一种基于四维天线阵的多普勒测向装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于四维天线阵的多普勒测向装置，它包含收发共用的天线阵，每个阵元所连接的高速射频开关，复杂可编程逻辑器件，以及后端信号发生与处理器件。所述的四维天线阵在接收时发生相位中心运动，对不同方向的回波信号产生不同的多普勒频率，提取多普勒频率即可测定目标之方向，而且接收时天线导通单元的数目实时可变，在测向系统工作时，可以改变接收时导通单元的数目，进而调节测向范围与测向精度。本发明专利技术提供的基于四维天线阵的多普勒测向装置的优点是结构简单、使用灵活、适用于不同测向需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于天线工程
，涉及雷达探测与阵列信号处理，具体来说是一种基于周期性时间调制并采取两种时序协同工作的收发共用四维天线阵列，可灵活用于不同探测需求的雷达测向系统。
技术介绍
1963年，美国学者Kummer等人提出了时间调制天线阵的概念：通过对天线激励的周期性通断，可以在“时间”维控制天线的辐射孔径尺寸。时间调制天线阵列属于四维天线阵的一种。四维天线阵列采用射频开关按照预定的工作时序控制每个单元的工作状态，使天线阵的口径随时间变化，即具有时间调制特性，从而大大增加天线阵的设计自由度。四维天线阵在综合低/超低副瓣方向图与赋形波束方面很有优势，已经取得诸多成果。近年来，四维天线阵的工程应用研究日益受到重视。目前已有关于四维天线阵在同时多波束扫描、脉冲多普勒雷达、保密通信等应用的文献报道。作为一种设计灵活性很强的新型阵列天线，四维天线在雷达与通信领域具有非常大的应用空间与潜在优势。目前，关于四维天线阵在雷达测向中的应用还未见报道。无线电测向技术作为无线电监测、技术侦查和电子对抗的一项重要的技术手段，已得到业界越来越多的关注。根据测向原理的不同，测向体制可分为幅度法、相位法、多普勒法、时间差法和空间谱估计法等。其中最常用的是幅度法测向与相位法测向。幅度法依据无线电波的等速直线传播特性，利用天线的方向性引起的接收信号幅度变化来测定方向；相位法测向的物理基础是无线电波等速直线传播中在不同距离上产生相位差。幅度法测向原理简单、设备建设成本低，是使用最早、工程上使用最广的无线电测向技术，该技术又包括最大信号法、最小信号法、等信号法、信号比较法等。在公开号为CN105929361A的专利中，一种单天线最优化比幅无线电测向系统被提出。该系统采用一付已知方向特征的和定单向的定向天线接收无线电信号，并对接收到的无线电信号进行处理，通过最优化方法进行测向。虽然该系统对部件的一致性要求不高，但是由于使用定向辐射的单天线，在使用时天线需要机械旋转。相对于电扫描，机械扫描速度较慢，会影响测向速度；而且机械扫描的波束指向偏差较大，会影响到系统测向精度；此外这种技术本质上是比幅法测向，在干扰与噪声环境下，性能会急剧下降。在公开号为CN102478652A的专利中，一种基于移动平台的多普勒频差测向法被提出。该方法利用三个天线构造出两基线相互垂直的L形阵列，且其中一个基线平行于移动平台的纵轴，另一个基线垂直于移动平台的纵轴。利用两个和纵轴平行的天线阵列所接收到的多普勒频差，按方向余弦变化率得到入射波的正弦角；利用两个和纵轴垂直的天线阵列所接收到的多普勒频差，按方向余弦变化率得到入射波的余弦角。所得到的方向正切角仅与已知的多普勒频差和基线长度相关。本专利技术实现方法简单，适用于宽频带工作和多目标探测。但是该技术基于移动平台，应用范围有限；而且通过机械运动产生的多普勒频率差，其量级在100Hz以下，信号处理系统检测难度很大，实际上会影响测向精度。面对以上应用需求，本专利技术提出一种基于四维天线阵的多普勒测向装置，利用四维天线阵单向相位中心运动产生多普勒频率，且对不同方向的回波信号该频率数值不同，通过测定回波信号的多普勒频率分量，即可确定目标方向。与常规测向方法相比，本文所提方法的系统实现较为简单；而且测向范围与测向精度同时与接收天线任意时刻导通单元数有关，在应用时，可以根据情况实时改变导通单元个数，灵活地调整测向范围与测向精度。
技术实现思路
本专利技术鉴于上述背景而实现，目的在于利用四维天线阵相位中心运动产生的多普勒频率，提出一种基于四维天线阵的雷达测向装置。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案。考虑一个N单元等间距d排布的四维天线阵。脉冲信号带宽为B(脉冲时域宽度T＝1/B)，脉冲重复周期Tp(脉冲重复频率prf＝1/Tp)。天线发射时的工作时序记为天线接收时的工作时序记为高速射频开关的时间调制周期为Tm＝T。天线工作于接收时，任意时刻保持M个单元导通并且持续时间为τ，天线相位中心从左向右移动。则等效的相位中心运动的速度为Vp＝(N-M)B·d(2)相位中心的运动使得信号产生多普勒频移，偏离法线θ处多普勒频率为如果天线的中心工作频率为f0，四维天线天线阵发射的信号为假若待测目标位于θ0方向，与天线距离R，四维天线阵接收到的目标回波信号为观察式(3)、(5)可以发现，在采用单向相位中心运动时序的四维天线阵进行发射/接收时，信号的载波存在多普勒频移，载波频率由f0变为f0+fd而且此频移具有方向性。在阵列法线方向的辐射信号或来波信号多普勒频移为零，偏离法向角度越大，信号的多普勒频移越大。相位中心运动方向迎向观测点时，多普勒频移为正；背离观测点时，多普勒频移为负。因此，利用四维天线阵(单向相位运动中心调制时序)对不同方向目标回波信号的多普勒频移量，可测定目标的角度信息。从图3(d)可发现，当fd>prf/2时，谱线fd会超过prf-fd，无法正确提取多普勒频率，这时出现频闪。如果将相位检波器输出脉冲串的包络调制频率(即测向系统识别出的“多普勒频率”)记为Fd，当fd≤prf/2时，Fd＝fd；当fd>prf/2时，检测到的Fd并不等于实际的多普勒频率fd。图4刻画了Fd随fd的变化规律。频闪会导致测向模糊，测得的角度不是目标真实方位角。欲避免测向模糊，须满足fd≤prf/2(6)将式(6)代入式(3)，得式(7)推导出了该测向系统的测向范围，所能测定的目标最大偏角为超过这个角度的目标，不能准确测定方向信息。最大测角范围由单元间距(d/λ)、脉冲重复频率/信号带宽比(prf/B)、接收天线任意时刻断开单元数(Nr-M)决定。将式(3)两边同时微分，得式(8)推导出该测向系统的测向精度。可以发现，如同常规测向方法，基于四维天线阵的测向系统，其测向范围与测向精度依然是一对矛盾。提高测向精度，会导致测向模糊，严重限制了测角范围。区别于常规测向方法的是，基于四维天线阵的测向系统，其测向范围(或测向精度)同时与N-M相关。因此在雷达探测过程中，可以根据具体情况，适时动态地改变N-M，以满足测向范围与测向精度的要求。例如，在目标搜索初期，减小N-M，尽可能增大测向范围；发现目标后，此时目标已在主波束附近，可以调整时序使N-M变大，以提升测向精度。附图说明图1为包含8个单元的四维天线阵多普勒测向系统原理框图。图中从上到下依次是：(1)天线单元；(2)移相器；(3)射频开关；(4)复杂可编程逻辑器件(CPLD)控制板；(5)系列信号处理器件。图2为该测向系统四维天线阵的工作时序。其中，该时序在发射阶段保持天线相位中心固定；在接受阶段保持天线相位中心单向运动。图3为测向各个阶段的信号频谱。图3(a)为四维天线阵发射出的脉冲频谱；图3(b)为四维天线阵接收到的的脉冲频谱；图3(c)为振荡器发出的用于混频的相参电压频谱；图3(d)为相位检波器的输出频谱，即相参电压与接收信号的差频。图4为相位检波器输出脉冲串的包络调制频率Fd与实际的多普勒频率fd之间的关系图。图5为不同的N-M情况下Fd与θ之关系图，图中竖直彩线所夹范围即为相应的测向范围。具体实施方案图1给出了该基于四维天线阵的测向系统的一个具体实施例的原理框图。整个测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于四维天线阵的多普勒测向装置，它包括半波长间距排布的天线单元，每个阵元连接的高速射频开关，分别对各振子施以周期性的时间调制，功率放大器，脉冲调制器，连续振荡器，混频器，中频放大器，相位检波器，多普勒滤波器等，复杂可编程逻辑器件根据设定的时序控制高速射频开关的通断。

【技术特征摘要】
1.一种基于四维天线阵的多普勒测向装置，它包括半波长间距排布的天线单元，每个阵元连接的高速射频开关，分别对各振子施以周期性的时间调制，功率放大器，脉冲调制器，连续振荡器，混频器，中频放大器，相位检波器，多普勒滤波器等，复杂可编程逻辑器件根据设定的时序控制高速射频开关的通断。2.根据权利要求1所述的基于四维天线阵的多普勒测向装置，其特征还在于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨仕文，倪东，陈益凯，杨锋，肖仕伟，刘坤宁，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51