本發(fā)明屬于信號處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種相干頻率分集陣?yán)走_(dá)分段匹配濾波方法，可用于低距離旁瓣和低副瓣發(fā)射方向圖設(shè)計。

背景技術(shù)：

相控陣通過改變天線單元的相位實(shí)現(xiàn)波束掃描、自適應(yīng)波束置零、多波束等功能，是雷達(dá)發(fā)展的重要里程碑。然而相控陣天線的發(fā)射方向圖僅與空間角度有關(guān)，與距離無關(guān)，因此在相控陣體制下難以實(shí)現(xiàn)距離-角度二維匹配濾波。

針對這一問題，現(xiàn)有技術(shù)采用頻率分集陣列。頻率分集陣通過引入陣元間的頻率差異，獲得額外的距離維可控自由度，形成距離-角度依賴的發(fā)射方向圖，具有更加靈活的波束控制和信號處理能力。頻率分集陣可以分為正交頻率分集陣和相干頻率分集陣。

相干頻率分集陣，是指頻率分集陣的陣元發(fā)射相干信號。在相干頻率分集陣?yán)走_(dá)寬脈沖體制下，發(fā)射方向圖具有距離-時間-角度三維依賴特性，可以在接收端進(jìn)行距離-角度二維匹配濾波處理，同時實(shí)現(xiàn)等效發(fā)射波束形成。

在相干頻率分集陣?yán)走_(dá)體制下，接收端的匹配濾波函數(shù)實(shí)際上是由基帶信號和發(fā)射方向圖共同決定的。為了實(shí)現(xiàn)對空間任意點(diǎn)的匹配接收，需要對每個空間角度設(shè)計一個匹配濾波函數(shù)。然而對于給定角度，接收端的匹配濾波函數(shù)受到發(fā)射方向圖的調(diào)制，因此有效的匹配時間即發(fā)射方向圖為主瓣的時間僅僅是整個脈沖持續(xù)時間的一部分，匹配濾波函數(shù)的有效帶寬也僅為發(fā)射方向圖主瓣對應(yīng)的頻率帶寬，無法完成廣域覆蓋條件下的距離-角度二維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)匹配濾波。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有問題，提出了一種相干頻率分集陣?yán)走_(dá)分段匹配濾波方法，以約束匹配濾波函數(shù)對應(yīng)的時間寬度，實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋條件下的距離-角度二維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)匹配濾波。

本發(fā)明的技術(shù)思路是：根據(jù)相干頻率分集陣的發(fā)射脈沖時間能被等效地分配到空間不同方向上這一原理，將接收回波信號對應(yīng)的寬脈沖均勻劃分為多個窄的子脈 沖，在每個子脈沖內(nèi)分析發(fā)射方向圖的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)特性，并通過發(fā)射方向圖調(diào)制的距離-角度二維匹配濾波函數(shù)進(jìn)行回波信號的分段匹配接收處理。其實(shí)現(xiàn)步驟包括如下：

(1)獲得相干頻率分集陣列接收端回波信號：

(1a)獲取第n個天線接收由所有陣元發(fā)射的回波信號r_n(θ,t-τ)，其中n＝1,2,…,M，M為陣元個數(shù)，θ為天線掃描角度，為回波信號在窄帶發(fā)射條件下的時延，R為信號傳播距離，c為光速，t為信號傳播時間；

(1b)根據(jù)第n個天線接收的回波信號r_n(θ,t-τ)獲得接收端回波信號的矢量形式：

其中，符號[·]^T為轉(zhuǎn)置運(yùn)算，為脈沖函數(shù)，T_p為脈沖寬度，為基帶波形，j表示虛數(shù)，f₀為參考工作頻率，g_T(θ,t-τ)為對應(yīng)的發(fā)射方向圖，a(θ)為僅依賴于角度的接收導(dǎo)向矢量；

(2)獲得接收波束形成后的信號y(θ,R,t)：

(2a)構(gòu)建接收端普通波束權(quán)矢量w(θ₀)：

其中，d為各個陣元的間距，θ₀為波束指向，為參考波長；

(2b)根據(jù)接收端普通波束權(quán)矢量w(θ₀)和回波信號x(θ,R,t)，得到接收波束形成后的信號y(θ,R,t)：

其中，符號[·]^H為共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算，g_R(θ)為接收方向圖；

(3)構(gòu)建分段匹配濾波函數(shù)：

(3a)定義波束指向?yàn)棣?sub>0時的發(fā)射方向圖匹配函數(shù)

其中，Δf為相干頻率分集陣列的頻率增量；

(3b)根據(jù)發(fā)射方向圖匹配函數(shù)獲得波束主瓣照射時間段：

(3c)根據(jù)波束主瓣照射時間段，選擇匹配子脈沖時間寬度為：

(3d)根據(jù)子脈沖時間寬度T_s，獲得第k個匹配子脈沖的時間段t^{k}：

其中，k＝1,2,…,M，為第k個子脈沖的中心時刻，且

(3e)根據(jù)第k個子脈沖的中心時刻獲得第k個子脈沖對應(yīng)的角度-時間二維匹配濾波函數(shù)h^{k}(θ₀,t)：

其中，為第k個子脈沖對應(yīng)的基帶波形，為第k個子脈沖對應(yīng)的脈沖函數(shù)，為第k個子脈沖對應(yīng)的發(fā)射方向圖匹配函數(shù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

第一，本發(fā)明通過在陣列引入頻率步進(jìn)量，使得發(fā)射方向圖具有角度-時間-距離依賴性，因此，其回波信號的匹配濾波函數(shù)也是角度-時間的二維函數(shù)。

第二，本發(fā)明通過將回波信號對應(yīng)的脈沖時間切分為多個窄的子脈沖，在每個子脈沖內(nèi)利用發(fā)射方向圖調(diào)制的距離-角度二維匹配濾波函數(shù)進(jìn)行分段匹配接收處理，可以利用脈沖時間資源來換取空間的覆蓋。

仿真結(jié)果表明，通過約束匹配濾波函數(shù)對應(yīng)的時間寬度，可以實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋條件下的距離-角度二維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)匹配濾波，并且可以獲得低距離旁瓣和低副瓣的發(fā)射方向圖。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖；

圖2是本發(fā)明中的接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明中第k個子脈沖對應(yīng)的角度-時間二維模糊函數(shù)仿真圖；

圖4是本發(fā)明中的模糊函數(shù)的角度維一維切片圖；

圖5是本發(fā)明在的模糊函數(shù)的距離維一維切片圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例及效果作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

本發(fā)明的使用場景為相干頻率分集陣列：假設(shè)共有M個陣元，各個陣元的間距為d，第m個陣元的信號頻率為：

f_m＝f₀+(m-1)Δf,m＝1,2,…,M

其中，f₀為參考工作頻率，Δf為頻率分集陣列的頻率增量。

參照圖1，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1，獲得相干頻率分集陣列接收端回波信號。

(1a)獲得第n個陣元接收由第m個陣元所發(fā)射的信號s_m,n(t-τ)：

其中，n＝1,2,…,M，為脈沖函數(shù)，T_p為脈沖寬度， 為回波信號在窄帶發(fā)射條件下的時延，R為信號傳播距離，c為光速，t為信號傳播時間，為基帶波形，j表示虛數(shù)；

(1b)根據(jù)(1a)中的第n個陣元接收由第m個陣元所發(fā)射的信號s_m,n(t-τ)獲取第n個天線接收由所有陣元發(fā)射的回波信號r_n(θ,t-τ)：

其中，θ為天線掃描角度；

(1c)根據(jù)(1b)中的第n個天線接收的回波信號r_n(θ,t-τ)獲得接收端回波信號的矢量形式：

其中，符號[·]^T為轉(zhuǎn)置運(yùn)算，g_T(θ,t-τ)為對應(yīng)的發(fā)射方向圖，a(θ)為僅依賴于角度的接收導(dǎo)向矢量，其公式分別表示為：

(1d)構(gòu)建接收端普通波束權(quán)矢量：

其中，θ₀為波束指向；

(1e)根據(jù)(1c)中的回波信號x(θ,R,t)和接收端普通波束權(quán)矢量(1d)中的w(θ₀)，得到接收波束形成后的信號y(θ,R,t)：

其中，符號[·]^H為共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算，g_R(θ)為接收方向圖，其公式表示為：

步驟2，對波束指向?yàn)棣?sub>0時所需要的匹配函數(shù)的時間進(jìn)行設(shè)計。

(2a)定義波束指向?yàn)棣?sub>0時的發(fā)射方向圖匹配函數(shù)

(2b)根據(jù)(2a)中的發(fā)射方向圖匹配函數(shù)令 對t進(jìn)行求解，從而解得用t₁代表時間段起點(diǎn)，t₂代表時間段終點(diǎn)，因此獲得波束主瓣照射時間段[t₁,t₂]；

(2c)根據(jù)(2b)中的波束主瓣照射時間段[t₁,t₂]，得到匹配子脈沖的時間寬度為：

步驟3，構(gòu)建分段匹配濾波函數(shù)。

參照圖2，本步驟的具體實(shí)施如下：

(3a)將發(fā)射脈沖時間以(2c)中的T_s為間隔，均分為M個匹配子脈沖，得到第k個子脈沖的中心時刻：

其中，k＝1,2,…,M；

(3b)根據(jù)(3a)中的第k個子脈沖的中心時刻以及(2c)中的匹配子脈沖時間寬度T_s，獲得以為起點(diǎn)，為終點(diǎn)的第k個匹配子脈沖的時間段t^{k}：

其中，

(3c)將(1a)中脈沖函數(shù)基帶波形以及(1c)中的發(fā)射方向圖g_T(θ,t-τ)中的τ用代換，將(1a)中脈沖函數(shù)中的T_p用T_s代換，得到第k個子脈沖對應(yīng)的基帶波形第k個子脈沖對應(yīng)的脈沖函數(shù) 以及第k個子脈沖對應(yīng)的發(fā)射方向圖匹配函數(shù)

(3d)在第k個匹配子脈沖的時間段t^{k}內(nèi)，根據(jù)(3a)中的第k個子脈沖的中心時刻和(3c)中的以及獲得第k個子脈沖對應(yīng)的角度-時間二維匹配濾波函數(shù)：

下面通過仿真實(shí)驗(yàn)對本發(fā)明的效果做進(jìn)一步說明。

1.仿真參數(shù)：

假設(shè)接收角度為0度，即法線方向，其余仿真參數(shù)如表1：

表格1仿真參數(shù)

2.仿真內(nèi)容：

仿真1，在上述仿真參數(shù)下，采用本發(fā)明方法，對相干頻率分集陣第k個子脈沖對應(yīng)的角度-時間二維模糊函數(shù)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，本發(fā)明相干頻率分集陣分段匹配濾波的過程實(shí)際上既完成了傳統(tǒng)時域匹配濾波，又完成了空域的發(fā)射波束形成，因此，相干頻率分集陣分段匹配濾波是空時-時間的二維濾波。

仿真2，在上述仿真參數(shù)下，采用本發(fā)明方法，對角度-時間二維模糊函數(shù)的角度維一維切片圖進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，在角度維，由于僅采用主瓣照射對應(yīng)的子脈沖時間構(gòu)造匹配濾波函數(shù)，忽略的副瓣對應(yīng)的脈沖時間，等效的發(fā)射波束形成后的主副瓣比低于-19dB。

仿真3，在上述仿真參數(shù)下，采用本發(fā)明方法，對角度-時間二維模糊函數(shù)的距離維一維切片圖進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，在距離維，對于采用子脈沖對應(yīng)的模糊函數(shù)，由于匹配時間的損失，匹配函數(shù)主瓣略微較寬，并且第一旁瓣電平在-36dB左右。

上述仿真驗(yàn)證了本發(fā)明的正確性、有效性和可靠性。