一种子阵级DAR同时多波束拟合测角方法

摘要:针对数字同时多波束技术在子阵级数字阵列雷达中的应用问题,提出了一种适用于子阵级数字阵列雷达的同时多波束测角方法。首先介绍了如何通过数字加权的方式形成同时接收多波束,然后基于比幅法建立了同时多波束拟合测角模型,给出了同时多波束拟合测角方法的实现流程和具体步骤,最后进行仿真验证及分析。仿真结果表明:该方法具有与数字和差单脉冲相当的测角精度,且在保持一定测角精度的情况下,同时多波束拟合测角方法可以获得更宽的测角范围,具有良好的工程化应用价值。

关键词:数字阵列雷达;同时多波束;拟合测角;单脉冲测角;工程化应用

0 引言

近年来,子阵级数字阵列雷达(DAR)技术由于其灵活的数字波束形成技术得到快速发展和应用。子阵级数字阵列雷达具有同时多波束[1]形成能力,与常规的单个接收波束相比,同时接收多波束处理可以降低空域搜索时间,充分利用发射波束能量,降低波束跨越损耗,提高雷达的平均作用距离。

与常规机载相控阵雷达[2]不同的是,子阵级数字阵列雷达不仅可以采用数字和差单脉冲技术,还能采用同时接收多波束测角技术,其优势在于:一是与数字和差单脉冲测角[3]精度基本相当;二是可以扩大瞬时测角范围,有利于雷达大范围搜索或目标丢失重照时快速捕获目标。数字同时多波束技术目前在地基雷达中已经得到广泛应用,在机载雷达中也逐步得到了应用。

检索相关文献后发现,有一些针对数字多波束形成技术进行讨论的文献,但具体到针对数字同时多波束测角的文献鲜有报道。Kai-Bor Yu[4-5]提到同时5个波束形成及其单脉冲斜率曲线的粗略讨论,李杰涛等[6]针对一维相控阵雷达研究了一维同时多波束测角方法。本文针对二维子阵级数字阵列雷达研究了一种同时多波束拟合测角算法。

本文首先介绍二维同时接收多波束形成方法,然后给出同时多波束测角方法原理和实现流程,最后进行仿真验证,并与数字和差单脉冲测角进行性能对比,仿真结果验证了该方法的正确性和有效性,可以为同时多波束测角算法工程化设计提供参考。

1 数字同时接收多波束形成

数字同时接收多波束形成主要有两种实现方法[7]:一种是直接对子阵通道采样数据直接加权进行N组分别加权,同时形成N个波束;另外一种是对子阵通道采样数据进行N点FFT变换形成N个波束。采用分别加权的方法灵活性大,各个波束最大值方向可以任意选取,灵活性好。采用FFT方法运算量小,便于硬件模块化实现,但是该方法各个波束最大值之间的间距不能改变,灵活性较差。方法一原理简图如图1所示。

图1 分别加权同时多波束形成示意图

为了要形成第k个接收波束(其接收波束的指向为θBk),则对各个接收波束应分别提供该接收波束所需要的“阵内相位差”。

对于二维阵面,以形成第k个接收波束为例,应提供的天线阵内相位误差补偿值为

定义式(1)中(ξyi,ξzi)为第i个子阵相位中心坐标,式中利用 Δθ0≪1且Δφ0≪1时,有cosΔθ0≈1,cosΔφ0≈1,sinΔθ0≈Δθ0,sinΔφ0≈Δφ0,ΔϕB0由子阵延时单元和移相器提供,剩余部分由数字加权补偿。根据当前波束指向俯仰角θ0、方位角φ0,以Δθ0,Δφ0为波束间隔计算第k个接收波束形成权向量W=ae-jΔ,a=[a1,a2,…,ai,…],

其中ai为第i个子阵幅度加权值。

2 同时多波束测角原理及实现

2.1 数字同时多波束测角建模

以三波束为例,建立比幅测角原理图,如图2所示,F(θ1),F(θ2)和F(θ3)分别为形成的相邻三波束功率方向图,对应各自波束指向方向分别为θ1=θ0-Δθ0,θ2=θ0和θ3=θ0+Δθ0,其中θ0为雷达当前波束中心指向角,Δθ0为波束指向角度偏移量,θT代表目标来波方向。

测角原理如下:对3个接收波束功率方向图,选择两个目标方向增益相对较大者(F(θ2)和F(θ3))进行比较(增益大者在前),以Δθ为变量,可以确定一条曲线K(Δθ),该曲线可以用

进行拟合近似得到。

雷达接收回波时,对于相邻三波束,选取两路目标功率较大者进行比较,可以根据式(2)、式(3)确定相应的

进而可以确定目标所在的精确位置。目标角度计算公式如下:

式中,θTemp为目标信号功率最大所在波束号对应的波束指向角。

2.2 实现方法及步骤

图3示出了单发5收波束示意图,图4示出了同时多波束拟合测角实现流程。

图4 同时多波束拟合测角实现流程

步骤1 当前频点、当前雷达波束指向下角度参数拟合值

获取。事先设定角偏移Δδ0,雷达波束指向角为δ和δ+Δδ0时,天线功率方向图分别表示为F(δ)和F(δ+Δδ0),则可以根据式(2)、式(3)可以得到当前频点、当前雷达波束指向角下的角度参数拟合值

步骤2 重复步骤1获得不同频点、不同波束指向角下的角度参数拟合值

并进行存储(频点间隔、波束指向角步进根据实际测角精度要求确定)。

步骤3 目标落入的主波束号判定。对经过相关处理后同一距离门、频率门上目标的方位向三路CFAR检测结果进行功率排序选大,记下功率最大的波束号Num、功率次大的波束号Num1以及对应的目标功率PNum,PNum1;当前雷达中心波束的指向角δ0。

步骤4 计算目标方位角粗略值。根据目标落入的最大的波束号Num对应的方位角偏移ΔδNum计算目标方位角粗略值δrough=δ0+ΔδNum。

步骤5 根据当前雷达载频利用查表法选择事先存储的方位角参数拟合值

根据式(2)、式(3),将F(θ2)和F(θ3)分别用PNum,PNum1代替计算方位角误差

3 仿真结果及分析

3.1 仿真条件

设置非均匀64子阵划分阵面,单个子阵阵元数20～40不等;阵元间距约半波长,X波段载频。假设子阵级、阵元级两级幅相误差均服从均匀分布,设置主要仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数表

注:表中波束指向方位角在前,下同。

下面以信噪比作为变量仿真该方法下的测角精度,仿真中以均方根误差作为测角精度评价指标进行统计分析。

3.2 仿真结果

图5(a)、(b)分别给出了图3所示的方位向、俯仰向同时三波束形成示意图。

可以看出,中心波束(波束3)第一副瓣约为-40 d B,其余几个波束的第一副瓣有不同程度的抬高,且波束1,2,4,5增益略低于中心波束。原因是多波束形成过程中的额外加权破坏了原有的幅度权,使得主瓣增益下降,副瓣抬高。

图6为相邻两波束增益比示例图。可以看到,拟合曲线可以较好地表征实际增益曲线。

图7为蒙特卡洛实验仿真结果。结果表明,在其他仿真条件一定的情况下,随着信噪比由0 dB逐渐增加至30 dB,数字同时接收多波束测角精度逐渐收敛。以信噪比15 dB为例,角偏移量分别为(0°,0°),(0.8°,0.8°)和(1.5°,1.5°)时,方位向测角精度分别可以达到0.12°,0.1°和0.17°,俯仰向测角精度分别可以达到0.12°,0.08°和0.19°。当然,由于拟合偏差的存在,不同角偏移情况下的测角精度也存在一定的差异。当角度偏移较大时,测角误差也稍偏大。

图8给出了与数字和差单脉冲测角性能对比结果,仿真中方位、俯仰角度偏移均取-0.6°。

图8仿真结果表明:在相同仿真条件下,数字同时多波束测角与数字和差测角精度基本相当。在保持一定测角精度的前提下,数字和差法测角范围只能覆盖单个波束,而同时多波束拟合测角法可以同时覆盖多个波束,图9给出了仍以三波束为例的测角范围示意图。

图6 相邻两波束增益比及拟合曲线示例

图7 不同角偏移量下的测角结果示例

图8 与数字和差单脉冲测角性能对比

当然,需要注意的是,两种方法测角精度是否相当,与波束间隔控制、加权方式选取等影响因素有关。

4 结束语

本文提出了一种基于子阵级数字阵列雷达的同时接收多波束拟合测角方法。首先介绍了数字同时接收多波束形成原理,随后建立了同时多波束测角模型,给出了具体实现方法及步骤,仿真分析结果表明该方法正确可行,且与数字和差单脉冲测角精度相当,具有较强的工程实用价值。

[1]邓金花,谢菊兰.一种接收相干信号的盲多波束形成方法[J].雷达科学与技术,2015,13(6):567-571.DENG Jinhua,XIE Julan.A Blind Beamforming Method for Receiving Coherent Signals[J].Radar Science and Technology,2015,13(6):567-571.(in Chinese)

[2]娄宝芳,刘志国.一种高性价比的相控阵雷达新技术[J].雷达科学与技术,2015,13(3):245-248.LOU Baofang,LIU Zhiguo.A New Low-Lost Technology on Phased Array Radar[J].Radar Science and Technology,2015,13(3):245-248.(in Chinese)

[3]杨晓倩,刘海波,姜菡,等.基于数字阵列雷达的单脉冲测角技术研究[J].空军预警学院学报,2013,27(3):184-187.

[4]YU K B.Digital Beamforming of Multiple Simultaneous Beams for Improved Target Search[C]∥IEEE Radar Conference,Pasadena,CA:IEEE,2009:1-5.

[5]YU K B,FERNANDEZ M F.Digital Beamforming of Sub-Aperture Cluster Beams with Enhanced Angle Estimation Capabilities[C]∥IEEE Radar Conference,Cincinnati,OH:IEEE,2014:239-244.

[6]李杰涛,陈国际,李伟,等.DBF同时多波束测角方法研究及工程实现[J].火控雷达技术,2013,42(2):19-22.

[7]张光义,赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京:电子工业出版社,2006:293-297.

An Approach for Simultaneous Multi-Beam Fitting Angle Measurement in Digital Array Radar at Subarray Level

LIU Yangtao,LI Xiaoming,CAO Shuhua
(AVIC Leihua Electronic Technology Research Institute,Wuxi214063,China)

Abstract:Aiming at the application of digital simultaneous multi-beam technology in subarray-level digital array radar,a multi-beam fitting angle measurement method for subarray-level digital array radar is proposed.First,an approach to form simultaneous multiple beams by digital weighting is introduced.Then a fitting angle estimation model based on amplitude comparison method is established,and its implementation flow and steps are described.At last the simulation and analysis are carried on.The angle estimation precision is equal to that of digital monopulse angle estimation according to simulation results.And the angle estimation method can provide a wider range of angle measurement under the condition of keeping certain angle measuring accuracy.It is valuable for engineering application.

Key words:digital array radar;simultaneous multi-beam;fitting angle estimation;monopulse angle estimation;engineering applications

刘洋涛男,1984年出生,湖北京山人,硕士,工程师,主要研究方向为雷达系统、阵列信号处理。

李晓明男,1981年出生,河南漯河人,博士,高级工程师,主要研究方向为雷达系统、阵列信号处理。

曹书华男,1981年出生,安徽宿州人,硕士,高级工程师,主要研究方向为雷达系统。