CN101013147A - 高频线性调频雷达方向图测量方法 - Google Patents

Abstract

一种高频线性调频雷达方向图测量方法，其特征在于：在雷达远场发射单频连续正弦信号作为测量信标，而信标所在搭载平台以雷达为中心运动以进行方位扫描；对雷达各天线上收集到的回波进行时频分析，获得各天线的瞬时响应值，将其与信标的瞬时方位一一对应起来，即获得天线方向图。本发明通过简单的单频信号发射来实现方向图测量和校正，与传统的采用应答器的测量方式相比，大大降低了***复杂度和测量成本，以廉价的方式提高了方向图测量的有效性。

Description

高频线性调频雷达方向图测量方法

技术领域

本发明涉及一种采用单频正弦波对高频线性调频雷达天线阵列进行方向图测量和校正的方法。

背景技术

高频(3-30MHz)雷达因其独特的超视距和全天候探测能力，已得到广泛研究并成功应用于海洋表面动力学参数测量中，并可实时探测舰船、飞机和导弹等运动目标。高频雷达通常采用线性调频体制。在实际运行环境中，雷达天线方向图会因为周围地物的影响而发生畸变，从而导致获得的方位估计偏离真实值而产生一定误差，甚至产生错误。为了获得有效的、高精度的目标方位估计，就需要对雷达天线方向图进行测量，并对阵列流形进行校正。

传统的方向图校正方法是采用高频应答转发设备进行各天线的方向图测量，然后对阵列流形进行修正。应答器安装在某搭载平台上，在满足雷达电波远场条件的某个圆弧上逐点进行测量。应答器接收雷达发射的扫频信号，然后将其延时后发射出去，并由雷达接收。接收信号较发射信号有时间延迟和幅度衰减，经解调后其谱为在由时延决定的距离元上的线谱。各天线在每个方位上的响应由接收信号谱幅度给出，获得多个选定方位角上的天线响应后，任意方向的天线响应可由其插值得到。在这种方案中，应答器需同时具备信号接收、延时和发射功能，硬件设计和实现都较复杂。同时，上述方案要求应答器在不同方位上要驻留一定时间，使之保持静止状态以进行测量，因此，要得到多个方位上的天线响应值，就要进行多次驻留，逐点测量，这样完成接个阵列方向图的测量耗时较长，耗费也较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简捷有效和廉价的高频线性调频雷达方向图测量方法，以提高高频雷达***中天线测量的灵活性，降低测量的难度和费用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高频线性调频雷达方向图测量方法，其特征在于：在雷达远场发射单频连续正弦信号作为测量信标，而信标所在搭载平台以雷达为中心运动以进行方位扫描；对雷达各天线上收集到的回波进行时频分析，获得各天线的瞬时响应值，将其与信标的瞬时方位(由信源所在平台上的GPS给出)一一对应起来，即可获得天线方向图。

如上所述的高频线性调频雷达方向图测量方法，其特征在于：为了消除搭载平台摆动、电波传播期间的衰落等对方向图校正的不利影响，仅计算各天线对某参考天线的相对方向圈，然后进行校正计算；而计算信标信号的时频分布时，可以在多个距离元上进行干均，以提高信噪比，改善测量精度。

为了降低测量的难度和费用，本发明利用雷达远场处发射的单频正弦信号作为信标，实现天线方向圈的测量和校正。发射单频正弦信号的电路实现非常简单，无需接收和延时功能，价格低廉。特别地，在本发明的测量方案中，信标可以随时运动，在运动中完成测量，省时省力，其运动轨迹也不再限制于距离圆弧之上。只需通过对雷达所采集的回波信号进行分析，获得各天线上收到信标信号的瞬时幅度，与信标所在平台上的GPS得到的方位一一对应起来，就可以得到天线方向图。为了消除信标发射天线的抖动及电波传播中的衰落导致的信号幅度抖动的影响，可以设某天线元为参考元，由各天线对参考天线的相对信号幅度作为相对方向图，实现阵列流形的校正。

有益效果：本发明通过在雷达远场某搭载平台上发射单频正弦波，通过搭载平台在雷达电波覆盖区内的缓慢运动来改变发射方位角，由雷达采集的回波信号来获取各天线上响应的瞬时相对幅度值，将其与由运动平台上GPS纪录的瞬时方位相对应，得到各天线的相对方向图，然后用其对雷达阵列流形进行校正。本发明通过简单的单频信号发射来实现方向图测量和校正，与传统的采用应答器的测量方式相比，大大降低了***复杂度和测量成本，以廉价的方式提高了方向图测量的有效性。本发明的优势在于，测量成本大幅度降低，只需要单频信号发射装置，且对信标搭载平台运动轨迹没有严格的圆环约束条件，无需在各方位上驻留一段时间进行测量，测量可以在运动中进行，从而提高了方向图测量的效率。

下面结合附图和实施例，对本发明作更加详细的说明。

附图说明

图1高频雷达工作原理图。其中，1接收天线，2本振信号，3解距离变换，4多普勒变换，5空间方位变换。

图2本发明实施例的单频信标的时频分布。

图3本发明实施例的天线方向图测量***原理框图。其中，3.1信标模块，3.2GPS，3.3单频信号源，3.4信标信号发射天线，3.5雷达接收天线，3.6雷达接收处理模块，3.7信标信号时频分析模块，3.8天线相对方向图计算和校正模块。

具体实施方式

本发明的关键在于利用单频信号经线性调频雷达接收机处理后的时频形式提取各天线的幅度响应，雷达各天线上的瞬时幅值由远距离段回波信号的平均时频分布得到；将各天线对某一参考天线的瞬时幅度比值与平台瞬时方位角一一对应，获得各天线相对方向图。

图2是一幅典型的单频信标信号的时频分布图，由图可见信标信号的两条明显的时频脊。信号的瞬时幅度可以通过时频分布得到，求得各天线相对于参考天线的瞬时幅度比值，并与由GPS记录的方位一一对应，可以获得相对方向图。特别的，通过合理的雷达参数设计可以提供一个较远的距离段，使该距离段上不含海洋回波信号，对在此距离段上的信标时频分布进行平均，可以求得更为精确的相对方向图。具体的方向图校正操作是将由信标运动扫描的方位角上的各天线响应向量乘以相对方向图，以此代替理想的阵列流形进行空间谱估计即可。

为了更好地说明本发明，下面对线性调频体制高频雷达的工作原理、单频信标的谱特征及相对方向图校正原理进行简单的介绍。

高频地波雷达的工作原理框图如图1所示。雷达采用线性调频体制，在每个扫频周期内对解调后信号进行低通滤波、采样和快时域的离散傅立叶变换得到该扫频周期的距离谱，其中每个谱点对应于一个距离元上的一个谱值样本，在由多个扫频周期组成的相干积累时间内对多个距离谱序列进行慢时域离散傅立叶变换得到距离-多普勒二维谱(如图1所示，其中1为接收天线，2为本振信号，3为解距离变换，4为多普勒变换，5为空间方位变换)。由多个接收天线通道上信号的距离-多普勒谱就可以提取海态信息和移动目标信息。

线性调频雷达的发射信号及本振信号可表示为

$g\left(t\right)=e^{j2\mathrm{\&pi;}(f_{0}t+\frac{1}{2}{\mathrm{kt}}^2)},-T/2\&le;t<T/2---\left(1\right)$

其中f₀、k和T分别为雷达中心频率、线性调频斜率和扫频周期，t是快时间变量。

下面分析单频信号经高频雷达接收并变换后的谱形式。在第n(n＝0，…，N-1)个扫频周期内，单频信号可以表示为

s_I(t′)＝acos[2πf_It′+_I+_D(t′)]，    (2)

其中t′＝nT+t是普通(全)时间变量，a、f_I和_I分别是幅度、频率和初相，_D(t′)是信标所在平台运动引起的附加多普勒相位。假设平台径向速度为v(t′)，则有

混频输出干扰信号为s(t′)＝s_I(t′)g*(t)。通过基带低通滤波器H(f)后形成的第n个扫频周期内的距离谱为

Sⁿ(f)＝F[s(t′)]H(f)＝F[s_I(t′)g*(t)]H(f)，  (4)

其中F[·]表示对快时t的傅立叶变换，上标″表示扫频周期序号。

由式(2)有

s_I(t′)＝s_I(t)e^{j[2πfInT+(t′)]}≈s_I(t)e^{j[2πfInT+D(nT)]}，

                                                          (5)

这里忽略了在一个扫频周期内由信标运动导致的相位变化值。于是，单频信标的距离谱为

Sⁿ(f)＝F[s_I(t′)g*(t)]H(f)＝{F[s_I(t)g*(t)]H(f)}e^{j[2πfIn7+I)(nT)]}

＝S⁰(f)e^{j[2πfInT+I(nT)]}.

                                                            (6)

由此可见运动单频信标距离谱的特性，在慢时域(以n为变量)它是一个时变频率正弦信号，因而在时频联合域呈现单分量时变谐波谱形式，且这个形式与距离无关。当单频信标静止时，在距离-多普勒谱上呈现为平行于距离轴的关于零频对称的两条脊线，其频率位置为±f_I)，其中

$f_D=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{mod}(f_I,f_r),\mathrm{mod}(f_I,f_r)\&le;f_r/2\\ \mathrm{mod}(f_I,f_r)-f_r,\mathrm{mod}(f_I,f_r)>f_r/2\end{array},---\left(7\right)\right.$

其中f_r＝1/T是雷达的脉冲重复频率。而当单频信标所在平台相对雷达有运动时，信标信号的瞬时频率为

f_D(n)＝±f_D(0)+v(n)f_I/c·(8)

在n时刻两条脊线将向同一方向偏移Δf＝v(n)f_I/c。

对各天线上采集的慢时域信号进行时频分析，可以得到信标信号的瞬时频率和瞬时幅度，将其与由信标平台上搭载的GPS获得的瞬时方位相对应，即可获得各天线的瞬时响应值。不过，此响应值中还包含了由信标天线摆动导致的信号源起伏以及电波传播路径中产生的起伏等效应，因此更合理的方向图校正方法是采用相对方向图校正，而实际中也仅需测量各天线的相对方向图。应注意的是，这里单频信标频率的选择应保证混频输出信号能通过低通滤波器，一般可以选择为频扫中心附近的频率。

Claims (2)

1、一种高频线性调频雷达方向图测量方法，其特征在于：在雷达远场发射单频连续正弦信号作为测量信标，而信标所在搭载平台以雷达为中心运动以进行方位扫描；对雷达各天线上收集到的回波进行时频分析，获得各天线的瞬时响应值，将其与信标的瞬时方位一一对应起来，即获得天线方向图。

2、如权利要求1高频线性调频雷达方向图测量方法，其特征在于：为了消除搭载平台摆动、电波传播期间的衰落等对方向图校正的不利影响，仅计算各天线对某参考天线的相对方向图，然后进行校正计算；而计算信标信号的时频分布时，在多个距离元上进行平均，以提高信噪比，改善测量精度。

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