CN113009469A - 一种基于编码超材料的合作目标测向定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种基于编码超材料的合作目标测向定位系统，其特征在于，包括：扫描收发天线，用于向合作目标发射电磁信号及接收合作目标返回的电磁信号；编码超材料调制模块，用于接收扫描收发天线发射的电磁信号，并对该电磁信号进行二次调制，以使合作目标的频谱从环境杂波频谱中分离出来，并将调制后的电磁信号反射至扫描接收天线；其中，该编码超材料调制模块设置于合作目标上；信号处理模块，用于对扫描接收天线接收到的该调制后的电磁信号进行合作目标的特征信息提取，得到合作目标的测向数据及定位数据。本公开还提供了一种基于编码超材料的合作目标测向定位方法。

Description

一种基于编码超材料的合作目标测向定位系统及方法
技术领域
本公开涉及电子雷达技术领域，具体涉及一种基于编码超材料的合作目标测向定位系统及方法。
背景技术
合作目标的测向定位广泛应用于海上搜救、民用航空通信、特定目标识别等各个领域。传统的合作目标测向定位多采用二次应答方式进行目标的信息获取：雷达系统发射特定编码信息的电磁信号进行询问，应答设备接收询问信息后，发射特定应答信号，将目标位置、角度等信息回传给雷达系统，最终实现合作目标的识辨与定位。
传统的二次应答合作目标测向定位方式由于应答设备发射的频谱信号与环境杂波混叠，导致雷达系统接收探测灵敏度低，难以检测到目标信息，且设备复杂、重量体积大，不易大面积推广，这对新型应用环境下目标测向定位系统的制约已经显现。
近年来，科研人员已投入了大量的研究工作，但均采用传统的目标测向定位架构及基本方案。如图1所示，现有技术中采用二次应答雷达方式实现目标测向定：系统复杂，系统主要包括应答机、询问机、接收机、应答信号处理等模块：应答信号处理过程中目标信号常与环境杂波混叠在一起，无法快速获取目标信息，且系统的复杂度也制约了其大面积推广使用。
发明内容
为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种基于编码超材料的合作目标测向定位系统及方法，该系统摈弃了传统二次应答方式方式，对接收到的雷达系统信号直接进行二次调制并回传给雷达，再对调制后的电磁信号进行特征提取处理，摈弃传统应答雷达种询问及被动应答的复杂设计，该系统架构简单，总体重量体积小、功耗低，易于大面积推广使用。
本公开的第一个方面提供了一种基于编码超材料的合作目标测向定位系统，包括：扫描收发天线，用于向合作目标发射电磁信号及接收合作目标返回的电磁信号；编码超材料调制模块，用于接收扫描收发天线发射的电磁信号，并对该电磁信号进行二次调制，以使合作目标的频谱从环境杂波频谱中分离出来，并将调制后的电磁信号反射至扫描接收天线；其中，该编码超材料调制模块设置于合作目标上；信号处理模块，用于对扫描接收天线接收到的调制后的电磁信号进行该合作目标的特征信息提取，得到合作目标的测向数据及定位数据。
进一步地，编码超材料调制模块包括：多个表面超材料单元及多个PIN二极管，多个表面超材料单元与多个PIN二极管一一对应连接，表面超材料单元用于将该电磁信号进行二次调制，以使合作目标的频谱从环境杂波频谱中分离出来；PIN二极管用于控制表面超材料单元的开启与关闭。
进一步地，信号处理模块用于对扫描接收天线接收到的调制后的电磁信号进行该合作目标的特征信息提取，得到合作目标的测向数据及定位数据包括：信号处理模块将接收到的调制后的电磁信号进行脉冲压缩处理，得到环境场景频谱及合作目标频谱；将环境场景频谱及合作目标频谱通过w-k算法进行SAR成像，并对合作目标频谱进行恒虚警检测，获得合作目标的侧向数据及定位数据。
进一步地，对合作目标频谱进行恒虚警检测包括：将该合作目标频谱中各子序列信号与一阈值进行相比，若子序列信号大于该阈值，则该子序列信号为来自合作目标的数据，否则，不是。
进一步地，该系统还包括：频率源，用于产生线性调频信号；发射通道，用于将线性调频信号进行上变频处理，并经过功率放大后输出至扫描收发天线。
进一步地，该系统还包括：接收通道，用于将调制后的电磁信号进行下变频处理，并将信号输出至信号处理模块。
进一步地，编码超材料调制模块还包括：控制电路，用于控制多个PIN二极管的使能状态。
进一步地，多个PIN二极管的使能状态包括：开启状态和断开状态；当控制电路输出信号为“1”时，控制电路控制每个PIN二极管开关开启；当控制电路输出信号为“0”时，控制电路控制每个PIN二极管开关断开。
进一步地，合作目标的特征信息包括：方位角度及位置坐标。
本公开的第二个方面提供了一种基于编码超材料的合作目标测向定位方法，包括：利用扫描收发天线向合作目标发射电磁信号；采用码超材料调制模块接收扫描收发天线发射的电磁信号，并对该电磁信号进行二次调制，以使合作目标的频谱从环境杂波频谱中分离出来，并将调制后的电磁信号反射至扫描接收天线；其中，该编码超材料调制模块设置于合作目标上；利用信号处理模块对扫描接收天线接收到的调制后的电磁信号进行该合作目标的特征信息提取，得到合作目标的测向数据及定位数据。
本公开与现有技术相比，具备以下有益效果：
(1)该系统采用二次调制方式将合作目标信息加载至接收到的雷达信号中并反射给雷达系统，解决了传统合作目标测向定位方法中目标信息与环境频谱混叠带来的信息不易提取、系统灵敏度低问题，满足了复杂环境下合作目标信息的迅速提取需求。
(2)该系统使用的编码超材料调制模块相比常用的应答系统具有架构简单、体积小功耗低等特点，从而解决了传统目标定位、识别设备复杂度高、功耗高、体积大等问题，更利于大面积推广使用。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了传统二次应答雷达目标信息获取的方框图；
图2示意性示出了根据本公开一实施例的基于编码超材料的合作目标测向定位系统的方框图；
图3示意性示出了根据本公开一实施例的编码超材料调制模块的结构示意图；
图4示意性示出了根据本公开一实施例的基于二次调制信号的合作目标信息提取流程示意图；
图5示意性示出了根据本公开另一实施例的基于编码超材料的合作目标测向定位系统的方框图；
图6示意性示出了根据本公开一实施例的基于编码超材料的合作目标测向定位系统的信号传输示意图；
图7示意性示出了根据本公开一实施例的二次调制方法获取目标信息频谱示意图；
图8示意性示出了根据本公开一实施例的基于编码超材料的合作目标测向定位方法的流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。本公开的技术可以硬件和/或软件(包括固件、微代码等)的形式来实现。另外，本公开的技术可以采取存储有指令的计算机可读存储介质上的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可供指令执行系统使用或者结合指令执行系统使用。
图2示意性示出了根据本公开实施例的基于编码超材料的合作目标测向定位系统的方框图。
如图2所示，该基于编码超材料的合作目标测向定位系统包括：扫描收发天线1，用于向合作目标发射电磁信号及接收合作目标返回的电磁信号；编码超材料调制模块2，用于接收扫描收发天线发射的电磁信号，并对该电磁信号进行二次调制，以使合作目标的频谱从环境杂波频谱中分离出来，并将调制后的电磁信号反射至扫描接收天线；其中，该编码超材料调制模块设置于合作目标上；信号处理模块3，用于对扫描接收天线接收到的该调制后的电磁信号进行合作目标的特征信息提取，得到合作目标的测向数据及定位数据。
具体地，合作目标的特征信息包括：方位角度及位置坐标。其中，扫描收发天线1为轻量化大范围扫描收发天线。
本公开的实施例中，如图3所示，该编码超材料调制模块2包括：多个表面超材料单元21及多个PIN二极管22，多个表面超材料单元21与多个PIN二极管22一一对应连接，多个表面超材料单元21用于将该电磁信号进行二次调制，以使合作目标的频谱从环境杂波频谱中分离出来；多个PIN二极管22用于控制表面超材料单元21的开启与关闭。
具体地，如图3所示，该编码超材料调制模块2还包括：控制电路23，该控制电路23用于控制多个PIN二极管22的使能状态。其中，多个PIN二极管22的使能状态包括：开启状态和断开状态。当控制电路23输出信号为“1”时，控制电路23控制每个PIN二极管开关22开启；当控制电路23输出信号为“0”时，控制电路23控制每个PIN二极管开关22断开。
另外，该编码超材料调制模块2还包括介质基板24，介质基板24设置于多个表面超材料单元21及控制电路23之间，用于隔离多个表面超材料单元21与控制电路23直接接触，且其上设置多个PIN二极管开关22。
根据本公开的实施例，信号处理模块3用于对扫描接收天线1接收到的该调制后的电磁信号进行合作目标的特征信息提取，得到合作目标的测向数据及定位数据包括：将接收到的调制后的电磁信号进行脉冲压缩处理，得到环境场景频谱及合作目标频谱；将环境场景频谱及合作目标频谱通过w-k算法进行SAR成像，并对合作目标频谱进行恒虚警检测，获得合作目标的侧向数据及定位数据。
具体地，如图4所示，信号处理模块3接收到经过二次调制后的电磁信号，即电磁回波数据，对该电磁回波数据首先进行脉冲压缩处理，获得环境场景频谱与合作目标频谱，这两频谱是分离的，然后再将环境场景频谱和合作目标频谱通过w-k算法进行SAR成像，同时对合作目标频谱进行恒虚警(CFAR)检测，获得该合作目标的测向数据及定位数据，完成该合作目标的定位。
具体地，对合作目标频谱进行恒虚警检测包括：将合作目标频谱中各子序列信号与一阈值进行相比，若子序列信号大于该阈值，则该子序列信号为来自合作目标的数据，否则，不是。
图5示意性示出了根据本公开另一实施例的基于编码超材料的合作目标测向定位系统的方框图。
如图5所示，该系统还包括：
频率源4，用于产生线性调频信号。
发射通道5，用于将线性调频信号进行上变频处理，并经过功率放大后输出至扫描收发天线1。
接收通道6，用于将调制后的电磁信号进行下变频处理，并将信号输出至信号处理模块3。
其中，上变频是指将把调制在低频载波上的信号或中频信号与一个频率较高的本振信号进行混频的过程，然后取混频之后的上边带信号。下变频是指上变频的逆过程，原理与上变频是一样的，只是取的是混频之后的下边带信号。
图6示意性示出了根据本公开一实施例的基于编码超材料的合作目标测向定位系统的信号传输示意图。
如图6所示，扫描收发天线1的发射天线向合作目标发射频率为f0的电磁信号，然后合作目标上的编码超材料调制模块2接收扫描收发天线1发射的不同角度的电磁信号，并进行二次调制，即将合作目标的频谱信息加载至该电磁信号中，以及使合作目标的频谱从环境杂波频谱中分离出来，然后扫描收发天线1的接收天线接收二次调制后的电磁信号，并将该信号通过接收通道6发送至信号处理模块3，信号处理模块3对二次调制后的电磁信号进行该合作目标的特征信息提取，得到合作目标的侧向数据及定位数据。
如图7所示，经过二次调制后的电磁信号中，该合作目标信号频谱挪到发射电磁信号频谱和环境杂波信号频谱外，便于迅速提取并获取合作目标的角度、位置等信息，实现合作目标的测向定位。
需说明的是，上述实施例中提供的基于编码超材料的合作目标测向定位系统结构并不构成对本公开的限定，其结构可依据实际情况而进行修改，例如基于编码超材料的合作目标信息二次调制可以用其他模拟/数字电路形式代替实现；合作目标信息提取方法中的逻辑流程可以调整替换实现。
图8示意性示出了根据本公开一实施例的基于编码超材料的合作目标测向定位方法的流程图。
如图8所示，该方法包括：
S1，利用扫描收发天线向合作目标发射电磁信号。
S2，采用码超材料调制模块接收扫描收发天线发射的电磁信号，并对该电磁信号进行二次调制，以使合作目标的频谱从环境杂波频谱中分离出来，并将调制后的电磁信号反射至扫描接收天线；其中，编码超材料调制模块设置于合作目标上。
S3，利用信号处理模块对扫描接收天线接收到的该调制后的电磁信号进行合作目标的特征信息提取，得到合作目标的测向数据及定位数据。
本公开实施例中，基于编码超材料的合作目标测向定位系统中的扫描收发天线、编码超材料调制模块及信息处理模块等如上述实施例所示，此处不再详细表述。
本公开提供的一种基于编码超材料的合作目标测向定位系统及方法，该系统采用二次调制方式将合作目标信息加载至接收到的雷达信号中并反射给雷达系统，解决了传统合作目标测向定位方法中目标信息与环境频谱混叠带来的信息不易提取、系统灵敏度低问题，满足了复杂环境下合作目标信息的迅速提取需求。另外，该系统使用的编码超材料反射器相比常用的应答系统具有架构简单、体积小功耗低等特点，从而解决了传统目标定位、识别设备复杂度高、功耗高、体积大等问题，更利于大面积推广使用。
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的装置的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块的一部分，上述模块的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件或器件的组合来实现。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种基于编码超材料的合作目标测向定位系统，其特征在于，包括：
扫描收发天线，用于向合作目标发射电磁信号及接收合作目标返回的电磁信号；
编码超材料调制模块，用于接收所述扫描收发天线发射的电磁信号，并对该电磁信号进行二次调制，以使合作目标的频谱从环境杂波频谱中分离出来，并将调制后的电磁信号反射至所述扫描接收天线；其中，所述编码超材料调制模块设置于合作目标上；
信号处理模块，用于对所述扫描接收天线接收到的所述调制后的电磁信号进行该合作目标的特征信息提取，得到合作目标的测向数据及定位数据。
2.根据权利要求1所述的基于编码超材料的合作目标测向定位系统，其特征在于，所述编码超材料调制模块包括：多个表面超材料单元及多个PIN二极管，所述多个表面超材料单元与所述多个PIN二极管一一对应连接，所述表面超材料单元用于将所述电磁信号进行二次调制，以使所述合作目标的频谱从环境杂波频谱中分离出来；所述PIN二极管用于控制所述表面超材料单元的开启与关闭。
3.根据权利要求1所述的基于编码超材料的合作目标测向定位系统，其特征在于，所述信号处理模块用于对所述扫描接收天线接收到的所述调制后的电磁信号进行该合作目标的特征信息提取，得到合作目标的测向数据及定位数据包括：
所述信号处理模块将接收到的所述调制后的电磁信号进行脉冲压缩处理，得到环境场景频谱及合作目标频谱；
将所述环境场景频谱及所述合作目标频谱通过w-k算法进行SAR成像，并对合作目标频谱进行恒虚警检测，获得所述合作目标的侧向数据及定位数据。
4.根据权利要求3所述的基于编码超材料的合作目标测向定位系统，其特征在于，所述对合作目标频谱进行恒虚警检测包括：
将所述合作目标频谱中各子序列信号与一阈值进行相比，若所述子序列信号大于该阈值，则该子序列信号为来自所述合作目标的数据，否则，不是。
5.根据权利要求1所述的基于编码超材料的合作目标测向定位系统，其特征在于，所述系统还包括：
频率源，用于产生线性调频信号；
发射通道，用于将所述线性调频信号进行上变频处理，并经过功率放大后输出至所述扫描收发天线。
6.根据权利要求1所述的基于编码超材料的合作目标测向定位系统，其特征在于，所述系统还包括：
接收通道，用于将所述调制后的电磁信号进行下变频处理，并将信号输出至所述信号处理模块。
7.根据权利要求2所述的基于编码超材料的合作目标测向定位系统，其特征在于，所述编码超材料调制模块还包括：控制电路，所述控制电路用于控制所述多个PIN二极管的使能状态。
8.根据权利要求7所述的基于编码超材料的合作目标测向定位系统，其特征在于，所述多个PIN二极管的使能状态包括：开启状态和断开状态；当所述控制电路输出信号为“1”时，所述控制电路控制所述每个PIN二极管开关开启；当所述控制电路输出信号为“0”时，所述控制电路控制所述每个PIN二极管开关断开。
9.根据权利要求1所述的基于编码超材料的合作目标测向定位系统，其特征在于，所述合作目标的特征信息包括：方位角度及位置坐标。
10.一种基于编码超材料的合作目标测向定位方法，其特征在于，包括：
利用扫描收发天线向合作目标发射电磁信号；
采用码超材料调制模块接收所述扫描收发天线发射的电磁信号，并对该电磁信号进行二次调制，以使合作目标的频谱从环境杂波频谱中分离出来，并将调制后的电磁信号反射至所述扫描接收天线；其中，所述编码超材料调制模块设置于合作目标上；
利用信号处理模块对所述扫描接收天线接收到的所述调制后的电磁信号进行该合作目标的特征信息提取，得到合作目标的测向数据及定位数据。
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