專(zhuān)利名稱(chēng)：?jiǎn)瓮ǖ老嗫仃嚱邮招盘?hào)重構(gòu)及空間信號(hào)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單通道相控陣接收信號(hào)重構(gòu)及空間信號(hào)處理方法。
背景技術(shù)：
相控陣?yán)走_(dá)是一種先進(jìn)的電子系統(tǒng)，由于其卓越的性能，在雷達(dá)、通信、聲納、遙感遙測(cè)、射電天文、地震勘探和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了適應(yīng)國(guó)防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需要，不同用途的雷達(dá)正逐漸轉(zhuǎn)化并采用相控陣技術(shù)。多功能相控陣?yán)走_(dá)已成為當(dāng)今雷達(dá)發(fā)展的主流。
由于相控陣?yán)走_(dá)方位分辨的信息資源在天線(xiàn)口徑，因此，按傳統(tǒng)相控陣天線(xiàn)的設(shè)計(jì)思想，相控陣?yán)走_(dá)的空間角分辨率將受到Rayleigh準(zhǔn)則限制，要獲得分辨率很高的窄波束，勢(shì)必要使用多通道多單元的大型相控陣天線(xiàn)(如圖1所示)，但隨著天線(xiàn)陣元與接收機(jī)通道數(shù)量的增加，不僅制造成本和維護(hù)費(fèi)用激增，而且整個(gè)接收通道的校準(zhǔn)也非常復(fù)雜與困難，特別是在飛機(jī)、導(dǎo)彈、軍艦、衛(wèi)星、海島等雷達(dá)載體上，由于受到空間環(huán)境和電磁兼容的限制，使用大型天線(xiàn)陣來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨更是困難重重。
為了使雷達(dá)空間角分辨突破Rayleigh準(zhǔn)則的限制，以Shmidt[Ralph O.Schmidt，“Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation，”IEEE Transactions on Antenna andPropagation，1986，34(3)276-280.]為代表的許多學(xué)者提出了基于子空間分解理論的高分辨陣列測(cè)向技術(shù)。這類(lèi)算法不僅能提供信號(hào)參量的漸近無(wú)偏估計(jì)，使估計(jì)均方差接近Cramer-Rao下界[Petre Stoica and Arye Neborai，“MUSIC，Maximum Likelihood，andCramer-Rao Bound，”IEEE Transactions on Acoustics Speech，and Signal Processing，1989，37(5)720-741]，而且還具有對(duì)多個(gè)信號(hào)源同時(shí)進(jìn)行高精度、高分辨測(cè)向等優(yōu)點(diǎn)。這一類(lèi)特征結(jié)構(gòu)算法來(lái)說(shuō)，均是基于協(xié)方差矩陣的分解。得到陣列協(xié)方差矩陣的方法是一個(gè)陣元對(duì)應(yīng)接收機(jī)通道，在獲得每個(gè)陣元上感應(yīng)的信號(hào)后，就可得到陣列的協(xié)方差矩陣。但隨著陣元數(shù)的增加，接收機(jī)也要隨之增加，結(jié)果引起造價(jià)非常昂貴。又由于上述特征結(jié)構(gòu)算法對(duì)信號(hào)模型誤差都非常敏感，許多理想算法在實(shí)際應(yīng)用中因此而失效[See C M S.Method for ArrayCalibration in High-resolution Sensor Array Processing.IEE Proc.-F，1995，13(3)90-96]，而在多通道接收的情況下，要保證所有接收機(jī)的通道一致而不引入附加幅相是極其困難的。
為了減少接收通道校準(zhǔn)的困難，象目前許多相控陣?yán)走_(dá)一樣，可以采用單通道接收機(jī)接收信號(hào)，但這種雷達(dá)只能獲得天線(xiàn)所有陣元的合成信號(hào)，無(wú)法獲得并利用各陣元的幅相信息，功能十分有限。鑒于此，有人提出利用單通道接收機(jī)進(jìn)行空間譜估計(jì)測(cè)向的方案[趙益民，鞠得航，單通道接收機(jī)實(shí)現(xiàn)空間譜估計(jì)測(cè)向，通信學(xué)報(bào)，1997，18(2)7-1；葉中付，吳濤，基于相控陣單通道接收機(jī)高分辨DOA估計(jì)的跟蹤算法，電子科學(xué)學(xué)刊，2000，22(2)260-264；葉中付，吳濤，用單通道接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方向超分辨的一種方法，信號(hào)處理，2001，17(2)192-194]，該方法盡管能通過(guò)單通道利用權(quán)微擾算法獲得天線(xiàn)陣的協(xié)方差矩陣，從而實(shí)現(xiàn)空間超分辨，但仍然沒(méi)有獲得天線(xiàn)接收原始信號(hào)的幅相分布，因而不能為雷達(dá)系統(tǒng)提供更多可再利用的信息。特殊情況需要天線(xiàn)形成波束時(shí)(如利用高頻表面波超視距雷達(dá)提取海面風(fēng)浪信息等)，卻無(wú)法進(jìn)一步進(jìn)行低副瓣數(shù)字波束形成、天線(xiàn)自適應(yīng)抗干擾、波束方位和形狀改變等。也不能實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線(xiàn)的小型化，以滿(mǎn)足現(xiàn)代雷達(dá)隱身化、智能化、高機(jī)動(dòng)性、實(shí)時(shí)校準(zhǔn)和抗毀力強(qiáng)的要求。所有這些都極大地限制了它的推廣和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有多通道相控陣?yán)走_(dá)和單通道雷達(dá)的局限性，本發(fā)明的目的是提供一種單通道相控陣接收信號(hào)重構(gòu)及空間信號(hào)處理方法，利用單通道接收技術(shù)替代復(fù)雜地多通道接收技術(shù)，使單通道相控陣?yán)走_(dá)不僅能進(jìn)行靈活的波束形成，還能進(jìn)行空間超分辨。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種單通道相控陣接收信號(hào)重構(gòu)及空間信號(hào)處理方法，將天線(xiàn)陣列設(shè)置為均勻直線(xiàn)形式；在滿(mǎn)足采樣定律的前提下，確定同步控制器時(shí)序和單通道接收機(jī)的采樣頻率，然后利用同步時(shí)序控制技術(shù)分別給相控陣各天線(xiàn)單元賦予加權(quán)向量W，并將接收的信號(hào)進(jìn)行合成得到合成信號(hào)Y；將合成信號(hào)送入單通道接收機(jī)并進(jìn)行同步采樣；結(jié)合加權(quán)向量W和合成信號(hào)Y，利用X＝W-1·Y重構(gòu)出相控陣天線(xiàn)單元接收的時(shí)序信號(hào)X；將重構(gòu)的時(shí)序信號(hào)進(jìn)行數(shù)字波束形成或自適應(yīng)波束形成，或利用空間高分辨算法求出信號(hào)的到達(dá)角。
本發(fā)明可選定天線(xiàn)陣波束的密度和方向使相鄰兩波束合成信號(hào)的相關(guān)系數(shù)小于0.2；根據(jù)已選定的天線(xiàn)陣波束的密度和方向，確定單元天線(xiàn)的加權(quán)向量。
本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于其出色的實(shí)用性能(1)通過(guò)重構(gòu)天線(xiàn)陣單元的時(shí)序信號(hào)，達(dá)到了充分利用天線(xiàn)陣接收信息的目的；(2)利用軟件獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用重構(gòu)的單元天線(xiàn)的信息，不僅能夠進(jìn)行空間超分辨測(cè)向，還能夠進(jìn)行數(shù)字波束形成、波束形狀的改變和天線(xiàn)自適應(yīng)抗干擾；(3)由于本發(fā)明采用了單通道接收機(jī)接收，同時(shí)又能獲得天線(xiàn)單元的時(shí)序信號(hào)，信號(hào)分析信息量大，天線(xiàn)接收信號(hào)利用充分；與多同道接收機(jī)相比，可避免接收通道的校準(zhǔn)的壓力，大幅降低了雷達(dá)的研制成本和維護(hù)費(fèi)用。
本發(fā)明利用單通道接收技術(shù)替代復(fù)雜地多通道接收技術(shù)，使單通道相控陣?yán)走_(dá)不僅能進(jìn)行靈活的波束形成，還能進(jìn)行空間超分辨；打破了一般相控陣?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)的老程式，為相控陣?yán)走_(dá)降低成本、簡(jiǎn)單易建提供了新途徑將本發(fā)明應(yīng)用于工程實(shí)際，不僅研發(fā)和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用相對(duì)低廉，省去了接收通道的校準(zhǔn)，放寬了對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)誤差的要求，在軟件的靈活配合下，還具有目前傳統(tǒng)大型相控陣?yán)走_(dá)沒(méi)有的功能。本發(fā)明對(duì)在天線(xiàn)陣地和電磁兼容受限的場(chǎng)合使用相控陣，對(duì)航空、航天、空防、海防等國(guó)防建設(shè)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)，以及使相控陣?yán)走_(dá)小型化和降低成本，具有重要的理論價(jià)值和工程意義。大量的理論分析和計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)表明，本發(fā)明可以利用單通道接收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)相控陣?yán)走_(dá)的高分辨定位，滿(mǎn)足了本發(fā)明提出的單通道相控陣天線(xiàn)接收信號(hào)的重構(gòu)及空間超分辨技術(shù)。


圖1為本發(fā)明單通道相控陣天線(xiàn)接收信號(hào)重構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明信號(hào)重構(gòu)前后幅度；圖3為本發(fā)明信號(hào)重構(gòu)前后相位；圖4為本發(fā)明波束掃描范圍從15°-165°時(shí)的方向圖；圖5為本發(fā)明波束掃描范圍從30°-150°時(shí)的方向圖；圖6為本發(fā)明波束掃描范圍從45°-135°時(shí)的方向圖；圖7為本發(fā)明波束掃描范圍分別為30°-150°(實(shí)線(xiàn))和15°-165°(虛線(xiàn))信號(hào)重構(gòu)后得到的MUSIC譜圖；圖8為本發(fā)明波束掃描范圍分別為30°-150°(實(shí)線(xiàn))和45°-135°(虛線(xiàn))時(shí)信號(hào)重構(gòu)后得到的MUSIC譜圖；圖9為本發(fā)明根據(jù)信號(hào)重構(gòu)后得到的MUSIC譜圖(實(shí)線(xiàn))和原始信號(hào)的MUSIC譜圖(虛線(xiàn))；圖10為本發(fā)明根據(jù)信號(hào)重構(gòu)后進(jìn)行波束形成的結(jié)果(實(shí)線(xiàn))和根據(jù)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行波束形成的結(jié)果(虛線(xiàn))；圖11為本發(fā)明由反演后的數(shù)據(jù)進(jìn)行超分辨算法得到的MUSIC譜圖(信號(hào)來(lái)向?yàn)?0°，80°)；圖12為本發(fā)明由反演后的數(shù)據(jù)進(jìn)行超分辨算法得到的MUSIC譜圖(信號(hào)來(lái)向?yàn)?0°，70°)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作更加詳細(xì)的說(shuō)明。
本發(fā)明采用一種單通道相控陣天線(xiàn)接收信號(hào)的重構(gòu)及空間超分辨技術(shù)，將天線(xiàn)陣列設(shè)置為均勻直線(xiàn)形式；利用同步時(shí)序控制技術(shù)給相控陣天線(xiàn)單元合適的加權(quán)向量并進(jìn)行信號(hào)合成；將合成信號(hào)送入單通道接收機(jī)并進(jìn)行同步采樣；結(jié)合天線(xiàn)時(shí)序加權(quán)向量和合成信號(hào)，重構(gòu)出相控陣天線(xiàn)單元接收的時(shí)序信號(hào)；將重構(gòu)的信號(hào)進(jìn)行波束形成，或利用空間高分辨算法求出信號(hào)的到達(dá)角。
(一)單通道接收系統(tǒng)的構(gòu)建與天線(xiàn)幅相的重構(gòu)設(shè)有一個(gè)一維N元相控天線(xiàn)陣，每個(gè)陣元后接一個(gè)移相器(加權(quán)器)，其對(duì)系統(tǒng)的影響相當(dāng)于加入權(quán)矢量。陣列的總響應(yīng)有y(t)可以寫(xiě)成如下形式y(tǒng)(t)Σn-1Nwn(t)xn(t)=w(t)x(t)---(1)]]>其中w(t)＝[w1(t)，w2(t)，…wN(t)]表示陣列復(fù)權(quán)矢量，x(t)＝[x1(t)，x2(t)，…，xN(t)]T為陣列輸出矢量，[·]T表示轉(zhuǎn)置。由于是采用單通道接收，因此每次采樣只能獲得所有陣元加權(quán)求和后的結(jié)果，而直接利用這一結(jié)果是無(wú)法進(jìn)行陣列超分辨算法的。為了能夠從y(t)中恢復(fù)原始的時(shí)序信號(hào)x(t)以達(dá)到實(shí)現(xiàn)空間超分辨的目的，我們采用多次加權(quán)采樣，構(gòu)建方程組的方法來(lái)重構(gòu)。設(shè)雷達(dá)目標(biāo)是方位不變的無(wú)抖動(dòng)的目標(biāo)，且雷達(dá)的信號(hào)環(huán)境是平穩(wěn)的，遠(yuǎn)場(chǎng)情況下目標(biāo)回波信號(hào)的到達(dá)方向與天線(xiàn)陣的法線(xiàn)方向的夾角為θ，對(duì)整個(gè)相控天線(xiàn)陣作N次相位權(quán)值，其中第l次相位權(quán)值為 l＝1，2，…，N，θl控制著第l次加權(quán)時(shí)陣列所形成波束最大值的指向，并直接影響波束掃描范圍的大小和后續(xù)超分辨算法的角度分辨力。在N次相位權(quán)重狀態(tài)下，相控陣天線(xiàn)的輸出為 改寫(xiě)為矢量形式如下Y＝W·X(3)其中 l＝1，2，…，N根據(jù)(3)反演計(jì)算得到天線(xiàn)陣列單元天線(xiàn)接收的信號(hào)X＝W-1·Y (4)(4)式表明，經(jīng)過(guò)N次相位權(quán)重，我們可以利用接收到的信號(hào)Y和已知的相位權(quán)值矩陣W近似計(jì)算出各天線(xiàn)陣列單元接收的信號(hào)。設(shè)N次相位權(quán)重為一個(gè)循環(huán)，則每次循環(huán)結(jié)束時(shí)就可以計(jì)算得到天線(xiàn)陣列各單元接收信號(hào)的一個(gè)快拍。實(shí)際上在對(duì)相控陣進(jìn)行N次時(shí)序加權(quán)的過(guò)程中，天線(xiàn)陣列單元接收信號(hào)X也是在不斷變化的，因此這里根據(jù)(4)式得到的反演結(jié)果只是近似值而非精確值。根據(jù)采樣定律選擇接收機(jī)的循環(huán)加權(quán)向量和采樣頻率，可以使得到的近似結(jié)果能更接近于原始天線(xiàn)陣列單元接收的信號(hào)。
單通道相控陣接收系統(tǒng)的基本構(gòu)建框圖如圖1所示。
(二)單通道相控陣性能分析2.1天線(xiàn)陣列單元天線(xiàn)接收信號(hào)的重構(gòu)設(shè)8元均勻直線(xiàn)陣，天線(xiàn)間距為雷達(dá)工作波長(zhǎng)的一半，伴有高斯白噪聲，SNR＝30，采樣頻率滿(mǎn)足采樣定律，快拍點(diǎn)數(shù)n＝1024×8，波束掃描范圍從30°到150°，2個(gè)非相干信號(hào)入射到陣列，入射角分別為30°，50°。
數(shù)值仿真的結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。從圖中可以看出，通過(guò)重構(gòu)得到的天線(xiàn)時(shí)序信號(hào)與實(shí)際天線(xiàn)接收的信號(hào)相當(dāng)一致。
2.2相位權(quán)值矩陣的選擇對(duì)重構(gòu)信號(hào)的影響相位權(quán)值矩陣W表達(dá)式的形式主要與兩個(gè)因素有關(guān)，一個(gè)是天線(xiàn)陣列的形狀，另一個(gè)則是θ1的掃描范圍，這里就θ1的選擇對(duì)反演結(jié)果的影響進(jìn)行分析。
在天線(xiàn)陣列形狀一定時(shí)，為了獲得較好的反演結(jié)果和空間超分辨算法的角度分辨力，可以適當(dāng)調(diào)整θ1來(lái)改變波束掃描的范圍。仍以2.1中的8元均勻直線(xiàn)陣為例，在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，總共進(jìn)行了8次加權(quán)，第l次加權(quán)形成的波束方向圖的最大值出現(xiàn)在θ1方向上，θ1～θ8在指定的掃描范圍內(nèi)呈等間隔分布，掃描的范圍越大，波束越稀疏，反之，掃描的范圍越小，波束越密集。圖4、5、6對(duì)應(yīng)的波束掃描范圍分別為15°-165°，30°-150°，45°-135°時(shí)對(duì)應(yīng)的加權(quán)陣列響應(yīng)方向圖。圖7、8、9則是不同掃描范圍條件下根據(jù)重構(gòu)的天線(xiàn)信號(hào)進(jìn)行超分辨算法得到的MUSIC譜圖。
2.3基于波束形成和基于空間超分辨(MUSIC)算法的到達(dá)角估計(jì)效果比較基于空間譜估計(jì)信號(hào)到達(dá)角的方法主要有兩類(lèi)基于波束形成的方法和基于子空間的超分辨方法。仍以2.1中的天線(xiàn)陣為例，圖10給出的是信號(hào)來(lái)向分別為60°，80°時(shí)根據(jù)原始數(shù)據(jù)采用波束形成法判斷到達(dá)角的空間譜圖，圖11、12則是根據(jù)反演數(shù)據(jù)采用超分辨算法(MUSIC)判斷到達(dá)角的譜圖。從此仿真結(jié)果不難看出，本發(fā)明提出的單通道相控陣系統(tǒng)，不僅能夠精確重構(gòu)天線(xiàn)單元的信號(hào)，進(jìn)行波束形成，還能夠進(jìn)行空間超分辨。
2.4A/D變換對(duì)重構(gòu)信號(hào)的影響接收機(jī)輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D變換后成為數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，A/D變換會(huì)引入量化噪聲，不同位數(shù)的A/D變換引入的量化信噪比如下表所示

A/D變換引起的量化噪聲是在接收機(jī)輸出上迭加的加性噪聲，而且一般量化噪聲遠(yuǎn)小于接收機(jī)的內(nèi)部噪聲，量化信噪比應(yīng)與接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍相當(dāng)，當(dāng)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍為70dB時(shí)，A/D變換的位數(shù)取12位比較合適。
權(quán)利要求
1.一種單通道相控陣接收信號(hào)重構(gòu)及空間信號(hào)處理方法，其特征在于將天線(xiàn)陣列設(shè)置為均勻直線(xiàn)形式；在滿(mǎn)足采樣定律的前提下，確定同步控制器時(shí)序和單通道接收機(jī)的采樣頻率，然后利用同步時(shí)序控制技術(shù)分別給相控陣各天線(xiàn)單元賦予加權(quán)向量W，并將接收的信號(hào)進(jìn)行合成得到合成信號(hào)Y；將合成信號(hào)送入單通道接收機(jī)并進(jìn)行同步采樣；結(jié)合加權(quán)向量W和合成信號(hào)Y，利用X＝W-1·Y重構(gòu)出相控陣天線(xiàn)單元接收的時(shí)序信號(hào)X；將重構(gòu)的時(shí)序信號(hào)進(jìn)行數(shù)字波束形成或自適應(yīng)波束形成，或利用空間高分辨算法求出信號(hào)的到達(dá)角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于選定天線(xiàn)陣波束的密度和方向使相鄰兩波束合成信號(hào)的相關(guān)系數(shù)小于0.2；根據(jù)已選定的天線(xiàn)陣波束的密度和方向，確定單元天線(xiàn)的加權(quán)向量W。
全文摘要
一種單通道相控陣接收信號(hào)重構(gòu)及空間信號(hào)處理方法，將天線(xiàn)陣列設(shè)置為均勻直線(xiàn)形式；在滿(mǎn)足采樣定律的前提下，確定同步控制器時(shí)序和單通道接收機(jī)的采樣頻率，然后利用同步時(shí)序控制技術(shù)分別給相控陣各天線(xiàn)單元賦予加權(quán)向量W，并將接收的信號(hào)進(jìn)行合成得到合成信號(hào)Y；將合成信號(hào)送入單通道接收機(jī)并進(jìn)行同步采樣；結(jié)合加權(quán)向量W和合成信號(hào)Y，利用X＝W
文檔編號(hào)G01S13/00GK1752771SQ20051001963
公開(kāi)日2006年3月29日 申請(qǐng)日期2005年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月20日
發(fā)明者高火濤, 李戈陽(yáng), 李詠絮 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)