專利名稱：一種多波束快速探測(cè)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲納和雷達(dá)技術(shù)，更具體地說，本發(fā)明涉及用于主動(dòng)探 測(cè)中的一種多波束快速掃描探測(cè)方法及裝置。
背景技術(shù)：
在聲納和雷達(dá)領(lǐng)域，為獲得目標(biāo)的空間信息(方位角、俯仰角)， 常使所發(fā)射的主動(dòng)脈沖具有一定的空間指向性，即形成發(fā)射波束。每次 脈沖對(duì)特定區(qū)域(由波束寬度決定)進(jìn)行探測(cè)。為了覆蓋整個(gè)探測(cè)空間， 系統(tǒng)按照"預(yù)置波束一>發(fā)射脈沖一>接收回波一>指向下一波束"的流 程重復(fù)，進(jìn)行掃描。早期聲納或雷達(dá)通過換能器/天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械 掃描來實(shí)現(xiàn)這一目的，現(xiàn)代聲納和雷達(dá)一般采用換能器/天線陣列相控 的方法來形成發(fā)射波束，以電子方式進(jìn)行掃描。對(duì)于采用發(fā)射波束掃描 的系統(tǒng)來說，需要掃描遍歷所有波束后才得到探測(cè)空間的完整信息，對(duì) 目標(biāo)信息進(jìn)行一次更新。
本領(lǐng)域技術(shù)人知道，發(fā)射波束越窄，得到的目標(biāo)空間信息越精確， 同時(shí)也更有利于回波檢測(cè)，因?yàn)檎陌l(fā)射波束所引起的混響/雜波強(qiáng)度 更小。然而在現(xiàn)有的聲納/雷達(dá)探測(cè)中，在一個(gè)波束上發(fā)射脈沖信號(hào)后， 需要等待進(jìn)行回波接收，然后才能指向下一個(gè)波束發(fā)射脈沖信號(hào)，這是 因?yàn)?)現(xiàn)有的聲納/雷達(dá)系統(tǒng)在每個(gè)波束都發(fā)射相同的脈沖，如果前波束回波接收沒有結(jié)束就向其它波束發(fā)射脈沖，就不能判斷回波來自
哪個(gè)波束；2)對(duì)于脈沖探測(cè)系統(tǒng)來說，發(fā)射主動(dòng)脈沖期間接收機(jī)通常會(huì) 因?yàn)橹边_(dá)波耦合而飽和，不能正常工作，如果在回波接收過程中發(fā)射主 動(dòng)脈沖，會(huì)丟失可能的目標(biāo)回波。在每個(gè)波束上等待的時(shí)間由系統(tǒng)的最 大探測(cè)距離決定對(duì)于給定的探測(cè)距離d，在每個(gè)發(fā)射波束上都必須等 待^2^c的時(shí)間，其中c為聲波/電磁波的速度。因此，雖然采用更多 的波束、更窄的發(fā)射波束有利于提高探測(cè)性能，但卻意味著掃描整個(gè)探 測(cè)范圍所需的時(shí)間更長(zhǎng)。與此同時(shí)，人們總是希望系統(tǒng)能夠盡可能快地 更新信息，及時(shí)反映探測(cè)范圍內(nèi)的態(tài)勢(shì)。這樣，系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)的精度與 更新速度之間的需求就存在矛盾。由于聲速很低，對(duì)于主動(dòng)聲納探測(cè)來 講這一問題就更加突出，因此在聲納中多采用較寬的發(fā)射波束或者全向 發(fā)射，同時(shí)在接收端作全波束形成的方法來獲得方位信息。但是，采用 寬的發(fā)射波束或者全向發(fā)射不利于提高發(fā)射源級(jí)，并且會(huì)帶來較強(qiáng)的混 響干擾，使得檢測(cè)性能下降。
由于現(xiàn)有技術(shù)的不足，就需要一種快速掃描方法和掃描裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多波束快速掃描方 法及裝置，以提高采用發(fā)射波束掃描的主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)的信息更新速度。 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案
在一次主動(dòng)探測(cè)中向多個(gè)波束分別發(fā)射波形不同、互不相關(guān)(即波 形具有小的互相關(guān)函數(shù)值，例如利用同階的不同本原多項(xiàng)式m序列碼相同載波調(diào)相產(chǎn)生的波形)的脈沖，接收端根據(jù)波形的不同來區(qū)分回波 的方位，使得在一個(gè)脈沖周期內(nèi)可以覆蓋更大的探測(cè)區(qū)域，從而提高掃 描速度。具體步驟如下
(1 )根據(jù)在一個(gè)脈沖周期內(nèi)需要覆蓋的波束數(shù)目設(shè)計(jì)一組互不相 關(guān)的波形；
(2) 根據(jù)在當(dāng)前脈沖周期內(nèi)所要覆蓋的波束號(hào)對(duì)步驟(1)所生成
的發(fā)射波形分別作預(yù)波束形成，得到要加載到換能器/天線陣元上的信 號(hào)，將對(duì)應(yīng)同一陣元的不同波形的預(yù)波束信號(hào)相加后加載到該陣元上進(jìn)
行發(fā)射；
(3) 接收脈沖回波，以各發(fā)射脈沖為復(fù)本對(duì)回波進(jìn)行匹配處理， 得到各波束指向上的目標(biāo)信息；
(4) 重復(fù)步驟(2) —步驟(3)，在余下的波束中確定下一組波束 并進(jìn)行掃描，直到遍歷所有波束指向?yàn)橹埂?br> 在上述技術(shù)方案中，所述步驟(1)中是按照碼分或/和頻分的方法 生成波形不同、互不相關(guān)的脈沖。
在上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，所述步驟(2)中，同一組內(nèi)的不 同波束互相位于其它波束的最小響應(yīng)位置。
在上述技術(shù)方案中，在步驟(2)中發(fā)射預(yù)波束形成是通過相控方 法實(shí)現(xiàn)的。
為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出一種采用多波束快速掃描的主 動(dòng)探測(cè)裝置，包括以下結(jié)構(gòu)-
主動(dòng)探測(cè)發(fā)射端，包括一個(gè)波束選擇器、預(yù)波束形成器、信號(hào)相加器，由換能器/天線陣列以及與陣元數(shù)相對(duì)應(yīng)的功率放大器組成的相控
發(fā)射單元；
主動(dòng)探測(cè)接收端，包括接收換能器/天線陣列以及與陣元數(shù)相對(duì)應(yīng) 的前置放大器、波束形成器、回波信號(hào)檢測(cè)器及顯示單元；
雙工轉(zhuǎn)換器，用于完成換能器/天線陣列發(fā)射/接收狀態(tài)的隔離與轉(zhuǎn)
換；
波束掃描同步器，用于同步選擇發(fā)射端與接收端的掃描波束號(hào)。 本發(fā)明能夠達(dá)到如下技術(shù)效果-
(1) 能夠在一次發(fā)射中覆蓋多個(gè)波束，與傳統(tǒng)單波束掃描的方法 相比，縮短了掃描整個(gè)探測(cè)空間所用的時(shí)間；
(2) 與全向或?qū)挷ㄊl(fā)射的系統(tǒng)相比，采用本發(fā)明掃描方法的主 動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)可以采用更窄的發(fā)射波束，有利于降低混響/雜波的影響， 從而提高檢測(cè)性能。


圖1是本發(fā)明波束掃描方法與傳統(tǒng)單波束掃描方法的對(duì)比示意圖； 圖l.a所示為傳統(tǒng)的單波束掃描系統(tǒng)發(fā)射探測(cè)脈沖的工作流程；圖l.b
所示為采用本發(fā)明的多波束快速掃描系統(tǒng)的工作流程；
圖2是本發(fā)明同一次發(fā)射中不同脈沖的指向性示意圖3是采用本發(fā)明所述的多波束快速掃描方法的一個(gè)主動(dòng)探測(cè)裝
置的結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述 本發(fā)明的原理是在一次發(fā)射中發(fā)射分別覆蓋多個(gè)波束的不同脈沖， 各脈沖波形采用碼分或/和頻分方法設(shè)計(jì)，脈沖之間具有小的互相關(guān)性， 接收機(jī)可根據(jù)波形的不同來區(qū)分回波所屬波束(例如利用同階的不同本 原多項(xiàng)式m序列碼對(duì)相同載波調(diào)相產(chǎn)生的波形)，從而獲得方位信息。作為多波束快速掃描方法的實(shí)施例，具體步驟如下(1) 根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)的具體應(yīng)用需求確定系統(tǒng)覆蓋的探測(cè)范圍和方 位分辨精度，即整個(gè)掃描開角^、以及單個(gè)發(fā)射波束的寬度A^，則所需 要掃描的總波束數(shù)目為M^^"^(2) 確定每次發(fā)射中所能掃描的波束數(shù)目。由于在一次發(fā)射中覆 蓋多個(gè)波束，等于將發(fā)射系統(tǒng)的能量分配到多個(gè)波束，在總的發(fā)射功率 一定的情況下，波束越多，每個(gè)波束上的等效源級(jí)就越小。所以，需要 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)中所要求的每個(gè)發(fā)射波束上的等效發(fā)射源級(jí)，來確定 一組發(fā)射中所能覆蓋的波束數(shù)目。假設(shè)一次發(fā)射中所能掃描的波束數(shù)目 為W，則需要重復(fù)《-M/iV次掃描以覆蓋整個(gè)探測(cè)范圍；(3) 確定掃描方案，即每次掃描所要覆蓋的波束號(hào)。盡可能找到 一種分配方案，使得在一次發(fā)射中所掃描的波束相互位于最小響應(yīng)位置(避免出現(xiàn)在旁瓣上)，以減小不同波束之間的相互干擾；(4) 采用碼分或/和頻分方法設(shè)計(jì)iV個(gè)互不相關(guān)的脈沖波形；(5) 根據(jù)步驟(3)所確定的方案進(jìn)行一次掃描發(fā)射將步驟(4)所得到的發(fā)射波形對(duì)當(dāng)前所要覆蓋的波束分別作預(yù)波束形成，并將對(duì)同一陣元的不同波形的預(yù)波束信號(hào)相加后發(fā)射；(6) 接收脈沖回波，以各發(fā)射波形為復(fù)本分別對(duì)回波進(jìn)行匹配處 理，得到各波束指向上的目標(biāo)信息；(7) 重復(fù)步驟(5)、步驟(6),在余下的波束中確定下一組波束 并進(jìn)行掃描，重復(fù)K次以遍歷所有波束。圖1為本發(fā)明所提出的發(fā)射波束掃描方法與傳統(tǒng)單波束掃描方法的 對(duì)比示意圖。圖中r為主動(dòng)脈沖時(shí)間長(zhǎng)度，7>為一個(gè)脈沖探測(cè)周期(兩 次發(fā)射間隔，通常取r + 2d/c)。如圖l.a所示，傳統(tǒng)掃描方法每次發(fā)射 一個(gè)脈沖，對(duì)應(yīng)一個(gè)波束。新方法中每次發(fā)射多個(gè)波形不同的脈沖，分 別對(duì)應(yīng)不同的波束，如圖l.b所示。為了減小一次發(fā)射中不同脈沖之間 相互干擾，它們所對(duì)應(yīng)的波束號(hào)(方位角)并不連續(xù)，而是相互位于其 它脈沖所在波束的極小響應(yīng)位置上，如圖2所示。圖2是同一次發(fā)射中 不同脈沖的指向性圖，圖中脈沖Pt、 P2、 P3分別指向-14。 、 0° 、 +14 ° 。在-14° (脈沖P1主瓣峰)處，脈沖P2、 P3為極小響應(yīng)。相應(yīng)地， Ph &在0°處為極小響應(yīng)，P!、 P2在+14。處為極小響應(yīng)。同一次發(fā)射 中不同脈沖的指向都被選取為滿足這種相互位于"零點(diǎn)"的角度，從而 進(jìn)一歩減小了不同脈沖間的干擾。僅作為原理描述目的，假設(shè)整個(gè)探測(cè) 空間分為M-9個(gè)波束，則傳統(tǒng)單波束掃描需要9次發(fā)射才可以完成覆 蓋。假設(shè)采用新方法后一次發(fā)射波所覆蓋的波束數(shù)為iV-3，則只需3 次發(fā)射，覆蓋探測(cè)空間所需時(shí)間縮短為原來的1/3，信息更新速率提高3 倍。圖3是采用本發(fā)明所述的多波束快速掃描方法的主動(dòng)探測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)采用收/發(fā)共用的線陣列，由一個(gè)雙工轉(zhuǎn)換器完成發(fā)射和 接收信號(hào)的隔離。雙工器以下左側(cè)為發(fā)射端部分，由波形產(chǎn)生器、預(yù)波 束形成器、波形相加器及功率放大器組成。右側(cè)為接收端，由波束形成 器、相干檢測(cè)接收機(jī)以及回波后處理/顯示單元組成。波束選擇和掃描 控制器控制發(fā)射接收端的波束掃描操作。該系統(tǒng)可在一次發(fā)射中同時(shí)掃描3個(gè)波束。工作時(shí)，掃描控制器選擇一組波束，發(fā)射端的預(yù)波束形成 器據(jù)此分別對(duì)由主動(dòng)波形生成器產(chǎn)生3個(gè)脈沖波形作相控預(yù)波束形成， 接下來在波形相加器中，對(duì)應(yīng)同一陣元的波形被相加在一起，并且經(jīng)過 功率放大器送到相應(yīng)陣元發(fā)射。脈沖發(fā)射結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入回波接收狀 態(tài)，陣列輸出信號(hào)首先經(jīng)過前置放大器進(jìn)行調(diào)理放大，然后進(jìn)入波束形 成器，波束形成器根據(jù)掃描控制器提供的波束號(hào)作波束形成，接下來各 波束信號(hào)被送入相干檢測(cè)接收機(jī)進(jìn)行回波檢測(cè)。相干檢測(cè)接收機(jī)的是核 心是3個(gè)相關(guān)器，它們分別以發(fā)射脈沖為復(fù)本與對(duì)應(yīng)波束的信號(hào)做相關(guān)。 檢測(cè)接收機(jī)輸出經(jīng)過后處理后最終由顯示單元顯示。 一次脈沖周期結(jié)束 后，掃描控制器選擇下一組波束，系統(tǒng)對(duì)另外3個(gè)波束進(jìn)行掃描探測(cè)。 最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非 限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng) 中。
權(quán)利要求
1、一種多波束快速探測(cè)方法，該方法在一次主動(dòng)探測(cè)中向至少兩個(gè)波束分別發(fā)射波形不同、互不相關(guān)的脈沖，接收端根據(jù)波形的不同來區(qū)分回波的方位。
2、 按權(quán)利要求1所述的多波束快速探測(cè)方法，其主動(dòng)探測(cè)發(fā)射階 段包括如下步驟-(1) 根據(jù)在一個(gè)脈沖周期內(nèi)需要覆蓋的波束數(shù)目設(shè)計(jì)一組互不相 關(guān)的波形；(2) 將對(duì)應(yīng)同一陣元的不同波形的預(yù)波束信號(hào)相加，然后發(fā)射出去。
3、 按權(quán)利要求2所述的多波束快速探測(cè)方法，所述不同波形的預(yù) 波束信號(hào)是根據(jù)當(dāng)前脈沖周期內(nèi)所要覆蓋的波束號(hào)對(duì)步驟(1)所生成 的發(fā)射波形分別作預(yù)波束形成而得到的信號(hào)。
4、 按權(quán)利要求3所述的多波束快速探測(cè)方法，其主動(dòng)探測(cè)接收階 段包括如下步驟(3) 接收脈沖回波，以各發(fā)射脈沖為復(fù)本對(duì)回波進(jìn)行匹配處理， 得到各波束指向上的目標(biāo)信息。
5.(4) 不斷重復(fù)步驟(2) —步驟(3)，在余下的波束中確定下一組波束并進(jìn)行掃描，直到遍歷所有波束指向?yàn)橹埂?br> 6、 按權(quán)利要求2所述的多波束快速探測(cè)方法，其特征在于，所述步驟(1)中是按照碼分或/和頻分的方法生成波形不同、互不相關(guān)的脈 沖。
7、 按權(quán)利要求3所述的多波束快速探測(cè)方法，其特征在于，所述 步驟(2)中，同一組內(nèi)的不同波束互相位于其它波束的最小響應(yīng)位置。
8、 按權(quán)利要求3所述的多波束快速探測(cè)方法，其特征在于，在步 驟(2)中發(fā)射預(yù)波束形成是通過相控方法實(shí)現(xiàn)的。
9、 一種多波束快速探測(cè)裝置，包括以下結(jié)構(gòu) 主動(dòng)探測(cè)發(fā)射端，用于在一次主動(dòng)探測(cè)中向至少兩個(gè)波束分別發(fā)射波形不同、互不相關(guān)的脈沖；主動(dòng)探測(cè)接收端，用于對(duì)回波進(jìn)行匹配處理，得到各波束指向上的 目標(biāo)信息。
10、 按權(quán)利要求9所述的多波束快速探測(cè)裝置，所述主動(dòng)探測(cè)發(fā)射 端包括一個(gè)波束選擇器、預(yù)波束形成器、信號(hào)相加器，由換能器/天線 陣列以及與陣元數(shù)相對(duì)應(yīng)的功率放大器組成的相控發(fā)射單元；所述主動(dòng)探測(cè)接收端包括接收換能器/天線陣列以及與陣元數(shù)相對(duì) 應(yīng)的前置放大器、波束形成器、回波信號(hào)檢測(cè)器及顯示單元； 此外，所述多波束快速探測(cè)裝置還包括雙工轉(zhuǎn)換器，用于完成換能器/天線陣列發(fā)射/接收狀態(tài)的隔離與轉(zhuǎn)換；波束掃描同步器，用于同步選擇發(fā)射端與接收端的掃描波束號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多波束快速探測(cè)方法及裝置，其探測(cè)方法是在一次主動(dòng)探測(cè)中向至少兩個(gè)波束分別發(fā)射波形不同、互不相關(guān)的脈沖，接收端根據(jù)波形的不同來區(qū)分回波的方位。本發(fā)明的探測(cè)裝置包括主動(dòng)探測(cè)發(fā)射端，主動(dòng)探測(cè)接收端，雙工轉(zhuǎn)換器和波束掃描同步器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)能夠在一次發(fā)射中覆蓋多個(gè)波束，與傳統(tǒng)單波束掃描的方法相比，縮短了掃描整個(gè)探測(cè)空間所用的時(shí)間；(2)與全向或?qū)挷ㄊl(fā)射的系統(tǒng)相比，采用本發(fā)明掃描方法的主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)可以采用更窄的發(fā)射波束，有利于降低混響/雜波的影響，從而提高檢測(cè)性能。
文檔編號(hào)G01S7/523GK101329397SQ200710117638
公開日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2007年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月20日
發(fā)明者吳永清, 王永豐, 蔡惠智 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所