本發(fā)明屬于天線工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及雷達探測與陣列信號處理，具體來說是一種基于周期性時間調(diào)制并采取兩種時序協(xié)同工作的收發(fā)共用四維天線陣列，可靈活用于不同探測需求的雷達測向系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1963年，美國學(xué)者Kummer等人提出了時間調(diào)制天線陣的概念：通過對天線激勵的周期性通斷，可以在“時間”維控制天線的輻射孔徑尺寸。時間調(diào)制天線陣列屬于四維天線陣的一種。四維天線陣列采用射頻開關(guān)按照預(yù)定的工作時序控制每個單元的工作狀態(tài)，使天線陣的口徑隨時間變化，即具有時間調(diào)制特性，從而大大增加天線陣的設(shè)計自由度。四維天線陣在綜合低/超低副瓣方向圖與賦形波束方面很有優(yōu)勢，已經(jīng)取得諸多成果。近年來，四維天線陣的工程應(yīng)用研究日益受到重視。目前已有關(guān)于四維天線陣在同時多波束掃描、脈沖多普勒雷達、保密通信等應(yīng)用的文獻報道。作為一種設(shè)計靈活性很強的新型陣列天線，四維天線在雷達與通信領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用空間與潛在優(yōu)勢。目前，關(guān)于四維天線陣在雷達測向中的應(yīng)用還未見報道。

無線電測向技術(shù)作為無線電監(jiān)測、技術(shù)偵查和電子對抗的一項重要的技術(shù)手段，已得到業(yè)界越來越多的關(guān)注。根據(jù)測向原理的不同，測向體制可分為幅度法、相位法、多普勒法、時間差法和空間譜估計法等。其中最常用的是幅度法測向與相位法測向。幅度法依據(jù)無線電波的等速直線傳播特性，利用天線的方向性引起的接收信號幅度變化來測定方向；相位法測向的物理基礎(chǔ)是無線電波等速直線傳播中在不同距離上產(chǎn)生相位差。幅度法測向原理簡單、設(shè)備建設(shè)成本低，是使用最早、工程上使用最廣的無線電測向技術(shù)，該技術(shù)又包括最大信號法、最小信號法、等信號法、信號比較法等。

在公開號為CN 105929361A的專利中，一種單天線最優(yōu)化比幅無線電測向系統(tǒng)被提出。該系統(tǒng)采用一付已知方向特征的和定單向的定向天線接收無線電信號，并對接收到的無線電信號進行處理，通過最優(yōu)化方法進行測向。雖然該系統(tǒng)對部件的一致性要求不高，但是由于使用定向輻射的單天線，在使用時天線需要機械旋轉(zhuǎn)。相對于電掃描，機械掃描速度較慢，會影響測向速度；而且機械掃描的波束指向偏差較大，會影響到系統(tǒng)測向精度；此外這種技術(shù)本質(zhì)上是比幅法測向，在干擾與噪聲環(huán)境下，性能會急劇下降。

在公開號為CN 102478652A的專利中，一種基于移動平臺的多普勒頻差測向法被提出。該方法利用三個天線構(gòu)造出兩基線相互垂直的L形陣列，且其中一個基線平行于移動平臺的縱軸，另一個基線垂直于移動平臺的縱軸。利用兩個和縱軸平行的天線陣列所接收到的多普勒頻差，按方向余弦變化率得到入射波的正弦角；利用兩個和縱軸垂直的天線陣列所接收到的多普勒頻差，按方向余弦變化率得到入射波的余弦角。所得到的方向正切角僅與已知的多普勒頻差和基線長度相關(guān)。本發(fā)明實現(xiàn)方法簡單，適用于寬頻帶工作和多目標探測。但是該技術(shù)基于移動平臺，應(yīng)用范圍有限；而且通過機械運動產(chǎn)生的多普勒頻率差，其量級在100Hz以下，信號處理系統(tǒng)檢測難度很大，實際上會影響測向精度。

面對以上應(yīng)用需求，本發(fā)明提出一種基于四維天線陣的多普勒測向裝置，利用四維天線陣單向相位中心運動產(chǎn)生多普勒頻率，且對不同方向的回波信號該頻率數(shù)值不同，通過測定回波信號的多普勒頻率分量，即可確定目標方向。與常規(guī)測向方法相比，本文所提方法的系統(tǒng)實現(xiàn)較為簡單；而且測向范圍與測向精度同時與接收天線任意時刻導(dǎo)通單元數(shù)有關(guān)，在應(yīng)用時，可以根據(jù)情況實時改變導(dǎo)通單元個數(shù)，靈活地調(diào)整測向范圍與測向精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明鑒于上述背景而實現(xiàn)，目的在于利用四維天線陣相位中心運動產(chǎn)生的多普勒頻率，提出一種基于四維天線陣的雷達測向裝置。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案?？紤]一個N單元等間距d排布的四維天線陣。脈沖信號帶寬為B(脈沖時域?qū)挾萒＝1/B)，脈沖重復(fù)周期T_p(脈沖重復(fù)頻率prf＝1/T_p)。天線發(fā)射時的工作時序記為天線接收時的工作時序記為高速射頻開關(guān)的時間調(diào)制周期為T_m＝T。

天線工作于接收時，任意時刻保持M個單元導(dǎo)通并且持續(xù)時間為τ，天線相位中心從左向右移動。則

等效的相位中心運動的速度為

V_p＝(N-M)B·d (2)

相位中心的運動使得信號產(chǎn)生多普勒頻移，偏離法線θ處多普勒頻率為

如果天線的中心工作頻率為f₀，四維天線天線陣發(fā)射的信號為

假若待測目標位于θ₀方向，與天線距離R，四維天線陣接收到的目標回波信號為

觀察式(3)、(5)可以發(fā)現(xiàn)，在采用單向相位中心運動時序的四維天線陣進行發(fā)射/接收時，信號的載波存在多普勒頻移，載波頻率由f₀變?yōu)閒₀+f_d而且此頻移具有方向性。在陣列法線方向的輻射信號或來波信號多普勒頻移為零，偏離法向角度越大，信號的多普勒頻移越大。相位中心運動方向迎向觀測點時，多普勒頻移為正；背離觀測點時，多普勒頻移為負。因此，利用四維天線陣(單向相位運動中心調(diào)制時序)對不同方向目標回波信號的多普勒頻移量，可測定目標的角度信息。

從圖3(d)可發(fā)現(xiàn)，當f_d>prf/2時，譜線f_d會超過prf-f_d，無法正確提取多普勒頻率，這時出現(xiàn)頻閃。如果將相位檢波器輸出脈沖串的包絡(luò)調(diào)制頻率(即測向系統(tǒng)識別出的“多普勒頻率”)記為F_d，當f_d≤prf/2時，F(xiàn)_d＝f_d；當f_d>prf/2時，檢測到的F_d并不等于實際的多普勒頻率f_d。圖4刻畫了F_d隨f_d的變化規(guī)律。頻閃會導(dǎo)致測向模糊，測得的角度不是目標真實方位角。欲避免測向模糊，須滿足

f_d≤prf/2 (6)

將式(6)代入式(3)，得

式(7)推導(dǎo)出了該測向系統(tǒng)的測向范圍，所能測定的目標最大偏角為超過這個角度的目標，不能準確測定方向信息。最大測角范圍由單元間距(d/λ)、脈沖重復(fù)頻率/信號帶寬比(prf/B)、接收天線任意時刻斷開單元數(shù)(N_r-M)決定。

將式(3)兩邊同時微分，得

式(8)推導(dǎo)出該測向系統(tǒng)的測向精度?？梢园l(fā)現(xiàn)，如同常規(guī)測向方法，基于四維天線陣的測向系統(tǒng)，其測向范圍與測向精度依然是一對矛盾。提高測向精度，會導(dǎo)致測向模糊，嚴重限制了測角范圍。區(qū)別于常規(guī)測向方法的是，基于四維天線陣的測向系統(tǒng)，其測向范圍(或測向精度)同時與N-M相關(guān)。因此在雷達探測過程中，可以根據(jù)具體情況，適時動態(tài)地改變N-M，以滿足測向范圍與測向精度的要求。例如，在目標搜索初期，減小N-M，盡可能增大測向范圍；發(fā)現(xiàn)目標后，此時目標已在主波束附近，可以調(diào)整時序使N-M變大，以提升測向精度。

附圖說明

圖1為包含8個單元的四維天線陣多普勒測向系統(tǒng)原理框圖。圖中從上到下依次是：(1)天線單元；(2)移相器；(3)射頻開關(guān)；(4)復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)控制板；(5)系列信號處理器件。

圖2為該測向系統(tǒng)四維天線陣的工作時序。其中，該時序在發(fā)射階段保持天線相位中心固定；在接受階段保持天線相位中心單向運動。

圖3為測向各個階段的信號頻譜。圖3(a)為四維天線陣發(fā)射出的脈沖頻譜；圖3(b)為四維天線陣接收到的的脈沖頻譜；圖3(c)為振蕩器發(fā)出的用于混頻的相參電壓頻譜；圖3(d)為相位檢波器的輸出頻譜，即相參電壓與接收信號的差頻。

圖4為相位檢波器輸出脈沖串的包絡(luò)調(diào)制頻率F_d與實際的多普勒頻率f_d之間的關(guān)系圖。

圖5為不同的N-M情況下F_d與θ之關(guān)系圖，圖中豎直彩線所夾范圍即為相應(yīng)的測向范圍。

具體實施方案

圖1給出了該基于四維天線陣的測向系統(tǒng)的一個具體實施例的原理框圖。整個測向系統(tǒng)由天線振子，移相器，射頻開關(guān)，復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)，功率放大器，脈沖調(diào)制器，連續(xù)振蕩器，混頻器，中頻放大器，相位檢波器，多普勒濾波器等組成。天線收發(fā)共用，包含N＝8個均勻排布的單元，單元間距均為半個波長。每個陣元連接一個射頻開關(guān)，射頻開關(guān)周期性的通斷對天線陣施以時間調(diào)制。

在天線發(fā)射階段，采用可變口徑尺寸時序(VAS)對陣列進行調(diào)制；在天線接收階段，采用單向運動相位中心時序(BPCM)對陣列進行調(diào)制。圖2給出了這種時序的具體形式。發(fā)射時天線相位中心任意時刻都不變，一直位于其幾何中心，因此輻射波沒有多普勒頻移。接收時陣列任一時刻有M＝7個單元導(dǎo)通，其相位中心隨時間變化，周而復(fù)始地從左向右移動，因此接收到的目標回波的載波頻率發(fā)生多普勒頻移。時序函數(shù)的加載是通過復(fù)雜可編程邏輯器件實現(xiàn)的。

待測目標位于方位角θ處。連續(xù)振蕩器產(chǎn)生連續(xù)信號，被脈沖調(diào)制器轉(zhuǎn)換為脈沖信號(信號帶寬B＝200kHz)，經(jīng)功率放大后由發(fā)射天線輻射出去。目標的回波信號被接收后，由于天線相位中心運動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，載波頻率發(fā)生變化。從發(fā)射機引入基準電壓，將目標回波信號下變頻，進行相干檢波后輸出差頻電壓，通過多普勒濾波器濾除高頻分量，只保留多普勒頻率分量。

圖3給出各個階段信號的頻譜。矩形信號的頻譜是中心頻率為零的辛克函數(shù)，發(fā)射脈沖是矩形函數(shù)的周期化，并對其進行高頻調(diào)制，所以發(fā)射信號的頻譜是矩形函數(shù)頻譜的離散化，并進行了搬移，中心頻率為f₀＝2GHz，譜線間隔為脈沖重復(fù)頻率prf＝100kHz，如圖3(a)所示。由于接收天線相位中心運動產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，接收到的目標回波信號頻譜存在多普勒頻移f_d，如圖3(b)所示。相位檢波器輸出的是相參電壓(圖3(c))和接收信號的差頻，信號頻譜又被搬移到零頻附近，譜線出現(xiàn)在n*prf±f_d的位置，如圖3(d)所示。最后經(jīng)過多普勒濾波器，濾除高頻分量，只保留多普勒頻率分量f_d，就可以測定目標相對于雷達的方向信息。

這種基于四維天線陣的測向方法，四維天線陣單向相位中心運動產(chǎn)生多普勒頻率，且對不同方向的回波信號該頻率數(shù)值不同，通過測定回波信號的多普勒頻率分量，即可確定目標方向。與常規(guī)測向方法相比，本文所提方法的系統(tǒng)實現(xiàn)較為簡單。同時，時間調(diào)制能精細靈活地調(diào)控波束特性，使得方向圖具有更低的最大副瓣電平與更低的平均副瓣電平。與常規(guī)測向方法相比，本文所提方法的測量精度較高(df_d/dθ>1600Hz/度，多普勒頻譜易識別)。測向范圍與測向精度同時與接收天線任意時刻導(dǎo)通單元數(shù)M有關(guān)，在應(yīng)用時，可以根據(jù)情況實時改變導(dǎo)通單元個數(shù)，以調(diào)整測向范圍與測向精度。而常規(guī)測向系統(tǒng)一旦搭建好，是無法改變硬件結(jié)構(gòu)的，在使用時也就無法改變測向范圍與測向精度，并且由于測向范圍和測向精度是一對矛盾，必然導(dǎo)致顧此失彼(測向范圍與測向精度只能遷就其一)。

前面已經(jīng)描述本發(fā)明的一個具體實施例，應(yīng)該理解這只是以一種示例形式被提出，并無限制性。因此，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下可以作出多種形式上和細節(jié)上的變更，這對于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的，無需創(chuàng)造性勞動。上述這些都應(yīng)被視為本發(fā)明的涉及范圍。