CN100392426C - 单通道相控阵接收信号重构及处理方法 - Google Patents

Abstract

一种单通道相控阵接收信号重构及处理方法，将天线阵列设置为均匀直线形式；在满足采样定律的前提下，确定同步控制器时序和单通道接收机的采样频率，然后利用同步时序控制技术分别给相控阵各天线单元赋予加权向量W，并将接收的信号进行合成得到合成信号Y；将合成信号送入单通道接收机并进行同步采样；结合加权向量W和合成信号Y，利用X＝W^-1.Y重构出相控阵天线单元接收的时序信号X；将重构的时序信号进行数字波束形成或自适应波束形成，或利用空间高分辨算法求出信号的到达角。本发明信号分析信息量大，天线接收信号利用充分；与多同道接收机相比，可避免接收通道的校准的压力，大幅降低了雷达的研制成本和维护费用。

Description

单通道相控阵接收信号重构及处理方法

技术领域

本发明涉及一种单通道相控阵接收信号重构及处理方法。

背景技术

相控阵雷达是一种先进的电子***，由于其卓越的性能，在雷达、通信、声纳、遥感遥测、射电天文、地震勘探和生物医学工程等领域得到了广泛的应用。为了适应国防和经济建设发展的需要，不同用途的雷达正逐渐转化并采用相控阵技术。多功能相控阵雷达已成为当今雷达发展的主流。

由于相控阵雷达方位分辨的信息资源在天线口径，因此，按传统相控阵天线的设计思想，相控阵雷达的空间角分辨率将受到Rayleigh准则限制，要获得分辨率很高的窄波束，势必要使用多通道多单元的大型相控阵天线(如图1所示)，但随着天线阵元与接收机通道数量的增加，不仅制造成本和维护费用激增，而且整个接收通道的校准也非常复杂与困难，特别是在飞机、导弹、军舰、卫星、海岛等雷达载体上，由于受到空间环境和电磁兼容的限制，使用大型天线阵来实现高分辨更是困难重重。

为了使雷达空间角分辨突破Rayleigh准则的限制，以Shmidt[Ralph O.Schmidt，“Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation，”IEEE Transactions on Antenna andPropagation，1986，34(3)：276-280.]为代表的许多学者提出了基于子空间分解理论的高分辨阵列测向技术。这类算法不仅能提供信号参量的渐近无偏估计，使估计均方差接近Cramer-Rao下界[Petre Stoica and Arye Neborai，“MUSIC，Maximum Likelihood，andCramer-Rao Bound，”IEEE Transactions on Acoustics Speech，and Signal Processing，1989，37(5)：720-741]，而且还具有对多个信号源同时进行高精度、高分辨测向等优点。这一类特征结构算法来说，均是基于协方差矩阵的分解。得到阵列协方差矩阵的方法是：一个阵元对应接收机通道，在获得每个阵元上感应的信号后，就可得到阵列的协方差矩阵。但随着阵元数的增加，接收机也要随之增加，结果引起造价非常昂贵。又由于上述特征结构算法对信号模型误差都非常敏感，许多理想算法在实际应用中因此而失效[See C M S.Method for ArrayCalibration in High-resolution Sensor Array Processing.IEE Proc.-F，1995，13(3)：90-96]，而在多通道接收的情况下，要保证所有接收机的通道一致而不引入附加幅相是极其困难的。

为了减少接收通道校准的困难，象目前许多相控阵雷达一样，可以采用单通道接收机接收信号，但这种雷达只能获得天线所有阵元的合成信号，无法获得并利用各阵元的幅相信息，功能十分有限。鉴于此，有人提出利用单通道接收机进行空间谱估计测向的方案[赵益民，鞠得航，单通道接收机实现空间谱估计测向，通信学报，1997，18(2)：7-1；叶中付，吴涛，基于相控阵单通道接收机高分辨DOA估计的跟踪算法，电子科学学刊，2000，22(2)：260-264；叶中付，吴涛，用单通道接收机实现方向超分辨的一种方法，信号处理，2001，17(2)：192-194]，该方法尽管能通过单通道利用权微扰算法获得天线阵的协方差矩阵，从而实现空间超分辨，但仍然没有获得天线接收原始信号的幅相分布，因而不能为雷达***提供更多可再利用的信息。特殊情况需要天线形成波束时(如利用高频表面波超视距雷达提取海面风浪信息等)，却无法进一步进行低副瓣数字波束形成、天线自适应抗干扰、波束方位和形状改变等。也不能实现雷达天线的小型化，以满足现代雷达隐身化、智能化、高机动性、实时校准和抗毁力强的要求。所有这些都极大地限制了它的推广和应用。

发明内容

针对现有多通道相控阵雷达和单通道雷达的局限性，本发明的目的是提供一种单通道相控阵接收信号重构及处理方法，利用单通道接收技术替代复杂地多通道接收技术，使单通道相控阵雷达不仅能进行灵活的波束形成，还能进行空间超分辨。

为了实现上述目的，本发明提供一种单通道相控阵接收信号重构及处理方法，将天线阵列设置为均匀直线形式；在满足采样定律的前提下，确定同步控制器时序和单通道接收机的采样频率，然后利用同步时序控制技术分别给相控阵各天线单元赋予加权向量W，并将接收的信号进行合成得到合成信号Y；将合成信号送入单通道接收机并进行同步采样；结合加权向量W和合成信号Y，利用X＝W^-1·Y重构出相控阵天线单元接收的时序信号X；将重构的时序信号进行数字波束形成或自适应波束形成，或利用空间高分辨算法求出信号的到达角。

本发明可选定天线阵波束的密度和方向使相邻两波束合成信号的相关系数小于0.2；根据已选定的天线阵波束的密度和方向，确定单元天线的加权向量。

本发明的优势在于其出色的实用性能：(1)通过重构天线阵单元的时序信号，达到了充分利用天线阵接收信息的目的；(2)利用软件独特的优势，运用重构的单元天线的信息，不仅能够进行空间超分辨测向，还能够进行数字波束形成、波束形状的改变和天线自适应抗干扰；(3)由于本发明采用了单通道接收机接收，同时又能获得天线单元的时序信号，信号分析信息量大，天线接收信号利用充分；与多同道接收机相比，可避免接收通道的校准的压力，大幅降低了雷达的研制成本和维护费用。

本发明利用单通道接收技术替代复杂地多通道接收技术，使单通道相控阵雷达不仅能进行灵活的波束形成，还能进行空间超分辨；打破了一般相控阵雷达设计的老程式，为相控阵雷达降低成本、简单易建提供了新途径将本发明应用于工程实际，不仅研发和设备维护费用相对低廉，省去了接收通道的校准，放宽了对雷达***误差的要求，在软件的灵活配合下，还具有目前传统大型相控阵雷达没有的功能。本发明对在天线阵地和电磁兼容受限的场合使用相控阵，对航空、航天、空防、海防等国防建设和经济建设，以及使相控阵雷达小型化和降低成本，具有重要的理论价值和工程意义。大量的理论分析和计算机仿真试验表明，本发明可以利用单通道接收技术，实现相控阵雷达的高分辨定位，满足了本发明提出的单通道相控阵天线接收信号的重构及空间超分辨技术。

附图说明

图1为本发明单通道相控阵天线接收信号重构框图；

图2为本发明信号重构前后幅度；

图3为本发明信号重构前后相位；

图4为本发明波束扫描范围从15°-165°时的方向图；

图5为本发明波束扫描范围从30°-150°时的方向图；

图6为本发明波束扫描范围从45°-135°时的方向图；

图7为本发明波束扫描范围分别为30°-150°(实线)和15°-165°(虚线)信号重构后得到的MUSIC谱图；

图8为本发明波束扫描范围分别为30°-150°(实线)和45°-135°(虚线)时信号重构后得到的MUSIC谱图；

图9为本发明根据信号重构后得到的MUSIC谱图(实线)和原始信号的MUSIC谱图(虚线)；

图10为本发明根据信号重构后进行波束形成的结果(实线)和根据原始数据进行波束形成的结果(虚线)；

图11为本发明由反演后的数据进行超分辨算法得到的MUSIC谱图(信号来向为60°，80°)；

图12为本发明由反演后的数据进行超分辨算法得到的MUSIC谱图(信号来向为60°，70°)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作更加详细的说明。

本发明采用一种单通道相控阵天线接收信号的重构及空间超分辨技术，将天线阵列设置为均匀直线形式；利用同步时序控制技术给相控阵天线单元合适的加权向量并进行信号合成；将合成信号送入单通道接收机并进行同步采样；结合天线时序加权向量和合成信号，重构出相控阵天线单元接收的时序信号；将重构的信号进行波束形成，或利用空间高分辨算法求出信号的到达角。

(一)单通道接收***的构建与天线幅相的重构

设有一个一维N元相控天线阵，每个阵元后接一个移相器(加权器)，其对***的影响相当于加入权矢量。阵列的总响应有y(t)可以写成如下形式：

$y\left(t\right)=\underset{n-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{w}_n\left(t\right)x_n\left(t\right)=w\left(t\right)x\left(t\right)---\left(1\right)$

其中w(t)＝[w₁(t)，w₂(t)，…w_N(t)]表示阵列复权矢量，x(t)＝[x₁(t)，x₂(t)，…，x_N(t)]^T为阵列输出矢量，[·]^T表示转置。由于是采用单通道接收，因此每次采样只能获得所有阵元加权求和后的结果，而直接利用这一结果是无法进行阵列超分辨算法的。为了能够从y(t)中恢复原始的时序信号x(t)以达到实现空间超分辨的目的，我们采用多次加权采样，构建方程组的方法来重构。设雷达目标是方位不变的无抖动的目标，且雷达的信号环境是平稳的，远场情况下目标回波信号的到达方向与天线阵的法线方向的夹角为θ，对整个相控天线阵作N次相位权值，其中第l次相位权值为

l＝1，2，…，N，θ_l控制着第l次加权时阵列所形成波束最大值的指向，并直接影响波束扫描范围的大小和后续超分辨算法的角度分辨力。在N次相位权重状态下，相控阵天线的输出为：

改写为矢量形式如下：

Y＝W·X    (3)

其中：

l＝1，2，…，N

根据(3)反演计算得到天线阵列单元天线接收的信号：

X＝W^-1·Y    (4)

(4)式表明，经过N次相位权重，我们可以利用接收到的信号Y和已知的相位权值矩阵W近似计算出各天线阵列单元接收的信号。设N次相位权重为一个循环，则每次循环结束时就可以计算得到天线阵列各单元接收信号的一个快拍。实际上在对相控阵进行N次时序加权的过程中，天线阵列单元接收信号X也是在不断变化的，因此这里根据(4)式得到的反演结果只是近似值而非精确值。根据采样定律选择接收机的循环加权向量和采样频率，可以使得到的近似结果能更接近于原始天线阵列单元接收的信号。

单通道相控阵接收***的基本构建框图如图1所示。

(二)单通道相控阵性能分析

2.1天线阵列单元天线接收信号的重构

设8元均匀直线阵，天线间距为雷达工作波长的一半，伴有高斯白噪声，SNR＝30，采样频率满足采样定律，快拍点数n＝1024×8，波束扫描范围从30°到150°，2个非相干信号入射到阵列，入射角分别为30°，50°。

数值仿真的结果见图2和图3。从图中可以看出，通过重构得到的天线时序信号与实际天线接收的信号相当一致。

2.2相位权值矩阵的选择对重构信号的影响

相位权值矩阵W表达式的形式主要与两个因素有关，一个是天线阵列的形状，另一个则是θ_l的扫描范围，这里就θ_l的选择对反演结果的影响进行分析。

在天线阵列形状一定时，为了获得较好的反演结果和空间超分辨算法的角度分辨力，可以适当调整θ_l来改变波束扫描的范围。仍以2.1中的8元均匀直线阵为例，在一个循环周期内，总共进行了8次加权，第l次加权形成的波束方向图的最大值出现在θ_l方向上，θ₁～θ₈在指定的扫描范围内呈等间隔分布，扫描的范围越大，波束越稀疏，反之，扫描的范围越小，波束越密集。图4、5、6对应的波束扫描范围分别为15°-165°，30°-150°，45°-135°时对应的加权阵列响应方向图。图7、8、9则是不同扫描范围条件下根据重构的天线信号进行超分辨算法得到的MUSIC谱图。

2.3基于波束形成和基于空间超分辨(MUSIC)算法的到达角估计效果比较

基于空间谱估计信号到达角的方法主要有两类：基于波束形成的方法和基于子空间的超分辨方法。仍以2.1中的天线阵为例，图10给出的是信号来向分别为60°，80°时根据原始数据采用波束形成法判断到达角的空间谱图，图11、12则是根据反演数据采用超分辨算法(MUSIC)判断到达角的谱图。从此仿真结果不难看出，本发明提出的单通道相控阵***，不仅能够精确重构天线单元的信号，进行波束形成，还能够进行空间超分辨。

2.4A/D变换对重构信号的影响

接收机输出的信号经过A/D变换后成为数字信号送入计算机进行数字信号处理，A/D变换会引入量化噪声，不同位数的A/D变换引入的量化信噪比如下表所示：

A/D变换位数	6	8	10	12	14
						量化信噪比(dB)	36	48	60	72	84

A/D变换引起的量化噪声是在接收机输出上迭加的加性噪声，而且一般量化噪声远小于接收机的内部噪声，量化信噪比应与接收机的动态范围相当，当接收机的动态范围为70dB时，A/D变换的位数取12位比较合适。

Claims (2)

1.一种单通道相控阵接收信号重构及处理方法，其特征在于：将天线阵列设置为均匀直线形式；在满足采样定律的前提下，确定同步控制器时序和单通道接收机的采样频率，然后利用同步时序控制技术分别给相控阵各天线单元赋予加权向量W，并将接收的信号进行合成得到合成信号Y；将合成信号送入单通道接收机并进行同步采样；结合加权向量W和合成信号Y，利用X＝W^-1·Y重构出相控阵天线单元接收的时序信号X；将重构的时序信号进行数字波束形成或自适应波束形成，或利用空间高分辨算法求出信号的到达角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：选定天线阵波束的密度和方向使相邻两波束合成信号的相关系数小于0.2；根据已选定的天线阵波束的密度和方向，确定单元天线的加权向量W。

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