CN110687505B - 一种适用于非零带宽信号的频带采样微波被动观测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于非零带宽信号的频带采样微波被动观测系统，包括：空间2元天线阵，接收机，子带分割器，子带相关器，傅里叶变换器；非零带宽信号到达空间2元天线阵后，经接收机处理获得2路基带信号；2路基带信号经子带分割器分割为若干子带后，子带相关器对相同频率的子带进行相关运算，生成相关结果序列，最后通过傅里叶变换器生成波束；生成波束时，较之现有的微波被动观测系统，新系统的天线阵所需的阵元数目及相应的硬件成本显著减少。
Description
技术领域
本发明涉及微波被动观测领域，尤其涉及一种适用于非零带宽信号的频带采样微波被动观测系统。
背景技术
现有的基于天线阵的微波被动观测系统可分为两大类：基于相控阵原理和基于干涉式综合孔径原理，两者均属于空间采样系统。
以一维条件为例，通过空间采样实现波束形成的原理可简述如下：目标发射的窄带信号，其带宽远远小于中心频率，因此空间采样系统在形成波束时将窄带信号视为单频。假定天线阵中阵元呈等间隔排布，则第n个阵元（n=1,2,3,…,N）观测到的空间相位复数因子如下式所示：
其中，k0是窄带信号中心频率对应的波数，r0是第1个阵元到目标的距离，Δr是距离变化步长，r0+(n-1) Δr是第n个阵元到目标的距离。所有阵元观测到的空间相位复数因子样本构成一个相位周期变化的离散复数序列，对该序列进行傅里叶变换，就可形成波束。图 1为空间采样微波被动观测系统的波束形成原理示意图。
空间采样系统为确保足够高的空间采样率，其天线阵中相邻阵元的间距必须足够小，否则空间欠采样会导致空间频率混叠，导致波束指向出现偏差。此外，如果空间充分采样系统的天线阵中只包含2个阵元，那么生成的波束中除了主瓣，还必定会存在栅瓣。栅瓣会严重干扰对目标的正常观测。
空间频率无混叠的无栅瓣波束称为正常波束。对于空间采样系统，为确保生成正常波束，若其他条件不变，空间分辨率越高，则要求的阵元数目越多，硬件复杂性和成本越高。
发明内容
本发明的目的是在天线阵中包含的阵元数目远远少于保证空间采样系统生成正常波束所需的阵元数目时，让微波被动观测系统生成正常波束。本专利提出一种适用于非零带宽信号的频带采样微波被动观测系统，包括：空间2元天线阵，接收机，傅里叶变换器；其特征在于，该系统还包括：子带分割器，子带相关器；
所述的空间2元天线阵与接收机连接，其作用是接收目标发射的微波信号并传递给接收机；
所述的接收机分别与空间2元天线阵和子带分割器连接，其作用是将来自天线的微波信号转换成基带信号；
所述的子带分割器分别与接收机和子带相关器连接，其作用是将来自接收机的基带信号分割成若干个子带；
所述的子带相关器分别与子带分割器和傅里叶变换器连接，其作用是将阵元1和2的同频子带进行相关处理，提取每个频率对应的空间相位复数因子；
所述的傅里叶变换器与子带相关器连接，其作用是通过傅里叶变换，将N个相位周期变化的离散复数样本构成的序列转化为正常波束。
所述的空间2元天线阵包括：阵元1和阵元2，两者在不同的空间位置接收目标发射的非零带宽微波信号；
所述的接收机包括：接收机1和接收机2，两者分别将阵元1和阵元2接收的微波信号转换为基带信号。
作为上述技术方案的进一步细化，所述的子带分割器包括：子带分割器1和子带分割器2；
所述的子带分割器1将来自接收机1的基带信号分割为N个子带；
所述的子带分割器2将来自接收机2的基带信号分割为N个子带。
作为上述技术方案的进一步细化，所述的子带相关器包括：同频子带复共轭相乘器和同频子带积分器；
同频子带复共轭相乘器将每1个来自子带分割器1的子带，与来自子带分割器2的相同频率子带进行复共轭相乘；
同频子带积分器对每个同频子带复共轭相乘器产生的输出序列进行积分，产生N个相位周期变化的离散复数样本。
这种适用于非零带宽信号的频带采样微波被动观测系统的优点在于：
1，该系统基于频带采样而非空间采样，用2个阵元即可生成正常波束。而前文已述，基于空间采样的现有系统，理论上无法用2个阵元生成正常波束；
2，在生成正常波束的前提下，本专利提出的系统所需的天线阵元个数远远少于现有微波被动观测系统所需的阵元个数，硬件复杂度和成本显著降低。
附图说明
图 1空间采样微波被动观测系统的波束形成原理示意图。
图 2频带采样微波被动观测系统的波束形成原理示意图。
图 3一种适用于非零带宽信号的频带采样微波被动观测系统结构框图。
图 4信号处理流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。
图 2为频带采样微波被动观测系统的波束形成原理示意图。通过频带采样实现波束形成的原理是：2元阵条件下，由于窄带信号的带宽不等于0，因此可认为窄带信号中包含大量不同频率的单频波。本发明进一步假定：整个频带内只存在有限个不同频率的单频波。
第n个单频波（n=1,2,3,…,N）的频率为：f0+(n-1)Δf，其中f0是第1个单频波的频率，Δf是频率的步进值。
阵元1观测到的第n个单频波对应的空间相位复数因子可以表示为：
其中ra1为目标与阵元1之间的距离；类似地，阵元2观测到的第n个单频波对应的空间相位复数因子可以表示为：
其中ra2为目标与阵元2之间的距离；2个空间相位复数因子做相关，可得：
因此，阵元1观测到的每个单频波与阵元2观测到的相同频率的单频波做相关，就可形成一个样本数为N的，相位周期变化的离散复数序列。对该序列进行傅里叶变换，就可形成单一主峰波束。
若观测信号为包含频率数目无限多的连续频带，可通过滤波将频带分割为N个子带，然后相同中心频率的子带进行相关，同样可以生成样本数为N的，相位周期变化的离散复数序列。
此外，只有目标发射的信号为非零带宽信号时，才能采用频带采样方法形成波束。若目标发射零带宽单一频率信号，则只能产生1个空间相位复数因子，对其进行傅里叶变换无法产生正常波束。
以下结合频带采样波束形成的基本原理，进一步解释频带采样微波被动观测系统的具体实施方式。
图 3为一种适用于非零带宽信号的频带采样微波被动观测系统结构框图。图 4为信号处理流程示意图。
其中，空间2元天线阵（1）包括阵元1（6）和阵元2（7），两者在不同的空间位置接收目标发射的非零带宽微波信号。
接收机（2）包括：接收机1（8）和接收机2（9），两者分别将阵元1（6）和阵元2（7）接收的微波信号转换为基带信号。
子带分割器（3）包括：子带分割器1（10）和子带分割器2（11）；
子带分割器1（10）将来自接收机1（8）的基带信号分割为N个子带；
子带分割器2（11）将来自接收机2（9）的基带信号分割为N个子带；为确保形成正常波束，相邻子带中心频率之差必须足够小，以确保频带充分采样。
子带相关器（4）包括：同频子带复共轭相乘器（12）和同频子带积分器（13）；
同频子带复共轭相乘器（12）将每1个来自子带分割器1（10）的子带，与来自子带分割器2（11）的相同频率子带进行复共轭相乘；
同频子带积分器（13）对每个同频子带复共轭相乘器（12）产生的输出序列进行积分，产生N个相位周期变化的离散复数样本；积分操作是为了滤除干扰信号。
傅里叶变换器（5）与子带相关器（4）连接，其作用是通过傅里叶变换，将N个相位周期变化的离散复数样本构成的序列转化为正常波束。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种适用于非零带宽信号的频带采样微波被动观测系统，包括：空间2元天线阵（1），接收机（2），傅里叶变换器（5）；其特征在于，该系统还包括：子带分割器（3），子带相关器（4）；
所述的空间2元天线阵（1）与接收机（2）连接，其作用是接收目标发射的微波信号并传递给接收机（2）；
所述的接收机（2）分别与空间2元天线阵（1）和子带分割器（3）连接，其作用是将来自天线的微波信号转换成基带信号；
所述的子带分割器（3）分别与接收机（2）和子带相关器（4）连接，其作用是将来自接收机（2）的基带信号分割成若干个子带；
所述的子带相关器（4）分别与子带分割器（3）和傅里叶变换器（5）连接，其作用是将阵元1和2的同频子带进行相关处理，提取每个频率对应的空间相位复数因子；
所述的傅里叶变换器（5）与子带相关器（4）连接，其作用是通过傅里叶变换，将N个相位周期变化的离散复数样本构成的序列转化为正常波束；
所述的空间2元天线阵（1）包括：阵元1（6）和阵元2（7），两者在不同的空间位置接收目标发射的非零带宽微波信号；
所述的接收机（2）包括：接收机1（8）和接收机2（9），两者分别将阵元1（6）和阵元2（7）接收的微波信号转换为基带信号。
2.根据权利要求1所述的一种适用于非零带宽信号的频带采样微波被动观测系统，其特征在于：所述的子带分割器（3）包括：子带分割器1（10）和子带分割器2（11）；
子带分割器1（10）将来自接收机1（8）的基带信号分割为N个子带；
子带分割器2（11）将来自接收机2（9）的基带信号分割为N个子带。
3.根据权利要求1所述的一种适用于非零带宽信号的频带采样微波被动观测系统，其特征在于：所述的子带相关器（4）包括：同频子带复共轭相乘器（12）和同频子带积分器（13）；
同频子带复共轭相乘器（12）将每1个来自子带分割器1（10）的子带，与来自子带分割器2（11）的相同频率子带进行复共轭相乘；
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