CN109946690A - 一种基于脉冲能量压缩技术的目标探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲能量压缩技术的目标探测方法，将传统的线性对称频控阵变为单天线多频率源的发射结构，进而构成单天线频率分集***结构，并将其应用于对目标的探测，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。本发明提出的单天线频率分集***结构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

一种基于脉冲能量压缩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，具体涉及一种基于脉冲能量压缩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的辐射场的相干特性，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。对比图1(a)和图1(b)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。并且，根据功率密度集中，且功率密度是按照典型球面波的1/R的关系进行衰减，这样在距离发射天线越远处，其能量密度将越低，这将非常不利于远距离目标的探测。

频控阵是于2006年美国雷达年会上首次提出的，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，其一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；其二就是在频控阵的实现上也很复杂，频控阵阵元之间还存在互耦等。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于脉冲能量压缩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：一种基于脉冲能量压缩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、采用功分器将初始信号分配为N路频率源信号。

S3、采用合路器将N路频率源信号合成一路探测信号，并采用功率放大器对探测信号进行放大。

S4、将放大后的探测信号通过环形器输出至单天线探测器。

S5、通过单天线探测器向目标发射探测信号，并将单天线探测器接收到的回波信号反馈至环形器。

S6、采用低噪声放大器对回波信号进行放大。

S7、对放大后的回波信号进行滤波调制。

S8、对滤波调制后的回波信号进行A/D采样，并将采样结果输出至FPGA数字处理器。

S9、在FPGA数字处理器中对采样结果进行分析处理，得到回波时间，并根据回波时间计算得到探测目标的距离。

进一步地，步骤S2中N为奇数，且第n路频率源的频率表达式为：

f_n＝f_(N-1)/2+|n-(N-1)/2|·Δf

其中f_n为第n路频率源的频率，f_(N-1)/2为第(N-1)/2路频率源的频率，Δf为固定频差，n＝0,1,2,...,N-1。

进一步地，单天线探测器的远场能量表达式为：

其中E表示单天线探测器的远场能量，R₀表示单天线探测器的天线阵元的空间传播距离，f_e(·)为天线方向性函数，ω_(N-1)/2表示第(N-1)/2个频率源的角频率，Δω为角频率增量，j为虚数单位，t为远场能量向前传播时间，k_(N-1)/2表示第(N-1)/2个频率源的波数，Δk为波数增量，Δψ为相位增量，n＝0,1,2,...,N-1。

进一步地，步骤S7具体为：随机选取一路频率源信号作为基准频率信号，滤除掉回波信号中与基准频率信号的频率不同的信号，实现对回波信号的滤波调制。

进一步地，步骤S9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)本发明将传统的线性对称频控阵变为单天线多频率源的发射结构，进而构成单天线频率分集***结构，并将其应用于对目标的探测，相比于传统频控阵结构更易实现，并且不存在天线间的互耦，效果更好，具有更强的可实现性。

(2)本发明提出的单天线频率分集***结构在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，从而能够有效提高目标探测的准确性。

(3)本发明提出的单天线频率分集***结构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在角度维上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单天线频率分集***结构示意图。

图4所示为本发明实施例提供的一种基于脉冲能量压缩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典型相控阵天线结构示意图。

图6所示为本发明实施例提供的线性对称频控阵结构示意图。

图7所示为本发明实施例提供的不同阵列间距的空间能量干涉示意图。

图8所示为本发明实施例提供的不同距离下3dB能量聚焦带宽度变化情况示意图。

图9所示为本发明实施例提供的不同频差下3dB能量聚集带宽度变化情况示意图。

图10所示为本发明实施例提供的不同频差下3dB能量聚集带宽度变化趋势图。

图11所示为本发明实施例提供的不同频率源个数下3dB能量聚集带宽度变化情况示意图。

图12所示为本发明实施例提供的不同频率源个数下3dB能量聚集带宽度变化趋势图。

图13所示为本发明实施例提供的单天线频控阵空间能量分布与普通天线空间能量分布对比图。

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。

本发明实施例将传统的线性对称频控阵变为单天线多频率源的发射结构，进而构成单天线频率分集***结构，如图3所示，并基于该单天线频率分集***结构，提出了一种基于脉冲能量压缩技术的目标探测方法，如图4所示，包括以下步骤S1～S9：

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1GHz。

S2、采用功分器将初始信号分配为N路频率源信号。

其中N为奇数，且第n路频率源的频率表达式为：

f_n＝f_(N-1)/2+|n-(N-1)/2|·Δf (1)

其中f_n为第n路频率源的频率，f_(N-1)/2为第(N-1)/2路频率源的频率，Δf为固定频差，由FPGA数字处理器编程产生，n＝0,1,2,...,N-1。

本发明实施例中，假设N＝21，即有21个频率源，那么利用功分器可以产生同频同相的21路信号源，设定固定频差Δf＝10kHz，则图3中第11个锁相环设定频差为0Hz，然后从第12个到第21个锁相环的频差依次设定为10kHz，20kHz，30kHz，40kHz，50kHz，60kHz，70kHz，80kHz，90kHz，100kHz，同理从第10个到第1个锁相环也按照此设定。

S3、采用合路器将N路频率源信号合成一路探测信号，并采用功率放大器对探测信号进行放大。

S4、将放大后的探测信号通过环形器输出至单天线探测器。

S5、通过单天线探测器向目标发射探测信号，并将单天线探测器接收到的回波信号反馈至环形器。

如图5所示给出了一种典型的相控阵天线结构示意图，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，其基本理论依据如下：

相控阵远场阵列因子AF为：

其中a₀为单位幅度，n为天线序数，N为天线总数，j为虚数单位，k为波数，d为天线阵列间距，θ为天线阵列空间指向角度，Δψ为相位增量，其计算公式为：

Δψ＝kd sinθ₀ (3)

其中θ₀为天线阵列指向假定目标点的角度，根据公式(2)可以仿真得到如图1所示的相控阵空间能量分布图。

在相控阵的理论基础上，可以提出一种新的最简单的线性对称频控阵结构，如图6所示。

由于典型频控阵的辐射远场为：

其中a_n为第n个天线单元的幅度，n为天线序数，N为天线总数，ψ_n为第n个天线初始相位，k_n为第n个天线的波数，ω_n为第n个天线的角频率，t为远场能量向前传播时间，R_n为第n个天线的空间传播距离，f_e(·)为天线方向性函数，θ为天线阵列空间指向角度，φ为天线平面指向角(本发明实施例中为0°)，且有：

ψ_n＝-nΔψ (5)

ω_n＝ω₀+nΔω (6)

k_n＝k₀+nΔk (7)

其中Δψ为相位增量，Δω为角频率增量，Δk为波数增量，ω₀为初始角频率，k₀为初始波数。

又根据远场三角近似可得

R_n≈R₀-nd cosθ (8)

将公式(5)、(6)、(7)、(8)带入公式(4)有：

其中R₀为第1个天线到目标探测点的距离，则根据公式(9)可以仿真得到如图2所示的频控阵空间能量分布图。

根据公式(9)，图6所示的线性对称频控阵远场叠加公式为：

其中E表示单天线探测器的远场能量，R₀表示第1个天线到目标探测点的距离，f_e(·)为天线方向性函数，ω_(N-1)/2表示第(N-1)/2个频率源的角频率，Δω为角频率增量，j为虚数单位，t为远场能量向前传播时间，k_(N-1)/2表示第(N-1)/2个频率源的波数，Δk为波数增量，Δψ为相位增量，n＝0,1,2,...,N-1。

观察图6，围绕原点对称放置两组频控天线阵，每组天线阵相邻天线单元的馈电信号存在一固定频差Δf，且满足相参关系，分析天线间距发生变化时，其空间能量在距离维度的干涉图样如图7所示。

从图7观察不同天线间距的空间能量干涉图样，随着天线间距d的减小，其能量由原先的两条干涉曲线，逐渐合并为一条干涉曲线，极端情况下，如图5(d)所示，当天线间距很小近似为零时，即所有天线单元在位置上完全重合，阵列天线退化为一个单元天线时，其能量将完全集中在一个干涉曲线上。此时的频控天线阵***等效为如图3所示结构。从图3等效电路结构可以看出，当相差一固定频差的多路相参信号进行多路合成并一路输出到单个天线时，其辐射场将在距离维进行干涉，形成强弱相间的干涉能量带，且此能量带以光速c向前推进，从而完成辐射能量在距离维度的压缩辐射。并且这种单天线频率分集***结构也易于实现，也没有了天线间耦合的影响。

分析图3的结构可知，由于线性对称频控阵变为单天线多频率源发射结构，因此对R_n＝R₀-nd sinθ变为了R_n＝R₀，因此公式(10)变为：

公式(11)中n不再表示天线序数，而是表示频率源序数；并且由于将线性对称频控阵变为单天线多频率源发射结构，R₀也不再表示第1个天线到目标探测点的距离，而是表示单天线探测器的天线阵元的空间传播距离，

S6、采用低噪声放大器对回波信号进行放大。

S7、对放大后的回波信号进行滤波调制。

随机选取一路频率源信号作为基准频率信号(本发明实施例中选取第一路频率源信号f₀)，滤除掉回波信号中与基准频率信号的频率不同的信号，实现对回波信号的滤波调制。

S8、对滤波调制后的回波信号进行A/D采样，并将采样结果输出至FPGA数字处理器。

S9、在FPGA数字处理器中对采样结果进行分析处理，得到回波时间，并根据回波时间计算得到探测目标的距离。

进一步地，步骤S9中探测目标的距离计算公式为：

R_m＝ct_m/2 (12)

其中R_m表示探测目标的距离，c为光速，t_m为回波时间。

下面以具体实验例对本发明的空间能量压缩效果进行详细说明。

引入了一个3dB脉冲聚焦带的概念(即从每个聚焦点的最大能量减小3dB脉冲聚焦带宽度)，以下具体讨论不同因素对脉冲压缩的影响：

(1)不同距离下空间能量压缩变化情况。

如图8所示，同一频差下，不同距离的3dB脉冲聚焦带宽度都在3km左右变化，其不同距离的误差变化也低于0.3km，由此可以得出结论：尽管能量在传输过程中存在损耗，但对于同一远场图中的不同距离的上的3dB脉冲聚焦带宽度近似是相同的，说明3dB脉冲聚焦带宽度不会随着距离改变而改变。

(2)不同频差与脉冲压缩与的关系。

有了以上结论，分析3dB脉冲聚焦带宽度与频差的关系。根据图9可以看出，频差越大，3dB脉冲聚集带宽度就越窄，脉冲压缩得越好。为了更清楚的分析其变化情况，得到如图10所示的不同偏差下的3dB能量聚集带宽度变化趋势图。

分析图10可以得到，3dB脉冲聚焦带宽度随不同频差的变化而成比例变化，因此频差越大，宽度就越小，能量压缩得越窄，而其中主要的一个原因是因为频控阵距离周期为c/Δf。

(3)不同频率源个数与脉冲压缩的关系。

有了以上的分析，继续分析不同频率源个数对3dB脉冲压缩聚焦带宽度的影响。如图11所示，其中图11(a)为N＝11时空间波束能量分布，图11(b)为N＝11时3dB能量聚焦带宽度，图11(c)为N＝21时空间波束能量分布，图11(d)为N＝21时3dB能量聚焦带宽度，图11(e)为N＝41时空间波束能量分布，图11(f)为N＝41时3dB能量聚焦带宽度，图11(g)为N＝81时空间波束能量分布，图11(h)为N＝81时3dB能量聚焦带宽度。

由图11可以看出，随着频率源个数的增加，能量压缩得更窄，为了进一步说明其变化情况，得到图12所示的不同频率源个数下3dB能量聚焦带宽度变化趋势图。由图12可以看出，在一定范围内增大频率源个数，可以有效提高脉冲压缩效果，其变化类似于指数比例变化，因此在增大的一定频率源个数时，这时达到一定的频率源个数饱和，不会很大提升其压缩效果。因此，并不是频率源个数越多越好，需要根据实际情况选取合适的频率源个数。

(4)单天线频率分集***空间能量分布与普通天线空间能量分布关系。

为了更好的分析单天线频控阵空间能量与普通天线空间能量关系，选取频率源个数分布为11、21、31等三种情况在频差为20kHz下的空间能量分布与无偏差时的空间能量分布时的关系，得到图13。

首先由图13可得，单天线频率分集***相比普通天线明显可以在不同程度上对脉冲能量进行压缩，其次可以看出虽然空间能量随着距离的增加，能量在不断衰减，但是对于有频差时的不同聚焦点处的空间能量与无偏差空间能量差值是大致不变的，并且从侧面证明了之前分析的频率源个数的适当增加可以有效提升空间能量压缩。

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 (5)

1.一种基于脉冲能量压缩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、采用功分器将初始信号分配为N路频率源信号；

S3、采用合路器将N路频率源信号合成一路探测信号，并采用功率放大器对探测信号进行放大；

S4、将放大后的探测信号通过环形器输出至单天线探测器；

S5、通过单天线探测器向目标发射探测信号，并将单天线探测器接收到的回波信号反馈至环形器；

S6、采用低噪声放大器对回波信号进行放大；

S7、对放大后的回波信号进行滤波调制；

S8、对滤波调制后的回波信号进行A/D采样，并将采样结果输出至FPGA数字处理器；

S9、在FPGA数字处理器中对采样结果进行分析处理，得到回波时间，并根据回波时间计算得到探测目标的距离。

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S2中N为奇数，且第n路频率源的频率表达式为：

f_n＝f_(N-1)/2+|n-(N-1)/2|·Δf

其中f_n为第n路频率源的频率，f_(N-1)/2为第(N-1)/2路频率源的频率，Δf为固定频差，n＝0,1,2,...,N-1。

3.根据权利要求1所述的目标探测方法，其特征在于，所述单天线探测器的远场能量表达式为：

其中E表示单天线探测器的远场能量，R₀表示单天线探测器的天线阵元的空间传播距离，f_e(·)为天线方向性函数，ω(N-1)/2表示第(N-1)/2个频率源的角频率，Δω为角频率增量，j为虚数单位，t为远场能量向前传播时间，k_(N-1)/2表示第(N-1)/2个频率源的波数，Δk为波数增量，Δψ为相位增量，n＝0,1,2,...,N-1。

4.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S7具体为：随机选取一路频率源信号作为基准频率信号，滤除掉回波信号中与基准频率信号的频率不同的信号，实现对回波信号的滤波调制。

5.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S9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。