基于子陣處理的寬帶波束形成的單脈沖測向

關鍵詞：寬帶；單脈沖測向；子陣處理；單脈沖比鑒角曲線

中圖分類號：ＴＮ９６８．４ 文獻標志碼：Ａ DOI：１０．１２３０５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１５０６Ｘ．２０２４．１２．０２

０引言

單脈沖測角只需要一個回波脈沖就可以確定目標的角誤差信息，操作簡單，實時性強，測角精度高，抗干擾能力強［１２］。數字波束形成（ｄｉｇｉｔａｌｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ，ＤＢＦ）技術的發展更使得單脈沖技術可以通過軟件方式實現，單脈沖技術表現出更好的靈活性，被廣泛應用在雷達、聲吶、無線通信、無源探測等領域［３５］。相較于窄帶雷達，寬帶雷達具有距離分辨率高、抗雜波能力強、攜帶信息量多、參數估計精度高等特點［６］。目前，大多數現代雷達系統中的目標到達方向估計都是通過單脈沖角度估計技術來實現的，且寬帶單脈沖雷達的目標檢測概率更高，目標的角度估計更精確［７８］，因此研究寬帶雷達的單脈沖角度估計具有重要意義。

傳統的單脈沖測向方法主要有兩種［９］。第一種是直接比相法［１０］，通過利用兩個同型陣列接收信號之間的相位差估計目標方位角度。第二種是和／差波束法［１１］，通過和波束與差波束的比值來進行測向，常見的和／差波束法有半陣法、加窗法和雙指向法［１２１３］。然而，目前大部分單脈沖測向方法都是基于窄帶信號發展的，涉及寬帶信號的比較少［１４２１］。

單脈沖測向是基于波束形成開展的。寬帶波束形成主要分為兩種方式［２２］，分別是空頻方法［２３２４］和空時方法［２５２７］。空頻方法的基本思想是將寬帶數據分解為不重疊頻帶上的窄帶數據，然后對每個頻點的數據，利用窄帶的方法進行處理。但是，這種處理需要進行多次的傅里葉變換才能合成最終的波束，操作復雜，計算量大。同時，由于各子頻帶頻點不一樣，在空頻處理中，主瓣寬度會隨頻點降低而展寬，一致性差。空時處理的基本思想是利用時間延時器進行預處理，以補償期望信號到達不同陣元的時間差和相位差，然后再進行波束形成［２８］。空時處理的波束圖中主瓣一致性情況較好。

對于寬帶信號單脈沖測向問題，文獻［６］提出一種面向寬帶線性調頻（ｌｉｎｅａｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＬＦＭ）信號的基于互相關的單脈沖角度估計算法，該算法通過對寬帶雷達的不同陣面接收到的雷達回波進行互相關處理，達到積累回波信號中同一個目標的不同散射點能量的目的，從而完成目標角度估計。然而，該方法的互相關處理會造成一定程度上的信噪比（ｓｉｇｎａｌ-ｔｏ-ｎｏｉｓｅｒａｔｉｏ，ＳＮＲ）損失，故而在輸入ＳＮＲ 較低時測角誤差較大。文獻［２９］提出一種基于回波信號本身、通過恒虛警檢測和邊界點甄別確定目標距離支集、從而實施單脈沖測角的最大似然估計算法，然而該方法并未考慮鑒角曲線中寬帶信號的頻率處理問題。文獻［３０］提出一種基于均勻線陣的無需預延遲處理寬帶空時處理結構的自適應和／差波束形成與測角方法，該方法基于空時結構，利用線性約束最小方差求得和波束權向量，對和波束權向量進行修正，得到差波束權向量，以抑制干擾和估計期望信號的來波方向。

然而，對于大型陣列，通常在模擬端采用子陣結構，從而減少模擬數字（ａｎａｌｏｇ-ｔｏ-ｄｉｇｉｔａｌ，Ａ／Ｄ）轉換器通道和系統計算量。但是，現有針對寬帶信號的單脈沖測向方法未考慮這種結構，因此缺少基于子陣處理的寬帶單脈沖測向的單脈沖比鑒角曲線研究。并且在實際應用中，處理的數據往往為匹配濾波后的數據，和波束與差波束處理的信號均選取匹配濾波后和波束幅值最大值對應時刻的數據。此外，和／差波束的幅值會影響輸出ＳＮＲ。然而，以上方法均未考慮匹配濾波對鑒角曲線的影響，因此只有在輸入ＳＮＲ較高時才能獲得較好的估計精度。這些方法也忽略了大孔徑陣列鑒角曲線線性區間過小的問題，且未考慮解模糊這一問題，只按線性關系計算，或目標來向在相位模糊區域時，會導致測向算法在波束指向角偏差較大時估計誤差較大，因此適用的波束指向角偏差范圍小。

針對上述這些問題，對寬帶ＬＦＭ 信號，基于子陣內補相、子陣間補時延的寬帶波束形成，本文提出一種考慮匹配濾波影響的單脈沖測向法。首先，介紹大孔徑陣列下基于子陣處理的寬帶波束形成技術，以及常規的不考慮匹配濾波影響的單脈沖測向方法，并剖析該方法測向存在的問題。然后，分析匹配濾波對和波束輸出最大值幅度以及對應時刻的影響，進而推導出匹配濾波后更精確的單脈沖鑒角曲線。最后，基于該鑒角曲線發展一種適用角度偏差范圍更寬的角度估計方法。

１基于子陣處理的寬帶波束形成和未考慮匹配濾波的單脈沖測向鑒角曲線

１．１基于子陣處理的寬帶波束形成

為了減小計算量和降低成本，大型寬帶陣列可以通過子陣內模擬端補相后經Ａ／Ｄ轉換、在數字端再通過子陣間補時延以進行波束形成。具體的基于子陣處理的寬帶數字陣結構如圖１所示。

如圖１所示，均勻線陣共有犖個陣元，犔個子陣，每個子陣包含的單元數為M，則有M＝N／L。陣列中相鄰天線間距為d，d為寬帶數字陣雷達信號最大頻率對應的波長的一半。雷達常用的寬帶信號形式之一是ＬＦＭ 信號。在此考慮最左邊第１個陣元，其接收的ＬＦＭ 信號為s（t）ｅ^ｊω_０t，假定信號入射角度為θ_０。具體地，有：

作者簡介

于少筠（１９９９—），女，碩士研究生，主要研究方向為到達角估計、寬帶波束形成。

謝菊蘭（１９８１—），女，副教授，博士，主要研究方向為數字波束形成、到達角估計、自適應陣列信號處理。

何子述（１９６２—），男，教授，博士，主要研究方向為自適應空時信號處理、干擾與雜波抑制理論與算法、目標檢測與參數估計、ＭＩＭＯ 雷達、認知雷達。

李會勇（１９７５—），男，教授，博士，主要研究方向為陣列信號處理、自適應信號處理、ＭＩＭＯ系統。