專利名稱：提高數(shù)字單脈沖系統(tǒng)跟蹤精度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提高數(shù)字單脈沖系統(tǒng)跟蹤精度的方法，具體涉及一種提高數(shù)字單脈沖系統(tǒng) 跟蹤精度的單元波束夾角調(diào)整法，屬于通訊技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
單脈沖技術(shù)是在圓錐掃描和波束轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種精密角跟蹤技術(shù)，它能同 時(shí)提供對角誤差敏感所需的所有波束，在單個(gè)脈沖上同時(shí)比較各波束的輸出，從而消除回 波幅度隨時(shí)間變化對測角和跟蹤的影響。傳統(tǒng)單脈沖技術(shù)一般分為比幅、比相和與差單脈 沖，其中，和差單脈沖由于對通道的平衡性要求比較寬松，因而得到了最廣泛的應(yīng)用。
傳統(tǒng)單脈沖雷達(dá)中，單元波束與和差波束的指向在天線設(shè)計(jì)定型之后就固定了，最多 通過加裝天線轉(zhuǎn)臺(tái)，以轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)天線波束轉(zhuǎn)動(dòng)，但天線的剛性部分不易改變，因而 即便單元波束與和差波束的指向可以隨轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，但各單元波束與和差波束之間的 相對關(guān)系卻無法改變。這類雷達(dá)一般在設(shè)計(jì)之初就有一定的精度指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)完成之后 再想人為提高跟蹤精度就非常困難。
數(shù)字單脈沖是近年發(fā)展起來的一種新技術(shù)，它在傳統(tǒng)單脈沖技術(shù)的原理上，利用陣列 天線和數(shù)字波束形成技術(shù)，通過對數(shù)字化的陣列信號進(jìn)行加權(quán)同時(shí)得到多個(gè)數(shù)字波束，并 在數(shù)字域求解單脈沖比，進(jìn)而求解目標(biāo)角度或角誤差。數(shù)字單脈沖跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，根據(jù)雷達(dá)為有源單脈沖雷達(dá)或無源單脈沖雷達(dá)，整個(gè)系統(tǒng)可分為發(fā)射與接收兩大部 分。
發(fā)射部分工作原理如下發(fā)射波束形成器根據(jù)輸入的發(fā)射子陣權(quán)系數(shù)調(diào)整準(zhǔn)備送往天 線陣的陣列信號；對調(diào)整后的發(fā)射陣列信號進(jìn)行上變頻，然后經(jīng)功率放大器放大，分別送 至每個(gè)需要使用的發(fā)射子陣陣元；所有發(fā)射子陣陣元將信號發(fā)射到空中，信號在空中疊加 后形成一個(gè)較胖的發(fā)射波束，照亮目標(biāo)。
接收部分工作原理如下首先，天線陣(陣元1到陣元N)接收空間信號，經(jīng)過低噪 聲放大器和本振混頻之后變換到中頻；中頻信號經(jīng)過中頻放大器之后，進(jìn)行數(shù)字下變頻， 成為基帶陣列信號；基帶信號送入數(shù)字信號處理器，首先進(jìn)行波達(dá)方向估計(jì)，計(jì)算目標(biāo)的 波達(dá)方向(Direction of Arrival, DOA)，并將該DOA作為單脈沖瞄準(zhǔn)線的初始指向，輸入 單脈沖和差波束形成器；在和差波束形成器中，根據(jù)DOA給出的瞄準(zhǔn)線初始指向，計(jì)算
相應(yīng)的陣列權(quán)系數(shù)，與相應(yīng)的陣列輸入信號相乘后疊加，得到差波束與和波束(二維跟蹤 系統(tǒng)中得到的是兩組差波束， 一組方位差， 一組俯仰差； 一維跟蹤一般情況下只得到方位 差波束)；和差波束再送入角誤差計(jì)算器得到相應(yīng)的角誤差；角誤差反饋回和差波束形成 器，調(diào)整單脈沖瞄準(zhǔn)線(同時(shí)也就調(diào)整了和差波束的指向)，使和波束瞄準(zhǔn)目標(biāo)方向。
在雷達(dá)設(shè)計(jì)上，對單脈沖雷達(dá)跟蹤精度影響較大的是天線波束的寬度，波束越窄，相 同條件下能夠達(dá)到的跟蹤精度就越高。而在環(huán)境因素上，接收信號的信噪比也對跟蹤精度 有非常重要的影響。實(shí)際應(yīng)用中，包括天氣因素、外來千擾等多種原因都可能導(dǎo)致雷達(dá)接 收信號的信噪比下降，此時(shí)，若不采取措施，則系統(tǒng)跟蹤精度必然會(huì)隨之下降。當(dāng)接收信 號信噪比嚴(yán)重惡化時(shí)，雷達(dá)的跟蹤會(huì)受到非常大的影響，甚至可能無法正常實(shí)現(xiàn)跟蹤。
傳統(tǒng)和差比幅單脈沖雷達(dá)一般通過合理設(shè)計(jì)天線饋源與反射面得到較窄的波束，以滿 足雷達(dá)設(shè)計(jì)對跟蹤精度的要求。對于由環(huán)境因素導(dǎo)致的接收信號信噪比下降，從而跟蹤精 度下降，沒有較有效的改善方法。新型數(shù)字單脈沖雷達(dá)采用陣列天線，利用數(shù)字波束形成 技術(shù)得到單脈沖波束，其波束寬度與陣列孔徑有關(guān)。因而此類單脈沖雷達(dá)一般是通過合理 設(shè)計(jì)陣列陣型與合理選擇陣列孔徑來滿足雷達(dá)設(shè)計(jì)對跟蹤精度的要求。由于數(shù)字單脈沖是 一種新技術(shù)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也只是近兩年才提出，因而除了在天線陣設(shè)計(jì)上想辦法外，未見 有關(guān)此類系統(tǒng)上改善精度的其他方法的研究與報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種通過動(dòng)態(tài)調(diào)整單元波束夾 角，在無需對現(xiàn)有數(shù)字單脈沖系統(tǒng)做任何硬件設(shè)計(jì)改動(dòng)的條件下，提高數(shù)字單脈沖系統(tǒng)跟 蹤精度的單元波束夾角調(diào)整法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的提高數(shù)字單脈沖系統(tǒng)跟蹤精度的方法，在一個(gè)數(shù)字單脈 沖系統(tǒng)中，當(dāng)由于各種原因?qū)е聛聿ㄐ盘栃旁氡认陆禃r(shí)，通過調(diào)整數(shù)字波束形成器中基帶 陣列信號的加權(quán)系數(shù)，改變數(shù)字單脈沖單元波束的指向，增大單元波束之間的夾角，將由 來波信號信噪比下降導(dǎo)致的跟蹤精度下降減少到最小，甚至保持跟蹤精度不變。
具體包括如下歩驟，參看圖4:
1、 天線陣接收到的信號經(jīng)采集成為基帶數(shù)字信號后，首先送入波達(dá)方向(DOA)估計(jì)器， 計(jì)算得到一個(gè)初始波達(dá)方向值《。
2、 以《作為單脈沖跟蹤的初始瞄準(zhǔn)線指向，并選取一個(gè)合適的單元波束夾角A々(--
般可選為單元波束半功率波束寬度的一半)，從而得到單脈沖數(shù)字單元波束的初始指向
《±AW2和單脈沖和波束的初始指向《。
3、 在數(shù)字波束形成器(DBF)中，根據(jù)天線陣的陣列流型計(jì)算形成數(shù)字單元波束所需的 加權(quán)矢量，對陣列信號進(jìn)行加權(quán)，得到數(shù)字單脈沖單元波束，再由單元波束相減得到差波 束。并根據(jù)天線陣陣列流型與和波束的指向^計(jì)算形成和波束所需的加權(quán)矢量，對陣列信
號進(jìn)行加權(quán)，得到數(shù)字單脈沖和波束。以等距線陣為例，單元波束與和差波束的形成見式 (1)、 (2)和式(3)、 (4)。
<formula>formula see original document page 5</formula>
(2)
<formula>formula see original document page 5</formula>(3)
<formula>formula see original document page 5</formula>
(4)
<formula>formula see original document page 5</formula>
4、 在單脈沖處理器中，計(jì)算差波束與和波束的比值(即單脈沖比MR)，并根據(jù)單脈 沖比曲線在瞄準(zhǔn)線附近近似線性的特性，求出測角結(jié)果《。
5. 單脈沖處理器輸出的測角結(jié)果《'接著反饋回?cái)?shù)字波束形成器，作為下一次單脈沖
數(shù)字波束形成的瞄準(zhǔn)線指向，從而保證數(shù)字單脈沖瞄準(zhǔn)線始終指向目標(biāo)方向。
6. 判斷輸入信號的信噪比SNRi是否惡化。當(dāng)SNRi不變時(shí)，保持單元波束夾角AP不
變，計(jì)算此時(shí)數(shù)字單元波束的指向《土A《/2。當(dāng)SNRi下降時(shí)，適當(dāng)增大單元波束夾角為
△ W，計(jì)算此時(shí)數(shù)字單元波束的指向《士A^/2。
7. 根據(jù)歩驟6禱到的單元波束指向與天線陣的陣列流型，計(jì)算形成新的數(shù)字單元波束 所需的加權(quán)矢量，對陣列信號進(jìn)行加權(quán)，得到新的數(shù)字單元波束，再由單元波束相減得到
新的差波束。并根據(jù)天線陣陣列流型與新的瞄準(zhǔn)線的指向《計(jì)算新的和波束所需的加權(quán)矢
量，對陣列信號進(jìn)行加權(quán)，得到指向《的新的和波束。
8. 回到步驟4。
相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下顯著效果
1、 無需在現(xiàn)有數(shù)字單脈沖系統(tǒng)上進(jìn)行任何硬件改動(dòng)，實(shí)現(xiàn)簡單。單元波束夾角A^與 兩個(gè)單元波束的指向角《和《以及單脈沖瞄準(zhǔn)線《之間的關(guān)系可表示為
"+，
2 (5)
《令f
2 (6) △/9H (7)
因而在瞄準(zhǔn)線一定時(shí)，要調(diào)整單元波束夾角A9，只需調(diào)整兩個(gè)單元波束的指向《和
《。由于數(shù)字單脈沖跟蹤系統(tǒng)采用數(shù)字波束形成技術(shù)形成單元波束，而數(shù)字波束形成技術(shù) 通過調(diào)整接收到的基帶陣列信號的加權(quán)系數(shù)來改變波束指向。因此，只需調(diào)整陣列信號的 加權(quán)系數(shù)即可改變單元波束夾角《和《，從而改變。
2、 成本低，可行性高。本方法中運(yùn)算量較大的是波達(dá)方向估計(jì)器和數(shù)字波束形成器， 而這兩個(gè)組件是數(shù)字單脈沖系統(tǒng)中必備的組件(見圖1)，因而采用本方法只需在數(shù)字信號 處理器中增加很少的運(yùn)算量，沒有硬件開銷。
3、 可隨來波信號信噪比的惡化自動(dòng)改善跟蹤精度，削弱甚至消除信噪比惡化對跟蹤 精度的影響。
4、 當(dāng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮不夠周到，得到的跟蹤精度與標(biāo)準(zhǔn)要求相差不遠(yuǎn)時(shí)，可以在 一定范圍內(nèi)提高精度，彌補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足。


圖1是現(xiàn)有數(shù)字單脈沖跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2是典型和差單脈沖比曲線
圖3是不同單元波束夾角下的和差單脈沖比曲線 圖4是本發(fā)明單元波束夾角調(diào)整法的流程圖
圖5 (a)、 (b)是不同單元波束夾角下輸入信號信噪比與跟蹤精度的關(guān)系圖
具體實(shí)施例方式
參見圖4， 一種提高數(shù)字單脈沖系統(tǒng)跟蹤精度的方法，在一個(gè)數(shù)字單脈沖系統(tǒng)中，當(dāng) 由于各種原因?qū)е聛聿ㄐ盘栃旁氡认陆禃r(shí)，通過調(diào)整數(shù)字波束形成器中基帶陣列信號的加 權(quán)系數(shù)，改變數(shù)字單脈沖單元波束的指向，增大單元波束之間的夾角，將由來波信號信噪 比下降導(dǎo)致的跟蹤精度下降減少到最小，甚至保持跟蹤精度不變。
具體包括如下步驟，參看圖4:
1、 天線陣接收到的信號經(jīng)采集成為基帶數(shù)字信號后，首先送入波達(dá)方向(DOA)估計(jì)器， 計(jì)算得到一個(gè)初始波達(dá)方向值《。
2、 以《作為單脈沖跟蹤的初始瞄準(zhǔn)線指向，并選取一個(gè)合適的單元波束夾角A^ ( —
般可選為單元波束半功率波束寬度的一半)，從而得到單脈沖數(shù)字單元波束的初始指向 《±和單脈沖和波束的初始指向《。
3、 在數(shù)字波束形成器(DBF)中，根據(jù)天線陣的陣列流型計(jì)算形成數(shù)字單元波束所需的 加權(quán)矢量，對陣列信號進(jìn)行加權(quán)，得到數(shù)字單脈沖單元波束，再由單元波束相減得到差波 束。并根據(jù)天線陣陣列流型與和波束的指向《計(jì)算形成和波束所需的加權(quán)矢量，對陣列信
號進(jìn)行加權(quán)，得到數(shù)字單脈沖和波束。以等距線陣為例，單元波束與和差波束的形成見式 (1)、 (2)和式(3)、 (4)。
<formula>formula see original document page 7</formula>
<formula>formula see original document page 8</formula>4. 在單脈沖處理器中，計(jì)算差波束與和波束的比值(即單脈沖比MR)，并根據(jù)單脈 沖比曲線在瞄準(zhǔn)線附近近似線性的特性，求出測角結(jié)果《* 。
5. 單脈沖處理器輸出的測角結(jié)果《'接著反饋回?cái)?shù)字波束形成器，作為下一次單脈沖
數(shù)字波束形成的瞄準(zhǔn)線指向，從而保證數(shù)字單脈沖瞄準(zhǔn)線始終指向目標(biāo)方向。
6. 判斷輸入信號的信噪比SNRi是否惡化。當(dāng)SNRi不變時(shí)，保持單元波束夾角A^不
變，計(jì)算此時(shí)數(shù)字單元波束的指向《'士A^/2。當(dāng)SNRi下降時(shí)，適當(dāng)增大單元波束夾角為
A^，計(jì)算此時(shí)數(shù)字單元波束的指向《土A《/2。
7. 根據(jù)歩驟6得到的單元波束指向與天線陣的陣列流型，計(jì)算形成新的數(shù)字單元波束 所需的加權(quán)欠量，對陣列信號進(jìn)行加權(quán)，得到新的數(shù)字單元波束，再由單元波束相減得到
新的差波束。并報(bào)據(jù)天線陣陣列流型與新的瞄準(zhǔn)線的指向《計(jì)算新的和波束所需的加權(quán)矢
量.對陣列信號進(jìn)行加權(quán)，得到指向《的新的和波束。
8. 返回到歩驟4。
以數(shù)字單脈沖雷達(dá)跟蹤空中飛行器的方位角變化為例。雷達(dá)天線陣采用陣元間距半波 長的8單元等距線陣(Unified Linear Array, ULA)，初始單元波束夾角選為單元波束寬度的
一卞，即0.125rad，設(shè)計(jì)指標(biāo)要求跟蹤精度達(dá)到2xl0"4 。
—當(dāng)天氣晴好時(shí)，設(shè)輸入信號信噪比為0dB，此時(shí)雷達(dá)的跟蹤精度為l.lx10—4。此時(shí)天氣變化，出現(xiàn)降雨，雷達(dá)接收信號的信噪比明顯下降，降至"0 dB。若不采用本發(fā)明提出
的方法，則雷達(dá)跟蹤精度下降至3.6x10—4，已經(jīng)達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。此時(shí)，采用本發(fā)
明的方法，將單元波束夾角增大至0.15，重新計(jì)算和差波束的加權(quán)系數(shù)，并在數(shù)字波束形 成器中形成新的和差波束，然后在單脈沖處理器中求出差波束與和波束的比值(單脈沖 比)，并根據(jù)單脈沖比曲線在瞄準(zhǔn)線附近的近線性特性，求出目標(biāo)角度。接著，用求得的 目標(biāo)角度作為下一次跟蹤的單脈沖瞄準(zhǔn)線指向，繼續(xù)跟蹤。圖5給出了該系統(tǒng)在不同單元 波束夾角下輸入信號信噪比與跟蹤精度的關(guān)系。由圖5(a)可以看出，此時(shí)跟蹤精度已經(jīng)提
高至2.5xl0"4?？紤]到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求跟蹤精度達(dá)到2xl(T4,可以將單元波束夾角進(jìn)一步增
大至0.19rad，并按同樣步驟進(jìn)行跟蹤。由圖5(b)可以看出，此時(shí)跟蹤精度可提高至l.lxl(T4，
不但達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，而且回到了天氣晴好時(shí)的跟蹤精度水平。
若天氣情況不發(fā)生變化，但跟蹤雷達(dá)遇到寬頻干擾，導(dǎo)致接收信號信噪比下降至-io
dB。此時(shí)，若不采用本發(fā)明提出的方法，則雷達(dá)跟蹤精度下降至3.6x10—4，己經(jīng)達(dá)不到設(shè)
計(jì)指標(biāo)的要求。而采用本方法后，通過將單元波束夾角增大至0. 19rad，同樣可保持跟蹤
精度在1.1 x 10—4 ，與沒有遭遇干擾時(shí)的跟蹤精度相當(dāng)。
權(quán)利要求
1、提高數(shù)字單脈沖系統(tǒng)跟蹤精度的方法，其特征在于在一個(gè)數(shù)字單脈沖系統(tǒng)中，當(dāng)由于各種原因?qū)е聛聿ㄐ盘栃旁氡认陆禃r(shí)，通過調(diào)整數(shù)字波束形成器中基帶陣列信號的加權(quán)系數(shù)，改變數(shù)字單脈沖單元波束的指向，增大單元波束之間的夾角，將由來波信號信噪比下降導(dǎo)致的跟蹤精度下降減少到最小，以保持跟蹤精度不變。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高數(shù)字單脈沖系統(tǒng)跟蹤精度的方法，其特征在于具體包括如下歩驟1) 天線陣接收到的信號經(jīng)采集成為基帶數(shù)字信號后，首先送入波達(dá)方向估計(jì)器，計(jì) 算得到一個(gè)初始波達(dá)方向值《；2) 以《作為單脈沖跟蹤的初始瞄準(zhǔn)線指向，并選取一個(gè)合適的單元波束夾角A^，從 而得到單脈沖數(shù)字單元波束的初始指向《±AP/2和單脈沖和波束的初始指向《；3) 在數(shù)字波束形成器中，根據(jù)天線陣的陣列流型計(jì)算形成數(shù)字單元波束所需的加權(quán) 矢量，對陣列信號進(jìn)行加權(quán)，得到數(shù)字單脈沖單元波束，再由單元波束相減得到差波束；并根據(jù)天線陣陣列流型與和波束的指向《計(jì)算形成和波束所需的加權(quán)矢量，對陣列信號進(jìn) 行加權(quán)，得到數(shù)字單脈沖和波束；4) 在單脈沖處理器中，計(jì)算差波束與和波束的比值，并根據(jù)單脈沖比曲線在瞄準(zhǔn)線附近近似線性的特性，求出測角結(jié)果《；5) 單脈沖處理器輸出的測角結(jié)果《'接著反饋回?cái)?shù)字波束形成器，作為下一次單脈沖數(shù)字波束形成的瞄準(zhǔn)線指向，從而保證數(shù)字單脈沖瞄準(zhǔn)線始終指向目標(biāo)方向；6) 判斷輸入信號的信噪比SNRi是否惡化當(dāng)SNRi不變時(shí)，保持單元波束夾角AP不變，計(jì)算此時(shí)數(shù)字單元波束的指向《土Ae/2;當(dāng)SNRi下降時(shí)，適當(dāng)增大單元波束夾角為 AS'，計(jì)算此時(shí)數(shù)字單元波束的指向《土A^/2;7) 根據(jù)步驟6)得到的單元波束指向與天線陣的陣列流型，計(jì)算形成新的數(shù)字單元波 束所需的加權(quán)矢量，對陣列信號進(jìn)行加權(quán)，得到新的數(shù)字單元波束，再由單元波束相減得到新的差波束；并根據(jù)天線陣陣列流型與新的瞄準(zhǔn)線的指向《'計(jì)算新的和波束所需的加權(quán)矢量，對陣列信號進(jìn)行加權(quán)，得到指向《的新的和波束； 返回步驟4)。
全文摘要
提高數(shù)字單脈沖系統(tǒng)跟蹤精度的方法，是在一個(gè)數(shù)字單脈沖系統(tǒng)中，當(dāng)來波信號信噪比下降時(shí)，通過調(diào)整數(shù)字波束形成器中基帶陣列信號的加權(quán)系數(shù)，改變數(shù)字單脈沖單元波束的指向，增大單元波束之間的夾角，將由來波信號信噪比下降導(dǎo)致的跟蹤精度下降減少到最小，以保持跟蹤精度不變。采用本發(fā)明方法無需在現(xiàn)有數(shù)字單脈沖系統(tǒng)上進(jìn)行任何硬件改動(dòng)，實(shí)現(xiàn)簡單；成本低，可行性高；只需在數(shù)字信號處理器中增加很少的運(yùn)算量，沒有硬件開銷；可隨來波信號信噪比的惡化自動(dòng)改善跟蹤精度，削弱甚至消除信噪比惡化對跟蹤精度的影響；當(dāng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮不夠周到，得到的跟蹤精度與標(biāo)準(zhǔn)要求相差不遠(yuǎn)時(shí)，可以在一定范圍內(nèi)提高精度，彌補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足。
文檔編號G01S7/285GK101109810SQ20071009260
公開日2008年1月23日 申請日期2007年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月24日
發(fā)明者曹海林, 鄧曉琴, 旻 陳, 陳世勇, 雷劍梅, 韓先花, 韓慶文 申請人:重慶大學(xué)