基于空时编码阵列的超宽带雷达单通道数字波束形成方法技术

本发明专利技术提出了一种基于空时编码阵列的超宽带雷达单通道数字波束形成方法，旨在降低DBF输出信号的距离维和角度维的旁瓣电平，并提高波束指向角度的精度和角度分辨率，实现步骤为：构建空时编码阵列；基于空时编码阵列获取数字基带信号；对数字基带信号进行脉冲压缩；对脉冲压缩得到的信号进行傅里叶变换；对频域信号进行Keystone变换；设置频域等效DBF算法参数；基于频域等效DBF算法获取超宽带雷达数字波束形成结果。本发明专利技术通过构建空时编码阵列，对阵列空域信号进行空间编码，有效地降低DBF输出信号的距离维和角度维的旁瓣电平，并且基于频域等效获取超宽带雷达数字波束形成结果，有效提高了波束指向角度的精度和角度分辨率。

Single channel digital beamforming method for UWB radar based on space-time coded array

【技术实现步骤摘要】
基于空时编码阵列的超宽带雷达单通道数字波束形成方法
本专利技术属于雷达信号处理
，涉及一种超宽带雷达单通道数字波束形成方法，具体涉及一种基于空时编码阵列的超宽带雷达单通道数字波束形成方法。
技术介绍
波束形成可分为模拟波束形成和数字波束形成DBF，DBF是利用阵列的孔径，使用数字处理方法对某一方向的入射信号，补偿由于阵列传感器在空间位置不同而引起的传播波程差导致的相位差，实现阵列信号的同相叠加，从而实现该方向的最大能量接收，相当于在某一方向上形成了一个“波束”，使雷达系统在恶劣的电磁干扰环境中有效地工作，衡量DBF性能的指标为所形成波束的波束指向精度、角度分辨率和DBF输出信号的距离维和角度维的旁瓣电平。DBF方法可分为基于多通道的形成方法和基于单通道的形成方法，基于多通道的形成方法要求相控阵阵列的每个阵元或子阵采用独立的射频接收通道，并通过对多个通道接收到的信号进行相位加权来形成波束。相对于基于多通道的形成方法，基于单通道的形成方法具有硬件成本低，且所形成波束的精度、分辨率和旁瓣电平不会受到各接收通道间存在的幅相误差的影响，例如J.D.Zhang,W.Wu等人于2011年在IEEEAntennasWirelessPropag.Lett.上发表的文章“singleRFchanneldigitalbeamformingmultibeamantennaarraybasedontimesequencephaseweighting”中，提出了一种基于时序相位权重TSPW技术的单通道DBF方法，该方法对阵列各阵元接收到的信号采用不同的扩频码进行调制，并通过单射频接收通道对调制后的信号进行接收，在接收端通过解扩来恢复阵列孔径上原有的期望信号，然后对所恢复的期望信号进行时域滤波来获取DBF的输出信号。然而，该方法要求模数转换器ADC的采样率远大于信号带宽，对于超宽带雷达而言，ADC的采样率无法满足要求，这将限制该方法在超宽带雷达上的应用。为了克服基于单通道的DBF方法仅适用于窄带雷达的缺陷，研发人员进行了一些技术改进，例如GalinaBabur,GlebManokhin等人于2017年在IEEETrans.Aerosp.Electron.sys上发表的文章“Low-CostDigitalBeamformingonReceiveinPhasedArrayRadar”中，提出一种基于循环时延编码阵列CTDCA的单通道DBF方法，该方法在阵列各阵元后引入具有不同时延的实时延迟TTD线，增加不同阵元接收信号间的延迟，同时引入空间编码来保持DBF输出信号的距离分辨率，将经过空间编码后的各阵元接收信号叠加到一起并馈送到单个射频接收通道，则在接收端可通过时域滤波来获取DBF的输出信号。该方法要求ADC的采样率略大于信号带宽即可，便于超宽带雷达的应用，但其存在的缺陷是引入空间编码的码元个数受阵列中阵元个数的限制，空间编码的码元个数越少，其DBF输出信号的距离维和角度维的旁瓣电平越高。此外，在接收端采用时域卷积的匹配滤波方法来获取DBF的输出信号，时域卷积的DBF要求ADC的采样率必须是匹配滤波函数采样率的整数倍，通常ADC的采样率是固定的，而超宽带雷达的单通道DBF匹配滤波函数的采样率会随着波束指向角的变化而变化，因此在波束指向角较大的情况下，采用该方法得到的波束方向图的形状失真，即波束方向图主瓣展宽，副瓣零点消失，角度分辨率下降。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于空时编码阵列的超宽带雷达单通道数字波束形成方法，旨在降低DBF输出信号的距离维和角度维的旁瓣电平，并提高波束指向角度的精度和角度分辨率。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案包括如下步骤：(1)构建空时编码阵列：构建空时编码阵列，包括周期性排布且排布周期为d＝λ/2的N个阵元a1,a2,…,an,…,aN、N条实时延迟TTD线TTD1,TTD2,…,TTDn,…,TTDn、N个移相器顺次连接的单射频接收通道和采样率为fs的模数转化设备ADC，N个阵元与单射频接收通道并行连接，第n条实时延迟TTD线TTDn和第n个移相器顺次加载在第n个阵元an与单射频接收通道的连接线上，并将a1作为参考阵元，其中λ表示带宽为B、中心频率为fc的超宽带雷达发射的电磁波信号sT(t)的波长，fc＞＞B，N≥4，t表示快时间；(2)基于空时编码阵列获取数字基带信号：(2a)空时编码阵列中的每个阵元an接收sT(t)经过目标反射后的反射电磁波信号Srn，得到所有阵元接收到的sT(t)的反射电磁波信号组成的反射电磁波信号集合Sr：Sr＝{Sr1,Sr2,…,Srn,…,SrN}其中Srn为通过随参数t,n,m,θ变化的函数srecv(t,n,m,θ)表示的反射电磁波信号，Srn＝srecv(t,n,m,θ)，θ表示Srn相对于空时编码阵列的入射角,Srn的相干处理间隔CPI内包含M个脉冲重复间隔PRI，m表示信号Srn的第m个PRI，m＝1、2、····、M，M≥1；(2b)以(n-1)τ为延迟时间，τ≥1B，并通过TTDn对阵元an所接收的反射电磁波信号Srn进行延迟，得到Sr的延迟信号集合Sτ：Sτ＝{Sτ1,Sτ2,…,Sτn,…,SτN}其中Sτn为通过随参数t,n,m,θ变化的函数srecv-τ(t,n,m,θ)表示的延迟信号，Sτn＝srecv-τ(t,n,m,θ)；(2c)通过移相器对延迟信号Sτn进行相位为ejφ(n,m)的移相，得到Sτ移相后的信号集合其中表示Sτn移相后的信号，φ(n,m)的值为0或π，φ(1,m)、φ(2,m)、…、φ(N,m)表示一组伪随机二相码，当M≥2时，M组伪随机二相码中任意两组之间不相关，j表示虚数单位；(2d)通过单射频接收通道对进行低通滤波，并对低通滤波后的信号进行混频，再对经过混频的信号进行下变频，得到模拟基带信号rLPF(t,θ,m)；(2e)通过ADC对rLPF(t,θ,m)进行模数转换，得到数字基带信号rADC(tAD,θ,m)，其中tAD＝iTs，i＝1、2、…、I，I＝Tr/Ts，Ts表示ADC的采样间隔，Ts＝1/fs，Tr表示信号sT(t)的脉冲重复周期；(3)对数字基带信号rADC(tAD,θ,m)进行脉冲压缩：对空时编码阵列所输出的数字基带信号rADC(tAD,θ,m)进行脉冲压缩，得到脉冲压缩后的信号rcpa(tAD,θ,m)：其中，σ1表示信号rcpa(tAD,θ,m)的复振幅，R(m)＝R0-(m-1)·v·Tr表示目标与空时编码阵列中参考阵元a1的距离随m变化，v表示目标的径向速度，R0表示目标与参考阵元a1的初始距离，c表示光速，sc(tAD)表示对超宽带雷达的基带信号sB(tAD)进行脉冲压缩得到的信号，*表示卷积操作，[·]T表示转置，表示哈达玛积，τ(θ)＝τ+dsinθ/c，δ(tAD)表示冲激函数；(4)对脉冲压缩得到的信号rc本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空时编码阵列的超宽带雷达单通道数字波束形成方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)构建空时编码阵列：/n构建空时编码阵列，包括周期性排布且排布周期为d＝λ/2的N个阵元a

【技术特征摘要】
1.一种基于空时编码阵列的超宽带雷达单通道数字波束形成方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)构建空时编码阵列：
构建空时编码阵列，包括周期性排布且排布周期为d＝λ/2的N个阵元a1,a2,…,an,…,aN、N条实时延迟TTD线TTD1,TTD2,…,TTDn,…,TTDn、N个移相器顺次连接的单射频接收通道和采样率为fs的模数转化设备ADC，N个阵元与单射频接收通道并行连接，第n条实时延迟TTD线TTDn和第n个移相器顺次加载在第n个阵元an与单射频接收通道的连接线上，并将a1作为参考阵元，其中λ表示带宽为B、中心频率为fc的超宽带雷达发射的电磁波信号sT(t)的波长，fc＞＞B，N≥4，t表示快时间；
(2)基于空时编码阵列获取数字基带信号：
(2a)空时编码阵列中的每个阵元an接收sT(t)经过目标反射后的反射电磁波信号Srn，得到所有阵元接收到的sT(t)的反射电磁波信号组成的反射电磁波信号集合Sr：
Sr＝{Sr1,Sr2,…,Srn,…,SrN}
其中Srn为通过随参数t,n,m,θ变化的函数srecv(t,n,m,θ)表示的反射电磁波信号，Srn＝srecv(t,n,m,θ)，θ表示Srn相对于空时编码阵列的入射角,Srn的相干处理间隔CPI内包含M个脉冲重复间隔PRI，m表示信号Srn的第m个PRI，m＝1、2、····、M，M≥1；
(2b)以(n-1)τ为延迟时间，τ≥1/B，并通过TTDn对阵元an所接收的反射电磁波信号Srn进行延迟，得到Sr的延迟信号集合Sτ：
Sτ＝{Sτ1,Sτ2,…,Sτn,…,SτN}
其中Sτn为通过随参数t,n,m,θ变化的函数srecv-τ(t,n,m,θ)表示的延迟信号，Sτn＝srecv-τ(t,n,m,θ)；
(2c)通过移相器对延迟信号Sτn进行相位为ejφ(n,m)的移相，得到Sτ移相后的信号集合



其中表示Sτn移相后的信号，φ(n,m)的值为0或π，φ(1,m)、φ(2,m)、…、φ(N,m)表示一组伪随机二相码，当M≥2时，M组伪随机二相码中任意两组之间不相关，j表示虚数单位；
(2d)通过单射频接收通道对进行低通滤波，并对低通滤波后的信号进行混频，再对经过混频的信号进行下变频，得到模拟基带信号rLPF(t,θ,m)；
(2e)通过ADC对rLPF(t,θ,m)进行模数转换，得到数字基带信号rADC(tAD,θ,m)，其中tAD＝iTs，i＝1、2、…、I，I＝Tr/Ts，Ts表示ADC的采样间隔，Ts＝1/fs，Tr表示信号sT(t)的脉冲重复周期；
(3)对数字基带信号rADC(tAD,θ,m)进行脉冲压缩：
对空时编码阵列所输出的数字基带信号rADC(tAD,θ,m)进行脉冲压缩，得到脉冲压缩后的信号rcpa(tAD,θ,m)：



其中，σ1表示信号rcpa(tAD,θ,m)的复振幅，R(m)＝R0-(m-1)·v·Tr表示目标与空时编码阵列中参考阵元a1的距离随m变化，v表示目标的径向速度，R0表示目标与参考阵元a1的初始距离，c表示光速，sc(tAD)表示对超宽带雷达的基带信号sB(tAD)进行脉冲压缩得到的信号，*表示卷积操作，sstpa(tAD,θ,m)＝[Φm⊙a(τ(θ))]Tδp(τ(θ),Φm)，Φm＝[eφ(1,m),eφ(2,m),…,eφ(N,m)]T，[·]T表示转置，⊙表示哈达玛积，τ(θ)＝τ+dsinθ/c，δ(tAD)表示冲激函数；
(4)对脉冲压缩得到的信号rcpa(tAD,θ,m)进行傅...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘楠，郭凯斯，张林让，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61