雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng)及其目標(biāo)定位方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng)及其目標(biāo)定位方法，屬于雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，其中，雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng)由N個(gè)呈等間距線性排列的陣元構(gòu)成，其中N為正整數(shù)；每個(gè)陣元包括發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分包括調(diào)制信號(hào)生成器、雙邊帶調(diào)制器和發(fā)射天線；調(diào)制信號(hào)生成器的輸出端與雙邊帶調(diào)制器的輸入端相連，雙邊帶調(diào)制器的輸出端連接發(fā)射天線。接收部分包括接收天線、濾波器組和定位解算單元；濾波器組由2個(gè)通過(guò)頻率不同的窄帶濾波器組成；接收天線同時(shí)連接這2個(gè)窄帶濾波器的輸入端，2個(gè)窄帶濾波器的輸出端同時(shí)與定位解算單元的輸入端連接。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng)及其目標(biāo)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng) 及其目標(biāo)定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用需求。相控陣被廣泛應(yīng)用于 雷達(dá)目標(biāo)定位，但由于其波束方向圖只與角度有關(guān)，無(wú)法從其波束方向圖中直接提取目標(biāo) 距離信息，也無(wú)法有效抑制距離依賴(lài)的干擾和雜波。
[0003] 頻率分集陣列(frequency diverse array，F(xiàn)DA)同時(shí)依賴(lài)于距離和角度的波束方 向圖，使其成為近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。但由于其固有的距離、角度耦合，無(wú)法直接 從其波束圖中提取距離和角度信息。此外，目前實(shí)現(xiàn)頻率分集陣列雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)主要是通 過(guò)采用多個(gè)不同頻率偏置的FDA子陣或FDA與相控陣聯(lián)合收發(fā)等方法，不易用于實(shí)際場(chǎng)景且 較難實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是現(xiàn)有頻率分集陣列無(wú)法直接提取目標(biāo)的距離和角 度信息，且不易用于實(shí)際場(chǎng)景和較難實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，提供一種雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng) 及其目標(biāo)定位方法。
[0005] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng)，由N個(gè)呈等間距線性排列的陣元構(gòu)成，其中N為正 整數(shù);每個(gè)陣元包括發(fā)射部分和接收部分;其中
[0007] 發(fā)射部分包括調(diào)制信號(hào)生成器、雙邊帶調(diào)制器和發(fā)射天線；調(diào)制信號(hào)生成器的輸 出端與雙邊帶調(diào)制器的輸入端相連，雙邊帶調(diào)制器的輸出端連接發(fā)射天線；
[0008] 接收部分包括接收天線、濾波器組和定位解算單元;濾波器組由2個(gè)通過(guò)頻率不同 的窄帶濾波器組成;接收天線同時(shí)連接這2個(gè)窄帶濾波器的輸入端，2個(gè)窄帶濾波器的輸出 端同時(shí)與定位解算單元的輸入端連接。
[0009] 上述方案中，優(yōu)選的是每個(gè)陣元的雙邊帶調(diào)制器主要由乘法器構(gòu)成；乘法器的一 個(gè)輸入端與調(diào)制信號(hào)生成器連接，乘法器的另一個(gè)輸入端接入載波信號(hào)。
[0010]進(jìn)一步的，上述方案中，優(yōu)選的是每個(gè)陣元的雙邊帶調(diào)制器所接入的載波信號(hào)均 相同。
[0011]上述方案中，優(yōu)選的是每個(gè)陣元的發(fā)射部分還進(jìn)一步包括幅值歸一化調(diào)整單元， 該幅值歸一化調(diào)整單元串接在雙邊帶調(diào)制器和發(fā)射天線之間，即幅值歸一化調(diào)整單元的輸 入端與雙邊帶調(diào)制器的輸出端連接，幅值歸一化調(diào)整單元的輸出端與發(fā)射天線連接。
[0012] 上述方案中，優(yōu)選的是第η個(gè)陣元的2個(gè)窄帶濾波器的通過(guò)頻率分別為fo-nAf和f〇 +nAf;其中n = l，2,…，N，N為陣元的個(gè)數(shù)，fQ為陣列載波頻率，Δ f為偏置頻率。
[0013] 基于雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)定位方法，其包括如下步驟：
[0014] 步驟1，N個(gè)陣元的調(diào)制信號(hào)生成器產(chǎn)生N個(gè)頻率不同的調(diào)制信號(hào)；
[0015] 步驟2，N個(gè)陣元的雙邊帶調(diào)制器分別對(duì)這N個(gè)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后，得到N個(gè)雙邊 帶已調(diào)信號(hào)；
[0016] 步驟3，N個(gè)陣元發(fā)射天線分別將這N個(gè)雙邊帶已調(diào)信號(hào)向外發(fā)出；
[0017] 步驟4，N個(gè)陣元發(fā)出的N個(gè)雙邊帶已調(diào)信號(hào)遇到遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)后返回；
[0018] 步驟5，N個(gè)陣元的接收天線接收返回的回波信號(hào)；
[0019] 步驟6,回波信號(hào)經(jīng)過(guò)N個(gè)陣元的接收天線濾波器組進(jìn)行濾波得到上邊帶信號(hào)和下 邊帶信號(hào)；
[0020] 步驟7,接收天線定位解算單元對(duì)所有下邊帶信號(hào)和上邊帶信號(hào)分別進(jìn)行相干檢 波和疊加處理得到下邊帶回波響應(yīng)和上邊帶回波響應(yīng)；
[0021] 步驟8,選定角度-距離聯(lián)合估算式
對(duì)下邊帶回波響應(yīng)進(jìn)行 估算得到第一組角度-距離估算值，選定角度-距離聯(lián)合估算式
上邊帶回波響應(yīng)進(jìn)行估算得到第二組角度-距離估計(jì)值，其中r-KRoJ)為下邊帶回波響應(yīng)， η(Κο，θ)為上邊帶回波響應(yīng)；
[0022]步驟9,取第一組角度-距離估算值和第二組角度-距離估計(jì)值的交集即可得到目 標(biāo)的角度-距離的估計(jì)值。
[0023] 上述方法中，優(yōu)選的是步驟2中N個(gè)陣元的雙邊帶調(diào)制器分別把xn(t) = cos(2Jin Δ ft)的調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)C〇S(23ifQt)相乘得到N個(gè)雙邊帶已調(diào)信號(hào);其中η=1，2···，Ν，?·〇為 陣列載波頻率，A f為偏置頻率，t為時(shí)間。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)：
[0025] 1、本發(fā)明可以在發(fā)射單個(gè)頻率偏置信號(hào)的情況下獲取遠(yuǎn)程目標(biāo)的角度和距離信 息。
[0026] 2、進(jìn)一步的，本發(fā)明能夠完成單個(gè)目標(biāo)的單頻率偏置信號(hào)定位。
[0027] 3、本發(fā)明的目標(biāo)定位方法的發(fā)射信號(hào)中不需要載波直流信息，有效地節(jié)約發(fā)射功 率。
[0028] 4、本發(fā)明的發(fā)射波形中不包含載頻分量，可以有效地提高抗干擾和抗截獲的能 力。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1為雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射部分的原理示意圖。
[0030] 圖2為雙邊帶調(diào)制器的原理示意圖。
[0031] 圖3為雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng)的接收部分的原理示意圖。
[0032]圖4是上邊帶-下邊帶聯(lián)合估計(jì)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明：
[0034]雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng)，如圖1所示，由N個(gè)呈等間距線性排列的陣元構(gòu)成， 其中N為正整數(shù)。陣元與陣元間的間隔為d，其中d-般為發(fā)射信號(hào)的1/2波長(zhǎng)，每個(gè)陣元包括 發(fā)射部分和接收部分。
[0035] 發(fā)射部分包括調(diào)制信號(hào)生成器、雙邊帶調(diào)制器、幅值歸一化調(diào)整單元和發(fā)射天線； 調(diào)制信號(hào)生成器的輸出端與雙邊帶調(diào)制器的輸入端相連，調(diào)制信號(hào)生成器經(jīng)過(guò)調(diào)制輸出頻 率不同的正弦信號(hào)Xn(t)=cos(2JinA ft)，其中n=l，2···，N。每個(gè)陣元的雙邊帶調(diào)制器主要 由乘法器構(gòu)成;乘法器的一個(gè)輸入端與調(diào)制信號(hào)生成器連接，乘法器的另一個(gè)輸入端接入 載波信號(hào)，其中載波信號(hào)為(308(2對(duì)〇〇4()為陣列載波頻率4為時(shí)間。每個(gè)陣元的雙邊帶調(diào) 制器把調(diào)制信號(hào)生成器輸出的頻率不同的正弦信號(hào)與載波信號(hào)相乘后得到已調(diào)信號(hào)。由于 幅值歸一化調(diào)整單元串接在雙邊帶調(diào)制器和發(fā)射天線之間，因此已調(diào)信號(hào)經(jīng)過(guò)幅值歸一化 調(diào)整單元后，再由發(fā)射天線把已調(diào)信號(hào)發(fā)射出去，如圖1、2所示。
[0036] 接收部分包括接收天線、濾波器組和定位解算單元;濾波器組由2個(gè)通過(guò)頻率不同 的窄帶濾波器組成;接收天線同時(shí)連接這2個(gè)窄帶濾波器的輸入端，2個(gè)窄帶濾波器的輸出 端同時(shí)與定位解算單元的輸入端連接。第η個(gè)陣元的2個(gè)窄帶濾波器的通過(guò)頻率分別為f〇-n Δ f和fQ+n Δ f;其中n=l，2,…，N，N為陣元的個(gè)數(shù)，fo為陣列載波頻率，△ f為偏置頻率?；夭?信號(hào)由接收天線進(jìn)行接收，并經(jīng)過(guò)N個(gè)陣元的接收天線濾波器組進(jìn)行濾波得到上邊帶信號(hào) 和下邊帶信號(hào);接收天線定位解算單元對(duì)所有下邊帶信號(hào)和上邊帶信號(hào)分別進(jìn)行相干檢波 和疊加處理得到下邊帶回波響應(yīng)和上邊帶回波響應(yīng)，如圖3所示。
[0037] 基于雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)定位方法，包括如下步驟：
[0038]步驟1，N個(gè)陣元的調(diào)制信號(hào)生成器產(chǎn)生N個(gè)頻率不同的正弦信號(hào)&(〇，
[0039] xn(t) = cos(2jrn Δ ft) η=1,2···,Ν
[0040] 其中，Δ f為偏置頻率，t為時(shí)間。
[0041] 步驟2，N個(gè)陣元的雙邊帶調(diào)制器分別對(duì)這N個(gè)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行與載波cosUnfot)相 乘，得到N個(gè)雙邊帶已調(diào)信號(hào)s/ (t):
[0043] 為方便分析和計(jì)算，將sn(t)轉(zhuǎn)化為復(fù)信號(hào)，且進(jìn)行幅值歸一化，可得第η個(gè)陣元的 發(fā)射信號(hào)：
[0044] sn(t) = exp{ j2jr(f〇-n Δ f )t}+exp{ j2jr(f〇+n A f )t}
[0045] 可知，與傳統(tǒng)roA發(fā)射信號(hào)僅含上邊帶不同，雙邊帶FDA發(fā)射信號(hào)同時(shí)包括上邊帶 和下邊帶信息。
[0046] 步驟3，N個(gè)陣元發(fā)射天線分別接收N個(gè)陣元的雙邊帶調(diào)制器傳入的已調(diào)信號(hào)sn (t)，同時(shí)把這N個(gè)雙邊帶已調(diào)信號(hào)sn(t)向外發(fā)出。
[0047]步驟4，N個(gè)陣元發(fā)出的N個(gè)雙邊帶已調(diào)信號(hào)當(dāng)遇到遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)后，由目標(biāo)將發(fā)射信號(hào) 反射回來(lái)。
[0048]步驟5，N個(gè)陣元的接收天線接收返回的回波信號(hào)，每個(gè)接收天線接收的回波信號(hào) 為:以第η個(gè)接收天線為列，第η個(gè)接收天線的回波信號(hào)為rn(t);
[0050] 其中，m表示第m個(gè)發(fā)射陣元，為方便分析和計(jì)算，Ro表示目標(biāo)相對(duì)于陣列虛擬參考 陣元的距離，虛擬參考陣元位于第一個(gè)陣元的左側(cè)，與第1個(gè)陣元的間隔為d，因?yàn)槟繕?biāo)位于 遠(yuǎn)場(chǎng)，故距離Ro可近似作為目標(biāo)相對(duì)于陣列的距離；Θ表示目標(biāo)相對(duì)于陣列法線的角度。
[0051] 步驟6,回波信號(hào)經(jīng)過(guò)N個(gè)陣元的接收天線濾波器組進(jìn)行濾波，以第η個(gè)接收天線的 窄帶濾波器為例，分別為下邊帶窄帶濾波器和上邊帶窄帶濾波器h n>1，分別僅能通過(guò)頻 率為fo-n Δ f和fQ+n Δ f的信號(hào)；
[0052] 則通過(guò)頻率為fo-η Δ f濾波器后的信號(hào)為rn，一i:
[0054]通過(guò)頻率為fo+n Δ行慮波器hn,i后的信號(hào)為rn,i:
[0056]分別對(duì)rn,-i和rn,i運(yùn)用非自適應(yīng)波束形成處理，導(dǎo)向權(quán)向量分別為：
[0059]其中Rs表示波束指向的距離，05表示波束指向的角度。
[0060]對(duì)于目標(biāo)點(diǎn)(Ro，0)處的回波信號(hào)進(jìn)行處理得到下邊帶信號(hào)和上邊帶信號(hào)：
[0063]其中，rn,-Kt，!?，9)為下邊帶信號(hào)，rn>1(t，R，0)為上邊帶信號(hào)。
[0064]步驟7,接收天線定位解算單元對(duì)所有下邊帶信號(hào)和上邊帶信號(hào)分別進(jìn)行相干檢 波和疊加處理，以第11個(gè)接收天線為列，對(duì)下邊帶信號(hào)化,-1(丨，辦，0)以頻率&-114€進(jìn)行相干 檢波，檢波后的信號(hào)為：
[0066]對(duì)所有陣元上接收的下邊帶信號(hào)疊加：
[0068] 其中，r-KRoJ)為下邊帶回波響應(yīng)；
[0069]同樣地，對(duì)于上邊帶信號(hào)：將所有η個(gè)陣元處的回波信號(hào)rn,K^Ro,9)，先進(jìn)行相干 檢波，再進(jìn)行疊加，得出所述陣列上邊帶回波響應(yīng)：
[0070]對(duì)于第η個(gè)陣元，以頻率fo+n Δ f進(jìn)行相干檢波，檢波后的信號(hào)為：
[0072]對(duì)所有陣元上接收的下邊帶信號(hào)疊加：
[0074] 其中，n(R()，0)為上邊帶回波響應(yīng)。
[0075]步驟8,選定角度-距離聯(lián)合估算式
對(duì)下邊帶回 波響應(yīng)r-KRoJ)進(jìn)行估算得到第一組角度-距離估算值：
表示使 1^(1^0)1取得最大值的(RS，0S)的集合，或1為目標(biāo)距離估計(jì)值，&為目標(biāo)角度估計(jì)值。選 定角度-距離聯(lián)合估算式
對(duì)上邊帶回波響應(yīng)ri(R〇，0)進(jìn)行 估算得到第二組角度-距離估計(jì)值。
[0076]步驟9,取第一組角度-距離估算值和第二組角度-距離估計(jì)值的交集即可得到目 標(biāo)的角度-距尚的估計(jì)值。
[0077]圖4為所述雙邊帶頻率分集陣列目標(biāo)定位方法仿真圖，仿真參數(shù)為:N = 30，f 〇 = 10G，Δ f=l〇〇K，d = AQ/2,目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)為（0°，10km)。圖中幅度最大值處的坐標(biāo)為（0°， 10km)，與目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)符合。圖中還存在兩條幅度在30左右的曲線，其中斜率為正的曲線是 各陣元接收到的上邊帶信號(hào)相干疊加后的幅度最大值，其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為上邊帶角度-距離 的估計(jì)值集合;斜率為負(fù)的曲線是各陣元接收到的下邊帶信號(hào)相干疊加后的幅度最大值， 其對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為下邊帶角度-距離的估計(jì)值集合;圖中幅度最大處是兩條曲線的交點(diǎn)處，其 對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為目標(biāo)點(diǎn)的角度-距離值。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于：由N個(gè)呈等間距線性排列的陣元構(gòu)成， 其中N為正整數(shù);每個(gè)陣元包括發(fā)射部分和接收部分;其中 發(fā)射部分包括調(diào)制信號(hào)生成器、雙邊帶調(diào)制器和發(fā)射天線；調(diào)制信號(hào)生成器的輸出端 與雙邊帶調(diào)制器的輸入端相連，雙邊帶調(diào)制器的輸出端連接發(fā)射天線； 接收部分包括接收天線、濾波器組和定位解算單元;濾波器組由2個(gè)通過(guò)頻率不同的窄 帶濾波器組成;接收天線同時(shí)連接運(yùn)2個(gè)窄帶濾波器的輸入端，2個(gè)窄帶濾波器的輸出端同 時(shí)與定位解算單元的輸入端連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于:每個(gè)陣元的雙邊 帶調(diào)制器主要由乘法器構(gòu)成；乘法器的一個(gè)輸入端與調(diào)制信號(hào)生成器連接，乘法器的另一 個(gè)輸入端接入載波信號(hào)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于:每個(gè)陣元的雙邊 帶調(diào)制器所接入的載波信號(hào)均相同。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于:每個(gè)陣元的發(fā)射 部分還進(jìn)一步包括幅值歸一化調(diào)整單元，該幅值歸一化調(diào)整單元串接在雙邊帶調(diào)制器和發(fā) 射天線之間，即幅值歸一化調(diào)整單元的輸入端與雙邊帶調(diào)制器的輸出端連接，幅值歸一化 調(diào)整單元的輸出端與發(fā)射天線連接。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于:第η個(gè)陣元的2個(gè) 窄帶濾波器的通過(guò)頻率分別為fo-nAf和fo+nAf;其中η = 1，2,…，Ν，Ν為陣元的個(gè)數(shù)，時(shí)為 陣列載波頻率，A f為偏置頻率。6. 基于權(quán)利要求1所述雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)定位方法，其特征是，包括 如下步驟： 步驟1，N個(gè)陣元的調(diào)制信號(hào)生成器產(chǎn)生N個(gè)頻率不同的調(diào)制信號(hào)； 步驟2，N個(gè)陣元的雙邊帶調(diào)制器分別對(duì)運(yùn)N個(gè)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后，得到N個(gè)雙邊帶已 調(diào)信號(hào)； 步驟3，N個(gè)陣元發(fā)射天線分別將運(yùn)N個(gè)雙邊帶已調(diào)信號(hào)向外發(fā)出； 步驟4，N個(gè)陣元發(fā)出的N個(gè)雙邊帶已調(diào)信號(hào)遇到遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)后返回； 步驟5，N個(gè)陣元的接收天線接收返回的回波信號(hào)； 步驟6,回波信號(hào)經(jīng)過(guò)N個(gè)陣元的接收天線濾波器組進(jìn)行濾波得到上邊帶信號(hào)和下邊帶 信號(hào)； 步驟7,接收天線定位解算單元對(duì)所有下邊帶信號(hào)和上邊帶信號(hào)分別進(jìn)行相干檢波和 疊加處理得到下邊帶回波響應(yīng)r-i(Ro,9)和上邊帶回波響應(yīng)ri(Ro,9); 步驟8,選定角度-距離聯(lián)合估算??對(duì)下邊帶回波響應(yīng)進(jìn) 行估算得到第一組角度-距離估算值，選定角度-距離聯(lián)合估算式對(duì)上邊帶回波響應(yīng)進(jìn)行估算得到第二組角度-距離估計(jì)值，其中r-i(Ro，0)為下邊帶回波響 應(yīng)，ri(Ro，0)為上邊帶回波響應(yīng)，g示使|r-i(Ro，0) I取得最大值的 (Rs，9s )的集合，襲為目標(biāo)距離估計(jì)值，為目標(biāo)角度估計(jì)值； 步驟9,取第一組角度-距離估算值和第二組角度-距離估計(jì)值的交集即可得到目標(biāo)的 角度-距離的估計(jì)值。7.基于權(quán)利要求6所述雙邊帶頻率分集陣列雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)定位方法，其特征在于:所 述步驟2中N個(gè)陣元的雙邊帶調(diào)制器分別把Xn(t) = cos(23inAft)的調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào) cos(2地)t)相乘得到N個(gè)雙邊帶已調(diào)信號(hào)；其中n=l，2…，N，fo為陣列載波頻率，Af為偏置 頻率，t為時(shí)間。
【文檔編號(hào)】G01S13/06GK106093926SQ201610588746
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月25日 公開(kāi)號(hào)201610588746.8, CN 106093926 A, CN 106093926A, CN 201610588746, CN-A-106093926, CN106093926 A, CN106093926A, CN201610588746, CN201610588746.8
【發(fā)明人】歐陽(yáng)繕, 李晶晶, 謝躍雷, 晉良念, 劉慶華, 蔣俊正, 廖可非
【申請(qǐng)人】桂林電子科技大學(xué)