數(shù)字Dechirp寬帶相控陣雷達Keystone變換算法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于Keystone變換的數(shù)字Dechirp寬帶相控陣雷達數(shù)字波束形成技術(shù)。本發(fā)明解決了寬帶數(shù)字相控陣雷達寬角范圍內(nèi)同時形成多波束存在的運算量大、孔徑渡越問題。首先對單個陣元寬帶中頻數(shù)字回波信號進行數(shù)字Dechirp混頻、抽取，大大降低了信號帶寬；然后采用陣元級Keystone變換，將所有陣元不同角度的回波搬移到0號陣元目標回波參考位置，巧妙地將寬帶DBF運算量降低到窄帶DBF的量級，同時保留了寬帶DBF的距離高分辨性能。同傳統(tǒng)的方法相比，運算量更低，便于工程實現(xiàn)。
【專利說明】
數(shù)字Dech i rp寬帶相控陣雷達Keystone變換算法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于雷達信號處理領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)字Dechirp寬帶相控陣雷達 Keystone變換算法，該算法能夠補償寬帶數(shù)字相控陣雷達寬角掃描下的孔徑渡越問題。
【背景技術(shù)】
[0002] 雷達目標回波波前到達相控陣天線陣兩端的時間差稱為孔徑渡越時間，對應(yīng)的距 離稱為孔徑渡越距離，目標與天線法線偏角越大，孔徑渡越時間/孔徑渡越距離越長。若雷 達采用寬帶信號，孔徑渡越距離會大于多個距離分辨單元，這時相控陣雷達如果采用傳統(tǒng) 的窄帶數(shù)字波束形成技術(shù)，將會導致信噪比下降，波束副瓣抬高，指向精度變差，距離像分 辨能力下降。
[0003] 針對寬帶相控陣雷達存在的上述問題，目前解決方法分為以下四種方法：
[0004] 模擬延遲線法:模擬延遲線主要利用電磁波在微波傳輸線中傳輸所消耗的時間實 現(xiàn)信號的延遲，延遲量往往被量化為中心頻率信號周期的整數(shù)倍，存在的問題有:體積大、 成本高、量化精度低、系統(tǒng)復(fù)雜度高、溫度較敏感等，現(xiàn)在已經(jīng)基本不用。
[0005] 數(shù)字延遲線法:是將寬帶中頻模擬信號AD采樣后，通過數(shù)字下變頻、數(shù)字延遲濾波 器實現(xiàn)信號的延遲;數(shù)字延遲線具有靈活的延遲功能，能夠直接和數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合 使用，形成靈活的數(shù)字波束，便于后續(xù)的數(shù)字信號處理，優(yōu)點是體積小、受環(huán)境影響小、精度 高，且能靈活改變延時量，其缺點是如果系統(tǒng)需要產(chǎn)生同時多波束時，對于每個波束指向， 都需要產(chǎn)生與之相對應(yīng)的延遲量，復(fù)雜度大大提高；
[0006]模數(shù)混合的方法通常采用模擬調(diào)頻本振技術(shù)，將寬帶模擬信號變?yōu)檎瓗M信 號，然后通過AD采樣，在數(shù)字域進行距離延遲補償處理，數(shù)字延遲補償方法如上，缺點如上。 [0007] Keystone方法：其步驟是首先對每個陣元接收到的寬帶中頻回波進行快時間維 FFT，變換到頻域，然后在陣元間進行Keystone變換，最后進行空域數(shù)字波束形成，其缺點是 直接對中頻寬帶信號進行處理，運算量大，工程實現(xiàn)復(fù)雜。
[0008] 本發(fā)明首先對目標所處距離附近產(chǎn)生數(shù)字調(diào)頻本振實現(xiàn)數(shù)字混頻，然后對不同距 離的目標回波包絡(luò)進行對齊，即Dechirp處理，最后在陣元間進行Keystone變換，實現(xiàn)不同 入射角的回波向參考距離包絡(luò)對齊，將寬帶數(shù)字波束形成轉(zhuǎn)換為窄帶數(shù)字波束形成方法， 在同時多波束應(yīng)用中大大降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度，降低了波束副瓣電平，提高了系統(tǒng)的 空間相參增益及提高了系統(tǒng)的角度分辨力及測角精度、距離分辨力及測距精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 要解決的技術(shù)問題
[0010] 為了解決寬帶數(shù)字相控陣雷達寬角范圍內(nèi)同時形成多波束存在的運算量大、孔徑 渡越問題，本發(fā)明提出一種數(shù)字Dechirp寬帶相控陣雷達Keystone變換算法。首先對單個陣 元寬帶中頻數(shù)字回波信號進行數(shù)字Dechirp混頻、抽取，大大降低了信號帶寬;然后采用陣 元級Keystone變換，將所有陣元不同角度的回波搬移到0號陣元目標回波參考位置，巧妙地 將寬帶DBF運算量降低到窄帶DBF的量級，同時保留了寬帶DBF的距離高分辨性能。
[0011]技術(shù)方案
[0012] -種數(shù)字Dechirp寬帶相控陣雷達Keystone變換算法，其特征在于步驟如下：
[0013] 步驟1 :將相控陣雷達第m個陣元單次p R T獲得的中頻數(shù)字回波
與復(fù)中頻數(shù)字線性調(diào)頻本振
進行混頻得到
;其中Tref為參考距離Rref對應(yīng)的延遲，f 〇為 中頻中心頻率，fc為射頻中心頻率，y為調(diào)頻斜率，Ra_b為第m個陣元目標距離RT與參考距離 之差，TPS線性調(diào)頻脈沖寬度，t為快時間，c為光速，為第m個陣元接收到的目標回波 延遲，Tref為數(shù)字本振時寬；
[0014] 步驟2:將sb_m(t，m)通過抗混疊 FIR濾波器，每隔K-1個采樣點抽取一個保留，所述
，對sb_m(t，m)進行快時間維數(shù)字濾波抽取獲得新的基帶信號
，其中，n為快時間維，ts '為抽取后的 采樣率，B為線性調(diào)頻信號調(diào)頻帶寬；
[0015] 步驟3:對Sb(nts'，m)進行陣元維Keystone內(nèi)插，插值采用sine函數(shù)得到
[0016] 步驟 4 :計算多波束 ，衫*%，其中，
,心為期望信號入射角，1 = 〇，1，...，1_1，1為需 要形成的波束數(shù)目；
[0017] 步驟5:對每個波束快時間維做FFT，完成脈壓，根據(jù)需要選擇不同的窗函數(shù)，獲得 目標的高分辨一維距離像sh^Kn)。
[0018] 步驟3中的插值也可以采用DFT+FFT或CZT算法。
[0019]有益效果
[0020]本發(fā)明提出的一種數(shù)字Dechirp寬帶相控陣雷達Keystone變換算法，充分利用寬 帶線性調(diào)頻信號以及寬帶相控陣雷達回波特點，通過時域及空域處理實現(xiàn)孔徑渡越補償。 通過數(shù)字Dechirp方法使得時域?qū)拵盘栕冋瓗盘枺蟠蠼档土诵盘枎捙c基帶采樣率； 通過Keystone變換，空域?qū)拵BF變?yōu)檎瓗BF問題，在同時多波束的應(yīng)用中能夠大大降低 運算量，便于工程應(yīng)用。
[0021]本算法通過對寬帶回波信號進行數(shù)字Dechirp混頻，然后通過抽取，大大降低了數(shù) 據(jù)率，然后通過采用陣元級的Keystone變換方法，將所有陣元不同方向的回波搬移到了 0號 陣元目標回波參考位置，巧妙地將寬帶數(shù)字波束形成變?yōu)檎瓗?shù)字波束形成，有效提高了 空間相參積累增益、角度/距離分辨力、角度/距離精度。
【附圖說明】
[0022]圖1是中頻數(shù)字線性調(diào)頻本振完成Dechirp處理及抽取，將快時間高采樣率變?yōu)榈?采樣率：（a)單陣元數(shù)字線性調(diào)頻本振框圖；（b)混頻前回波頻譜；（c)混頻后回波頻譜；（d) 數(shù)字抽取后回波頻譜；
[0023]圖2是陣元維內(nèi)插處理，完成Keystone變換，將空間不同方向來波向第0個陣元對 齊，實現(xiàn)孔徑渡越補償：（a)陣元維Keystone變換框圖；（b)陣元維Keystone變換插值前后數(shù) 據(jù)分布圖；
[0024]圖3是數(shù)字多波束實現(xiàn)框圖；
[0025]圖4是各波束完成脈沖壓縮，最后獲得陣元-距離平面；
[0026]圖5是本發(fā)明全部信號處理圖
【具體實施方式】
[0027] 現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述：
[0028] 首先對每個陣元單次脈沖重復(fù)周期數(shù)字基帶回波進行數(shù)字調(diào)頻混頻，獲得差頻回 波;其次進行陣元維Keystone內(nèi)插，實現(xiàn)對空域孔徑渡越補償;再次進行數(shù)字波束形成，產(chǎn) 生期望指向的波束，最后對期望波束進行加權(quán)FFT，即脈沖壓縮，獲得波束距離平面。
[0029]這里約定算法輸入的信號為陣元通道經(jīng)過AD采樣后的數(shù)字基帶信號。主要標號 為:陣元維記為m，陣元數(shù)目為M;快時間維記為n，總的數(shù)目N;波束維為i，總的波束數(shù)目記為 1〇
[0030]本發(fā)明的實現(xiàn)步驟如下：
[0031 ] 步驟1，中頻線性調(diào)頻本振數(shù)字混頻，參照圖1 (a)，圖1 (b)，圖1 (c)。
[0032] la)參數(shù)設(shè)計：雷達工作信號基帶波形表示為
，〖為快時間，調(diào) 頻斜率
，B為線性調(diào)頻信號調(diào)頻帶寬，TP為線性調(diào)頻脈沖寬度，設(shè)計采樣率為f s，其中 fs〈B，采樣間隔為
[0033] 第m個陣元接收到的目標回波延遲為
，目標中頻回波為
，m取值為0:M_1，M為陣元數(shù) 目，f。為載頻。產(chǎn)生中頻數(shù)字線性調(diào)頻本振信號作為參考，
，Tref為參考距離Rref對應(yīng)的延遲，參考距離的選 擇與陣元無關(guān)，Trrf為數(shù)字本振時寬。參看圖1 (a)。
[0034] 將中頻數(shù)字回波與復(fù)數(shù)字調(diào)頻本振進行混頻，混頻結(jié)果為：
其中RA_m為第m個陣元目標距離Rt 與參考距離Rref之差，TP為線性調(diào)頻脈沖寬度，要求Tref >TP，通常情況下Tref~TP，第三項二次 相位項可以忽略不計，
> 參看圖1(b)。
[0035] 信號帶寬由原來的yTP減小為y(Tref-TP)，分析帶寬大大降低，因此可以進行快時間 維濾波抽取，參看圖1(c)。
[0036] lb)對sb_m( t，m)進行快時間維數(shù)字濾波抽取，參看圖1 (d)
[0037] 抽取率選擇方法為：
，對sbm(t，m)進行快時間維數(shù)字濾波抽 取，獲得新的基帶信號sb(t，m)，這里t = nts'，ts'為抽取后的采樣率。
[0038] 為了提高信噪比，抽取之前必須設(shè)計抗混疊 FIR濾波器，濾波器特性為線性相位特 性，通帶帶寬要大于y(Tref-TP)，帶內(nèi)波動小于0.2dB，阻帶抑制為50dB以上?？够殳B FIR濾波 器可以通過MATLAB自帶的fdatool工具箱進行優(yōu)化設(shè)計。濾波抽取的具體實現(xiàn)方法為：將 Sb_m(t，m)通過此抗混疊 FIR濾波器，然后隔K-1個采樣點抽取一個保留，即實現(xiàn)了快時間維 數(shù)字濾波抽取，獲得新的基帶信號sb(t，m)。
[0039] 時間維數(shù)字濾波抽取后的回波信號表示為：
.，為了簡化，將Sb(nts'，m)表示為sb(n, m) 〇
[0040] 步驟2,陣元維Keystone變換，參看圖2(a)，圖2(b)。
[0041 ] 對陣元回波信號sb(n，m)，進行陣元維Keystone內(nèi)插處理。對于均勾線陣來講， 假設(shè)單元間距為d，入射角為9，陣元數(shù)目為M，以第0個陣元作為基準，則第m陣元波程 差為：Rm = d ? m ? sin0，m取值范圍為0, 1…，M-1，將1替換RA_m，則回波變?yōu)?br>，定義虛擬陣元位置為：
，即將原來的(n-m)平面變?yōu)?n-k)平面，即信號采樣由原來 的矩形格式點變?yōu)樘菪胃袷近c，獲得新的數(shù)據(jù)平面Ske3yst_(n，k)，維數(shù)不變，仍為NXM，插值 可以通過sine函數(shù)實現(xiàn)，
，也可以通過DFT+ FFT或CZT算法來實現(xiàn)。
[0042]步驟3，數(shù)字波束形成，參照圖3。
[0043] 3a)導向矢量計算

[0044]已知期望信號入射角01，1 = 〇，1，...，1_1，1為需要形成的波束數(shù)目，陣元間距波 ，設(shè)計期望信號導向矢量為 ，維數(shù)為MX 1〇
[0045] 3b)同時多波束形成
[0046]
，獲得期望信號波束頻域結(jié)果，維數(shù)為NX I。如果波束 數(shù)目與輸入陣元數(shù)目相當，這里可以對陣元間做FFT，實現(xiàn)空域多波束。
[0047]步驟4，頻域脈沖壓縮，參照圖4。
[0048]然后對每波束快時間維做FFT，完成脈壓，根據(jù)需要選擇不同的窗函數(shù)，獲得目標 的高分辨一維距離像Shrrp_i(n)。
【主權(quán)項】
1. 一種數(shù)字Dechirp寬帶相控陣雷達Keystone變換算法，其特征在于步驟如下： 步驟1 :將相控陣雷達第m個陣元單次P R T獲得的中頻數(shù)字回波與復(fù)中頻數(shù)字線性調(diào)頻本振;其中Tref為參考距離Rref對應(yīng)的延遲，f 〇為 中頻中心頻率，fc為射頻中心頻率，y為調(diào)頻斜率，Ra_b為第m個陣元目標距離RT與參考距離 之差，TPS線性調(diào)頻脈沖寬度，t為快時間，c為光速，為第m個陣元接收到的目標回波 延遲，Tref為數(shù)字本振時寬； 步驟2:將sb_m(t，m)通過抗混疊 FIR濾波器，每隔K-1個采樣點抽取一個保留，所述的，對sb_m(t，m)進行快時間維數(shù)字濾波抽取獲得新的基帶信號，其中，n為快時間維，ts'為抽取后的 采樣率，B為線性調(diào)頻信號調(diào)頻帶寬； 步驟3:對sb(nts'，m)進行陣元維Keystone內(nèi)插，插值采用sine函數(shù)得到為虛擬陣元位置； 步驟 4 :計算多波束 X⑷=5-，其中，為期望信號入射角，i = 〇，1，. . .，1-1，I為需 要形成的波束數(shù)目； 步驟5:對每個波束快時間維做FFT，完成脈壓，根據(jù)需要選擇不同的窗函數(shù)，獲得目標 的高分辨一維距離像Shrrp_i(n)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字Dechirp寬帶相控陣雷達Keystone變換算法，其特征 在于步驟3中的插值也可以采用DFT+FFT或CZT算法。
【文檔編號】G01S7/41GK106054157SQ201610574381
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月20日
【發(fā)明人】羅丁利, 王亞軍, 蔡興雨, 王勇, 楊磊
【申請人】西安電子工程研究所