全相参多通道全空域覆盖的无线电引信及其探测方法

摘要

本发明公开了一种全相参多通道全空域覆盖的无线电引信及其探测方法，包括、全空域覆盖圆周天线步骤：构建无线电探测系统的信号发射和接收装置，在全空域范围获取目标信号；全相参多通道射频收发步骤：提供射频激励信号和目标回波信号的发射和接收通道，实现收发信号上下变频和全相参处理；多通道目标测距测速视频处理步骤：在接收视频信号的基础上建立目标测距测速模型，提取目标距离和径向速度信息。本发明提高了系统在有限体积功耗约束下同时获取目标多维信息的能力，实现了全空域覆盖的目标探测，大幅提高了无线电引信的空域探测范围。

说明书

技术领域

本发明涉及无线电目标探测领域，具体地说，是一种全相参多通道全空域覆盖的无线电引信及其探测方法。

背景技术

在无线电引信系统中，引信装置的功能主要是利用天线向空间辐射电磁波，通过接收目标的反射回波提取目标距离、速度、方位等信息，完成对目标近距离探测与引导。它主要由目标探测器(天线及收发系统)、信号处理器和启动指令发生器组成，系统工作体制的选择和设计需要重点考虑引信的空域覆盖能力、作用距离与距离截止特性、多目标环境与抗干扰能力等要求，同时应使引信的结构简单可靠，降低系统的复杂性和成本。

传统无线电引信采用线性调频连续波体制，系统结构简单，距离分辨力高，保证了在有限安装空间下，具有良好的距离截止能力，并且连续波的发射功率低有利于引信的抗干扰，但是由于引信采用自差式线性调频连续波体制，只能工作在非相参模式下，无法保证在测距的同时具备测速能力，虽然采用三角形调频连续波可以同时测距测速，但是在复杂的高分辨多目标环境背景下，难以实现目标精确的频域配对，并且会增加系统的复杂度。而传统的全相参引信采用脉冲多普勒体制，同时具有距离与速度的两维测量能力，但是该体制存在距离盲区，难以满足极近距离探测引导的要求。另外，上述传统的无线电探测方式受到天线辐射方向的约束以及平台安装方式的限制，无线电引信的空间探测范围严重受限，无法满足全空域的覆盖要求。

因此需要一种无距离盲区、可同时测距测速、探测范围广的全相参多通道全空域覆盖的无线电引信。

发明内容

1、本发明的目的。

有鉴于此，本发明提出了一种全相参多通道全空域覆盖的无线电引信及其探测方法，解决了当前无线电引信空域探测范围受限且无法在多目标环境全距离段同时测距测速的问题。

2、本发明所采用的技术方案。

本发明提出的一种全相参多通道全空域覆盖的无线电引信探测方法，按照如下步骤进行：

(1)、全空域覆盖圆周天线步骤：构建无线电探测系统的信号发射和接收装置，在全空域范围获取目标信号；

(2)、全相参多通道射频收发步骤：提供射频激励信号和目标回波信号的发射和接收通道，实现收发信号上下变频和全相参处理；

(3)、多通道目标测距测速视频处理步骤：在接收视频信号的基础上建立目标测距测速模型，提取目标距离和径向速度信息。

更进一步具体实施方式，所述的步骤(1)中建立全空域覆盖圆周天线步骤具体如下：

建立右手螺旋坐标系oxyz，探测平台沿着平行于x轴的航迹从E位置运动到F位置，场景目标点为M，平台运动速度为V_m，目标与平台相对距离为R，天线波束与平台速度方向夹角为Ω_f，波束宽度为θ_e；

全空域覆盖圆周天线模块采用三副天线分时探测，顺序发射和接收射频信号，分时覆盖360°空间，获取目标探测信号；

其中，三副天线以平台轴向x方向为中心轴，沿圆周方向120°间隔，呈等边三角形布局，每副天线覆盖±60°空间范围。

更进一步具体实施方式，所述的步骤(2)中全相参多通道射频收发步骤具体如下：

采用了宽频段射频捷变收发器AD9361实现多通道收发和全相参处理：

在发射信道，采用了两级变频方式，在中频通过三组不同偏置频率为f_In(n＝1,2,3)的中心频率，产生三通道的中频准锯齿调频连续波激励信号，调频带宽为B，调制周期为T_r；在射频采用AD9361通过上倍频产生多通道射频激励信号，射频信号频率分别为f_Rn(n＝1,2,3)；

在接收通道，不同天线的接收信号与各自对应的发射激励信号直接混频获取多通道视频信号，其中，视频信号的采集由收发模块频综提供统一的参考时钟信号和脉冲触发信号控制，确保混频后多周期差频信号间的相参性，为提取多普勒频率提供条件，从而实现多周期准连续波的相参接收处理；

其中，射频收发模块采用中频准锯齿波调频信号，第k个调频周期的发射信号记为：

s_n(t)＝A_ncos{2π[f_In(t-kT_r)+0.5k_r(t-kT_r)²]+jφ_n}>

式中，n＝1，2，3，f_In为第n个射频通道中频激励信号的中心频率，t为信号时间，T_r为发射信号调制周期，K_r为锯齿波的调频斜率，φ_n为第n个射频通道的初始相位；

上倍频后的射频准锯齿调频信号可以表示为：

s_n(t)＝A_ncos{2π[f_Rn(t-kT_r)+0.5k_r(t-kT_r)²]+jφ_n}>

式中，f_Rn为第n个通道发射信号的射频频率；

设t＝0时刻第j个目标与平台相对距离为R_j，径向速度为v_j，目标距离集合R＝{R_j}，速度集合V＝{v_j}，则接收回波信号与发射的射频信号直接混频后的视频信号可以表示为：

式中，j＝1,2，....P；

更进一步具体实施方式，所述的步骤(3)多通道目标测距测速视频处理步骤具体如下：

采用多通道ADC对多周期信号连续采样获取数字域回波信号，通过数字希尔伯特正交变换和低通滤波后，得到两路差频信号形成的视频复信号，从而消除目标径向速度方向测量的确定性；

并根据脉冲触发控制信号，对M个调频周期信号采样，在每个调频周期内的采样点数为N，并对M个多周期采样信号进行包络对齐，形成距离-多普勒域M×N的二维数据矩阵，则每一行视频信号希尔伯特变换后的复信号表示为：

对M×N的二维矩阵进行距离和方位两维FFT后二维频谱表示为：

其中，sinc(.)函数可以表示为：

可以得到，S(f_d,f_r)峰值点处频率包含两部分：第一项是由目标初始距离及距离-速度耦合所产生的频移，第二项由运动目标速度产生的的多普勒频移；

在两维频域进行目标检测，设置检测门限T，记录超过门限值的检测单元号为(m_j，n_j)，表示第j个目标所处的数据位置，获取目标所在的距离多普勒单元，计算目标距离和径向速度，第m_j个速度通道对应的目标多普勒频率和第n_j个距离通道对应的中心频率分别为：

f_d＝(m_j-1)f_r/M>

f_r＝(n_j-1)f_s/N>

其中，N为距离维FFT点数，f_s为参考时钟信号的频率，f_r＝1/T_r为方位维采样率；

则当系统第n个天线工作检测到目标时，在该通道对应的速度可以表示为v_t＝cf_d/2f_Rn；从而可以获得每一速度通道的实际距离对应的频率为f_b＝f_r-f_d，根据频率和距离的对应关系，进而可以得到目标的实际距离为R_t＝cf_b/2k_r，至此目标距离和速度计算完毕。

本发明提出了一种全相参多通道全空域覆盖的无线电引信，包括：

全空域覆盖圆周天线模块，用于构建无线电探测系统的信号发射和接收装置，在全空域范围获取目标信号；

全相参多通道射频收发模块，用于提供射频激励信号和目标回波信号的发射和接收通道，实现收发信号上下变频和全相参处理；

多通道目标测距测速视频处理模块，用于在接收视频信号的基础上建立目标测距测速模型，提取目标距离和径向速度信息。

更进一步具体实施方式，所述的全空域覆盖圆周天线模块具体如下：

建立右手螺旋坐标系oxyz，探测平台沿着平行于x轴的航迹从E位置运动到F位置，场景目标点为M，平台运动速度为V_m，目标与平台相对距离为R，天线波束与平台速度方向夹角为Ω_f，波束宽度为θ_e；

全空域覆盖圆周天线模块采用三副天线分时探测，顺序发射和接收射频信号，分时覆盖360°空间，获取目标探测信号；

其中，三副天线以平台轴向x方向为中心轴，沿圆周方向120°间隔，呈等边三角形布局，每副天线覆盖±60°空间范围。

更进一步具体实施方式，所述的全相参多通道射频收发模块具体如下：

采用了宽频段射频捷变收发器AD9361实现多通道收发和全相参处理：

在发射信道，采用了两级变频方式，在中频通过三组不同偏置频率为f_In(n＝1,2,3)的中心频率，产生三通道的中频准锯齿调频连续波激励信号，调频带宽为B，调制周期为T_r；在射频采用AD9361通过上倍频产生多通道射频激励信号，射频信号频率分别为f_Rn(n＝1,2,3)；

在接收通道，不同天线的接收信号与各自对应的发射激励信号直接混频获取多通道视频信号，其中，视频信号的采集由收发模块频综提供统一的参考时钟信号和脉冲触发信号控制，确保混频后多周期差频信号间的相参性，为提取多普勒频率提供条件，从而实现多周期准连续波的相参接收处理；

其中，射频收发模块采用中频准锯齿波调频信号，第k个调频周期的发射信号记为：

s_n(t)＝A_ncos{2π[f_In(t-kT_r)+0.5k_r(t-kT_r)²]+jφ_n}>

式中，n＝1，2，3，f_In为第n个射频通道中频激励信号的中心频率，t为信号时间，T_r为发射信号调制周期，K_r为锯齿波的调频斜率，φ_n为第n个射频通道的初始相位；

上倍频后的射频准锯齿调频信号可以表示为：

s_n(t)＝A_ncos{2π[f_Rn(t-kT_r)+0.5k_r(t-kT_r)²]+jφ_n}>

式中，f_Rn为第n个通道发射信号的射频频率；

设t＝0时刻第j个目标与平台相对距离为R_j，径向速度为v_j，目标距离集合R＝{R_j}，速度集合V＝{v_j}，则接收回波信号与发射的射频信号直接混频后的视频信号可以表示为：

式中，j＝1,2，....P；

更进一步具体实施方式，所述的多通道目标测距测速视频处理模块具体如下：

采用多通道ADC对多周期信号连续采样获取数字域回波信号，通过数字希尔伯特正交变换和低通滤波后，得到两路差频信号形成的视频复信号，从而消除目标径向速度方向测量的确定性；

并根据脉冲触发控制信号，对M个调频周期信号采样，在每个调频周期内的采样点数为N，并对M个多周期采样信号进行包络对齐，形成距离-多普勒域M×N的二维数据矩阵，则每一行视频信号希尔伯特变换后的复信号表示为：

对M×N的二维矩阵进行距离和方位两维FFT后二维频谱表示为：

其中，sinc(.)函数可以表示为：

可以得到，S(f_d,f_r)峰值点处频率包含两部分：第一项是由目标初始距离及距离-速度耦合所产生的频移，第二项由运动目标速度产生的的多普勒频移；

在两维频域进行目标检测，设置检测门限T，记录超过门限值的检测单元号为(m_j，n_j)，表示第j个目标所处的数据位置，获取目标所在的距离多普勒单元，计算目标距离和径向速度，第m_j个速度通道对应的目标多普勒频率和第n_j个距离通道对应的中心频率分别为：

f_d＝(m_j-1)f_r/M>

f_r＝(n_j-1)f_s/N>

其中，N为距离维FFT点数，f_s为参考时钟信号的频率，f_r＝1/T_r为方位维采样率；

则当系统第n个天线工作检测到目标时，在该通道对应的速度可以表示为v_t＝cf_d/2f_Rn；从而可以获得每一速度通道的实际距离对应的频率为f_b＝f_r-f_d，根据频率和距离的对应关系，进而可以得到目标的实际距离为R_t＝cf_b/2k_r，至此目标距离和速度计算完毕。

3、本发明的有益效果。

(1)本发明采用全相参准连续波体制可以在多目标环境下同时测距测速且无距离盲区，克服了传统连续波只能单独测距或测速的缺陷，大大提高了系统在有限体积功耗约束下同时获取目标多维信息的能力；

(2)本发明采用圆周多天线和基于AD9361的宽频段射频收发相结合方式完成了多通道频率和空间分集，实现了全空域覆盖的目标探测，大幅提高了无线电引信的空域探测范围。

附图说明

图1为本发明的无线电引信系统共面交会几何关系图。

图2为全空域覆盖的圆周天线布局示意图。

图3为发射脉冲信号和一次调频信号示意图。

图4为全相参准连续波发射信号、接收回波和差频信号关系示意图。

图5为全相参多通道射频收发模块实现过程示意图。

图6为距离维和方位维对齐处理后对应的二维数据结构示意图。

具体实施方式

实施例1

本发明提供了一种全相参多通道全空域覆盖的无线电引信，下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

第一步 搭建全相参多通道全空域覆盖的无线电引信探测系统

全相参多通道全空域覆盖的无线电引信探测系统包括：全空域覆盖圆周天线模块、全相参多通道射频收发模块、多通道目标测距测速视频处理模块。

全空域覆盖圆周天线模块的功能为：构建无线电探测系统的信号发射和接收装置，在全空域范围获取目标信号。

全相参多通道射频收发模块的功能为：提供射频激励信号和目标回波信号的发射和接收通道，实现收发信号上下变频和全相参处理。

多通道目标测距测速视频处理模块的功能为：在接收视频信号的基础上建立目标测距测速模型，提取目标距离和径向速度信息。

第二步 全空域覆盖圆周天线模块

全相参多通道全空域覆盖的无线电探测系统建立了如图1所示右手螺旋坐标系oxyz，雷达平台沿着平行于x轴的航迹从E位置运动到F位置，场景目标点为M。全空域覆盖圆周天线模块采用三副天线分时探测，顺序发射和接收射频信号，分时覆盖360°空间，获取目标探测信号。其中，三副天线以平台轴向x方向为中心轴，俯仰向120°间隔，呈等边三角形布局，每副天线覆盖±60°空间范围，其天线布局示意图如图2所示。

第三步全相参多通道射频收发模块

全相参多通道射频收发模块采用了宽频段射频捷变收发器AD9361实现多通道收发和全相参处理，在发射信道，采用了两级变频方式，在中频通过三组不同偏置频率为：f_I1＝300MHz，f_I2＝500MHz，f_I3＝800MHz的中心频率，产生三通道的中频准锯齿调频连续波激励信号，调频带宽为B＝120MHz，调制周期为T_r＝3us，并根据目标相对径向速度范围采用短调制周期提升多周期信号间采样率，消除目标速度模糊的问题；在射频采用AD9361通过上倍频产生多通道射频激励信号，射频信号频率分别为f_R1＝31.2GHz，f_R2＝32GHz，f_R3＝33.2GHz。在接收通道，不同天线的接收信号与各自对应的发射激励信号直接混频获取多通道视频信号，其中，视频信号的采集由收发模块频综提供统一的参考时钟信号和脉冲出发信号控制，如图3和图4所示，确保混频后多周期差频信号间的相参性，为提取多普勒频率提供条件，从而实现多周期准连续波的相参接收处理。全相参多通道收发模块实现的具体过程如图5所示。

其中，射频收发模块采用中频准锯齿波调频信号，记为：

s_n(t)＝A_ncos{2π[f_In(t-kT_r)+0.5k_r(t-kT_r)²]+jφ_n}>

式中，锯齿波的调频斜率K_r＝B/T_r＝4×10¹³Hz/s。

上倍频后的射频准锯齿调频信号可以表示为：

s_n(t)＝A_ncos{2π[f_Rn(t-kT_r)+0.5k_r(t-kT_r)²]+jφ_n}>

设t＝0时刻，目标总个数P＝3，目标与平台相对距离和径向速度集合分别为：R＝{8,10,12}m,V＝{550,650,750}m/s，则接收回波信号与发射的射频信号直接混频后的视频信号可以表示为：

第四步多通道目标测距测速视频处理模块

多通道目标测距测速视频处理模块采用多通道ADC对多周期信号连续采样获取数字域回波信号，通过数字希尔伯特正交变换和低通滤波后，得到两路差频信号形成的视频复信号，从而消除目标径向速度方向测量的确定性，并根据脉冲触发控制信号，对M＝64个调频周期信号采样，在每个调频周期内的采样点数为N＝256，并对64个多周期采样信号进行包络对齐，形成距离-多普勒域64×256的二维数据矩阵，如图6所示。则每一行视频信号希尔伯特变换后的复信号表示为：

对64×256的二维矩阵进行距离和方位两维FFT后二维频谱表示为：

在两维频域进行目标检测，以超过门限值的第2个目标为例，所处的检测单元号为(59，11)，参考时钟信号的频率f_s＝70MHz，f_r＝1/T_r＝333.33KHz，计算目标距离和径向速度。

当系统第1副天线工作检测到目标2时，对应工作频率f_R1＝31.2GHz，计算目标多普勒频率为f_d＝135.42kHz，距离频率f_b＝2.599MHz，得到目标的速度测量值为v_t＝651.04m/s，距离测量值为R_t＝9.75m，由于存在测量噪声的影响，测量值与实际目标2设定的距离R₂＝10m和径向速度v₂＝650m/s基本吻合，至此目标距离和速度计算完毕。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。