CN107462879A - 一种跨波束积累方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于阵列信号处理技术领域，具体的说是涉及一种跨波束积累方法。本发明针对数字阵列雷达如何提高信噪比的问题，提出了跨波束积累技术，实现了对信号的相参积累，利用对阵列接收信号的相位补偿，可以对补偿后的数据进行积累，从而提高信噪比。当采用物理天线构成的雷达时，为了解决天线波束较窄与期望覆盖空域宽的矛盾，采用多个窄波束的物理天线构成一个宽波束的阵列天线，对每个天线输出进行相位补偿，可以对补偿后的数据进行相参积累，以提高信噪比。

Description

一种跨波束积累方法

技术领域个

本发明属于阵列信号处理技术领域，具体的说是涉及一种跨波束积累方法。

背景技术

在信号处理领域，阵列信号处理，是将各向同性的传感器在空间中按照某种规则放置组成阵列，从而利用阵列中的阵元对接收到的空间目标信号进行处理，对有用信号进行增强，同时抑制干扰信号和噪声，最终实现对信号特征参数的正确提取。

阵列信号处理领域中，随着数字集成电路的发展以及数字波束形成(DigitalBeam Forming,DBF)技术的快速法发展，阵列雷达采用的数字化技术也越来越多。数字波束形成(Digital Beam Forming,DBF)是一种通过数字化技术来实现波束形成的技术，保留了天线阵列单元信号的全部信息，并利用数字信号处理技术对信号进行处理，由此获得良好的波束性能。数字阵列雷达(Digital Array Radar,DAR)是一种接收和发射波束都采用DBF技术的全数字阵列扫描雷达，它采取的是在数字域实现幅相加权(即数字波束形成DBF)。数字阵列雷达波束扫描需要的移相是在数字域实现的，因此对在射频域移相的有源相控阵雷达而言，数字阵列雷达的系统性能有了很大提升，具有更大的波束调度灵活性、更好的抗有源干扰性能和对杂波抑制性能。

为了有效检测弱小目标，通常有两种途径。一方面，根据对象的不同，采用新的雷达体制并选择合适的雷达系统参数，通过积累的方式来提高目标回波能量，实现弱小目标的检测；另一方面，在现有雷达系统的基础上，利用先进的信号处理技术，提高目标的检测性能。

目前，利用信号处理技术实现弱目标检测的办法是：通过长时间积累增加目标回波能量，即以时间的代价换取能量积累。根据是否利用回波的相位信息，积累技术可分为非相参积累、相参积累和混合积累。主要考虑相参积累，相参积累是利用回波相位和幅度信息，通过对目标相参回波幅度的叠加来提高信噪比。由于目标回波信号的相位具有一致性，因此目标信号的积累是同相相加(幅度相加)；而噪声的相位是随机变化，因此噪声是功率相加。使得信号功率的积累快于噪声功率的积累，从而提高目标回波的信噪比。

在阵列雷达中，若阵列接收处于低信噪比的环境下，采用积累的方式能实现对信噪比的提升。现阶段的积累方式多是以时间为代价进行能量的积累，而在阵列信号接受中，一系列阵元会接收到与阵元数量相当的相干回波，考虑进行波束上的积累，以达到提高信噪比的目的。

在有M个阵元的阵列模型中，阵列流形a(θ)＝[1e^jφ e^j2φ … e^j(M-1)φ]^T，其中θ为来波的方向，φ为相邻阵元的空间相位差，φ与θ的关系与阵元相对位置有关。阵元接收到的信号y(t)通过空域滤波器w＝[w₀,w₁…,w_M-1]^T得到x(t)＝w^Hy(t)，其中t代表快拍。若设置N个空虚滤波器，且波束主瓣方向各不相同，即形成了N个波束主瓣(通道)，这个过程被称之为波束形成。

当目标的来波被阵元接收后，经过N个空域滤波器输出x(t)＝[x₁(t),x₂(t),…,x_N(t)]^T。由于来波DOA在不停地变化，因此不同的快拍下，会在不同的通道有输出。因此传统的阵列信号处理方法针对低信噪比的运动目标的检测跟踪若进行长时间积累则存在跨波束问题。

发明内容

本发明的目的是，针对数字阵列雷达如何提高信噪比的问题，提出了跨波束积累方法。

1、数字阵列雷达跨波束积累

首先考虑数字阵列雷达下的波束积累，以M个阵元的均匀线阵为例，发射信号为s(t)，阵列的阵列流形(信号的导向矢量)为a(θ)＝[1e^jφ e^j2φ … e^j(M-1)φ]^T，均匀线阵模型下，φ与θ的关系为其中d为均匀线阵相邻阵元间距，λ为电磁波波长。那么M个阵元接收到的信号为

y(t)＝a(θ_t)s(t)

其中y(t)＝[y₁(t),y₂(t),…,y_M(t)]^T，y_m(t)为第m个阵元接收的信号，θ_t为t时刻的来波方向。

数字阵列雷达在接收到回波信号后，会进行数字波束形成(DBF)，波束输出为：

x(t)＝W^Hy(t)＝W^Ha(θ_t)s(t)

其中x(t)＝[x₁(t),x₂(t),…,x_N(t)]^T，波束形成矩阵 代表空域滤波器的滤波器系数,该系数表示方向为θ_i的来波可以无失真的通过该空域滤波器。因此，波束形成矩阵W实际上是划分了N个滤波器(波束)，其对应的来波方向分别为θ₁,θ₂,…θ_N。

为了提高接收信号的信噪比其中s(t)为信号，n(t)为噪声，通常采用相干积累的方式进行积累。为了让y(t)中每个快拍下，不同通道下的信号能进行相参积累，首先根据x(t)＝W^Hy(t)求出阵列接收信号y(t)，其表达式为

y(t)＝(W^H)⁺x(t)＝(W^H)⁺W^H(t)y(t)

其中，(W^H)⁺＝(WW^H)^-1W。

其次需要对y(t)每个快拍下的数据进行相位补偿，使相位对齐，然后进行幅度相加，其表达式为：

其中a^H(θ_t)中的θ_t为通过短时DOA估计得到的来波方向角，为通过跨波束积累后输出。

2、物体天线阵列跨波束积累

数字阵列雷达通过改变空域滤波器的权值实现波束扫描，具有全向扫描的优点。为提高增益，若采用数字阵列雷达其孔径较大即阵元数目较多，其成本较高。而采用物理天线构成的雷达具有天线增益高，主瓣窄的特点。当对较宽空域进行处理时，存在波束较窄与期望覆盖空域宽的矛盾。为了解决这样矛盾，采用多个窄波束的物理天线构成一个宽波束的阵列天线。设来波方向为θ的信号，在波束指向为φ的物理天线上的响应为f(θ,φ)。发射信号为s(t)，则该阵元的接收信号那么，若干指向不同方向φ的物理天线阵元的输出可以记为：

y(t)＝b(θ_t)s(t)

其中y(t)＝[y₁(t),y₂(t),…,y_M(t)]^T，y_m(t)为第m个天线阵元接收的信号；b(θ_t)＝[f(θ_t,φ₁)…f(θ_t,φ_M)]^T，θ_t为t时刻的来波方向，M为物理天线总数。

由于来波方向对于不同的天线有不同的响应，为实现相干积累需对每个快拍下不同天线接收的信号进行相位补偿，然后相加，表达式为：

其中b^H(θ_t)中的θ_t为通过短时DOA估计得到的来波方向角，为通过跨波束积累后输出。

对信号在时间上进行相参积累，积累M个脉冲，由于信号的相干性，其幅度可以直接相加，因此信号功率提高为M²倍，而噪声由于统计独立，因此是功率叠加，提高为M倍，所有信噪比提升为M倍。对信号在波束上进行相参积累，积累M个波束，不论是数字阵列天线还是物理天线阵，同样信号幅度变为原来的M倍，功率变为M²倍，噪声由于统计独立，功率提高为M倍，因此理论上，波束积累使信噪比提高为原来的M倍。

下面分别以数字阵列和物理天线阵列为例，进行仿真实验来说明波束积累的效果。数字阵列与物理阵列仿真的信号源均采用归一化频率为0.5的复正弦信号，噪声为服从零均值复高斯白噪声，来波的DOA以θ＝10+0.005×(t-1)的方式进行递增，其中t代表快拍数。仿真条件：数字阵数目为10(波束合成后变为20路波束)，物理天线数目为20(不同指向的天线数目为20)，增益为10。快拍数T＝3000，接收机输入信噪比SNR_i范围为-10～20dB，SNR_i仿真间隔为5dB，每一个SNR_i分别进行了500次蒙特卡罗实验。

由图1，红色线代表的是仿真中设置的物理天线的幅度响应，蓝色线代表数字阵列波束的幅度响应

由图2，红色线代表的是仿真中设置的物理天线的相位响应，蓝色线代表数字阵列波束的相位响应。

由图3，上图代表数字阵列雷达跨波束积累的流程，下图代表物理阵列雷达跨波束积累流程。

由图4，为数字阵列波束形成的输出，不同的颜色代表不同的波束输出。由于目标按照θ＝10+0.005×(t-1)的方式进行移动，因此在各通道输出的时刻不相同，与仿真结果相吻合。

由图5，为物理天线阵列输出，不同的颜色代表不同指向的天线输出。同样由于目标按照θ＝10+0.005×(t-1)的方式进行移动，因此在各通道输出的时刻不相同，与仿真结果相吻合。

由图6，为经过跨波速积累后，数字阵和物理天线阵的输出与原始数据的比较，其幅度都为原来的10倍，即信号经过相参积累后，幅度变为原来的10倍，与理论上的增益向吻合

由图7，经过500蒙特卡罗仿真后，数字阵与物理天线阵的信噪比的提升，相比于输入信噪比，输出信噪比都有了约10dB的提升，也就是信噪比提升了10倍，与仿真设置完全吻合。

在阵列模型中，并且已经由其他算法估计得到了目标的DOA，那么通过本发明，将通过跨波束的相参积累，提高信噪比。同时，若采用物理天线阵的雷达体制，由于这种物理天线阵列的成本低于数字全向阵，且跨波束积累同样有效，那么对阵列信号接收会带来新的思路。

本发明针对数字阵列雷达如何提高信噪比的问题，提出了跨波束积累技术，实现了对信号的相参积累，利用对阵列接收信号的相位补偿，可以对补偿后的数据进行积累，从而提高信噪比。当采用物理天线构成的雷达时，为了解决天线波束较窄与期望覆盖空域宽的矛盾，采用多个窄波束的物理天线构成一个宽波束的阵列天线，对每个天线输出进行相位补偿，可以对补偿后的数据进行相参积累，以提高信噪比。

本发明针对信噪比的提升，提出的数字阵列的处理流程，包括以下步骤：

对于全向数字天线阵列的处理流程：

步骤1：对目标来波到达角DOA为θ_t信号进行采样得到采样序列{y_m(t)}，即y(t)＝[y₁(t),y₂(t),…,y_M(t)]^T，其中m＝1～M(M为阵元数)，t表示快拍。快拍总数为T。

步骤2：采样得到的{y_m(t)}通过波束形成的加权矩阵W得到波束输出{x_n(t)}，n＝1～N(N为波束数)，即x(t)＝[x₁(t),x₂(t),…,x_N(t)]^T。

步骤3：已知波束形成加权矩阵W，通过表达式y(t)＝(W^H)⁺x(t)求得{y_m(t)}。

步骤4：利用现有的短时DOA估计方法得到θ_t，通过表达式补偿相位，相参积累得到

对于物理天线阵列的处理流程，包括以下步骤：

步骤1：对到达角为θ_t信号进行采样得到采样序列{y_m(t)}，m＝1～M(M为阵元数)，即y(t)＝[y₁(t),y₂(t),…,y_M(t)]^T，其中t表示快拍，快拍总数为T。

步骤2：已知物理天线响应函数通过得到的{y_i(t)}，根据表达式相参积累得到

以上两种雷达阵列天线的积累思路是相同的，都是通过已知DOA去补偿相位的方式进行跨波束积累，区别在于数字阵列中，阵列接收信号经过了波束形成。而波束形成的加权矩阵是已知的，可以通过求逆的方式去得到原始天线接收数据，再进行补偿相位即实线了相参积累。

本发明的益处效果是：通过对阵列接收信号的相位补偿，再进行信号累积，从而提高信噪比，实现了对运动目标跨波束数据的相参积累。

附图说明

图1：数字阵列与物理阵列的幅度响应

图2：数字阵列与物理阵列的相位响应

图3：数字阵列波束形成的输出

图4：物理阵列波束响应的输出

图5：数字阵列与物理天线阵相参积累输出

图6：数字阵列与物理天线阵列的积累对信噪比的提升效果

具体实施方式

下面结合实例详细说明本发明的技术方案。

在进行实际的信号处理时，存在噪声，为了进行仿真实验，在本实施例中使用前面提到的高斯分布的随机数作为每一次接收的采样噪声，快拍数T＝3000。对信号幅度固定为1，改变接收信号的信噪比SNR，范围0dB～20dB，共计21个不同的输入SNR。每一个输入SNR进行了50次独立实验，并采样RMSE的方式得到对应的积累后的SNR。

实验硬件平台为一台处理器为Intel(R)Core(TM)i5-3210M CPU@2.50GHz、内存为4G的笔记本电脑，软件平台为WIN7操作系统，Matlab2012b。

由于本发明涉及两种不同的雷达体制，分别为数字阵列雷达和物理天线阵列雷达。如图表1所示给出具体的参数设置。

表1仿真参数设置

首先描述数字阵列的仿真，根据表1中阵元的位置P，阵列接收的信号延迟为e^jPθ，然后对接收到的阵元数据进行波束形成，波束形成矩阵W＝[a(θ₁)a(θ₂)...a(θ_N)]，波束形成后的数据如图3所示，每一条颜色代表一个波束。然后通过求伪逆W⁺的方式得到阵元接收的数据，再对每一路数据进行不同的信号延迟补偿，再进行相参积累。

接下来描述物理阵列的仿真，首先即需要拟合物理天线阵列的天线响应，被拟合的天线波束为M＝100所对应的天线方向图，其增益为10，如图1和图2所示，蓝色代表被拟合的波束，红色代表拟合的天线响应。由于物理阵元数为20，也就是说有20个波束。为了将物理阵的总增益设置为10，所以对20波束响应进行了归一化处理。将信号通过这20个波束响应后，得到的数据如图4所示，每一条颜色代表一个波束的数据。然后在对这20路数据同样进行补偿处理，再进行相参积累。

上述两次仿真的积累输出与原始输入的对比如图5所示，蓝色代表的是原始输入数据，红色代表数字阵列的积累输出，黑色代表物理阵列的积累输出，可以明显看出，其输出幅度约为原始幅度的10倍。

上述的步骤中，对每一个接收的信噪比进行了500次蒙特卡罗仿真，然后用RMSE的方式得到平均后的积累信噪比，如图6所示，蓝色代表的是数字阵的积累效果，红色代表的是物理阵的积累效果，仿真图为直线，可以说明这两种体制下，该发明的跨波束积累效果提升了10倍，与预期效果一致。其数据如表2所示

表2两种阵列雷达积累后的输出信噪比

接收SNRi/dB	数字阵列积累SNRo/dB	物理阵列积累SNRo/dB
			-10	0.0128	-0.0040
-5	5.0065	5.0347
			0	10.0101	9.9862
5	15.0055	14.9948
			10	19.9956	19.9884
15	24.9983	24.9965
			20	29.9823	30.0207

总结起来，本发明提出的跨波束积累：首先需要得到阵列的接收数据，然后在进行补偿使每个快拍下各通道相位对齐。对于数字阵列而言，得到的是波束形成数据，因此需要先对波束形成的数据进行还原得到阵元得到的数据，两种阵列的积累本质是相同的，且效果一致。

Claims (1)

1.一种跨波束积累方法，其特征在于，包括：

基于数字阵列的跨波束积累方法：

S11、对目标来波到达角DOA为θ_t信号进行采样得到采样序列{y_m(t)}，即y(t)＝[y₁(t),y₂(t),…,y_M(t)]^T，其中m＝1～M，M为阵元数，t表示快拍，快拍总数为T；

S12、根据采样得到的{y_m(t)}通过波束形成加权矩阵W得到波束输出{x_n(t)}，n＝1～N，N为波束数，即x(t)＝[x₁(t),x₂(t),…,x_N(t)]^T；

S13、已知波束形成加权矩阵W，通过表达式y(t)＝(W^H)⁺x(t)求得{y_m(t)}；

S14、利用现有的短时DOA估计方法得到θ_t，通过表达式补偿相位，相参积累得到

基于物理阵列的跨波束积累方法：

S21、对到达角为θ_t信号进行采样得到采样序列{y_m(t)}，m＝1～M，M为阵元数，即y(t)＝[y₁(t),y₂(t),…,y_M(t)]^T，其中t表示快拍，快拍总数为T；

S22、已知物理天线响应函数通过得到的{y_i(t)}，根据表达式相参积累得到