CN111649803B - 基于垂直线性阵列的三维雷达物位计及其设计方法 - Google Patents

基于垂直线性阵列的三维雷达物位计及其设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111649803B
CN111649803B CN202010604582.XA CN202010604582A CN111649803B CN 111649803 B CN111649803 B CN 111649803B CN 202010604582 A CN202010604582 A CN 202010604582A CN 111649803 B CN111649803 B CN 111649803B
Authority
CN
China
Prior art keywords
array
distance
target
array element
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010604582.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN111649803A (zh
Inventor
马月红
王硕
朱唐永君
惠蕙
张伟涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hebei Rongfa Information Technology Co ltd
Shijiazhuang Tiedao University
Original Assignee
Hebei Rongfa Information Technology Co ltd
Shijiazhuang Tiedao University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hebei Rongfa Information Technology Co ltd, Shijiazhuang Tiedao University filed Critical Hebei Rongfa Information Technology Co ltd
Priority to CN202010604582.XA priority Critical patent/CN111649803B/zh
Publication of CN111649803A publication Critical patent/CN111649803A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111649803B publication Critical patent/CN111649803B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/28—Details of pulse systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于垂直线性阵列的三维雷达物位计及其设计方法，涉及毫米波雷达成像技术领域。所述方法包括如下步骤：选择合适的阵元，选择合适的压控振荡器，选择合适的一级噪声放大器、低通滤波器和功率放大器，选择4路16bit的数模转换模块，选择合适的数字相位补偿合成器，对回波信号进行二维距离向校正，通过接收信号反演目标的响应函数进行成像。所述方法在不增加尺寸和成本的前提下能够保证高分辨率且能够拥有更快的成像性能。

Description

基于垂直线性阵列的三维雷达物位计及其设计方法
技术领域
本发明涉及毫米波雷达成像技术领域，尤其涉及一种基于垂直线性阵列的三维雷达物位计及其设计方法。
背景技术
射频前端在扫描周期内发射频率变化的连续波，被目标反射后的回波与发射信号有一定的频率差，通过测量频率差来获得雷达与目标之间的距离信息，调频连续波在收发时，理论上不存在测距盲区，发射信号的平均功率等于峰值功率，可以降低被截获的概率，回波信号经过混频放大后变为窄带差频信号，在对经过中频放大的混频信号进行处理，在信号频谱中提取目标的距离与方位信息，并将获得的不同信号进行成像，以获得目标的三维成像。
如果要实现微距雷达的前端成像，目前方法通过机械扫描方式下的合成孔径成像雷达或者相控阵雷达。机械扫描方式能够在固定方向上的扫描宽度保持固定的带宽，能够达到很好的扫描效果，但在前视成像过程中，机械扫描方式转速慢，导致成像速度较慢，由于合成孔径的限制，无法达到任意角度成像。合成孔径雷达还存在难以前视成像，成像时间长，无法在平台静止情况下成像，需要高精度运动测量等缺点。
相控阵雷达虽然能获得高分辨成像，但是相控阵雷达成本较高，一般只用于军事领域或特殊领域，即使是采用UWB雷达天线，采用阵元较少的稀疏阵列，由于栅瓣问题的存在，仍然具有一定的局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种在不增加尺寸和成本的前提下能够保证高分辨率且能够拥有更快的成像性能的三维雷达物位计。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于垂直线性阵列的三维雷达物位计，其特征在于：包括射频前端和数字基带处理模块，所述射频前端用于信号的发射与接收，滤波后得到能量更大的频谱信号；数字基带处理模块则将得到的基带信号转换后进行相位补偿，输出信号通过距离向校正和方位向压缩后获得更加清楚的三维成像。
进一步的技术方案在于：所述射频前端包括两个发射通道和四个接收通道构成的垂直线性天线阵列、频率合成器和调频连续波雷达信号发生器，采用多发多收技术实现2×4个接收通道。
本发明实施例还公开了一种基于垂直线性阵列的三维雷达物位计设计方法，其特征在于包括如下步骤：
本发明的一种垂直线性阵列的三维雷达物位计的设计方法，其具体步骤如下：
步骤一：选择合适的阵元，尺寸分别为Lx，Ly；Lx，Ly为发射阵元与接收阵元的尺寸；
步骤二：选择合适的压控振荡器，使其能够将外部晶振产生的稳定频率倍频到对应的雷达载频，并将产生的调频连续波进行编码，经过放大的倍频信号作为发射信号；
步骤三：选择合适的一级噪声放大器、低通滤波器和功率放大器，一级噪声放大器将发射信号进行混频，产生差拍信号，低通滤波器将产生的差拍信号滤掉高频干扰，功率放大器将滤波信号进行放大；
步骤四：选择数模转换模块，使其能够满足采样需求；
步骤五：选择合适的数字相位补偿合成器，并根据
Figure BDA0002560510460000021
调整阵元间距，以保证回波信号在处理过程中不出现栅瓣；
步骤六：对回波信号进行二维距离向校正，根据阵列长度远小于目标到阵列的距离，且目标成像的宽度远远小于多目标散射中心的位置参数，在xp＝0处对信号进行处理，得到近似函数
Figure BDA0002560510460000022
Figure BDA0002560510460000031
将基带信号在距离向进行傅里叶变换，并结合距离向校正函数得到接收信号的时域函数:
Figure BDA0002560510460000032
步骤七：通过接收信号反演目标的响应函数进行成像，在xp，yq维进行方位向压缩，在xp维方向上，发射阵元位置xp对应的空间谱域为kx，利用驻相法对xp∈[-Lx，Lx]进行傅里叶变换：
Figure BDA0002560510460000033
上式可得：
Figure BDA0002560510460000034
其中
Figure BDA0002560510460000035
表示载频对应的波数，
Figure BDA0002560510460000036
Figure BDA0002560510460000037
同理，对yq进行相同变换，即可实现成像。
进一步的技术方案在于：设在某一处坐标为(XP，0，0)处阵元发射波形记为s(t)，编码子脉冲宽度为T，而编码序列记为
Figure BDA0002560510460000038
各接收阵元接收处理单元均由滤波器组模块组成，设目标由位于(xn，yn，Hn，n＝1，2)的雷达截面积为σn的理想散射点组成，此时将接收阵元(0，yp，0，p＝1，2，3，4)的目标散射信号可表示为：
Figure BDA0002560510460000041
其中:
Figure BDA0002560510460000042
Figure BDA0002560510460000043
Figure BDA0002560510460000044
式中c为光速，
Figure BDA0002560510460000045
为第n个散射中心到发射阵元(xp，0，0)和接收阵元(0，yp，0)的距离和，距离
Figure BDA0002560510460000046
和
Figure BDA0002560510460000047
分别为发射阵元和接收阵元至目标上的第p个散射中心的距离，分别为
Figure BDA0002560510460000048
Figure BDA0002560510460000049
根据阵元发射信号在时区域内彼此正交，对于某一个接收阵元在对位于(0，yp，0)处的第p个滤波器脉冲压缩输出的基带信号为：
Figure BDA00025605104600000410
式中rp(t)表示为第p个阵元发射波形的脉冲压缩输出波形；
为了更好的获得回波信号，利用阵列天线孔径，采用波达方向DOA回波信号进行处理，回波信号到达相邻阵元会有一个固定的波程差，由发射电磁波波长、阵元间距以及入射角共同决定相位变化，该相位差包含了波达方向信息，通过估计相位差可以得到对DOA的估计，获得目标的方向信息；
阵元间距为d，目标回波方向和天线法向夹角为θ，则相邻阵元波程差为dsinθ，对应相位差可表示为:
Figure BDA0002560510460000051
其中f0为载波频率，c为光速，根据相位差信息反算出对应的波束指向角θ；
通过接收阵元在期望方向形成有向性接收波束，并通过相位补偿器对某一方向的入射信号进行相位补偿，使其能够在某个方向上形成波束指向接收，实现波束指向目标，阵列天线能量接收最大，将变频的基带信号进行转换后，然后进行相位补偿，得到输出信号；归一化方向性函数表示为：
Figure BDA0002560510460000052
其中，N为阵元个数，为雷达工作波长，d为阵元间距，θ为波束指向角；
θo为方位与天线法线夹角，当方向性函数满足波束指向角θ＝θo时，方向图函数F(θ)＝1，即方向图指向在角θ方向；
为保证接收信号不出现栅瓣，应该注意波束指向角的范围，
Figure BDA0002560510460000053
不出栅瓣的条件为：
Figure BDA0002560510460000054
当雷达的工作波长λ确定后，只要调整阵元间距d就可以满足上式，即可保证不出现栅瓣。
进一步的技术方案在于：将得到的信号在距离向上进行压缩，距离
Figure BDA0002560510460000055
为发射阵元(xp，0，0)至第n个散射中心的距离，
Figure BDA0002560510460000056
为接收阵元到目标的距离，因此对距离
Figure BDA0002560510460000057
的校正转化为对距离Rp和Rq的校正，由于这两部分传播距离是相互独立的，所以可以同时对这两部分距离分别进行校正，由于发射阵列长度远远小于目标到阵列的距离，可以对
Figure BDA0002560510460000058
附近作泰勒级数展开，省略三次项以上的高次项，所得：
Figure BDA0002560510460000061
其中
Figure BDA0002560510460000062
由于远场条件下，目标成像区域的宽度远远小于多目标散射中心的位置宽度为：
Figure BDA0002560510460000063
其中，式中
Figure BDA0002560510460000064
表示目标中心到阵列中心的距离，
Figure BDA0002560510460000065
表示斜视时目标散射中心参数造成的散射中心距离走动量，
Figure BDA0002560510460000066
表示为相应的距离弯曲量，对于确定的目标，各阵元接收脉冲压缩信号经距离校正后，，包络延迟完全相同，均只由散射中心至阵列中心的距离决定。
进一步的技术方案在于：通过接收信号反演目标的响应函数dpq(t，xn，yq)实现雷达成像，沿xp，xq，方向上对目标在x轴，y轴的最大横向尺寸进行压缩，目标的成像问题可分解为两个一维成像问题，所以分别沿xp维和yq维对信号进行方位向压缩，根据发射阵元的位置找到相对应的空间谱域，利用驻相法对xp进行傅里叶变换，实现成像。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述物位计中发射和接收阵列阵元数分别n＝2和p＝4，则在正交相位编码波形约束条件下，单次收发可获得8个空间观测通道，完成一个收发平面阵的功能。通过增加射频前端的灵敏度，能够使回波信号能量更大，有利于高分辨率成像，同时，在面积、功耗和尺寸上都有所节省，使物位计设计变得易于实施。在信号处理中过程中将信号进行分解，能够减小误差，使回波信号在信号处理过程中得到优化。综上，本申请物位计便于集成，功耗较小，适合便携式可移动场景使用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例所述物位计的原理框图；
图2是本发明实施例所述设计方法的流程图；
图3是本发明实施例所述方法中阵元与阵元之间的位置关系图；
图4是本发明实施例所述方法中合成器的原理框图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明实施例公开了一种垂直阵列的三维雷达物位计及其设计方法，可用于近距非接触式固体、液体的连续测量。
如图1所示，本发明实施例公开了一种基于垂直线性阵列的三维雷达物位计，主要包括射频前端和数字基带处理模块。射频前端主要进行信号的发射与接收，滤波后得到能量更大的频谱信号，数字基带处理模块则将变得到的基带信号转换后进行相位补偿，输出信号通过距离向校正、方位向压缩，以获得更加清楚的三维成像。
射频前端模块包括两个发射通道、四个接收通道构成的垂直线性天线阵列、频率合成器和调频连续波(FMCW)雷达信号发生器组成，采用多发多收技术实现2×4个接收通道，可使角度分辨率增加一倍。
如图2所示，本发明实施例公开了一种基于垂直线性阵列的三维雷达物位计的设计方法，包括如下步骤：
步骤一：选择合适的阵元，尺寸分别为Lx，Ly。
步骤二：选择合适的压控振荡器，使其能够将外部晶振产生的稳定频率倍频到对应的雷达载频，并将产生的调频连续波进行编码，经过放大的倍频信号作为发生发射信号。
步骤三：选择合适的一级噪声放大器、低通滤波器和功率放大器，一级噪声放大器将发射信号进行混频，产生差拍信号，低通滤波器将产生的差拍信号滤掉高频干扰，功率放大器将滤波信号进行放大。
步骤四：选择4路16bit的数模转换模块，数模转换模块的采样率可高达10MHZ，保证基带信号更加准确，且能够满足采样需求。
步骤五：选择合适的数字相位补偿合成器，并根据
Figure BDA0002560510460000081
调整阵元间距，以保证回波信号在处理过程中不出现栅瓣，一般扫描角度不超过60°
步骤六：对回波信号进行二维距离向校正，根据阵列长度远小于目标到阵列的距离，且目标成像的宽度远远小于多目标散射中心的位置参数，在xp＝0处对信号进行处理，得到近似函数
Figure BDA0002560510460000082
Figure BDA0002560510460000083
将基带信号在距离向进行傅里叶变换，并结合距离向校正函数得到接收信号的时域函数:
Figure BDA0002560510460000084
步骤七：通过接收信号反演目标的响应函数进行成像，在xp，yq维进行方位向压缩，在xp维方向上，发射阵元位置xp对应的空间谱域为kx，利用驻相法对xp∈[-Lx，Lx]进行傅里叶变换：
Figure BDA0002560510460000091
上式可得：
Figure BDA0002560510460000092
其中
Figure BDA0002560510460000093
表示载频对应的波数，
Figure BDA0002560510460000094
Figure BDA0002560510460000095
同理，对yq进行相同变换，即可实现成像。
物位计发射信号为同频带时域正交相位编码宽带信号，载频为77GHz。选定恰当的坐标，记某一发射阵元坐标为(XP，0，0)处，阵元发射波形记为s(t)，编码子脉冲宽度为T，而编码序列记为
Figure BDA0002560510460000096
物位计各接收阵元接收处理单元均由滤波器组模块组成，设目标由位于(xn，yn，Hn，n＝1，2)的雷达截面积为σn的理想散射点组成，此时将接收阵元(0，yp，0，p＝1，2，3，4)的目标散射信号可表示为：
Figure BDA0002560510460000097
其中:
Figure BDA0002560510460000098
Figure BDA0002560510460000099
Figure BDA0002560510460000101
式中c为光速，
Figure BDA0002560510460000102
为第n个散射中心到发射阵元(xp，0，0)和接收阵元(0，yp，0)的距离和.距离
Figure BDA0002560510460000103
和
Figure BDA0002560510460000104
分别为发射阵元和接收阵元至目标上的第p个散射中心的距离，分别为
Figure BDA0002560510460000105
Figure BDA0002560510460000106
根据阵元发射信号在时区域内彼此正交，对于某一个接收阵元在对位于(0，yp，0)处的第p个滤波器脉冲压缩输出的基带信号为：
Figure BDA0002560510460000107
式中rp(t)表示为第p个阵元发射波形的脉冲压缩输出波形。
为了更好的获得回波信号，利用阵列天线孔径，采用波达方向(DOA)回波信号进行处理，回波信号到达相邻阵元会有一个固定的波程差，由发射电磁波波长、阵元间距以及入射角共同决定相位变化，该相位差包含了波达方向信息，通过估计相位差可以得到对DOA的估计，获得目标的方向信息。如图3所示，阵元间距为d，目标回波方向和天线法向夹角为θ，则相邻阵元波程差为dsinθ，对应相位差可表示为:
Figure BDA0002560510460000108
其中f0为载波频率，c为光速，根据相位差信息反算出对应的波束指向角θ。
通过接收阵元在期望方向形成有向性接收波束，并通过相位补偿器对某一方向的入射信号进行相位补偿，使其能够在某个方向上形成波束指向接收，实现波束指向目标，阵列天线能量接收最大，将变频的基带信号进行转换后，然后进行相位补偿，得到输出信号。归一化方向性函数表示为
Figure BDA0002560510460000111
其中，N为阵元个数，为雷达工作波长，d为阵元间距，θ为波束指向角。
θo为方位与天线法线夹角，如图4所示，当方向性函数满足波束指向角θ＝θo时，方向图函数F(θ)＝1，即方向图指向在角θ方向。
应注意的是，为保证接收信号不出现栅瓣，应该注意波束指向角的范围，
Figure BDA0002560510460000112
不出栅瓣的条件为：
Figure BDA0002560510460000113
当雷达的工作波长λ确定后，只要调整阵元间距d就可以满足上式，即可保证不出现栅瓣。般扫描角度都不会超过60°，通常取
Figure BDA0002560510460000114
将得到的信号在距离向上进行压缩，距离
Figure BDA0002560510460000115
为发射阵元(xp，0，0)至第n个散射中心的距离，
Figure BDA0002560510460000116
为接收阵元到目标的距离，因此对距离
Figure BDA0002560510460000117
的校正转化为对距离Rp和Rq的校正，由于这两部分传播距离是相互独立的，所以可以同时对这两部分距离分别进行校正由于发射阵列长度远远小于目标到阵列的距离，可以对
Figure BDA0002560510460000118
附近作泰勒级数展开，省略三次项以上的高次项，所得：
Figure BDA0002560510460000119
其中
Figure BDA00025605104600001110
由于远场条件下，目标成像区域的宽度远远小于多目标散射中心的位置宽度为
Figure BDA00025605104600001111
其中，式中
Figure BDA0002560510460000121
表示目标中心到阵列中心的距离，
Figure BDA0002560510460000122
表示斜视时目标散射中心参数造成的散射中心距离走动量，
Figure BDA0002560510460000123
表示为相应的距离弯曲量。对于确定的目标，各阵元接收脉冲压缩信号经距离校正后，包络延迟完全相同，均只由散射中心至阵列中心的距离决定。
通过接收信号反演目标的响应函数dpq(t，xn，yq)可以实现雷达成像，沿xp，xq，方向上对目标在x轴，y轴的最大横向尺寸进行压缩，目标的成像问题也可分解为两个一维成像问题，所以分别沿xp维和yq维对信号进行方位向压缩。根据发射阵元的位置找到相对应的空间谱域，利用驻相法对xp进行傅里叶变换，实现成像。
所述物位计中发射和接收阵列阵元数分别n＝2和p＝4，则在正交相位编码波形约束条件下，单次收发可获得8个空间观测通道，完成一个收发平面阵的功能。通过增加射频前端的灵敏度，能够使回波信号能量更大，有利于高分辨率成像，同时，在面积、功耗和尺寸上都有所节省，使物位计设计变得易于实施。在信号处理中过程中将信号进行分解，能够减小误差，使回波信号在信号处理过程中得到优化。综上，本申请物位计便于集成，功耗较小，适合便携式可移动场景使用。

Claims (4)

1.一种基于垂直线性阵列的三维雷达物位计设计方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：选择合适的阵元，尺寸分别为Lx，Ly；Lx，Ly为发射阵元与接收阵元的尺寸；
步骤二：选择合适的压控振荡器，使其能够将外部晶振产生的稳定频率倍频到对应的雷达载频，并将产生的调频连续波进行编码，经过放大的倍频信号作为发射信号；
步骤三：选择合适的一级噪声放大器、低通滤波器和功率放大器，一级噪声放大器将发射信号进行混频，产生差拍信号，低通滤波器将产生的差拍信号滤掉高频干扰，功率放大器将滤波信号进行放大；
步骤四：选择数模转换模块，使其能够满足采样需求；
步骤五：选择合适的数字相位补偿合成器，并根据
Figure FDA0003124248640000011
调整阵元间距，以保证回波信号在处理过程中不出现栅瓣；
步骤六：对回波信号进行二维距离向校正，根据阵列长度远小于目标到阵列的距离，且目标成像的宽度远远小于多目标散射中心的位置参数，在xp＝0处对信号进行处理，得到近似函数
Figure FDA0003124248640000012
Figure FDA0003124248640000013
其中，X0表示发射阵元(xp，0，0)到第n个散射中心的距离，xp表示发射阵元在水平方向与散射中心的距离，R0表示目标中心到阵列中心的距离，X0表示目标中心到阵列中心的水平距离，Y0表示目标中心到阵列中心的垂直距离，
Figure FDA0003124248640000014
表示接收阵列元(0，yq，0)到第n个散射中心的距离，yq表示接收阵元在垂直方向与散射中心的距离，Rn表示泰勒级数展开后，第n个散射中心与理想散射点雷达截面积δn的距离；
将基带信号在距离向进行傅里叶变换，并结合距离向校正函数得到接收信号的时域函数:
Figure FDA0003124248640000021
步骤七：通过接收信号反演目标的响应函数进行成像，在xp，yq维进行方位向压缩，在xp维方向上，发射阵元位置xp对应的空间谱域为kx，利用驻相法对xp∈[-Lx，Lx]进行傅里叶变换：
Figure FDA0003124248640000022
上式可得：
Figure FDA0003124248640000023
其中
Figure FDA0003124248640000024
表示载频对应的波数，kx∈Ωx＝[kcsinθmin，kcsinθmin]，
Figure FDA0003124248640000025
Figure FDA0003124248640000026
同理，对yq进行相同变换，即可实现成像。
2.如权利要求1所述的基于垂直线性阵列的三维雷达物位计设计方法，其特征在于：所述步骤五中不出现栅瓣的方法如下：
设在某一处坐标为(XP，0，0)处阵元发射波形记为s(t)，编码子脉冲宽度为T，而编码序列记为
Figure FDA0003124248640000027
各接收阵元接收处理单元均由滤波器组模块组成，设目标由位于(xn，yn，Hn，n＝1，2)的雷达截面积为σn的理想散射点组成，此时将接收阵元(0，yp，0，p＝1，2，3，4)的目标散射信号可表示为：
Figure FDA0003124248640000031
其中：
Figure FDA0003124248640000032
Figure FDA0003124248640000033
Figure FDA0003124248640000034
式中c为光速，
Figure FDA0003124248640000035
为第n个散射中心到发射阵元(xp，0，0)和接收阵元(0，yp，0)的距离和，距离
Figure FDA0003124248640000036
和
Figure FDA0003124248640000037
分别为发射阵元和接收阵元至目标上的第p个散射中心的距离，分别为
Figure FDA0003124248640000038
Figure FDA0003124248640000039
根据阵元发射信号在时区域内彼此正交，对于某一个接收阵元在对位于(0，Vp，0)处的第p个滤波器脉冲压缩输出的基带信号为：
Figure FDA00031242486400000310
式中rp(t)表示为第p个阵元发射波形的脉冲压缩输出波形；
为了更好的获得回波信号，利用阵列天线孔径，采用波达方向DOA回波信号进行处理，回波信号到达相邻阵元会有一个固定的波程差，由发射电磁波波长、阵元间距以及入射角共同决定相位变化，该相位差包含了波达方向信息，通过估计相位差可以得到对DOA的估计，获得目标的方向信息；
阵元间距为d，目标回波方向和天线法向夹角为θ，则相邻阵元波程差为dsinθ，对应相位差可表示为：
Figure FDA0003124248640000041
其中f0为载波频率，c为光速，根据相位差信息反算出对应的波束指向角θ；
通过接收阵元在期望方向形成有向性接收波束，并通过相位补偿器对某一方向的入射信号进行相位补偿，使其能够在某个方向上形成波束指向接收，实现波束指向目标，阵列天线能量接收最大，将变频的基带信号进行转换后，然后进行相位补偿，得到输出信号；归一化方向性函数表示为：
Figure FDA0003124248640000042
其中，N为阵元个数，λ为雷达工作波长，d为阵元间距，θ为波束指向角；
θo为方位与天线法线夹角，当方向性函数满足波束指向角θ＝θo时，方向图函数F(θ)＝1，即方向图指向在角θ方向；
为保证接收信号不出现栅瓣，应该注意波束指向角的范围，
Figure FDA0003124248640000043
不出栅瓣的条件为：
Figure FDA0003124248640000044
当雷达的工作波长λ确定后，只要调整阵元间距d就可以满足上式，即可保证不出现栅瓣。
3.如权利要求2所述的基于垂直线性阵列的三维雷达物位计设计方法，其特征在于：
将得到的信号在距离向上进行压缩，距离
Figure FDA0003124248640000045
为发射阵元(xp，0，0)至第n个散射中心的距离，
Figure FDA0003124248640000046
为接收阵元到目标的距离，因此对距离
Figure FDA0003124248640000047
的校正转化为对距离Rp和Rq的校正，由于这两部分传播距离是相互独立的，所以可以同时对这两部分距离分别进行校正，由于发射阵列长度远远小于目标到阵列的距离，可以对
Figure FDA0003124248640000051
附近作泰勒级数展开，省略三次项以上的高次项，所得：
Figure FDA0003124248640000052
其中
Figure FDA0003124248640000053
由于远场条件下，目标成像区域的宽度远远小于多目标散射中心的位置宽度为：
Figure FDA0003124248640000054
其中，式中
Figure FDA0003124248640000055
表示目标中心到阵列中心的距离，
Figure FDA0003124248640000056
表示斜视时目标散射中心参数造成的散射中心距离走动量，
Figure FDA0003124248640000057
表示为相应的距离弯曲量，对于确定的目标，各阵元接收脉冲压缩信号经距离校正后，包络延迟完全相同，均只由散射中心至阵列中心的距离决定。
4.如权利要求3所述的基于垂直线性阵列的三维雷达物位计设计方法，其特征在于包括如下步骤：
通过接收信号反演目标的响应函数dpq(t，xn，yq)实现雷达成像，沿xp，xq，方向上对目标在x轴，y轴的最大横向尺寸进行压缩，目标的成像问题可分解为两个一维成像问题，所以分别沼xp维和yq维对信号进行方位向压缩，根据发射阵元的位置找到相对应的空间谱域，利用驻相法对xp进行傅里叶变换，实现成像。
CN202010604582.XA 2020-06-29 2020-06-29 基于垂直线性阵列的三维雷达物位计及其设计方法 Active CN111649803B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010604582.XA CN111649803B (zh) 2020-06-29 2020-06-29 基于垂直线性阵列的三维雷达物位计及其设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010604582.XA CN111649803B (zh) 2020-06-29 2020-06-29 基于垂直线性阵列的三维雷达物位计及其设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111649803A CN111649803A (zh) 2020-09-11
CN111649803B true CN111649803B (zh) 2021-08-17

Family

ID=72347764

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010604582.XA Active CN111649803B (zh) 2020-06-29 2020-06-29 基于垂直线性阵列的三维雷达物位计及其设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111649803B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112485780A (zh) * 2020-11-05 2021-03-12 上海大学 一种具有相控阵天线的雷达测量物料三维物位传感器***
CN112924938B (zh) * 2021-01-28 2024-04-19 电子科技大学成都学院 一种12发16收毫米波4d成像雷达微带天线阵列
CN116481611B (zh) * 2023-05-16 2024-05-07 三峡高科信息技术有限责任公司 一种基于毫米波雷达技术的管网水位观测装置
CN117053894B (zh) * 2023-09-15 2024-04-19 济宁华瑞自动化技术有限公司 一种基于相控阵的3d雷达物位扫描仪

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8144051B2 (en) * 2008-09-05 2012-03-27 Raytheon Company Adaptive sidelobe blanking for motion compensation
CN102253386B (zh) * 2011-03-29 2013-04-17 西安电子科技大学 基于发射波束扫描的机载下视三维合成孔径雷达成像***
CN104166141B (zh) * 2014-08-11 2017-05-24 中国电子科技集团公司第三十八研究所 基于子带合成的多输入多输出合成孔径雷达***设计方法
CN105785327B (zh) * 2016-01-19 2018-05-15 西安电子科技大学 频率分集阵列合成孔径雷达高分辨宽测绘带成像方法
CN109283502B (zh) * 2018-11-28 2020-09-18 中国科学院国家空间科学中心 一种合成孔径雷达高度计回波模拟器及回波信号产生方法
CN110007303B (zh) * 2019-04-22 2022-07-22 桂林电子科技大学 频率分集阵列合成孔径三维成像雷达***及其成像方法
CN110645886B (zh) * 2019-09-30 2021-05-04 重庆大学 一种地基干涉虚拟孔径形变监测雷达***及工作方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111649803A (zh) 2020-09-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111649803B (zh) 基于垂直线性阵列的三维雷达物位计及其设计方法
CN110967671B (zh) 雷达装置、移动物体以及静止物体
CN103558594B (zh) 基于机载设备的相控阵波束合成方法
CN109581352B (zh) 一种基于毫米波雷达的超分辨测角***
CN103064080B (zh) 一种连续波目标引导雷达
Lukin et al. Ka-band bistatic ground-based noise waveform SAR for short-range applications
CN110988862B (zh) 一种基于极近距离毫米波雷达感知方法及***
CN113314832B (zh) 一种毫米波车载mimo雷达天线阵列装置及设计方法
CN110967692B (zh) 一种成像方法
CN108008346A (zh) 一种基于两单元时间调制阵列的雷达***
US20220326347A1 (en) Sparse antenna arrays for automotive radar
CN102721965B (zh) 用于合成孔径雷达成像处理的全向旁瓣抑制方法
Harter et al. 2-D antenna array geometries for MIMO radar imaging by Digital Beamforming
CN112630779B (zh) 一种软件化mimo三维成像雷达***
CN109597076B (zh) 用于地基合成孔径雷达的数据处理方法及装置
CN104777467A (zh) 基于频率扫描天线的目标检测方法
CN111090094B (zh) 脉冲多普勒雷达的双波束角度测量方法、***及存储介质
CN104993220A (zh) 旋转场式全向天线、低空近程雷达***及信号处理方法
CN109557536B (zh) 一种测角方法、测角装置及测角***
CN115436940A (zh) 一种稀疏滑动聚束sar成像模式实现方法及装置
JPH11183607A (ja) 合成開口レーダ装置
RU2692417C2 (ru) Аналого-цифровой приемный модуль активной фазированной антенной решетки
Harter et al. Realization of an innovative 3D imaging digital beamforming radar system
Cheng et al. Research on monopulse forward-looking high-resolution imaging algorithm based on adaptive iteration
RU194683U1 (ru) Устройство цифрового диаграммообразования с частотным сканированием

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant