CN117289235A - 一种天线雷达多通道信号采集处理设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天线雷达多通道信号采集处理设备及方法，采集处理设备包括雷达天线阵列和控制模块，雷达天线阵列包括若干均匀安装的雷达天线，控制模块包括数据处理模块和数据存储模块。信号采集处理方法包括：设置多通道信号的雷达天线阵列，并修正出现故障的雷达天线；每个雷达天线均向监测目标发送雷达信号，并接收回波信号，采集回波信号的功率；计算雷达天线的衰减率平均值；计算监测目标距离每个雷达天线的距离和角度。本发明实现了多通道数字雷达天线的性能自动测试，测试方法简洁，极大提高了天线测试效率，此外，本发明数据处理灵活度高、可以支持大宽带数字雷达的数据处理。
Description
技术领域
本发明涉及雷达信号处理领域，具体涉及一种天线雷达多通道信号采集处理设备及方法。
背景技术
雷达是天线的一种，雷达用来辐射和接收电磁波并决定其探测方向的设备，雷达在发射时须把能量集中辐射到需要照射的方向；而在接收时又尽可能只接收探测方向的回波，同时分辨出监测目标的方位和仰角，或二者之一。雷达测量检测目标的方位、仰角和距离，方位和仰角的测量与天线的性能直接有关。因此，天线性能对于雷达设备比对于其他电子设备(如通信设备等)更为重要。
阵列天线雷达技术已经被许多雷达系统应用，在发射端使用阵列天线，能够让雷达系统对准一个特殊的方向发射波束，在接收端使用阵列天线，能够通过数字波束成形技术产生接收波束，采样得到的接受信号可以通过一些手段，将接收波束对准某个特殊的方向。阵列天线雷达技术需要多通道信号采集处理技术，而在现有技术中，天线雷达阵列在服役过程中并未对雷达天线单元进行性能检查和筛选，导致多通道信号采集处理精度差，计算出的监测目标的方位和距离误差大，所以，亟需提出一种新型的天线雷达多通道信号采集处理设备及方法。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种天线雷达多通道信号采集处理设备及方法，在服役之前实现对雷达天线单元的性能检测，确保获取监测目标高精度的位置。
为了达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种天线雷达多通道信号采集处理方法，其包括以下步骤：
S1：设置多通道信号的雷达天线阵列，建立信号接收面，基于信号接收面建立三维坐标系O-xyz，计算每个雷达天线的额定衰减率和实际衰减率/>，筛选出现故障的雷达天线，并修正出现故障的雷达天线；
S2：雷达天线阵列进入正常工作模式，每个雷达天线均向监测目标发送雷达信号，并接收回波信号，采集回波信号的功率；
S3：根据所有正常工作的雷达天线的实际衰减率，计算雷达天线的衰减率平均值/>：
；
其中，为第/>个正常工作的雷达天线的衰减率，/>为正常工作的雷达天线的编号，u为正常工作的雷达天线的数量；
S4：计算监测目标距离每个雷达天线的距离d和角度：
；
其中，v为雷达信号的速度，为雷达信号在监测目标时的传输时间，A为雷达信号的增益系数，j为角度系数，/>为雷达信号的波长，D为雷达天线之间的安装距离；
S5：根据监测目标与每个雷达天线的距离d和角度，计算监测目标距离整个雷达天线阵列的距离/>和角度/>：
，/>；
计算出的距离和角度/>作为监测目标与雷达天线阵列的距离和方位角；
其中，为雷达天线阵列中第e个雷达天线与监测目标的距离，e为雷达天线的编号，h为雷达天线阵列中雷达天线的数量，/>为雷达天线阵列中第e个雷达天线与监测目标的角度。
进一步地，步骤S1包括：
S11：设置多通道信号的雷达天线阵列，建立信号接收面，以信号接收面的中心为原点O，建立三维坐标系O-xyz，xOy平面与信号接收面重合，z轴垂直信号接收面；
S12：获取雷达天线阵列中每个雷达天线在三维坐标系O-xyz中的坐标，在z轴上设置信号测试目标，每个雷达天线均向信号测试目标发送测试雷达信号；
S13：每个雷达天线接收到信号测试目标反射回的测试回波信号，记录每个雷达天线发送测试雷达信号的时刻t 1和实际发射功率、收到测试回波信号的时刻t 2和实际回波功率/>；
S14：根据每个雷达天线的额定发射功率计算雷达天线收到测试雷达信号的额定回波功率/>：
；
其中，G为雷达天线的增益，为测试雷达信号的波长，/>为信号测试目标的反射面积，L为雷达天线距离信号测试目标的距离，/>为信号测试目标在三维坐标系O-xyz中的坐标；
S15：计算每个雷达天线发送的测试雷达信号随时间变化的额定衰减率和实际衰减率/>：
；
其中，为信号测试目标反射测试雷达信号造成的衰减率；
S16：利用额定衰减率和实际衰减率/>计算每个雷达天线对应的衰减率误差值：/>；
S17：设定雷达天线的衰减率误差阈值，将衰减率误差值/>与衰减率误差阈值/>进行比较：
若＞/>，则判定该雷达天线出现故障，进入步骤S18；
若≤/>，则判定该雷达天线正常工作，进入步骤S2；
S18：筛选出所有出现故障的雷达天线，并提取每个故障雷达天线的实际发射功率、实际回波功率/>、额定发射功率/>和额定回波功率/>，分别计算发射功率误差/>和回波功率误差/>：/>，/>；
S19：设定发射功率误差阈值和回波功率误差阈值/>，将发射功率误差/>和回波功率误差/>分别与/>和/>进行比较，评估故障雷达天线的故障位置：
若≥/>且/>≥/>，则判定该雷达天线的发射模块和接收模块均出现故障，将该雷达天线在信号接收面上位置标记为红色；
若＜/>且/>≥/>，则判定该雷达天线的发射模块正常工作，接收模块出现故障，将该雷达天线在信号接收面上位置标记为黄色；
若≥/>且/>＜/>，则判定该雷达天线的发射模块出现故障，接收模块正常工作，将该雷达天线在信号接收面上位置标记为蓝色；
若＜/>且/>＜/>，则判定该雷达天线的发射模块和接收模块均正常工作，该雷达天线的信号传输受到外界环境影响，检查该雷达天线的信号传输路径上是否出现遮挡物；
S110：根据步骤S19评估出的故障位置，将故障雷达对应的发射模块或接收模块进行更换，并清理遮挡物，进入步骤S2。
提供一种执行上述天线雷达多通道信号采集处理方法的信号采集处理设备，其包括雷达天线阵列和控制模块，雷达天线阵列包括若干均匀安装的雷达天线；雷达天线包括发射模块和接收模块，发射模块用于发送雷达信号，接收模块用于接收回波信号；控制模块包括数据处理模块和数据存储模块，数据处理模块用于对雷达天线发送的雷达信号和接收模块接收的回波信号进行处理，筛选故障雷达天线，并监测目标距离每个雷达天线的距离d和角度。
本发明的有益效果为：本方案通过在雷达天线阵列上建立信号接收面，并利用三维坐标系O-xyz来对每个雷达天线的性能进行评估，通过测试雷达信号来精确评估出影响雷达天线的性能的部位，并进行精确修正，确保雷达天线阵列能高效、精准进行服役。在对监测目标进行探测时，采用雷达天线发送雷达信号的衰减率进行计算，并引用性能评估阶段的参数，确保计算出的监测目标的距离和角度更加精确。
本发明实现了多通道数字雷达天线的性能自动测试，测试方法简洁，极大提高了天线测试效率，此外，本发明数据处理灵活度高、可以支持大宽带数字雷达的数据处理。
附图说明
图1为信号接收面与三维坐标系O-xyz的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本方案的天线雷达多通道信号采集处理方法包括以下步骤：
S1：设置多通道信号的雷达天线阵列，建立信号接收面，如图1所示，信号接收面为将边沿的雷达天线中心相连所围合的区域，基于信号接收面建立三维坐标系O-xyz，计算每个雷达天线的额定衰减率和实际衰减率/>，筛选出现故障的雷达天线，并修正出现故障的雷达天线；
步骤S1包括：
S11：设置多通道信号的雷达天线阵列，建立信号接收面，以信号接收面的中心为原点O，建立三维坐标系O-xyz，xOy平面与信号接收面重合，z轴垂直信号接收面，如图1所示；
S12：获取雷达天线阵列中每个雷达天线在三维坐标系O-xyz中的坐标，在z轴上设置信号测试目标，每个雷达天线均向信号测试目标发送测试雷达信号；
S13：每个雷达天线接收到信号测试目标反射回的测试回波信号，记录每个雷达天线发送测试雷达信号的时刻t 1和实际发射功率、收到测试回波信号的时刻t 2和实际回波功率/>；测试雷达信号向信号测试目标发送，经过信号测试目标的反射形成测试回波信号，雷达天线的接收模块接收测试回波信号。
S14：根据每个雷达天线的额定发射功率计算雷达天线收到测试雷达信号的额定回波功率/>：
；
其中，G为雷达天线的增益，为测试雷达信号的波长，/>为信号测试目标的反射面积，L为雷达天线距离信号测试目标的距离，/>为信号测试目标在三维坐标系O-xyz中的坐标；
S15：计算每个雷达天线发送的测试雷达信号随时间变化的额定衰减率和实际衰减率/>：
；
其中，为信号测试目标反射测试雷达信号的衰减率；
S16：利用额定衰减率和实际衰减率/>计算每个雷达天线对应的衰减率误差值：/>；衰减率误差值/>表示了雷达天线在标准情况下和实际情况下信号衰减率的差值，衰减率误差值越大，证明该雷达天线的性能越差，反之则越好。
S17：设定雷达天线的衰减率误差阈值，衰减率误差阈值/>表示标准情况下和实际情况下信号衰减率差值的允许值，信号衰减率差值超过了衰减率误差阈值/>，则表明衰减率过大，影响雷达天线的正常工作。
将衰减率误差值与衰减率误差阈值/>进行比较：
若＞/>，则判定该雷达天线出现故障，进入步骤S18；
若≤/>，则判定该雷达天线正常工作，进入步骤S2；
S18：筛选出所有出现故障的雷达天线，并提取每个故障雷达天线的实际发射功率、实际回波功率/>、额定发射功率/>和额定回波功率/>，分别计算发射功率误差/>和回波功率误差/>：/>，/>；
S19：设定发射功率误差阈值和回波功率误差阈值/>，发射功率误差阈值/>表示额定发射功率与实际发射功率之间的差值，额定发射功率与实际发射功率越接近，雷达天线的发射模块性能越好；
回波功率误差阈值表示额定回波功率与实际回波功率之间的差值，额定回波功率与实际回波功率越接近，雷达天线的接收模块性能越好。
将发射功率误差和回波功率误差/>分别与/>和/>进行比较，评估故障雷达天线的故障位置：
若≥/>且/>≥/>，则判定该雷达天线的发射模块和接收模块均出现故障，将该雷达天线在信号接收面上位置标记为红色；
若＜/>且/>≥/>，则判定该雷达天线的发射模块正常工作，接收模块出现故障，将该雷达天线在信号接收面上位置标记为黄色；
若≥/>且/>＜/>，则判定该雷达天线的发射模块出现故障，接收模块正常工作，将该雷达天线在信号接收面上位置标记为蓝色；
若＜/>且/>＜/>，则判定该雷达天线的发射模块和接收模块均正常工作，该雷达天线的信号传输受到外界环境影响，检查该雷达天线的信号传输路径上是否出现遮挡物；
针对不同的故障情况，通过在信号接收面上对应位置进行不同的颜色标记，工作人员可以很容易获取雷达天线的故障位置和故障情况。
S110：根据步骤S19评估出的故障位置，将故障雷达对应的发射模块或接收模块进行更换，并清理遮挡物，进入步骤S2。
S2：雷达天线阵列进入正常工作模式，每个雷达天线均向监测目标发送雷达信号，并接收回波信号，采集回波信号的功率；
S3：根据所有正常工作的雷达天线的实际衰减率，计算雷达天线的衰减率平均值/>：
；
其中，为第/>个正常工作的雷达天线的衰减率，/>为正常工作的雷达天线的编号，u为正常工作的雷达天线的数量；
S4：计算监测目标距离每个雷达天线的距离d和角度：
；
其中，v为雷达信号的速度，为雷达信号在监测目标时的传输时间，A为雷达信号的增益系数，j为角度系数，/>为雷达信号的波长，D为雷达天线之间的安装距离；
S5：根据监测目标与每个雷达天线的距离d和角度，计算监测目标距离整个雷达天线阵列的距离/>和角度/>：
，/>；
计算出的距离和角度/>作为监测目标与雷达天线阵列的距离和方位角；
其中，为雷达天线阵列中第e个雷达天线与监测目标的距离，e为雷达天线的编号，h为雷达天线阵列中雷达天线的数量，/>为雷达天线阵列中第e个雷达天线与监测目标的角度。
执行上述天线雷达多通道信号采集处理方法的信号采集处理设备包括雷达天线阵列和控制模块，雷达天线阵列包括若干均匀安装的雷达天线；雷达天线包括发射模块和接收模块，发射模块用于发送雷达信号，接收模块用于接收回波信号；控制模块包括数据处理模块和数据存储模块，数据处理模块用于对雷达天线发送的雷达信号和接收模块接收的回波信号进行处理，筛选故障雷达天线，并监测目标距离每个雷达天线的距离d和角度。
本方案通过在雷达天线阵列上建立信号接收面，并利用三维坐标系O-xyz来对每个雷达天线的性能进行评估，通过测试雷达信号来精确评估出影响雷达天线的性能的部位，并进行精确修正，确保雷达天线阵列能高效、精准进行服役。在对监测目标进行探测时，采用雷达天线发送雷达信号的衰减率进行计算，并引用性能评估阶段的参数，确保计算出的监测目标的距离和角度更加精确。
本发明实现了多通道数字雷达天线的性能自动测试，测试方法简洁，极大提高了天线测试效率，此外，本发明数据处理灵活度高、可以支持大宽带数字雷达的数据处理。
Claims (3)
1.一种天线雷达多通道信号采集处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设置多通道信号的雷达天线阵列，建立信号接收面，基于信号接收面建立三维坐标系O-xyz，计算每个雷达天线的额定衰减率和实际衰减率/>，筛选出现故障的雷达天线，并修正出现故障的雷达天线；
S2：雷达天线阵列进入正常工作模式，每个雷达天线均向监测目标发送雷达信号，并接收回波信号，采集回波信号的功率；
S3：根据所有正常工作的雷达天线的实际衰减率，计算雷达天线的衰减率平均值/>：
；
其中，为第/>个正常工作的雷达天线的衰减率，/>为正常工作的雷达天线的编号，u为正常工作的雷达天线的数量；
S4：计算监测目标距离每个雷达天线的距离d和角度：
；
其中，v为雷达信号的速度，为雷达信号在监测目标时的传输时间，A为雷达信号的增益系数，j为角度系数，/>为雷达信号的波长，D为雷达天线之间的安装距离；
S5：根据监测目标与每个雷达天线的距离d和角度，计算监测目标距离整个雷达天线阵列的距离/>和角度/>：
，/>；
计算出的距离和角度/>作为监测目标与雷达天线阵列的距离和方位角；
其中，为雷达天线阵列中第e个雷达天线与监测目标的距离，e为雷达天线的编号，h为雷达天线阵列中雷达天线的数量，/>为雷达天线阵列中第e个雷达天线与监测目标的角度。
2.根据权利要求1所述的天线雷达多通道信号采集处理方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S11：设置多通道信号的雷达天线阵列，建立信号接收面，以信号接收面的中心为原点O，建立三维坐标系O-xyz，xOy平面与信号接收面重合，z轴垂直信号接收面；
S12：获取雷达天线阵列中每个雷达天线在三维坐标系O-xyz中的坐标，在z轴上设置信号测试目标，每个雷达天线均向信号测试目标发送测试雷达信号；
S13：每个雷达天线接收到信号测试目标反射回的测试回波信号，记录每个雷达天线发送测试雷达信号的时刻t 1和实际发射功率、收到测试回波信号的时刻t 2和实际回波功率/>；
S14：根据每个雷达天线的额定发射功率计算雷达天线收到测试雷达信号的额定回波功率/>：
；
其中，G为雷达天线的增益，为测试雷达信号的波长，/>为信号测试目标的反射面积，L为雷达天线距离信号测试目标的距离，/>为信号测试目标在三维坐标系O-xyz中的坐标；
S15：计算每个雷达天线发送的测试雷达信号随时间变化的额定衰减率和实际衰减率/>：
；
其中，为信号测试目标反射测试雷达信号造成的衰减率；
S16：利用额定衰减率和实际衰减率/>计算每个雷达天线对应的衰减率误差值/>：
；
S17：设定雷达天线的衰减率误差阈值，将衰减率误差值/>与衰减率误差阈值进行比较：
若＞/>，则判定该雷达天线出现故障，进入步骤S18；
若≤/>，则判定该雷达天线正常工作，进入步骤S2；
S18：筛选出所有出现故障的雷达天线，并提取每个故障雷达天线的实际发射功率、实际回波功率/>、额定发射功率/>和额定回波功率/>，分别计算发射功率误差/>和回波功率误差/>：/>，/>；
S19：设定发射功率误差阈值和回波功率误差阈值/>，将发射功率误差和回波功率误差/>分别与/>和/>进行比较，评估故障雷达天线的故障位置：
若≥/>且/>≥/>，则判定该雷达天线的发射模块和接收模块均出现故障，将该雷达天线在信号接收面上位置标记为红色；
若＜/>且/>≥/>，则判定该雷达天线的发射模块正常工作，接收模块出现故障，将该雷达天线在信号接收面上位置标记为黄色；
若≥/>且/>＜/>，则判定该雷达天线的发射模块出现故障，接收模块正常工作，将该雷达天线在信号接收面上位置标记为蓝色；
若＜/>且/>＜/>，则判定该雷达天线的发射模块和接收模块均正常工作，该雷达天线的信号传输受到外界环境影响，检查该雷达天线的信号传输路径上是否出现遮挡物；
S110：根据步骤S19评估出的故障位置，将故障雷达对应的发射模块或接收模块进行更换，并清理遮挡物，进入步骤S2。
3.一种执行权利要求1或2所述天线雷达多通道信号采集处理方法的信号采集处理设备，其特征在于，包括雷达天线阵列和控制模块，所述雷达天线阵列包括若干均匀安装的雷达天线；所述雷达天线包括发射模块和接收模块，所述发射模块用于发送雷达信号，所述接收模块用于接收回波信号；所述控制模块包括数据处理模块和数据存储模块，所述数据处理模块用于对雷达天线发送的雷达信号和接收模块接收的回波信号进行处理，筛选故障雷达天线，并监测目标距离每个雷达天线的距离d和角度。
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