宽带平面阵列多波束形成方法及比幅测角方法与流程

1.本发明属于被动雷达无源探测技术领域，尤其涉及宽带平面阵列多波束形成方法及比幅测角方法。


背景技术：

2.被动雷达自身不发射电磁信号，而是通过截获目标辐射源的雷达信号，实现对目标的探测和发现。因为不需要主动发射能量，被动雷达具有隐蔽性高、安全性能好等优势。
3.为了在宽带、宽空域实现对辐射源的高灵敏度截获和高精度测向，基于数字多波束形成和交叉比幅测角技术的宽带数字阵列系统，在被动雷达领域应用广泛。
4.宽带平面阵列实现高精度二维测向，往往借鉴一维测向系统的处理思路，将方位比幅测角和俯仰比幅测角分别处理。中国专利公开号cn114236465a公开的一种搜索式二维高精度比幅测向方法及装置，分别用单独的方位测向天线阵列和俯仰测向天线阵列，各自根据不同频率点测向波束功率差值和入射角度的关系(即比幅曲线)，计算出对应的一维角度，不同频率点和不同指向波束间的比幅曲线存在差异。中国专利公开号cn113866709a公开的一种相控阵交叉多波束比幅测向方法，该方案在搜索空域范围的方位方向上采用数字波束合成即dbf构建同时多波束，在俯仰方向上通过划分左右半阵，利用模拟波束合成即abf构建双波束，分别计算方位及俯仰相邻波束间的幅度差值表，同时通过设计恒定束宽波束形成器，使得基阵对不同频率的输入信号具有相同的波束图，从而简化比幅曲线的设计。
5.设计单独的方位测向天线阵列和俯仰天线阵列，由于各自波束形成处理没有使用全部阵元数据，影响了系统信号增益。由于宽带平面阵列的波束形成响应，是与频率、方位和俯仰等相关的函数，因此波束形成系数和比幅曲线的设计需要涵盖对不同频率和不同波束指向(方位和俯仰)的处理。专利cn114236465a需要计算和存储不同频率和不同指向波束间的比幅关系参数，数据量较大，而专利cn113866709a需要为阵元设计一组随频率变化的幅度加权系数，使得不同频率的波束主瓣宽度相同，因此波束形成系数设计较为复杂，同时不同的阵元幅度加权系数也会导致不同波束的检测性能出现差异。
6.综上所述，现有的波束形成和二维比幅测向方法，存在阵元数据利用不充分、波束形成系数或者比幅曲线设计复杂、不同波束检测性能不一致等问题，不能完全适应宽频带、多波束宽空域覆盖的高精度二维比幅测向需求。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了宽带平面阵列多波束形成方法及比幅测角方法,能够同时进行方位和俯仰二维测角的宽带平面阵列波束形成和二维比幅测角。
8.本发明目的通过下述技术方案来实现：
9.一种宽带平面阵列多波束形成方法，包括以下步骤：
10.在空间直角坐标系中，确定各阵元的位置坐标，建立归一化空域频率模型，通过二
维空域dft的均匀化频率采样分析，设计波束形成系数；
11.将宽带平面阵列各阵元的数字化采集信号变换为多个窄带的幅相信号，基于所述波束形成系数完成多波束形成处理，针对多波束形成的幅度数据，进行空域和频域率联合检测，输出检测信号的相关信息，所述检测信号为幅度超过预设阈值的空频域峰值信号，所述相关信息包括频率、波束号、所在波束以及相邻波束的幅度信息。
12.进一步的，所述归一化空域频率模型表达式包括：
[0013][0014][0015]
其中，ω为方位维的空域频率，τ为俯仰维的空域频率，为入射信号的俯仰角，θ为入射信号的方位角，λ为入射信号波长，d取值为不小于最高工作频率的半波长。
[0016]
进一步的，所述波束的形成过程通过二维空域dft的均匀化频域采样来描述：
[0017][0018]
其中，(d
nx
,d
ny
)为阵元n的位置坐标，x(n)为阵元n在某个窄带频率上的复信号，ωm为空域dft的均匀化方位维空域频率采样点，τ
l
为空域dft的均匀化俯仰维空域频率采样点，an为阵元数据的幅度加权系数，y(ωm,τ
l
)为波束形成结果。
[0019]
进一步的，所述二维空域dft均匀化频域采样的密度决定波束叠加的密度；各阵元数据的幅度加权系数决定波束的阵列增益、主瓣宽度和主副瓣比，各波束使用相同的幅度加权系数，能够获得一致的波束指标参数；各阵元的相位加权系数通过补偿波束指向对于各阵元的相位差来计算获得。
[0020]
进一步的，所述方法通过空域维和频率维的联合检测处理进行信号检测，并输出相关信息，包括检出信号的频率、波束号、所在波束以及相邻波束的幅度信息。
[0021]
另一方面，本发明还提供了一种比幅测角方法，所述方法用于解算前述任一种方法生成的检测信号的二维角度，包括以下步骤：
[0022]
基于二维空域dft均匀化频率采样生成的多波束，计算归一化空域频率与相邻波束幅度比值之间的关系，建立幅度比值表；
[0023]
利用所述幅度比值表和检测信号的相关信息，对所述检测信号的归一化空域频率进行估计处理；
[0024]
根据系统频率变换关系确定所述信号对应的射频频率值，再由归一化空域频率估计值按照所述归一化空域频率模型，解算出所述信号的二维入射角度。
[0025]
进一步的，所述方法只存储一个空域频率采样间隔之间的幅度比值表数据。
[0026]
进一步的，归一化空域频率估计的过程包括：
[0027]
根据所述幅度比值表和所述检测信号的相关信息确定归一化空域频率偏移值，并由所述检测信号的所在波束换算出其对应的归一化空域频率，进而得到辐射源信号的归一
化空域频率估计。
[0028]
进一步的，所述方法还包括采用优化估计模型获取最优空域频率偏移值，优化估计模型为：
[0029][0030]
其中，c1、c2、c3为波束(ω
p+1
,τq)、(ω
p
,τ
q+1
)、(ω
p+1
,τ
q+1
)相对于波束(ω
p
,τq)的幅度比值，(δω,δτ)表示空域频率偏移值，(ω
p
,τq)表示归一化空域频率，y(ω
p
,τq)表示波束形成结果，归一化空域频率估计为：
[0031][0032][0033]
进一步的，解算信号的二维入射角度过程包括：
[0034]
根据所述检测信号的中频频率，换算为射频频率值，再由估计出的归一化空域频率值和所述归一化空域频率模型，反算出信号的二维入射角度。
[0035]
本发明的有益效果在于：
[0036]
(1)本发明平面阵列的所有阵元均参与数字波束形成计算，提高了阵列增益。
[0037]
(2)本发明的波束形成方法，为各波束设计统一的各阵元幅度加权系数，对不同频率和指向的波束具有相同的阵列增益和主副瓣比，所有相邻波束交叠处增益也相同，使得系统对各种入射角度和频率的辐射源信号，具有相对一致的检测性能。
[0038]
(3)本发明对不同频率和指向的波束形成处理，使用相同的阵元幅度加权系数，而相位加权系数根据波束指向计算需要补偿的相位差很容易计算得到，简化了波束形成系数设计。
[0039]
(4)本发明不同于传统直接比幅测角的方法，本发明建立的幅度比值表，用于对入射信号归一化空域频率的估计，通过对二维空域dft均匀频率采样，波束幅度响应相对于方位维空域频率和俯仰维空域频率呈现周期性，且与信号频率无关，只需要存储一个完整周期的比幅曲线，即可完成对各种入射角度和频率信号的二维测角，大大简化了比幅曲线的设计和存储。
[0040]
(5)本发明设计的波束形成系数和比幅曲线，没有误差较大的插值近似处理，能够较好的保证测角精度。
附图说明
[0041]
图1是本发明实施例1提供的宽带平面阵列多波束形成具体处理流程示意图；
[0042]
图2是本发明实施例2提供的宽带平面阵列多波束比幅测角具体处理流程示意图；
[0043]
图3是本发明实施例3的总体流程框图；
[0044]
图4是本发明实施例3的具体处理流程示意图；
[0045]
图5是本发明实施例3的非均匀间距宽带平面阵列的阵元位置分布图；
[0046]
图6是本发明实施例3对图5所示阵列仿真的天线方向图；
[0047]
图7是本发明实施例3在6ghz频率下对图5所示阵列仿真的天线方向图；
[0048]
图8是本发明实施例3在2.4ghz频率下对图5所示阵列仿真的天线方向图。
具体实施方式
[0049]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0050]
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
现有的波束形成和二维比幅测向方法，存在阵元数据利用不充分、波束形成系数或者比幅曲线设计复杂、不同波束检测性能不一致等问题，不能完全适应宽频带、多波束宽空域覆盖的高精度二维比幅测向需求。
[0052]
为了解决上述技术问题，提出了本发明宽带平面阵列多波束形成方法及比幅测角方法的下述各个实施例。
[0053]
实施例1
[0054]
参照图1，如图1所示是本实施例提供的宽带平面阵列多波束形成具体处理流程示意图。该方法具体包括以下步骤：
[0055]
步骤1，建立二维空域频率模型：在空间直角坐标系中，根据宽带平面阵列各阵元的实际位置坐标，建立归一化空域频率(包括方位维的空域频率和俯仰维的空域频率)的数学描述。
[0056]
步骤2，基于二维空域dft的波束形成设计：使用二维空域dft描述波束形成过程，二维空域dft的均匀化频率采样输出即为各波束形成结果，结合具体应用需求，通过仿真分析确定波束形成系数，为各阵元数据使用统一的幅度加权系数。二维空域dft均匀化频域采样的密度决定波束叠加的密度；各阵元数据的幅度加权系数决定波束的阵列增益、主瓣宽度和主副瓣比，各波束使用相同的幅度加权系数，能够获得一致的波束指标参数而各阵元数据的相位加权系数通过计算波束指向需要补偿的相位差来确定。
[0057]
步骤3，多波束形成实时计算处理：将宽带平面阵列各阵元采集信号转换为多个窄带的幅相信号，基于步骤2设计的波束形成系数，进行实时多波束形成计算处理，生成同时多波束幅相数据。
[0058]
步骤4：信号空频域联合检测处理：针对多波束形成幅度数据，在空域和频域进行联合搜峰处理(即有效检测信号必须在频域和波束维均为峰值)，且幅度超过预设阈值，则生成检测信号，并输出相关信息包括频率、波束号、所在波束以及相邻波束的幅度信息等。
[0059]
本实施例提供的宽带平面阵列多波束形成方法平面阵列的所有阵元均参与数字波束形成计算，提高了阵列增益。为各波束设计统一的各阵元幅度加权系数，对不同频率和指向的波束具有相同的阵列增益和主副瓣比，所有相邻波束交叠处增益也相同，使得系统对各种入射角度和频率的辐射源信号，具有相对一致的检测性能。对不同频率和指向的波束形成处理，使用相同的阵元幅度加权系数，而相位加权系数根据波束指向计算需要补偿的相位差很容易计算得到，简化了波束形成系数设计。
[0060]
实施例2
[0061]
参照图2，如图2所示是本实施例提供的宽带平面阵列多波束比幅测角流程示意
图。该流程用以解算前述宽带平面阵列多波束形成方法生成的检测信号的二维角度，具体包括以下步骤：
[0062]
步骤1，建立与归一化空域频率偏移值对应的幅度比值表：基于二维空域dft均匀频率采样设计的多波束，各频率采样值即各波束指向对应的归一化空域频率，任意信号的入射角度也对应一个归一化空域频率值，可以计算入射角度对应的归一化空域频率偏移值(相对于邻近波束指向的归一化空域频率值的偏移)与相邻波束幅度比值的映射关系，从而建立幅度比值表；二维空域dft输出的波束幅度响应相对于归一化空域频率具有周期性，只需要存储一个空域频域采样间隔之间的幅度比值表即可。
[0063]
步骤2，估计信号的归一化空域频率值：基于输入的已检测信号相关信息和已有幅度比值表，通过查表或者优化估计方法，估计检测信号的归一化空域频率偏移值，结合邻近波束指向对应的归一化空域频率，估算入射角度对应的归一化空域频率值。
[0064]
步骤3，解算信号的入射二维角度：信号检测阶段直接获取的信号频率一般为中频频率值，需要根据系统频率变换关系，折算为射频频率值，然后根据归一化空域频率模型，反算出入射信号的真实二维角度(即方位和俯仰)。
[0065]
本实施例提供的比幅测角方法不同于传统直接比幅测角的方法，本发明建立的幅度比值表，首先用于估计入射信号的归一化空域频率，然后再间接求解空间二维角度。基于二维空域dft均匀频率采样设计的多波束，波束幅度响应相对于方位维空域频率和俯仰维空域频率呈现周期性，且与信号频率无关，只需要存储一个完整周期的比幅曲线，即可完成对各种入射角度和频率信号的二维测角，大大简化了比幅曲线的设计和存储，并且没有任何插值近似处理，能够保证测角精度。
[0066]
实施例3
[0067]
本实施例提供了一种宽带平面阵列的多波束形成和比幅测角方法的完整实现流程，图3是本实施例总体流程框图。
[0068]
图4是本实施例的具体处理流程图，具体包括以下步骤：
[0069]
步骤1：选取基准阵元作为原点，建立空间直角坐标系，确定各阵元坐标位置pn(d
nx
,d
ny
,0)，然后根据阵列工作频率范围，选取最高工作频率的半波长d作为参考阵元间隔，从而建立归一化空域频率模型：
[0070][0071][0072]
其中，ω为方位维的空域频率，τ为俯仰维的空域频率，为入射信号的俯仰角，θ为入射信号的方位角，λ为入射信号波长。显然，对于d≤λ/2、θ∈[-π/2,π/2]、有-π≤ω≤π和-π≤τ≤π。
[0073]
步骤2：各阵元采集信号，经过校正和变换处理，假定某个频率的幅相信号表示为x(n)(其中，n＝0,1,2,
…
,n-1，平面阵列一共n个阵元)，则平面阵列的波束形成处理，可以用二维空域dft表示为：
[0074]
m＝0,1,2,
…
,m-1；l＝0,1,2,
…
,l-1
[0075]
ωm＝m*2π/m-π,m＝0,1,2,
…
,m-1
[0076]
τ
l
＝l*2π/l-π,l＝0,1,2,
…
,l-1
[0077]
其中，ωm为空域dft的均匀化方位维空域频率采样点，τ
l
为空域dft的均匀化俯仰维空域频率采样点，an为阵元数据的幅度加权系数，y(ωm,τ
l
)为波束形成结果。参数m和l分别决定了方位维和俯仰维的波束密度，波束越密集，相邻波束交叠处方向图增益越高，可以根据具体应用需要确定参数m和l的取值。各阵元数据的幅度加权系数an决定了波束的阵列增益、主瓣宽度、主副瓣比等性能指标，可以根据系统需求，通过优化分析选择。各阵元的相位加权系数计算，需要补偿波束指向对于各阵元的相位差，显然可以由ωm、τ
l
和阵元位置坐标来确定。
[0078]
步骤3：基于步骤2确定的波束形成系数，选取空域dft一个频域采样间隔之间的空域频率范围，模拟入射信号，计算归一化空域频率偏移值与相邻波束幅度比值之间的关系；例如，模拟入射信号空域频率ω∈[ωm,ω
m+1
]和τ∈[τ
l
,τ
l+1
]，计算相邻波束间的幅度比值|y(ω
m+1
,τ
l
)|/|y(ωm,τ
l
)|、|y(ωm,τ
l+1
)|/|y(ωm,τ
l
)|、|y(ω
m+1
,τ
l+1
)|/|y(ωm,τ
l
)|，从而建立其与空域频率偏移(δω＝ω-ωm、δτ＝τ-ω
l
)的关系，二维空域dft输出的波束幅度响应相对于方位维空域频率和俯仰维空域频率呈现周期性，因此该幅度比值表，在不同波束间的取值是相同的，只需要存储一份即可。
[0079]
步骤4：将宽带平面阵列各阵元采集信号，经过fft频谱计算和校正处理，转换为多频点幅相信号，基于步骤2确定的波束形成系数和波束指向，完成多波束计算处理，然后沿着波束和频率两个维度，联合进行搜峰处理，运用检测算法，对幅度较大的波束信号进行检出，并记录该信号的频率(这里一般为中频频率)、波束位置、所在波束幅度以及相邻波束的幅度等信息；
[0080]
步骤5：基于步骤3建立的幅度比值表和步骤4输出的已检测信号相关信息，通过优化计算，确定归一化空域频率偏移值(δω,δτ)，通过步骤4输出已检测信号的波束位置，可以换算出该波束指向对应的归一化空域频率(ω
p
,τq)，进而得到辐射源信号的归一化空域频率估计：
[0081][0082][0083]
一种对归一化空域频率偏移值(δω,δτ)的优化估计模型为:
[0084][0085]
其中，c1、c2、c3为波束(ω
p+1
,τq)、(ω
p
,τ
q+1
)、(ω
p+1
,τ
q+1
)相对于波束(ω
p
,τq)的幅度比值，在步骤3方法建立的幅度比值表中，其与归一化空域频率偏移值(δω,δτ)一一对应。基于前述的优化目标函数，通过对幅度比值系数c1、c2、c3的搜索，即可匹配到最优的归一化空域频率偏移值(δω,δτ)。
[0086]
步骤6：根据步骤4输出的已检测信号频率值，根据系统频率变换关系，得到其对应的射频频率值f，然后由步骤5输出的归一化空域频率估计值，按照步骤1确定的空域频率计算模型，解算出辐射源信号的真实二维角度：
[0087]
[0088][0089]
其中，c表示光速。
[0090]
图5是实施例3仿真分析采用的宽带平面阵列各阵元位置坐标图。如图5所示，该阵列包含22阵元。图6是对图5阵列仿真得到的天线方向图(相对于归一化空域频率)。为方便展示，对所有波束的天线方向图响应做了取大处理，从图6中可以看出，不同波束的幅度总响应沿归一化空域频率变化，具有周期性，不同波束的主要性能(包括主瓣宽度、主副瓣比、波束交叠处增益)是完全相同的，因此只需要存储波束间的一组比幅曲线即可估计归一化空域频率，由此间接求解方位角和俯仰角。图7是对图5阵列针对6ghz入射频率信号，仿真得到的天线方向图(相对于方位角和俯仰角)。图8是对图5阵列针对2.4ghz入射频率信号，仿真得到的天线方向图(相对于方位角和俯仰角)。图7和图8为方便展示，对所有波束的天线方向图响应做了取大处理。如图7和图8所示，宽带范围内，针对不同入射信号频率，相对于方位角和俯仰角计算的天线方向图差异极大，且相同频率不同指向波束的天线方向图也有差异(从中心波束开始，越靠近边缘的波束，主瓣越宽)，因此采用传统直接比幅测角的方法，接收机必须全部存储这些有差异的比幅曲线，复杂度较高，而本实施例所用的比幅测角方法则很好解决了这个问题。
[0091]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种宽带平面阵列多波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：在空间直角坐标系中，确定各阵元的位置坐标，建立归一化空域频率模型，通过二维空域dft的均匀化频率采样分析，设计波束形成系数；将宽带平面阵列各阵元的数字化采集信号变换为多个窄带的幅相信号，基于所述波束形成系数完成多波束形成处理，针对多波束形成的幅度数据，进行空域和频域率联合检测，输出检测信号的相关信息，所述检测信号为幅度超过预设阈值的空频域峰值信号，所述相关信息包括频率、波束号、所在波束以及相邻波束的幅度信息。2.如权利要求1所述的宽带平面阵列多波束形成方法，其特征在于，所述归一化空域频率模型表达式包括：率模型表达式包括：其中，ω为方位维的空域频率，τ为俯仰维的空域频率，为入射信号的俯仰角，θ为入射信号的方位角，λ为入射信号波长，d不小于最高工作频率的半波长。3.如权利要求1所述的宽带平面阵列多波束形成方法，其特征在于，所述波束的形成过程通过二维空域dft的均匀化频域采样来描述：ω
m
＝m*2π/m-π,m＝0,1,2,
…
,m-1τ
l
＝l*2π/l-π,l＝0,1,2,
…
,l-1其中，(d
nx
,d
ny
)为阵元n的位置坐标，x(n)为阵元n在某个窄带频率上的复信号，ω
m
为空域dft的均匀化方位维空域频率采样点，τ
l
为空域dft的均匀化俯仰维空域频率采样点，a
n
为阵元数据的幅度加权系数，y(ω
m
,τ
l
)为波束形成结果。4.如权利要求3所述的宽带平面阵列多波束形成方法，其特征在于：所述二维空域dft均匀化频域采样的密度决定波束叠加的密度；各阵元数据的幅度加权系数决定波束的阵列增益、主瓣宽度和主副瓣比，各波束使用相同的幅度加权系数，能够获得一致的波束指标参数；各阵元的相位加权系数通过补偿波束指向对于各阵元的相位差来计算获得。5.如权利要求1所述的宽带平面阵列多波束形成方法，其特征在于，所述方法通过空域维和频率维的联合检测处理进行信号检测，并输出相关信息，包括检出信号的频率、波束号、所在波束以及相邻波束的幅度信息。6.一种比幅测角方法，其特征在于，所述方法用于解算权利要求1-5任一种方法生成的检测信号的二维角度，包括以下步骤：基于二维空域dft均匀化频率采样生成的多波束，计算归一化空域频率与相邻波束幅度比值之间的关系，建立幅度比值表；利用所述幅度比值表和检测信号的相关信息，对所述检测信号的归一化空域频率进行估计处理；根据系统频率变换关系确定所述信号对应的射频频率值，再由归一化空域频率估计值按照所述归一化空域频率模型，解算出所述信号的二维入射角度。
7.如权利要求6所述的比幅测角方法，其特征在于，所述方法只存储一个空域频率采样间隔之间的幅度比值表数据。8.如权利要求6所述的比幅测角方法，其特征在于，归一化空域频率估计的过程包括：根据所述幅度比值表和所述检测信号的相关信息确定归一化空域频率偏移值，并由所述检测信号的所在波束换算出其对应的归一化空域频率，进而得到辐射源信号的归一化空域频率估计。9.如权利要求6所述的比幅测角方法，其特征在于，所述方法还包括采用优化估计模型获取最优空域频率偏移值，优化估计模型为：其中，c1、c2、c3为波束(ω
p+1
,τ
q
)、(ω
p
,τ
q+1
)、(ω
p+1
,τ
q+1
)相对于波束(ω
p
,τ
q
)的幅度比值，(δω,δτ)表示空域频率偏移值，(ω
p
,τ
q
)表示归一化空域频率，y(ω
p
,τ
q
)表示波束形成结果，归一化空域频率估计为：成结果，归一化空域频率估计为：10.如权利要求6所述的比幅测角方法，其特征在于，解算信号的二维入射角度过程包括：根据所述检测信号的中频频率，换算为射频频率值，再由估计出的归一化空域频率值和所述归一化空域频率模型，反算出信号的二维入射角度。

技术总结
本发明公开了宽带平面阵列多波束形成方法及比幅测角方法。宽带平面阵列多波束形成方法包括：在空间直角坐标系中，建立归一化空域频率模型；对二维空域DFT进行均匀化频率采样，据此设计波束形成系数；对宽带平面阵列各阵元的数字化采集信号，基于设计的波束形成系数，进行多波束形成计算；对多波束形成结果，进行空频二维联合检测，输出检出信号的频率、波束号和相邻波束幅度等信息。比幅测角方法包括：基于波束形成系数，建立与归一化空域频率对应的幅度比值表；根据多波束检出信号的幅度信息，在幅度比值表中完成匹配处理，估计归一化空域频率值；基于归一化空域频率模型，解算出信号的入射二维角度。信号的入射二维角度。信号的入射二维角度。


技术研发人员：范胜召 王琦 张振华 刘宪军 李金炳 陈昳霏
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第二十九研究所
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/7/19