数字Dechirp宽带相控阵雷达Keystone变换算法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于Keystone变换的数字Dechirp宽带相控阵雷达数字波束形成技术。本发明专利技术解决了宽带数字相控阵雷达宽角范围内同时形成多波束存在的运算量大、孔径渡越问题。首先对单个阵元宽带中频数字回波信号进行数字Dechirp混频、抽取，大大降低了信号带宽；然后采用阵元级Keystone变换，将所有阵元不同角度的回波搬移到0号阵元目标回波参考位置，巧妙地将宽带DBF运算量降低到窄带DBF的量级，同时保留了宽带DBF的距离高分辨性能。同传统的方法相比，运算量更低，便于工程实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达信号处理领域，具体涉及一种数字Dechirp宽带相控阵雷达Keystone变换算法，该算法能够补偿宽带数字相控阵雷达宽角扫描下的孔径渡越问题。
技术介绍
雷达目标回波波前到达相控阵天线阵两端的时间差称为孔径渡越时间，对应的距离称为孔径渡越距离，目标与天线法线偏角越大，孔径渡越时间/孔径渡越距离越长。若雷达采用宽带信号，孔径渡越距离会大于多个距离分辨单元，这时相控阵雷达如果采用传统的窄带数字波束形成技术，将会导致信噪比下降，波束副瓣抬高，指向精度变差，距离像分辨能力下降。针对宽带相控阵雷达存在的上述问题，目前解决方法分为以下四种方法：模拟延迟线法：模拟延迟线主要利用电磁波在微波传输线中传输所消耗的时间实现信号的延迟，延迟量往往被量化为中心频率信号周期的整数倍，存在的问题有：体积大、成本高、量化精度低、系统复杂度高、温度较敏感等，现在已经基本不用。数字延迟线法：是将宽带中频模拟信号AD采样后，通过数字下变频、数字延迟滤波器实现信号的延迟；数字延迟线具有灵活的延迟功能,能够直接和数字波束形成网络联合使用，形成灵活的数字波束，便于后续的数字信号处理，优点是体积小、受环境影响小、精度高，且能灵活改变延时量，其缺点是如果系统需要产生同时多波束时，对于每个波束指向，都需要产生与之相对应的延迟量，复杂度大大提高；模数混合的方法通常采用模拟调频本振技术，将宽带模拟信号变为窄带模拟信号，然后通过AD采样，在数字域进行距离延迟补偿处理，数字延迟补偿方法如上，缺点如上。Keystone方法：其步骤是首先对每个阵元接收到的宽带中频回波进行快时间维FFT，变换到频域，然后在阵元间进行Keystone变换，最后进行空域数字波束形成，其缺点是直接对中频宽带信号进行处理，运算量大，工程实现复杂。本专利技术首先对目标所处距离附近产生数字调频本振实现数字混频，然后对不同距离的目标回波包络进行对齐，即Dechirp处理，最后在阵元间进行Keystone变换，实现不同入射角的回波向参考距离包络对齐，将宽带数字波束形成转换为窄带数字波束形成方法，在同时多波束应用中大大降低了系统设计的复杂度，降低了波束副瓣电平，提高了系统的空间相参增益及提高了系统的角度分辨力及测角精度、距离分辨力及测距精度。
技术实现思路
要解决的技术问题为了解决宽带数字相控阵雷达宽角范围内同时形成多波束存在的运算量大、孔径渡越问题，本专利技术提出一种数字Dechirp宽带相控阵雷达Keystone变换算法。首先对单个阵元宽带中频数字回波信号进行数字Dechirp混频、抽取，大大降低了信号带宽；然后采用阵元级Keystone变换，将所有阵元不同角度的回波搬移到0号阵元目标回波参考位置，巧妙地将宽带DBF运算量降低到窄带DBF的量级，同时保留了宽带DBF的距离高分辨性能。技术方案一种数字Dechirp宽带相控阵雷达Keystone变换算法，其特征在于步骤如下：步骤1：将相控阵雷达第m个阵元单次PRT获得的中频数字回波与复中频数字线性调频本振信号进行混频得到其中τref为参考距离Rref对应的延迟，f0为中频中心频率，fc为射频中心频率，μ为调频斜率，R△_m为第m个阵元目标距离RT与参考距离Rref之差，Tp为线性调频脉冲宽度，t为快时间，c为光速，τT_m为第m个阵元接收到的目标回波延迟，Tref为数字本振时宽；步骤2：将sb_m(t,m)通过抗混叠FIR滤波器，每隔K-1个采样点抽取一个保留，所述的对sb_m(t,m)进行快时间维数字滤波抽取获得新的基带信号其中，n为快时间维，ts'为抽取后的采样率，B为线性调频信号调频带宽；步骤3：对sb(nts',m)进行阵元维Keystone内插,插值采用sinc函数得到其中，为虚拟阵元位置；步骤4：计算多波束其中，θi为期望信号入射角，i＝0,1,...,I-1，I为需要形成的波束数目；步骤5：对每个波束快时间维做FFT，完成脉压，根据需要选择不同的窗函数，获得目标的高分辨一维距离像shrrp_i(n)。步骤3中的插值也可以采用DFT+FFT或CZT算法。有益效果本专利技术提出的一种数字Dechirp宽带相控阵雷达Keystone变换算法，充分利用宽带线性调频信号以及宽带相控阵雷达回波特点，通过时域及空域处理实现孔径渡越补偿。通过数字Dechirp方法使得时域宽带信号变窄带信号，大大降低了信号带宽与基带采样率；通过Keystone变换，空域宽带DBF变为窄带DBF问题，在同时多波束的应用中能够大大降低运算量，便于工程应用。本算法通过对宽带回波信号进行数字Dechirp混频，然后通过抽取，大大降低了数据率，然后通过采用阵元级的Keystone变换方法，将所有阵元不同方向的回波搬移到了0号阵元目标回波参考位置，巧妙地将宽带数字波束形成变为窄带数字波束形成，有效提高了空间相参积累增益、角度/距离分辨力、角度/距离精度。附图说明图1是中频数字线性调频本振完成Dechirp处理及抽取，将快时间高采样率变为低采样率：(a)单阵元数字线性调频本振框图；(b)混频前回波频谱；(c)混频后回波频谱；(d)数字抽取后回波频谱；图2是阵元维内插处理，完成Keystone变换，将空间不同方向来波向第0个阵元对齐，实现孔径渡越补偿：(a)阵元维Keystone变换框图；(b)阵元维Keystone变换插值前后数据分布图；图3是数字多波束实现框图；图4是各波束完成脉冲压缩，最后获得阵元-距离平面；图5是本专利技术全部信号处理图具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：首先对每个阵元单次脉冲重复周期数字基带回波进行数字调频混频，获得差频回波；其次进行阵元维Keystone内插，实现对空域孔径渡越补偿；再次进行数字波束形成，产生期望指向的波束，最后对期望波束进行加权FFT，即脉冲压缩，获得波束距离平面。这里约定算法输入的信号为阵元通道经过AD采样后的数字基带信号。主要标号为：阵元维记为m，阵元数目为M；快时间维记为n，总的数目N；波束维为i，总的波束数目记为I。本专利技术的实现步骤如下：步骤1，中频线性调频本振数字混频，参照图1(a)，图1(b)，图1(c)。1a)参数设计：雷达工作信号基带波形表示为：t为快时间，调频斜率B为线性调频信号调频带宽，Tp为线性调频脉冲宽度，设计采样率为fs，其中fs<B，采样间隔为第m个阵元接收到的目标回波延迟为目标中频回波为m取值为0:M-1，M为阵元数目，fc为载频。产生中频数字线性调频本振信号作为参考，τref为参考距离Rref对应的延迟，参考距离的选择与阵元无关，Tref为数字本振时宽。参看图1(a)。将中频数字回波与复数字调频本振进行混频，混频结果为：其中R△_m为第m个阵元目标距离RT与参考距离Rref之差，Tp为线性调频脉冲宽度，要求Tref>Tp，通常情况下Tref≈Tp，第三项二次相位项可以忽略不计，这时参看图1(b)。信号带宽由原来的μTp减小为μ(Tref-Tp)，分析带宽大大降低，因此可以进行快时间维滤波抽取，参看图1(c)。1b)对sb_m(t,m)进行快时间维数字滤波抽取，参看图1(d)抽取率选择方法为：对sb_m(t,m)进行快时间维数字滤波抽取，获得新的基带信号sb(t本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数字Dechirp宽带相控阵雷达Keystone变换算法，其特征在于步骤如下：步骤1：将相控阵雷达第m个阵元单次PRT获得的中频数字回波与复中频数字线性调频本振信号进行混频得到其中τref为参考距离Rref对应的延迟，f0为中频中心频率，fc为射频中心频率，μ为调频斜率，R△_m为第m个阵元目标距离RT与参考距离Rref之差，Tp为线性调频脉冲宽度，t为快时间，c为光速，τT_m为第m个阵元接收到的目标回波延迟，Tref为数字本振时宽；步骤2：将sb_m(t,m)通过抗混叠FIR滤波器，每隔K‑1个采样点抽取一个保留，所述的对sb_m(t,m)进行快时间维数字滤波抽取获得新的基带信号其中，n为快时间维，ts'为抽取后的采样率，B为线性调频信号调频带宽；步骤3：对sb(nts',m)进行阵元维Keystone内插,插值采用sinc函数得到其中，为虚拟阵元位置；步骤4：计算多波束其中，θi为期望信号入射角，i＝0,1,...,I‑1，I为需要形成的波束数目；步骤5：对每个波束快时间维做FFT，完成脉压，根据需要选择不同的窗函数，获得目标的高分辨一维距离像shrrp_i(n)。

【技术特征摘要】
1.一种数字Dechirp宽带相控阵雷达Keystone变换算法，其特征在于步骤如下：步骤1：将相控阵雷达第m个阵元单次PRT获得的中频数字回波与复中频数字线性调频本振信号进行混频得到其中τref为参考距离Rref对应的延迟，f0为中频中心频率，fc为射频中心频率，μ为调频斜率，R△_m为第m个阵元目标距离RT与参考距离Rref之差，Tp为线性调频脉冲宽度，t为快时间，c为光速，τT_m为第m个阵元接收到的目标回波延迟，Tref为数字本振时宽；步骤2：将sb_m(t,m)通过抗混叠FIR滤波器，每隔K-1个采样点抽取一个保留，所述的对sb_m(t,m)进行快时间维...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗丁利，王亚军，蔡兴雨，王勇，杨磊，
申请(专利权)人：西安电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61