号频率降低。

图3(a)和图3(b)为本公开实施例基于阵列结构的低频信号产生 方法中雷达运动过程分解及其对应的阵列结构示意图。图3(a)中的X轴 为静止坐标系K的X轴，T轴表示雷达运动的时间，设雷达在t＝0时刻位 于x＝R₀处，从该时刻开始在K系中以速度v沿X轴正方向运动并发射信号。 以时间间隔Δt将雷达的运动过程进行分解，则每个时间间隔内雷达的运动 距离为vΔt，此时雷达运动过程变为步进过程。如图3(b)所示，用天线 阵列近似步进的雷达运动过程，天线阵列和接收装置均位于K系中。

图4为本公开实施例基于阵列结构的低频信号产生方法中阵列天线结 构示意图。如图4所述，在空间坐标系中，阵列天线结构辐射单元以间距 d₀从原点开始沿X轴负方向排布，并分别编号为T₀、T₁、……、T_N-1，其中 N为阵列天线结构中的辐射单元总数。相邻辐射单元发射信号的时间间隔 为Δt＝d₀/v，其中接收天线T_r置于目标区，且位于45°扫描角方向，其与 阵列天线结构的近端之间的距离为R₀，目标在X轴和Y轴上的投影分别记 为x₀和y₀。

从快时间和慢时间的角度讨论辐射单元信号与合成信号的表达式。记 单个辐射单元所发射信号的时间为快时间

不同辐射单元发射信号之间 的时间为慢时间t_m，目标区合成信号的时间为t_r，三者之间的关系满足

辐射单元信号的初始相位由多普勒频率和辐射单元斜距确定。

辐射单元T_n与目标之间的距离为

当其脉冲前沿传播至 目标区时，慢时间为

由此可得目标区所接收 的辐射单元信号为

其中

表示辐射单元T_n信号传播至目标区的慢时间。

合成信号为各辐射单元信号在目标区的合成，因此目标在阵列波束扫 描角45°方向时合成信号的表达式为

将式(17)代入式(18)可得该辐射单元发射信号的表达式

当辐射单元信号脉宽等于静止坐标系下雷达发射信号脉宽，且假设的 雷达运动速度接近光速v→c时，辐射单元信号脉宽为

式(7)和式(8)分别为阵列导致的辐射单元信号脉宽展宽量与合成 信号脉宽。式(2)与式(3)为辐射单元信号相位调制。

图5(a)、图5(b)、图5(c)分别为本公开实施例基于阵列结构的 低频信号产生方法中阵列天线结构在目标区合成信号波形、频谱以及阵列 发射信号与合成信号的频谱对比仿真图。因为各辐射单元信号的形式相同， 所以可用辐射单元T₀₀的信号等效其他辐射单元信号，由此可得阵列天线结 构的发射信号。将归一化处理的阵列发射信号频谱和合成信号频谱进行对 比，可分析发射信号的能量利用率。仿真参数包括，辐射单元信号频率1 GHz，合成信号频率400MHz，相位调制频率39MHz，相位步进-10π/13， 描述信号的采样频率3GHz，阵长105m，辐射单元间距0.15m，辐射单 元信号脉宽1.01us，辐射单元信号脉宽展宽量0.73us，合成信号脉宽1.46 us。目标距离阵列近端30km。如图5(a)、图5(b)、图5(c)所示，合成信号频谱的峰值旁瓣比为-24.28dB，积分旁瓣比为-14.93dB，低频信号 在合成信号中的能量占比为96.88％。频谱对比图中400MHz分量幅度为 -3.754dB(64.91％)。

本公开提出一种基于阵列结构的低频信号产生方法中交错阵列结构 方法，图6为本公开实施例基于阵列结构的低频信号产生方法中交错阵列 结构示意图。如图6所示，在直角坐标系中建立交错阵列结构。N_l行阵列 天线结构在XOZ平面内错位排布，单行阵列天线结构沿X轴负方向排布， 相邻阵列天线结构在X轴以距离d错位，沿Z轴正方向以间距h＝λ₀/2排布， λ₀为辐射单元信号的载波波长。单行阵列天线结构的阵长为L₀，辐射单元 间距d₀＝λ₀/2，辐射单元个数N₀。接收装置位于目标区，目标位于45°扫 描角方向，坐标为(x₀，y₀，0)，与阵列天线结构近端距离为R₀。当单行阵列 天线结构辐射单元间距d₀为错位距离d的N_l倍时，由于h＜＜R₀，阵列天线 结构在Z轴上的距离影响极小，所以N_l行阵列天线结构等效在X轴构成辐 射单元间距d，阵长为L_s＝L₀+(N_l-1)d的交错阵列。辐射单元记为

其 中n_l和n₀分别表示该辐射单元所在的阵列天线结构与该辐射单元在阵列天 线结构中的位置(n_l＝0，1，……，N_l-1；n₀＝0，1，……，N₀-1)。通过交错阵列中近 端至远端的辐射单元依次发射信号，等效雷达在阵列天线结构上的高速运 动。单行阵列天线结构与交错阵列中，辐射单元发射信号的时间间隔分别 为d₀/v和d/v。图中辐射单元发射信号的顺序依次为T₀₀、T₁₀、……、

利用多普勒频率与辐射单元斜距得到辐射单元信号的相位。当忽略辐 射单元在Z轴上排布的影响时，辐射单元

与目标之间的距离为

设交错阵列近端的辐射单元T₀₀在t_m＝0时刻开始发射信号，则

开始 发射信号的时刻为t_m＝(n_ld+n₀d₀)/v，该辐射单元的信号在

时传播至目标区。

辐射单元信号的表达式为

其中

T_p和N_p分别为辐射单元脉冲信号的周期与周 期数。将式(17)带入式(23)可得目标区辐射单元脉冲信号的表达式为：

目标区的合成信号等于交错阵列中各辐射单元脉冲信号的叠加，其表达式 为：

图7为本公开实施例基于阵列结构的低频信号产生方法中辐射单元信 号示意图。辐射单元信号周期和脉宽分别记为T_p和τ₀，辐射单元信号每个 脉冲前沿的相位根据多普勒效应设置。每个辐射单元信号脉冲内包含多个 辐射单元信号载波周期1/f₀。

交错阵列产生的脉宽展宽量为：

根据式(14)，当v＝c时，静止坐标系K中雷达发射信号脉宽与其脉宽展 宽量相等，即τ_eK＝Δτ_K，此时τ_eK占接收信号脉宽τ_rK的50％。令辐射单元 信号脉宽τ₀、周期T_p和阵列产生的脉宽展宽量Δτ_L分别等效τ_eK、τ_rK与Δτ_K。 由于合成甚低频信号的仿真中v→c，则有τ₀≈Δτ_L，τ₀≈T_p/2，因此将辐射 单元发射的周期脉冲串信号的占空比选定为50％，辐射单元信号脉宽为 τ₀＝Δτ_L，辐射单元信号最大周期为T_pmax＝2Δτ_L，此时Δτ_L恰好填补辐射单元信 号的休止期，目标区合成信号的时间连续。

若将辐射单元信号周期减小为

其中u＞1，此时辐射单元信号的休止期T_p/2小于Δτ_L，因此阵列产生的脉 宽展宽量能够实现周期脉冲串信号休止期的填补，使得目标区合成信号的 时间连续。

通过增大u，减小辐射单元信号周期，增加辐射单元信号周期数，等 效增加合成信号相位调制次数，实现谐波的抑制，同时减少叠加所导致的 信号抵消，提高合成信号对阵列发射信号的能量利用率。

通常辐射单元带宽为中心频率的10％，由于辐射单元信号仅设置每个 脉冲的初始相位，脉冲内没有相位调制，因此辐射单元信号带宽由脉宽决 定，即要求最小辐射单元信号周期T_p≥20/f₀，因此辐射单元信号周期的范 围为

此时辐射单元信号仍属于窄带信号，可 以有效辐射，增大天线带宽有益于保证合成信号的性能。

合成信号由交错阵列中各辐射单元发射的周期脉冲串信号构成。记各 辐射单元发射信号的周期数为N_p，则合成信号脉宽为

其中第一项为各辐射单元发射信号的时长，第二项为交错阵列近端与 远端辐射单元信号分别传播至目标位置的时间差。

图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)分别为本公开实施例基于 阵列结构的低频信号产生方法中交错阵列在目标区合成信号波形、频谱、 频谱局部放大以及阵列发射信号、合成信号和随机相位辐射单元所产生合 成信号的频谱对比仿真图。仿真参数包括：辐射单元信号频率100MHz， 周期为T_pmax/6＝0.23us，周期数为600，目标区合成信号频率10kHz，脉宽139us。单行阵列的阵长为105m，辐射单元间距1.5m，目标距离阵列近 端30km。交错阵列由9行阵列构成，相邻阵列错位距离0.17m。单行阵 列与交错阵列中的辐射单元数分别为81和729。如图7所示，合成信号频 谱的峰值旁瓣比为-13.34dB，积分旁瓣比为-9.44dB，低频信号在合成信 号中的能量占比为89.79％。频谱对比图中10kHz分量幅度为一2.542dB(74.63％)。

图9(a)和图9(b)分别为本公开实施例基于阵列天线结构的低频 信号产生方法中辐射单元发射周期脉冲串信号的包络移动示意图及其局 部放大，其与雷达成像中的距离徙动类似。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是， 在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中 普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方 法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域 普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于阵列结构的低频信 号产生方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种基于阵列结构的低频信号产生方法。方法 提供的阵列天线结构与交错阵列结构，以及各辐射单元信号的波形、时序 和相位等参数的控制，实现多波段信号对目标的照射，不仅有可能减少低 频天线尺寸，而且有可能成为提高雷达目标探测性能的一种途径。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、 “后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保 护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能 导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公 开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考 符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是 近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所 有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应 理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的 含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中 ±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限 制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可 基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使 用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一 个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征 有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将 该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个 权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要 求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式， 其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而 已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于阵列结构的低频信号产生方法，包括：

步骤A：百米量级阵列结构中各辐射单元以一定的时间间隔由阵列近端至远端依次顺序发射脉冲信号，等效雷达以近光速远离目标运动；

步骤B：根据电磁波多普勒效应设置辐射单元信号的相位，由相邻辐射单元发射信号的时间间隔和波程差实现目标区辐射单元信号包络的移动；

步骤C：通过辐射单元信号相位调制或多行阵列错位排布构成交错阵列的方式，使得目标区空间等效形成的相位在快时间快速变化，单个载波周期时间内即多次发生改变，由此合成低频信号，且合成信号的脉宽相对于各辐射单元信号展宽；

步骤D：在多行阵列错位排布构成交错阵列的情况下，各辐射单元发射周期脉冲串信号，各脉冲初始相位根据多普勒效应设置，由此增大合成信号的脉宽，进一步降低合成信号频率。

2.根据权利要求1所述的基于阵列结构的低频信号产生方法，其中，所述步骤A中所述辐射单元发射信号的时间间隔，在单行阵列结构的情况下，等于辐射单元间距与假设的雷达运动速度之比，辐射单元间距等于载波半波长；在多行阵列错位构成交错阵列的情况下，等于相邻阵列错位距离与假设的雷达运动速度之比，相邻阵列错位距离等于载波半波长除以阵列数。

3.根据权利要求1所述的基于阵列结构的低频信号产生方法，其中，所述步骤A中所述阵列近端与远端由目标和阵列的相对位置决定。

4.根据权利要求1所述的基于阵列结构的低频信号产生方法，其中，所述步骤B中所述相邻辐射单元信号具有波程差，要求目标不能位于阵列的法线方向。

5.根据权利要求1所述的基于阵列结构的低频信号产生方法，其中，所述步骤C中所述辐射单元信号相位调制由一定的相位步进实现，相位步进由多普勒频率、相位调制的时间间隔参数决定，合成信号脉宽相对于各辐射单元信号脉宽展宽，该展宽量由阵列结构长度、假设的雷达运动速度决定。

6.根据权利要求1所述的基于阵列结构的低频信号产生方法，其中，所述步骤D中所述交错阵列中，各辐射单元发射周期脉冲串信号，以增大合成信号的脉宽，进一步降低合成信号频率；交错阵列合成信号的脉宽受到交错阵列阵长和辐射单元信号周期数的共同影响，其表达式为

其中，交错阵列的阵长为L_s，目标与阵列近端之间的距离分别为R₀，目标在X轴和Y轴上的投影分别为x₀和y₀，辐射单元信号周期为T_p，各辐射单元信号均包含N_p个周期，假设的雷达运动速度为v，光速为c；周期脉冲串信号的每个周期中脉冲初始相位根据电磁波多普勒效应设置，脉冲内无相位调制，信号带宽由脉宽决定，休止期由阵列结构产生的脉宽展宽量弥补。

7.根据权利要求1所述的基于阵列结构的低频信号产生方法，其中，所述步骤D中所述交错阵列中，通过多行阵列交错排布实现空间加密，通过在空间减小辐射单元间距，可降低对时间分辨率的要求，但方法仍要求描述信号的采样频率高于辐射单元信号频率；阵列数的增加、错位距离的减小和辐射单元信号周期的减小，有益于抑制合成信号中的谐波和载波分量，提高阵列发射信号的能量利用率。

8.根据权利要求1所述的基于阵列结构的低频信号产生方法，用阵列天线结构等效雷达的近光速远离运动，能够大幅降低信号频率并使信号脉冲宽度展宽。

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