CN113093138A - 一种频率分集阵列持续性波束跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率分集阵列持续性波束跟踪方法，该方法通过截取FDA对某一目标扫描周期内的有效时段，并且重复发射相同信号，将自动指向其他无用方向的时段利用起来，对需要被探测的方向持续性的发射能聚焦的波束，达到稳定跟踪的效果，解决了在使用FDA跟踪目标时，如何提高扫描时对期望方位上的波束能量，对FDA有效方位信号的复制和搬移，避免在除了目标方位以外的其他方位的能量浪费，同时减小了发射机的负载；避免了传统FDA时变性的问题，对于某一方向能够产生持续性波束照射，累积的反射能量远大于传统FDA，保留了FDA波束方向图距离‑角度依赖的特性，因此能够有较高的距离分辨率，利用重复脉冲的特性生成的条状波束图解决了距离角度耦合的问题。

Description

一种频率分集阵列持续性波束跟踪方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种频率分集阵列(Frequencydiversity array，FDA)持续性波束跟踪方法。

背景技术

传统相控阵由于其波束方向图只与方位有关，所以无法直接从波束方向图对应同一方位不同距离的目标进行分辨和识别。而FDA可以产生距离-角度依赖的波束方向图，因此在抑制距离干扰和杂波、合成孔径方面有着广阔的应用场景。同时FDA不需要调节相位来控制波束指向，它会对全场景自动的进行周期性扫描。虽然相比于相控阵有着众多的优势，但是其自动扫描所带来的不可控的时变性也成为了一大问题。尤其是在目标跟踪时，快速变化的波束图使得目标反射时间变短，累积反射能量变弱，从而导致跟踪不稳定或者丢失目标的情况。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种频率分集阵列持续性波束跟踪方法，通过截取FDA对某一目标扫描周期内的有效时段，并且重复发射相同信号，将自动指向其他无用方向的时段利用起来，针对需要被探测的方向持续性的发射能聚焦的波束，从而达到稳定跟踪的效果，并且以该方法产生的波束也解决了FDA存在的距离角度耦合问题。

实现本发明目的的技术方案是：

一种频率分集阵列持续性波束跟踪方法，包括如下步骤：

1)初始化频率分集阵列参数，设FDA发射模型中总共阵元数为N，相邻阵元间距为d，载频为f₀，Δf为固定的频率偏移量，则第n个阵元发射的单频信号表示为：

其中T表示发射脉冲持续时间；

2)使用传统线性FDA对空间自动扫描，认知目标的角度θ_p和距离R_p基本特征，其中R_p为远场目标到第一个阵元的距离，即R_P＝R₀，则第n个阵元到远场目标的距离为：

R_n＝R_p-ndsinθ_p (2)

3)根据认知特征得到的参数，将所有阵元发射信号叠加得到波束方向图函数为：

其中F_e(ω_n)表示阵元因子，ω_n＝2πf_n＝2π(f₀+nΔf)，将波束方向图取模并归一化，得到：

其中c为电磁波传播速度；

4)截取出对目标点反射信号有作用的主瓣，截取的有效时段为：

其中k为整数；

5)控制初相使得合成的波形在远场目标点为步骤3)中的高能时段，信号从阵元到远场目标所需要花的时间由R_p和c求得：

因此阵列的初相计算得：

6)将单个有效时段T_e作为一个脉宽，重复发射该时段信号；

7)将重复发射的多个脉宽作为一个脉冲，采用脉冲雷达发射方式持续性发射信号，假设T为脉冲宽度，T_R为脉冲从发射后到目标所经历的时间，T_P为脉冲重复周期，具体参数值由占空比D_r的限制以及雷达要求探测范围来确定，遵守以下公式：

T_p＞T_R (10)

8)接收回波数据时将每个阵元发射的不同频率全部接收，得到由第m个阵元接收到的第n个阵元发出的信号为：

将所有阵元信号叠加后得接收方向波束图表达式为：

将波束方向图取模并归一化得：

本发明提供的一种频率分集阵列持续性波束跟踪方法，该方法解决了在使用FDA跟踪目标时，如何提高扫描时对期望方位上的波束能量，对FDA有效方位信号的复制和搬移，避免在除了目标方位以外的其他方位的能量浪费，同时为减小发射机负载；避免了传统FDA时变性的问题，对于某一方向能够产生持续性波束照射，累积的反射能量远大于传统FDA，并且保留了FDA波束方向图距离-角度依赖的特性，因此能够有较高的距离分辨率，同时也利用重复脉冲的特性生成的条状波束图解决了距离角度耦合的问题。

附图说明

图1为频率分集阵列结构模型图；

图2为目标点在时间上的波束变化图；

图3为重复发射有效脉冲的波束方向图；

图4为雷达采用的脉冲发射方式；

图5为全频接收的发射-接收方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

一种频率分集阵列持续性波束跟踪方法，包括如下步骤：

1)初始化频率分集阵列参数，FDA发射模型如图1所示，总共阵元数为N，相邻阵元间距为d，载频为f₀，Δf为固定的频率偏移量，则第n个阵元发射的单频信号表示为：

其中T表示发射脉冲持续时间。

2)使用传统线性FDA对空间自动扫描，认知目标的角度θ_p和距离R_p基本特征，其中R_p为远场目标到第一个阵元的距离，即R_P＝R₀，则第n个阵元到远场目标的距离为：

R_n＝R_p-ndsinθ_p (2)

3)根据认知特征得到的参数，将所有阵元发射信号叠加得到波束方向图函数为：

其中F_e(ω_n)表示阵元因子，ω_n＝2πf_n＝2π(f₀+nΔf)，将波束方向图取模并归一化，得到：

其中c为电磁波传播速度；由此可以得到在目标点位置时间上的波形变化如图2，扫描周期为T_s＝1/Δf，能积累能量的有效时宽为T_e＝2/NΔf，主瓣宽度为T_h＝1/NΔf。

4)截取出对目标点反射信号有作用的主瓣，即图2中的虚线部分，截取的有效时段为：

其中k为整数；

5)控制初相使得合成的波形在远场目标点为步骤3)中的高能时段，信号从阵元到远场目标所需要花的时间由R_p和c求得：

因此阵列的初相计算得：

6)将单个有效时段T_e作为一个脉宽，重复发射该时段信号，得到如图3所示的发射波束方向图；

7)将重复发射的多个脉宽作为一个脉冲，采用脉冲雷达发射方式持续性发射信号，如图4所示，假设T为脉冲宽度，T_R为脉冲从发射后到目标所经历的时间，T_P为脉冲重复周期，具体参数值由占空比D_r的限制以及雷达要求探测范围来确定，遵守以下公式：

T_p＞T_R (10)

8)接收回波数据时将每个阵元发射的不同频率全部接收，得到由第m个阵元接收到的第n个阵元发出的信号为：

将所有阵元信号叠加后得接收方向波束图表达式为：

将波束方向图取模并归一化得：

采用上述方法进行实验仿真，具体如下：

(1)实验场景设置

FDA结构图如图1所示，其中辐射单元数N＝20，阵元间距d＝λ/2＝0.015m，雷达信号基准载频为f₀＝10GHz，固定频偏Δf＝500KHz，θ_p＝0，R_p为有效探测范围内的任意值。

(2)仿真结果

将有效时段进行复制和搬移后得到如图3所示的发射波束方向图，能在θ_p上形成类似相控阵的条状波形图。但是相比于全频接收后的图5，图5有更好的方位分辨率。使用本文的方法不仅保留了FDA在距离上的分辨率，而且增强了该方向上的能量积累。因此以这样的形式去跟踪目标不仅可以增强跟踪效果，也可以解决FDA距离角度耦合的问题。

Claims (1)

1.一种频率分集阵列持续性波束跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)初始化频率分集阵列参数，设FDA发射模型中总共阵元数为N，相邻阵元间距为d，载频为f₀，Δf为固定的频率偏移量，则第n个阵元发射的单频信号表示为：

其中T表示发射脉冲持续时间；

2)使用传统线性FDA对空间自动扫描，认知目标的角度θ_p和距离R_p基本特征，其中R_p为远场目标到第一个阵元的距离，即R_P＝R₀，则第n个阵元到远场目标的距离为：

R_n＝R_p-ndsinθ_p (2)

3)根据认知特征得到的参数，将所有阵元发射信号叠加得到波束方向图函数为：

其中F_e(ω_n)表示阵元因子，ω_n＝2πf_n＝2π(f₀+nΔf)，将波束方向图取模并归一化，得到：

其中c为电磁波传播速度；

4)截取出对目标点反射信号有作用的主瓣，截取的有效时段为：

其中k为整数；

5)控制初相使得合成的波形在远场目标点为步骤3)中的高能时段，信号从阵元到远场目标所需要花的时间由R_p和c求得：

因此阵列的初相计算得：

6)将单个有效时段T_e作为一个脉宽，重复发射该时段信号；

7)将重复发射的多个脉宽作为一个脉冲，采用脉冲雷达发射方式持续性发射信号，假设T为脉冲宽度，T_R为脉冲从发射后到目标所经历的时间，T_P为脉冲重复周期，具体参数值由占空比D_r的限制以及雷达要求探测范围来确定，遵守以下公式：

T_p＞T_R(10)

8)接收回波数据时将每个阵元发射的不同频率全部接收，得到由第m个阵元接收到的第n个阵元发出的信号为：

将所有阵元信号叠加后得接收方向波束图表达式为：

将波束方向图取模并归一化得：

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