CN109946689B - 一种基于空间能量聚焦技术的目标探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间能量聚焦技术的目标探测方法，通过构建矩形时不变空间点聚焦频控阵结构，并将其应用于探测***对目标进行探测，能够在不同程序上对空间能量进行有效的压缩，提高其在干涉带的能量，从而有效提高目标探测的准确性。本发明提供的矩形时不变空间点聚焦频控阵在雷达探测方面有着广阔的前景，也可基于此结构进行更多阵列结构的探究，广泛用于雷达、无线通信当中，具有较强的实用性。

Description

一种基于空间能量聚焦技术的目标探测方法

技术领域

本发明属于微波雷达及无线通信技术领域，具体涉及一种基于空间能量聚焦技术的目标探测方法的设计。

背景技术

阵列天线技术在雷达、无线通信、声呐及导航等领域有着广泛的应用，根据实际应用的需求天线可以有不同的排列方式，最基本的可以分为线阵和面阵。与单个天线相比，阵列天线可以实现波束扫描、波束赋形以及多波束等功能。国内外科研工作者往往按照阵列天线的功能分类来进行性能和应用的研究，比如相控阵天线、频率扫描天线、自适应天线以及多入多出天线(MIMO)等。近些年来，在相控阵和MIMO基础上衍生的新型阵列吸引了广泛关注，比如相控阵-MIMO、差分阵列以及频控阵列等，这些新型阵列带来了更多的自由度和广泛的应用前景。但是不管是相控阵还是现有的频控阵在雷达目标探测***中探测的目标探测准确性都有待提高，因此如果能基于相控阵或频控阵之上对空间能量进行一定的压缩汇聚，进而提高目标探测准确性，那将是非常有意义的。

相控阵雷达区别于传统机械扫描雷达，其优势之一在于可自由地实现波束的空间扫描，因而广泛地应用于雷达目标检测与成像应用。通常相控阵雷达每个阵元发射(接收)的是同一信号，通过在每个阵元的输出端接入移相器进行波束方向控制，调整移相器的相移量便可实现波束的空域扫描。从物理本质上讲，相控阵天线主要利用各天线单元辐射场的相干特性，通过电磁场的干涉叠加，完成辐射能量在角度空间维度的汇聚集中，其典型的过程如图1所示，从图1不难发现，上述能量汇聚集中过程主要在角度维度进行，而在距离维度，能量并没有进行汇聚集中。

频控阵是于2006年美国雷达年会上首次提出，不同于相控阵的是，频控阵的每个相邻天线之间存在一个很小的频率偏移(频率偏移量远远小于载波中心频率)。由于天线发射信号频率不同，在不同的距离上引起的相位叠加关系也不相同，导致某些距离单元上相位相互叠加形成波峰，某些距离单元上相位相互抵消形成波谷，这必然导致波束图不仅与角度有关，而且与距离相关，这是频控阵与相控阵的主要区别，也是频控阵最主要的特点。

由图2可以看出，频控阵空间能量压缩可以弥补相控阵在距离维上不能进行能量汇聚的缺点，使得频控阵空间能量压缩同时在距离维和角度维上压缩，这将大大提高雷达的目标探测精度。但是，频控阵也存在一些问题，就是频控阵的空间能量压缩为一聚焦带后，从图2可以看出这是一条不规则的聚焦带，在雷达目标探测***中对于所处位置的距离计算的准确性较低。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于空间能量聚焦技术的目标探测方法，在空间目标探测上能量汇聚得更高，从而有更高的探测精度，进而能够提升目标探测的准确性。

本发明的技术方案为：一种基于空间能量聚焦技术的目标探测方法，包括以下步骤：

S1、通过信号源产生设定载频的初始信号。

S2、确定矩形时不变空间点聚焦频控阵的行数N和列数M。

S3、采用功分器将初始信号分配为N×M路频率源信号。

S4、通过FPGA数字处理器设置每一路频率源信号的频偏值，并通过N×M个锁相环对每一路频率源信号进行对应的频率偏移。

S5、对频率偏移后的频率源信号进行放大，并将放大后的频率源信号作为探测信号输出至矩形时不变空间点聚焦频控阵的对应天线。

S6、通过矩形时不变空间点聚焦频控阵向目标发射探测信号并接收回波信号，根据回波时间计算得到探测目标的距离。

进一步地，步骤S4包括以下分步骤：

S41、根据矩形时不变空间点聚焦频控阵中每个天线的坐标位置对频率源信号进行编号，使频率源信号与矩形时不变空间点聚焦频控阵中的天线一一对应。

S42、在FPGA数字处理器中采用人工蜂群算法得到矩形时不变空间点聚焦频控阵的阵元参数g[n,m]。

S43、根据阵元参数g[n,m]计算得到每一路频率源信号的行频偏值和列频偏值。

S44、根据行频偏值和列频偏值，采用锁相环对每一路频率源信号进行对应的频率偏移，得到频率偏移后的频率源信号。

进一步地，步骤S43中行频偏值和列频偏值的计算公式为：

其中Δf_x和Δf_y分别表示行频偏值和列频偏值，n和m分别表示矩形时不变空间点聚焦频控阵中天线的行序数和列序数，n＝1,2,...,N；m＝1,2,...,M，θ₀表示矩形时不变空间点聚焦频控阵与目标点的仰角，t为时不变空间点聚焦频控阵中能量向前传播时间，R₀表示矩形时不变空间点聚焦频控阵到目标点的距离，c为光速，f₀为载频频率。

进一步地，步骤S44中频率偏移后的频率源信号表达式为：

f_(n,m)＝f₀+nΔf_x+mΔf_y

其中f_(n,m)表示矩形时不变空间点聚焦频控阵中第n行第m列天线的频率，f₀为载频频率，Δf_x和Δf_y分别表示行频偏值和列频偏值。

进一步地，矩形时不变空间点聚焦频控阵的远场阵列因子AF为：

其中n和m分别表示矩形时不变空间点聚焦频控阵中天线的行序数和列序数，n＝1,2,...,N；m＝1,2,...,M，j为虚数单位，g[n,m]为矩形时不变空间点聚焦频控阵的阵元参数，t为时不变空间点聚焦频控阵中能量向前传播时间，θ₀表示矩形时不变空间点聚焦频控阵与目标点的仰角，

表示矩形时不变空间点聚焦频控阵与目标点的方位角，θ表示矩形时不变空间点聚焦频控阵与空间中任意一点的仰角，

表示矩形时不变空间点聚焦频控阵与空间中任意一点的方位角，R₀表示矩形时不变空间点聚焦频控阵到空间点的距离，c为光速，

表示矩形时不变空间点聚焦频控阵到聚焦点的距离，f₀为载频频率。

进一步地，步骤S6中探测目标的距离计算公式为：

R_m＝ct_m/2

其中R_m表示探测目标的距离，c为光速，t_m为回波时间。

本发明的有益效果是：

(1)本发明提出了一种矩形时不变空间点聚焦频控阵结构，其相比于传统线性阵列频控阵结构有更多的应用场景，可在三维空间实现定点聚焦。

(2)本发明将矩形时不变空间点聚焦频控阵应用于目标探测，结合实际情况下选取合适的参数，能够在不同程序上对空间能量进行有效的压缩，提高其在干涉带的能量，从而有效提高目标探测的准确性。

(3)本发明提供的矩形时不变空间点聚焦频控阵在雷达探测方面有着广阔的前景，也可基于此结构进行更多阵列结构的探究，广泛用于雷达、无线通信当中，具有较强的实用性。

附图说明

图1所示为现有技术中相控阵空间能量压缩示意图。

图2所示为现有技术中频控阵空间能量压缩示意图。

图3所示为本发明实施例提供的矩形时不变空间点聚焦频控阵目标探测***结构示意图。

图4所示为本发明实施例提供的一种基于空间能量聚焦技术的目标探测方法流程图。

图5所示为本发明实施例提供的相控阵矩形阵列示意图。

图6所示为本发明实施例提供的矩形时不变空间点聚焦频控阵模型示意图。

图7所示为本发明实施例提供的频控阵点聚焦效果示意图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种基于空间能量聚焦技术的目标探测方法，如图3和图4共同所示，包括以下步骤S1～S6：

S1、通过信号源产生设定载频的初始信号。

本发明实施例中，设定载频为3GHz。

S2、确定矩形时不变空间点聚焦频控阵的行数N和列数M。

S3、采用功分器将初始信号分配为N×M路频率源信号。

本发明实施例中，N＝5，M＝5，则总共产生25(5×5)个频率源信号。

S4、通过FPGA数字处理器设置每一路频率源信号的频偏值，并通过N×M个锁相环对每一路频率源信号进行对应的频率偏移。

步骤S4包括以下分步骤S41～S44：

S41、根据矩形时不变空间点聚焦频控阵中每个天线的坐标位置对频率源信号进行编号，使频率源信号与矩形时不变空间点聚焦频控阵中的天线一一对应。

S42、在FPGA数字处理器中采用人工蜂群算法得到矩形时不变空间点聚焦频控阵的阵元参数g[n,m]。

S43、根据阵元参数g[n,m]计算得到每一路频率源信号的行频偏值和列频偏值，行频偏值和列频偏值的计算公式为：

其中Δf_x和Δf_y分别表示行频偏值和列频偏值，n和m分别表示矩形时不变空间点聚焦频控阵中天线的行序数和列序数，n＝1,2,...,N；m＝1,2,...,M，θ₀表示矩形时不变空间点聚焦频控阵与目标点的仰角，t为时不变空间点聚焦频控阵中能量向前传播时间，R₀表示矩形时不变空间点聚焦频控阵到目标点的距离，c为光速，f₀为载频频率。

S44、根据行频偏值和列频偏值，采用锁相环对每一路频率源信号进行对应的频率偏移，得到频率偏移后的频率源信号，频率偏移后的频率源信号表达式为：

f_(n,m)＝f₀+nΔf_x+mΔf_y (2)

其中f_(n,m)表示矩形时不变空间点聚焦频控阵中第n行第m列天线的频率，f₀为载频频率，Δf_x和Δf_y分别表示行频偏值和列频偏值。

S5、对频率偏移后的频率源信号进行放大，并将放大后的频率源信号作为探测信号输出至矩形时不变空间点聚焦频控阵的对应天线。

S6、通过矩形时不变空间点聚焦频控阵向目标发射探测信号并接收回波信号，根据回波时间计算得到探测目标的距离，计算公式为：

R_m＝ct_m/2 (3)

其中R_m表示探测目标的距离，c为光速，t_m为回波时间。

本发明实施例中，采用矩形时不变空间点聚焦频控阵构建如图3所示的探测***，进而对目标距离进行探测，其相比于传统线性阵列频控阵结构有更多的应用场景，可在三维空间实现定点聚焦。矩形时不变空间点聚焦频控阵的具体构建原理及过程如下：

如图5所示给出了一种典型的相控阵矩形阵列天线结构示意图，通过对相控阵***中天线单元的馈电信号的相位和幅度协调控制，能够完成所发射的电磁能量在不同空间方向角内的汇聚集中，其基本理论依据是：

相控阵的传播公式为：

其中s(·)相控阵电磁波传播函数，t为相控阵中能量向前传播时间，i为虚数单位，N表示阵列天线的行数，M表示阵列天线的列数，R₀表示目标点到天线阵的距离，θ₀表示目标点与天线阵的仰角，

表示目标点与天线阵的方位角，

表示聚焦点到天线阵的距离，

表示聚焦点与天线阵的仰角，

表示聚焦点与天线阵的方位角，φ_nm表示坐标位置为(n,m)传输信号的相位，n＝1,2,...,N；m＝1,2,...,M，c为光速，ω_x为天线阵的横向角频率，ω_y为天线阵的纵向角频率，ω_0x为聚焦点的横向角频率，ω_0y为聚焦点的纵向角频率，且有：

ω_x＝πΔf_x (5)

ω_y＝πΔf_y (6)

其中Δf_x和Δf_y分别表示行频偏值和列频偏值，dx和dy分别表示聚焦点的横向微分距离和纵向微分距离，λ_c表示光波长。

有了相控阵的理论基础，在此基础上提出矩形时不变空间点聚焦频控阵模型，如图6所示。

由于需要实现时不变空间聚焦，必定要消除传播公式中的时间因子，需要构造一个非线性式子来抵消时间因子的影响，即公式(1)：

其中Δf_x和Δf_y分别表示行频偏值和列频偏值，n和m分别表示矩形时不变空间点聚焦频控阵中天线的行序数和列序数，n＝1,2,...,N；m＝1,2,...,M，θ₀表示矩形时不变空间点聚焦频控阵与目标点的仰角，t为时不变空间点聚焦频控阵中能量向前传播时间，R₀表示矩形时不变空间点聚焦频控阵到目标点的距离，c为光速，f₀为载频频率。

同时，令：

将公式(1)和公式(9)均代入公式(4)，可以得到矩形时不变空间点聚焦频控阵的远场阵列因子AF为：

其中n和m分别表示矩形时不变空间点聚焦频控阵中天线的行序数和列序数，n＝1,2,...,N；m＝1,2,...,M，j为虚数单位，g[n,m]为矩形时不变空间点聚焦频控阵的阵元参数，t为时不变空间点聚焦频控阵中能量向前传播时间，θ₀表示矩形时不变空间点聚焦频控阵与目标点的仰角，

表示矩形时不变空间点聚焦频控阵与目标点的方位角，θ表示矩形时不变空间点聚焦频控阵与空间中任意一点的仰角，

表示矩形时不变空间点聚焦频控阵与空间中任意一点的方位角，R₀表示矩形时不变空间点聚焦频控阵到空间点的距离，c为光速，

表示矩形时不变空间点聚焦频控阵到聚焦点的距离，f₀为载频频率。

在聚焦点

处，阵列的阵元相位为0，产生最大值，而在非聚焦点处，则由于相位不为0，场值为非最大值，通过对g[n,m]进行参数优化，可以实现一个较好的聚焦斑点。当t＝300ns时，频控阵空间的能量分布图如图7所示，从图7中可以看出，基本实现了空间点聚焦的效果。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于空间能量聚焦技术的目标探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过信号源产生设定载频的初始信号；

S2、确定矩形时不变空间点聚焦频控阵的行数N和列数M；

S3、采用功分器将初始信号分配为N×M路频率源信号；

S4、通过FPGA数字处理器设置每一路频率源信号的频偏值，并通过N×M个锁相环对每一路频率源信号进行对应的频率偏移；

S5、对频率偏移后的频率源信号进行放大，并将放大后的频率源信号作为探测信号输出至矩形时不变空间点聚焦频控阵的对应天线；

S6、通过矩形时不变空间点聚焦频控阵向目标发射探测信号并接收回波信号，根据回波时间计算得到探测目标的距离；

所述步骤S4包括以下分步骤：

S41、根据矩形时不变空间点聚焦频控阵中每个天线的坐标位置对频率源信号进行编号，使频率源信号与矩形时不变空间点聚焦频控阵中的天线一一对应；

S42、在FPGA数字处理器中采用人工蜂群算法得到矩形时不变空间点聚焦频控阵的阵元参数g[n,m]；

S43、根据阵元参数g[n,m]计算得到每一路频率源信号的行频偏值和列频偏值；

S44、根据行频偏值和列频偏值，采用锁相环对每一路频率源信号进行对应的频率偏移，得到频率偏移后的频率源信号；

所述步骤S43中行频偏值和列频偏值的计算公式为：

其中Δf_x和Δf_y分别表示行频偏值和列频偏值，n和m分别表示矩形时不变空间点聚焦频控阵中天线的行序数和列序数，n＝1,2,...,N；m＝1,2,...,M，θ₀表示矩形时不变空间点聚焦频控阵与目标点的仰角，t为时不变空间点聚焦频控阵中能量向前传播时间，R₀表示矩形时不变空间点聚焦频控阵到目标点的距离，c为光速，f₀为载频频率；

所述步骤S44中频率偏移后的频率源信号表达式为：

f_(n,m)＝f₀+nΔf_x+mΔf_y

其中f_(n,m)表示矩形时不变空间点聚焦频控阵中第n行第m列天线的频率，f₀为载频频率，Δf_x和Δf_y分别表示行频偏值和列频偏值；

所述矩形时不变空间点聚焦频控阵的远场阵列因子AF为：

其中n和m分别表示矩形时不变空间点聚焦频控阵中天线的行序数和列序数，n＝1,2,...,N；m＝1,2,...,M，j为虚数单位，g[n,m]为矩形时不变空间点聚焦频控阵的阵元参数，t为时不变空间点聚焦频控阵中能量向前传播时间，θ₀表示矩形时不变空间点聚焦频控阵与目标点的仰角，

表示矩形时不变空间点聚焦频控阵与目标点的方位角，θ表示矩形时不变空间点聚焦频控阵与空间中任意一点的仰角，

表示矩形时不变空间点聚焦频控阵与空间中任意一点的方位角，R₀表示矩形时不变空间点聚焦频控阵到空间点的距离，c为光速，

表示矩形时不变空间点聚焦频控阵到聚焦点的距离，f₀为载频频率。

2.根据权利要求1所述的目标探测方法，其特征在于，所述步骤S6中探测目标的距离计算公式为：

R_m＝ct_m/2

其中R_m表示探测目标的距离，c为光速，t_m为回波时间。

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