時分復用信道的天線陣系統及其信號處理方法
2023-05-27 22:58:46
專利名稱：時分復用信道的天線陣系統及其信號處理方法
技術領域：
本發明屬於時分復用信道的天線陣設計領域，特別涉及一種用於在微波頻段的脈衝雷達和連續波雷達中對靜止或運動目標方向進行方位檢測的時分復用信道的天線陣結構設計。
在現代信號檢測系統中，常要獲得目標的方位，通常有以下三種技術機械掃描天線，相控陣和多通道陣列。相控陣天線的系統造價太高，在頻率較高時(如毫米波波段)實現難度非常大，不適於普及型民用系統使用；而機械掃描天線的穩定性又不好，因此當前廣泛使用多通道天線陣列。多通道天線陣列的結構如
圖1所示，包括多個天線構成的陣列，每個天線通過各自的收發信道設備與一個信號處理器相連，該多通道天線陣列的工作過程如下1、天線陣列中天線同時工作經過各自的收發信道設備發射接收信號(在脈衝雷達中發射接收在不同時間段進行，連續波雷達是發射接收同時進行)；2、信號處理器對各天線信道接收信號進行採樣，將各通道獲得的數據緩存在RAM中；3、計算協方差矩陣；4、如果採用空間超分辨方法(MUSIC、ESPRIT)，則計算特徵值和特徵向量，如採用快速傅立葉變換(FFT)這一步可省略；5、構造空間譜函數；6、進行譜峰搜索並獲得目標方位。
上述的3-6步在信號處理器中實現。
這種多通道天線陣列存在三個問題第一．從其結構圖1中可見，每個天線單元需要一套收發信道設備，當實現高空間分辨力的天線陣列時，天線陣元增多，成本變高。
第二．為獲得好的空間目標分辨力，要求每個收發通道的頻響特性(幅度和相位)一致，否則的話，分辨力和精度都會下降。然而要實現多個通道的一致是很困難的。天線尺寸較大，特別是為了獲得較好的空間分辨力時，系統體積就更大。
第三．在當前大量的民用系統中，如汽車防撞系統、場地監視系統、飛機場地成像系統等，迫切要求尋找一種以低的成本，小的天線尺寸和設備體積的進行方位檢測的實現方法。
本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提供一種用於目標方位檢測的時分復用信道的天線陣系統及其信號處理方法，具有高可靠性、小體積、高分辨能力，可滿足工程上高性能、低成本要求、適合民用系統的特點。
本發明提出的一種時分復用信道的天線陣系統，如圖2所示，包括由多個天線單元構成的天線陣列，與所說的各個個天線單元相連的一個M×1開關陣列，與該開關陣列相連的一個收發信道設備，該收發信道設備與一個信號處理器相連，該信號處理器還通過信號控制線與所說的開關陣列相連。
本發明的系統天線陣的陣元可以有兩種實施方案單天線和部分陣元復用子陣。
對於單天線實施方案，天線可以為微帶貼片、縫隙天線、喇叭天線和振子天線等。
對於部分陣元復用子陣，結構如圖6所示。共L個子陣，L+1個開關，每個子陣有2M個陣元(由黑框中M個陣元和白框中M個陣元構成)，相鄰子陣復用M個陣元。如在第1個子陣工作時，1、2開關接通，在第i個子陣工作時，i、i+1開關接通。採用這種方式可以減少系統切換次數，降低系統要求，同時避免柵瓣產生。子陣中陣元可以為微帶貼片、縫隙天線、喇叭天線和振子天線等。
採用本發明的天線陣列系統對不同應用環境中被檢測目標的速度範圍，可按以下三種不同的信號處理方法進行一、靜止或準靜止目標，如圖3所示，在這種應用環境中目標最大速度vMAX，期望目標方位估計精度δθ、天線陣列間距d，以及系統檢測周期T滿足關係vMAX2DT--(1)]]>。其信號處理方法包括以下步驟1)天線陣中各個天線單元按1到M的順序，依次在不同的時間通過開關陣列接通收發信道設備發射接收信號，當一個天線單元工作時，其他天線單元停止工作，不饋電(在脈衝雷達中發射接收在不同時間段進行，連續波雷達是發射接收同時進行)；2)信號處理器依次在不同的時間對各天線單元接收信號進行採樣，將獲得的數據緩存在RAM中；3)計算Y(t)的協方差矩陣，當所有天線單元都工作後，將所獲信號組寫成向量為Y(t):Y(t)=A(-)X(t)+N(t)---(2)]]>X(t)=[x1(t)x2(t)…xL(t)]T為信號回波包絡N(t)=[n1(t)n2(t)…nM(t)]T為噪聲 1)可採用多種方法從協方差矩陣中獲得目標方位；如果採用空間超分辨方法，則計算特徵值和特徵向量，如採用快速傅立葉變換(FFT)這一步可省略；2)構造空間譜函數；一個採用多信號分類(MUSIC-MUltiple SIgnalClassification)方法的實施例中空間譜函數為PMUSIC(f)=1|i=p+1M|eH(f)vi|2|------(6)]]>eH∽=[1，exp(j2πfi)，……，exp(j2πfiN)]T，這裡為噪聲空間向量，p為目標數目；3)進行譜峰搜索可獲得i=4dsini;]]>4)獲得目標方位i=arcsin(i4d)]]>。
二、中低速目標應用環境中工作方式如如圖4所示，在這種應用環境中目標最大速度vMAX，目標方位分辨力Δθ、天線陣列間距d，以及系統檢測周期T滿足關係vMAX2dT]]>。其信號處理方法包括以下步驟1、線陣中各個天線單元按1到M的順序，依次在不同的時間通過開關陣列接通收發信道設備發射接收信號，當一個天線單元工作時，其他天線單元停止工作，不饋電。(在脈衝雷達中發射接收在不同時間段進行，連續波雷達是發射接收同時進行)；2-6步與上述第一種情況中的2-6步基本相同，不同的只是這裡向量 7、陣中各個天線單元按與第一步相反的順序，從M到1，依次在不同的時間通過開關陣列接通收發信道設備發射接收信號，當一個天線單元工作時，其他天線單元停止工作，不饋電(在脈衝雷達中發射接收在不同時間段進行，連續波雷達是發射接收同時進行)；8-12步與與上述第一種情況中的2-6步基本相同，不同的只是向量 三、高速動目標應用環境中工作方式如圖5所示，信號處理方法對應用的目標速度並無限制。其信號處理方法包括以下步驟1、陣中各個天線單元按1到M的順序，依次在不同的時間通過開關陣列接通收發信道設備發射接收信號，當一個天線單元工作時，其他天線單元停止工作，不饋電。這個過程重複N次。(在脈衝雷達中發射接收在不同時間段進行，連續波雷達是發射接收同時進行)；2、信號處理器依次在不同的時間對各天線單元接收信號進行採樣，將獲得的數據緩存在RAM中。在第m次第k個天線掃描時，接收信號為 3、將2維信號1維化，第n組信號可寫成向量Yn(t)=AnX(t)+Nn(t) 的數據Yn，Nn，An進行排列，獲得NM×l向量，NM×l向量和NM×L矩陣 5、通過對R^]]>進行SVD分解獲得NM-L個較小特徵值對應的特徵向量eii=L+l，NM；6、構造空間譜函數P(i,vi)=1NM-Li=L+1NM|A(i,vi)Hei|2-1;]]>7、在目標可能的速度、角度範圍內按上式對θi，vi進行譜峰搜索，對應的峰值的θi，vi為目標的速度、角度。這樣同時獲得了目標的速度、角度。
上述三種工作方法均可分別預先編製成電腦程式固化在上述時分復用信道的天線陣系統的信號處理器中。在實際應用中將根據適應的應用環境中被檢測目標的速度範圍不同，需採用不同性能的信號處理器，因為信號處理方法從靜態、準靜態到中、低速，再到高速，可應用的環境越來越廣，但對信號處理器速度，和系統工作周期的要求也越來越高，成本會有所上升。然而由於現今DSP、FPGA技術的飛速發展，晶片價格越來越低，即使實現要求最高的高速工作方式，成本也並不高。
本發明可用於目標方位檢測，也可以用於脈衝雷達系統，只不過收發通道設備有所不同。
本發明具有以下特點第一，在本發明中，僅有一個收發信道設備，可以大大降低成本。
第二，在本發明中，實現同樣空間分辨力和精度時，可以證明天線陣元之間的間距僅為常規多通道天線陣列的一半。這意味著對1維陣列，天線尺寸僅為常規多通道天線陣列的一半，對2維陣列，天線尺寸僅為常規多通道天線陣列的1/4，大大減小了天線陣尺寸。
第三，在本發明中，天線陣元共用一個收發信道設備，因此不需要多通道天線陣列中複雜的通道均衡、補償，大大簡化了實現難度。
第四，在本發明中，如果採用高速目標方案同時檢測目標數可達NM-1，不再有目標數小於陣列單元數目的限制，且可同時獲得目標的速度與方位。
綜上所述，本發明的基本特點為它僅有一個收發單元，天線陣中各個天線單元在不同的時間接通收發單元，當一個天線單元工作時，其他天線單元停止工作。根據應用環境中被檢測目標的速度範圍，天線陣將採用三類不同工作方式。在實現同樣目標分辨能力下，該天線陣到常規天線陣的一半乃至1/4。它尺寸小，設備需求低、精度高、易於實現，是一種可以滿足工程上高性能、低成本的實用方法。
附圖簡要說明圖1為已有的多通道天線陣列結構示意圖。
圖2為本發明的時分復用信道的天線陣系統結構示意圖。
圖3為本發明的信號處理方法之一的流程框圖。
圖4為本發明的信號處理方法之二的流程框圖。
圖5為本發明的信號處理方法之三的流程框圖。
圖6為本發明的部分陣元復用子陣結構示意圖。
圖7為本發明的一種實施例系統結構示意圖。
下面結合附圖詳細說明一個用於汽車防撞系統的實施例。
本發明用於汽車防撞系統的實施例，如圖7所示。本實施例中汽車防撞系統是基於調頻連續波(FMCW)體制實現的。本實施例由包括由多個天線單元構成的天線陣列，與所說的各個個天線單元相連的一個開關陣列，與該開關陣列相連的一個收發信道設備，該收發信道設備與一個信號處理器相連。各部分具體結構分別描述如下本實施例中的系統天線陣天線單元為微帶貼片的時間復用8×8子陣，復用與開關切換在水平方向，垂直方向不復用與開關切換。時間復用子陣為8×4子陣。微帶貼片間距為半波長。
本實施例中的發射信道設備由調頻源、耦合器和環行器構成。DSP(數位訊號處理器)產生調頻源的控制電壓，調頻源產生的信號經耦合器，一部分通過環行器到當前開關陣接通的天線發射出去。
本實施例中的接收信道設備由耦合器、環行器、混頻器、放大器、濾波器和模擬/數字轉換器(A/D)構成。從目標反射回來的信號被當前開關陣接通的天線陣元接收，接收信號通過環行器到混頻器與耦合器耦合過來的信號混頻。混頻產生同相與正交兩路信號，分別經過放大器、濾波器等器件送入模擬/數字轉換器(A/D)採樣。採樣後信號送進RAM，進而送入DSP(數位訊號處理器)處理。DSP在本實施例中可選擇採用德州儀器公司TMS320C52晶片，或相當性能的晶片。
本實施例中的系統信號處理方法採用中、低速動目標工作方式，具體步驟如下1、系統中各個天線單元按1到M的順序，依次在不同的時間通過開關陣列接通收發信道設備發射接收信號，當一個天線單元工作時，其他天線單元停止工作，不饋電。
2、信號處理器依次在不同的時間對各天線單元接收信號進行採樣，將獲得的數據緩存在RAM中。
3、計算Y(t)的協方差矩陣。當所有天線單元都工作後，將所獲信號組寫成向量為 4、通過對R^]]>進行SVD分解獲得M-p個較小特徵值對應的特徵向量eii=p+l，M5、構造空間譜函數PMUSIC(f)=1|i=p+1M|eH(f)vi|2|]]>eH(f)=[l，exp(j2πfi)，……，exp(j2πfiN)]T，這裡為噪聲空間向量，p為目標數目。
6、進行譜峰搜索可獲得i=2(2dsini+viT)]]>7、線陣中各個天線單元按與第一步相反的順序，從M到l，依次在不同的時間通過開關陣列接通收發信道設備發射接收信號，當一個天線單元工作時，其他天線單元停止工作，不饋電。
8、信號處理器依次在不同的時間對各天線單元接收信號進行採樣，將獲得的數據緩存在從M中。
9、算Y(t)的協方差矩陣。當所有天線單元都工作後，將所獲信號組寫成向量為 10、過對R^]]>進行SVD分解獲得M-p個較小特徵值對應的特徵向量eii=p+l，M11、構造空間譜函數PMUSIC(f)=1|i=p+1M|eH(f)vi|2|]]>
權利要求
1.一種時分復用信道的天線陣系統，包括天線陣列、一個收發信道設備和一個信號處理器，其特徵在於，還包括一個M×1開關陣列，所說的天線陣列由多個天線陣元構成，各個天線陣元均與所說的M×1開關陣列相連，該開關陣列與所說的收發信道設備相連，該收發信道設備與信號處理器相連，該信號處理器還通過信號控制線與所說的開關陣列相連。天線陣的陣元可以有兩種實施方案單天線和部分陣元復用子陣。對於單天線實施方案，天線可以為微帶貼片、縫隙天線、喇叭天線和振子天線等。
2.如權利要求1所說的天線陣系統，其特徵在於，所說的天線陣的陣元為單天線。
3.如權利要求2所說的天線陣系統，其特徵在於，所說的單天線為微帶貼片、縫隙天線、喇叭天線和振子天線之一種。
4.如權利要求1所說的天線陣系統，其特徵在於，所說的天線陣的陣元中的部分陣元為復用子陣。
5.一種用於如權利要求1所述天線陣系統的信號處理方法，包括以下步驟1)天線陣中各個天線單元按1到M的順序，依次在不同的時間通過開關陣列接通收發信道設備發射接收信號，當一個天線單元工作時，其他天線單元停止工作，不饋電；2)信號處理器依次在不同的時間對各天線單元接收信號進行採樣，將獲得的數據緩存在RAM中；3)計算Y(t)的協方差矩陣，當所有天線單元都工作後，將所獲信號組寫成向量為Y(t):Y(t)=A(-)X(t)+N(t)i=4dsini,]]>其中Y(t)的協方差矩陣R^=1Nl=1NY(tl)YH(tl);]]>4)可採用多種方法從協方差矩陣中獲得目標方位；如果採用空間超分辨方法，則計算特徵值和特徵向量，如採用快速傅立葉變換(FFT)這一步可省略；5)構造空間譜函數；6)進行譜峰搜索可獲得i=4dsini;]]>7)獲得目標方位i=arcsin(i4d)]]>。
6．一種用於如權利要求1所述天線陣系統的信號處理方法，包括以下步驟1)線陣中各個天線單元按1到M的順序，依次在不同的時間通過開關陣列接通收發信道設備發射接收信號，當一個天線單元工作時，其他天線單元停止工作，不饋電；2)信號處理器依次在不同的時間對各天線單元接收信號進行採樣，將獲得的數據緩存在RAM中；3)計算Y(t)的協方差矩陣，當所有天線單元都工作後，將所獲信號組寫成向量為Y(t):Y(t)=A(-)X(t)+N(t)i=2(2dsini+viT),]]>其中Y(t)的協方差矩陣R^=1Nl=1NY(tl)YH(tl);]]>4)可採用多種方法從協方差矩陣中獲得目標方位；如果採用空間超分辨方法，則計算特徵值和特徵向量，如採用快速傅立葉變換(FFT)這一步可省略；5)構造空間譜函數；6)進行譜峰搜索可獲得i=4dsini;]]>7)陣中各個天線單元按與第一步相反的順序，從M到1，依次在不同的時間通過開關陣列接通收發信道設備發射接收信號，當一個天線單元工作時，其他天線單元停止工作，不饋電；8)信號處理器依次在不同的時間對各天線單元接收信號進行採樣，將獲得的數據緩存在RAM中；9)計算Y(t)的協方差矩陣，當所有天線單元都工作後，將所獲信號組寫成向量為 其中Y(t)的協 10)可採用多種方法從協方差矩陣中獲得目標方位；如果採用空間超分辨方法，則計算特徵值和特徵向量，如採用快速傅立葉變換(FFT)這一步可省略；11)構造空間譜函數；12)進行譜峰搜索可獲得i=4dsini;]]>13)目標的角度為i=arcsin(i-i8d)]]>。
7．一種用於如權利要求1所述天線陣系統的信號處理方法，包括以下步驟1)陣中各個天線單元按1到M的順序，依次在不同的時間通過開關陣列接通收發信道設備發射接收信號，當一個天線單元工作時，其他天線單元停止工作，不饋電。這個過程重複N次；2)信號處理器依次在不同的時間對各天線單元接收信號進行採樣，將獲得的數據緩存在RAM中，獲得的數據將是一個2維信號；3)將2維信號1維化；4)計算1維化後信號的協方差矩陣；5)通過對協方差矩陣進行SVD分解，獲得特徵值和特徵向量；6)構造空間譜函數；7)在目標可能的速度、角度範圍內按上式對θi，vi進行譜峰搜索，對應的峰值的θi，vi，為目標的速度、角度，這樣同時獲得了目標的速度、角度。
全文摘要
本發明屬於時分復用信道的天線陣設計領域,包括由多個天線單元構成的天線陣列,與所說的各個個天線單元相連的一個M×1開關陣列,與該開關陣列相連的一個收發信道設備,該收發信道設備與一個信號處理器相連,該信號處理器還通過信號控制線與所說的開關陣列相連;以及三種信號處理方法。本發明具有高可靠性、小體積、高分辨能力,可滿足工程上高性能、低成本要求、適合民用系統的特點。
文檔編號G01S3/16GK1285627SQ0012498
公開日2001年2月28日 申請日期2000年9月29日 優先權日2000年9月29日
發明者李陽, 馮正和, 陳雅琴, 梁立萬, 潘偉峰 申請人:清華大學