CN101813764B - 一种针对均匀超稀疏阵列天线波束指向模糊的抑制方法 - Google Patents

Abstract

该发明属于雷达技术中对均匀超稀疏阵列天线波束指向模糊的处理方法。包括初始化处理，依次按设定的基准工作频率和两个关联工作频率及脉冲数、由第一个主瓣指向发射和接收，并将所得三组目标信息进行综合处理、以确定目标的有无并同时消除栅瓣引起的指向模糊；当有目标时连同其目标的角度及距离、速度和幅度值一并输入雷达数据处理器；然后在其余主瓣指向上重复进行，从而完成对各主瓣指向位置上目标的探测。本发明无栅瓣模糊的角度范围比两背景技术宽2倍以上、阵元数减少50％以上，从而具有可在最大程度上消除栅瓣对雷达测角的不利影响，有效减少了大孔径均匀阵列雷达的天线阵元数及相应的通道数，降低了***成本、扩大了应用范围等特点。

Description

一种针对均匀超稀疏阵列天线波束指向模糊的抑制方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域中超稀疏阵列天线栅瓣的处理方法，特别是一种针对均匀超稀疏阵列天线波束指向模糊的处理方法。 

背景技术

角分辨力表征的是雷达***区分切向目标的能力，它直接影响到雷达的测角精度。雷达***的角分辨力取决于雷达天线的波束宽度，而天线的波束宽度又取决于天线的孔径，因此，雷达***的天线孔径越大，其角分辨力和角测量精度越高。 

均匀阵列天线是雷达天线的一种常用形式，通过对阵列天线各阵元的发射或接收信号进行相位和幅度加权，可以改变阵列天线的波束形状和波束指向，从而完成波束的扫描与赋形。均匀阵列天线阵元间的间隔是影响波束形状的因素之一，当阵元间的间隔小于其射频信号的半个波长时，阵列就属于密集阵列，其天线的方向图在±90°范围内不会出现栅瓣；当阵元间的间隔大于其射频信号的1个波长时，阵列就属于稀疏阵列，其天线的方向图上会形成栅瓣，从而使得天线产生指向模糊(多值性)[《相控阵雷达***》，张光义著，国防工业出版社，2001年]。阵列越稀疏，形成的栅瓣就越多，当阵元间隔大于10个波长时，阵列就属于超稀疏阵列。在大孔径阵列天线中，超稀疏阵列天线在孔径相同的条件下相比于密集阵列天线可以用更少的阵元数，其雷达***所需的收发通道数也相应减少，从而使得***可以用更低的成本获得高的角分辨力和角测量精度。在消除栅瓣引起的指向模糊后，可用于对角分辨力要求很高的机场场面监视雷达和公路交通监视雷达等。目前，抑制稀疏阵列天线栅瓣引起指向模糊的方法有两类：其一是采用多个阵元或子阵同时发送相应个数的等频率间隔信号，每个阵元或子阵同时接收各个频率的回波信号后通过相位加权对每个频率形成主瓣指向相同的波束，然后再将各个频率的波束方向图相加合成，使得合成后的方向图上栅瓣增益比主瓣低，从而降低栅瓣造成的指向模糊的影响[Long Zhuang，andXingzhao Liu，《Coherent Synthesis Sparse Aperture Radar with Grating lobes SuppressedUsing Frequency MIMO Technique》]，采用这种方法处理后的主瓣相对于栅瓣的增益取决于发射的频率个数和频率间的间隔；发射的频率个数越少，主瓣相对于栅瓣的增益越小、 栅瓣造成的指向模糊对***探测能力的影响就越大，因此不能用于超稀疏阵列。其二是采用两种不同频率依次对目标进行扫描探测，然后将两种频率测得的模糊角度值进行简单的余数解算(如利用中国余数定理)处理，得出目标的准确角度，从而抑制稀疏阵列栅瓣造成的指向模糊[Merrill I.Skolnik，Resolution of angular ambiguities in radar array antennas withwidely-spaced elements and grating lobes，IRE Transaction on Antennas and Propagation，May1962，p351-352]；此类方法：A.首先根据阵列天线的阵元数和各阵元间的间隔，设定两个不同的***工作频率及相同的脉冲数，并根据阵元间隔、工作频率以及波束主瓣指向，计算出***移相所需的相位控制参数，根据波束宽度和主瓣与第一栅瓣之间的扫描范围设定各主瓣指向的位置参数，最后将其一并存入存贮器以备调用； 

B.工作时：b₁.首先将***切换到发射状态，由信号产生器将其中一个频率及其脉冲信号经收发组件移相、放大后按设定的第一个主瓣指向的位置参数通过各对应的天线阵元发射；然后将***切换到接收状态，天线阵元接收由目标散射的回波信号，经对应的收发组件选频滤波、放大、移相后送入加法器相加，再经信号采集器下变频、模数转换和数字信号处理，得到第一个主瓣指向及其对应的栅瓣指向位置上目标的模糊角度值；然后再采用相同的方法根据设定的第二个主瓣指向的位置参数、经相同的天线阵元发射和接收得到的第二个波束主瓣指向及其栅瓣指向位置上目标的模糊角度值；依次进行直到获得在该频率下设定的最后一个主瓣指向及其栅瓣指向位置上目标的模糊角度值止，即完成该频率信号(波束)对扫描范围内的目标探测； 

b₂.b₁步骤完成后仍将***切换到发射状态，由信号产生器将另一个频率的信号按步骤b₁的方法依次发射和接收处理，获得在该频率下及所设定的各个波束主瓣指向及其栅瓣指向位置上对应的一组目标的模糊角度值；从而完成该频率的波束对扫描范围内目标的重复探测； 

C.确定目标的角度：将步骤b₁和b₂所获得的两组在所设定的各个主瓣指向及其栅瓣指向位置上对应目标的模糊角度值，进行余数解算得到目标所在的准确角度值，从而达到对稀疏阵列栅瓣造成指向模糊的抑制。 

该方法需要获得两个频率在主瓣和第一栅瓣之间的范围内扫描探测所获得的各角度值后，才能对目标的方位进行简单的余数解算处理、且扫描探测的角度范围窄；因而不但存在实时性差，且由于能够抑制模糊的角度范围小、所需阵元数仍较多，亦不能用于超稀疏阵列等缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种针对均匀超稀疏阵列天线波束指向模糊的抑制方法，以最大程度消除均匀超稀疏阵列天线波束栅瓣对雷达测角的不利影响，在确保角分辨力和角测量精度的前提下、有效减少大孔径均匀阵列雷达的天线阵元数及对应的通道数，降低***成本、扩大应用范围等目的。 

本发明解决方案是利用***在主瓣指向相同时，当采用不同工作频率信号对目标进行探测，其目标在主瓣指向上重合、而在栅瓣指向上呈分散状的特性；在***发射和接收方面都依次采用三种不同频率且其波长均远小于阵元间隔的信号，并在探测的整个(角度)范围内设定主瓣指向的位置、分别进行扫描，再按常规方法将各个收发组件接收到的同一频率的回波信号送入加法器相加后、进入信号采集处理器经下变频、模/数转换和数字信号处理，最后再将处理后的速度、目标的有无及幅度等数据进行综合处理，以确定目标的有无、同时消除栅瓣引起的指向模糊；并在有目标时将目标在该探测位置的角度及距离、速度、幅度等信息一并输入雷达数据处理器；从而实现其目的。因此，本发明方法包括： 

A.初始化处理：将均匀超稀疏直线阵列天线的阵元数，阵元间的间隔，基准工作频率和两个关联工作频率及其脉冲数、工作时序(发射顺序)，设定的雷达在整个探测角度范围内的各主瓣指向位置参数及其工作时序(探测的位置顺序)，初始化至***控制模块内； 

B.发射和接收： 

B₁.按设定的第一个主瓣指向发射和接收： 

b₁.首先将***切换到发射状态，主瓣指向第一探测位置，由信号产生器将A步骤设定的第一时序工作频率的脉冲信号经收发组件移相、放大后通过各对应的天线阵元发射；然后将***切换到接收状态，由天线阵元接收从目标散射的回波信号，经对应的收发组件选频滤波、放大、移相后送入加法器相加，再经信号采集处理器经下变频、模数转换和数字信号处理，依此重复、直到完成所设置的脉冲数为止；得到第一个主瓣指向及其对应的栅瓣指向位置上目标的有无、距离、速度和幅度值并按距离单元归类后、缓存； 

b₂.b₁步骤完成后***仍切换到发射状态，由信号产生器将A步骤设定的第二时序工作频率的脉冲信号按步骤b₁的方法依次进行发射和接收处理，获得在该频率下与步骤b₁同一主瓣指向及其栅瓣指向位置上目标的有无、距离、速度和幅度值并按距离单元归类后、缓存； 

b₃.b₂步骤完成后***仍切换到发射状态，由信号产生器将A步骤设定的第三时序工作频率的脉冲信号按步骤b₁的方法依次进行发射和接收处理，获得在该频率下与步骤b₁同一主瓣指向及其栅瓣指向位置上目标的有无、距离、速度和幅度值并按距离单元归类后、缓存； 

b₄.综合处理：将步骤b₁，b₂及b₃按距离单元归类后缓存的三组目标信息进行综合处理，即：将同一类别中的各幅度值进行算术平均处理、将各速度值及各目标有无的信息进行逻辑运算处理后，通过综合分析以确定目标的有无；若否、则将数据丢弃，若有目标、则将目标在该探测位置的角度及距离、速度、幅度信息一并输入雷达数据处理器；从而完成对该主瓣指向位置上目标的探测； 

B₂.按设定的其余主瓣指向依次发射和接收：当按B₁步骤完成对第一个主瓣指向的发射和接收后，***的主瓣指向自动切换到下一探测位置，按与步骤b₁，b₂，b₃及b₄相同的方法依次进行，并在确定目标存在时、将目标在对应探测位置的角度及距离、速度、幅度信息一并输入雷达数据处理器；直到完成对最后一个主瓣指向的发射和接收处理后、进入下一扫描循环。 

上述两个关联工作频率与基准工作频率的关系分别按以下两式确定： 

f_L＝Pf_M/(P-1)            1 

f_R＝Pf_M/(P+1)            2 

式中：f_M为基准工作频率，f_L、f_R为两关联工作频率，P为基准工作频率主瓣中心至第一栅瓣中心之间均匀划分的间隔数、且P≥4。所述间隔数(P)的划分原则为：当基准工作频率(f_M)和两关联工作频率(f_L、f_R)的主瓣指向相同时，使各关联工作频率(f_L或f_R)的第一栅瓣与基准工作频率(f_M)第一栅瓣交叉点的增益相对于基准频率第一栅瓣中心的增益差为6-50dB。 

所述将同一类别中的各幅度值进行算术平均处理、将各速度值及各目标有无信息进行逻辑运算处理后，通过综合分析以确定目标的有无；其综合分析方法为：同一类别中的三个速度值不一致时或所收到三个工作频率的回波信号中凡有一个检测结果为无目标时，均判定为在该主瓣指向及对应的距离单元上无目标存在；当同一距离单元中的三个速度值相同、且所收到三个工作频率的回波信号的检测结果均为有目标时，则判定为在该主瓣指向及对应的距离单元上有目标存在，此时该探测位置的角度及距离、速度、幅度参数即为目标所在位置的准确信息。

本发明由于利用不同工作频率信号对目标进行探测，在***发射和接收方面都依次采用三种不同频率、且其波长均远小于阵元间隔的信号，对在探测的整个(角度)范围内设定的主瓣指向位置分别进行扫描，再按常规方法将各个收发组件接收到的同一频率的回波信号进行处理，最后再将处理后的速度、目标的有无及幅度等数据进行综合处理，以确定目标的有无、同时消除了主瓣指向位置上的栅瓣模糊；从而克服了背景技术采用两种不同频率依次对目标在主瓣与第一栅瓣之间进行扫描探测，然后对所得模糊角度值进行简单的余数解算处理，所存在的实时性差、能够抑制模糊的角度范围小、所需阵元数较多以及不能用于超稀疏阵列等缺陷。本发明方法其无栅瓣模糊角度范围为-(Q-1)λ_M/d/2～+(Q-1)λ_M/d/2，其中：Q为(P-1)、P、(P+1)的最小公倍数，λ_M为基准工作频率的波长，d为阵元间隔；而两背景技术可以达到的最大无栅瓣模糊角度范围为-(Q’-1)λ_M/d/2～+(Q’-1)λ_M/d/2，其中Q’＝P(P+1)；本发明方法当基准工作频率主瓣中心至第一栅瓣中心之间的间隔数P≥4时、无栅瓣模糊的角度范围比两背景技术宽2倍以上，其阵元数可减少50％以上。因而，本发明具有可在最大程度上消除均匀超稀疏阵列天线波束栅瓣对雷达测角的不利影响，在确保角分辨力和角测量精度的前提下、有效减少了大孔径均匀阵列雷达的天线阵元数及相应的通道数，较大幅度地降低了***的成本、扩大了应用范围等特点。 

附图说明

图1本发明方法处理流程示意图(方框图)。 

具体实施方式：

以用于机场的动目标监视雷达为例，阵列天线按方位向排列、孔径为6.0米： 

A.初始化处理：阵元数9个，阵元间隔0.67米，基准工作频率35GHz(工作于Ku波段，阵元间隔为波长的77.5倍、属于超稀疏阵列天线)，本实例将主瓣中心至第一栅瓣中心的角度范围等间隔划分为6个间隔，则两个关联工作频率分别为f_L＝Pf_M/(P-1)＝42.0GHz及f_R＝Pf_M/(P+1)＝30.0GHz，每个工作频率的脉冲数为64，发射顺序依次为f_M、f_L、f_R，扫描范围±75°，主瓣指向位置数2060个、依次为第1、第2、…、第2060个主瓣探测位置，并将上述参数初始化至***控制模块内； 

B.发射和接收： 

B₁.在第一个主瓣指向发射和接收： 

b₁.首先将***切换到发射状态，主瓣指向第1探测位置，由信号产生器产生工作频率为35GHz的脉冲信号经收发组件移相、放大后通过各对应的天线阵元发射；然后将***切换到接收状态，由天线阵元接收从目标散射的回波信号，经对应的收发组件选频滤波、放大、移相后送入加法器相加，再经信号采集处理器经下变频、模数转换和数字信号处理；依此重复，直到完成64个脉冲为止，得到第1个主瓣指向及其对应的栅瓣指向位置上目标的有无(本实施方式以有目标时表示为1，无目标时表示为0)、距离、速度和幅度值并按距离单元归类后、缓存； 

b₂.b₁步骤完成后***仍切换到发射状态，由信号产生器产生工作频率为42.0GHz(f_L)的脉冲信号，按步骤b₁的方法依次进行发射和接收处理，获得在工作频率为f_L下第1主瓣指向及其栅瓣指向位置上目标的有无、距离、速度和幅度值并按距离单元归类后、缓存； 

b₃.b₂步骤完成后***仍切换到发射状态，由信号产生器产生工作频率为f_R的脉冲信号，按步骤b₁的方法依次进行发射和接收处理，获得工作频率为30.0GHz(f_R)下第一主瓣指向及其栅瓣指向位置上目标的有无、距离、速度和幅度值并按距离单元归类后、缓存； 

b₄.综合处理：将步骤b₁，b₂及b₃按距离单元归类后缓存的三组目标信息进行综合处理，即：将同一类别中的各幅度值进行算术平均处理；将各速度值进行逻辑比较，若三个速度相等，则输出逻辑1，否则输出逻辑0；将三个目标的有无信息进行逻辑与运算后，再与速度逻辑比较的结果进行与运算；若逻辑输出为0，则为无目标、将数据丢弃，若逻辑输出为1，即有目标，则将目标在该探测位置的角度及距离、速度、幅度信息一并输入雷达数据处理器； 

B₂.按设定的其余主瓣指向依次发射和接收：当按B₁步骤完成对第1主瓣指向的发射和接收后，***的主瓣指向自动切换到第2主瓣指向探测位置，按与步骤b₁，b₂，b₃及b₄相同的方法依次进行，并在逻辑输出结果为1时，将目标在对应探测位置的角度及距离、速度、幅度信息一并输入雷达数据处理器；直到完成对第2060个主瓣指向的发射和接收处理后，进入下一次±75°的扫描循环。 

本实施方式雷达对机场运动目标监视的无栅瓣模糊角度范围为-77.6°～+77.6°；若采用两背景技术、其最大无栅瓣模糊范围为；-15.52°～+15.52°，因此不能用于本实施方式所述机场动目标监视雷达，而要达到本实施方式的效果，则雷达的阵元数最少需45个、即为本发明实施方式的5倍。 

Claims (4)

1.一种针对均匀超稀疏阵列天线波束指向模糊的抑制方法，包括：

A.初始化处理：将均匀超稀疏直线阵列天线的阵元数，阵元间的间隔，基准工作频率和两个关联工作频率及其脉冲数、工作时序，设定的雷达在整个探测角度范围内的各主瓣指向位置参数及其工作时序，初始化至***控制模块内；

B.发射和接收：

B₁.按设定的第一个主瓣指向发射和接收：

b₁.首先将***切换到发射状态，主瓣指向第一探测位置，由信号产生器将A步骤设定的第一时序工作频率的脉冲信号经收发组件移相、放大后通过各对应的天线阵元发射；然后将***切换到接收状态，由天线阵元接收从目标散射的回波信号，经对应的收发组件选频滤波、放大、移相后送入加法器相加，再经信号采集处理器经下变频、模数转换和数字信号处理，依此重复、直到完成所设置的脉冲数为止；得到第一个主瓣指向及其对应的栅瓣指向位置上目标的有无、距离、速度和幅度值并按距离单元归类后、缓存；

b₂.b₁步骤完成后***仍切换到发射状态，由信号产生器将A步骤设定的第二时序工作频率的脉冲信号按步骤b₁的方法依次进行发射和接收处理，获得在该频率下与步骤b₁同一主瓣指向及其栅瓣指向位置上目标的有无、距离、速度和幅度值并按距离单元归类后、缓存；

b₃.b₂步骤完成后***仍切换到发射状态，由信号产生器将A步骤设定的第三时序工作频率的脉冲信号按步骤b₁的方法依次进行发射和接收处理，获得在该频率下与步骤b₁同一主瓣指向及其栅瓣指向位置上目标的有无、距离、速度和幅度值并按距离单元归类后、缓存；

b₄.综合处理：将步骤b₁，b₂及b₃按距离单元归类后缓存的三组目标信息进行综合处理，即：将同一类别中的各幅度值进行算术平均处理、将各速度值及各目标有无的信息进行逻辑运算处理后，通过综合分析以确定目标的有无；若否、则将数据丢弃，若有目标、则将目标在该探测位置的角度及距离、速度、幅度信息一并输入雷达数据处理器；从而完成对该主瓣指向位置上目标的探测；

B₂.按设定的其余主瓣指向依次发射和接收：当按B₁步骤完成对第一个主瓣指向的发 射和接收后，***的主瓣指向自动切换到下一探测位置，按与步骤b₁，b₂，b₃及b₄相同的方法依次进行，并在确定目标存在时、将目标在对应探测位置的角度及距离、速度、幅度信息一并输入雷达数据处理器；直到完成对最后一个主瓣指向的发射和接收处理后、进入下一扫描循环。

2.按权利要求1所述针对均匀超稀疏阵列天线波束指向模糊的抑制方法，其特征在于所述基准工作频率和两个关联工作频率分别按以下两式确定：

f_L＝Pf_M/(P-1)             1

f_R＝Pf_M/(P+1)             2

式中：f_M为基准工作频率，f_L、f_R为两关联工作频率，P为基准工作频率主瓣中心至第一栅瓣中心之间均匀划分的间隔数、且P≥4。

3.按权利要求2所述针对均匀超稀疏阵列天线波束指向模糊的抑制方法，其特征在于所述基准工作频率主瓣中心至第一栅瓣中心之间均匀划分的间隔数为：当基准工作频率和两关联工作频率的主瓣指向相同时，使各关联工作频率的第一栅瓣与基准工作频率第一栅瓣交叉点的增益相对于基准频率第一栅瓣中心的增益差为6-50dB。

4.按权利要求1所述针对均匀超稀疏阵列天线波束指向模糊的抑制方法，其特征在于所述通过综合分析以确定目标的有无，其综合分析方法为：同一类别中的三个速度值不一致时或所收到三个工作频率的回波信号中凡有一个检测结果为无目标时，均判定为在该主瓣指向及对应的距离单元上无目标存在；当同一距离单元中的三个速度值相同、且所收到三个工作频率的回波信号的检测结果均为有目标时，则判定为在该主瓣指向及对应的距离单元上有目标存在，此时该探测位置的角度及距离、速度、幅度参数即为目标所在位置的准确信息。