连续波相控阵系统的信号检测和跟踪方法及装置与流程

1.本发明涉及连续波信号相控阵天线技术领域，具体涉及一种连续波相控阵系统的信号检测和跟踪方法及装置。


背景技术：

2.对高速目标的捕获跟踪，传统机械扫描天线受伺服动态有限而无法完成，工程中常采用相控阵天线系统，利用其电波束扫描速度快的特点解决该问题。随之而来的，相控阵天线系统对信号检测和角误差解调算法的速度要求也大幅提高。由于机械天线为秒级的伺服带宽，因此其检测算法在百毫秒级完成即可。而对于相控阵系统的天线毫秒级的电扫速度，需要的信号检测和角误差解调算法也是毫秒级的。
3.常用的连续波信号角捕获和跟踪算法是在完成信号的捕获和跟踪的基础上，对差路信号进行相干解调，完成角误差信号的提取，从而实现较高精度的角跟踪。但这一过程中，角误差解调不但解调门限受环路工作门限限制，而且解调时间受信号的捕获时间限制，通常耗时在百毫秒量级。对于相控阵系统，这样的检测时间明显过长。尤其是当系统为高精度的毫米波频段系统时，这样的信号检测算法将无法适用。对于毫米波频段系统，目标运动产生的多普勒及多普勒变化率可达数百、数十khz/s以上量级，此时，常有的匹配滤波检测方法将无法检出明显的相干峰，导致信号检测失败。基于现代谱估计算法的循环谱估计法因为工程实现高效计算，而无法在实际系统中应用。


技术实现要素：

4.本发明主要解决的技术问题是如何提升连续波相控阵系统的信号检测和跟踪性能。
5.根据第一方面，一种实施例中提供一种连续波相控阵系统的信号检测和跟踪方法，其中，所述连续波相控阵系统包括天线阵面，所述信号检测方法包括：获取天线阵面中第一阵面区域和第二阵面区域接收的信号；其中，所述第一阵面区域和第二阵面区域关于天线阵面的垂直中心轴或者水平中心轴对称；将第一阵面区域接收的信号和第二阵面区域接收的信号进行互相关运算，得到检测信号；判断所述检测信号中是否包含有来自于目标的信号；若所述检测信号中未包含有来自于目标的信号，则调整天线指向，继续获取天线阵面中第一阵面区域和第二阵面区域接收的信号；若所述检测信号中包含有来自于目标的信号，根据所述检测信号，获取所述天线阵面的和波束信号；并将所述天线阵面按照预设坐标系分为四象限区域，在所述四象限区域，根据所述检测信号，确定对应的方位差波束信号和俯仰差波束信号；将所述和波束信号和方位差波束信号进行互相关运算，得到方位角误差值，将所述和波束信号和俯仰差波束信号进行互相关运算，得到俯仰角误差值；
基于所述方位角误差值和俯仰角误差值进行跟踪。
6.根据第二方面，一种实施例中提供一种连续波相控阵系统的信号检测和跟踪装置，包括：信号获取模块，用于获取天线阵面中第一阵面区域和第二阵面区域接收的信号；其中，所述第一阵面区域和第二阵面区域关于天线阵面的垂直中心轴或者水平中心轴对称；第一互相关模块，用于将第一阵面区域接收的信号和第二阵面区域接收的信号进行互相关运算，得到检测信号；判断模块，用于判断所述检测信号中是否包含有来自于目标的信号；循环模块 ，用于若所述检测信号中未包含有来自于目标的信号，则调整天线指向，继续获取天线阵面中第一阵面区域和第二阵面区域接收的信号；和差波束信号获取模块，用于若所述检测信号中包含有来自于目标的信号，根据所述检测信号，获取所述天线阵面的和波束信号；并将所述天线阵面按照预设坐标系分为四象限区域，在所述四象限区域，根据所述检测信号，确定对应的方位差波束信号和俯仰差波束信号；第二互相关模块，用于将所述和波束信号和方位差波束信号进行互相关运算，得到方位角误差值，将所述和波束信号和俯仰差波束信号进行互相关运算，得到俯仰角误差值；跟踪模块，用于基于所述方位角误差值和俯仰角误差值进行跟踪。
7.依据上述实施例的连续波相控阵系统的信号检测和跟踪方法/装置，利用天线阵面不同区域合成信号进行互相关运算，从而快速实现高动态信号的检测；此外，利用了天线阵面形成和波束信号以及差波束信号，对和波束信号和差波束信号进行互相关运算，从而快速提取高动态信号的角误差值。
附图说明
8.图1为一种实施例的连续波相控阵系统的信号检测和跟踪方法流程图；图2为四象限区域示意图；图3为和波束信号和差波束信号形成示意图；图4为和差波束信号互相关装置的原理示意图；图5为一种实施例的连续波相控阵系统的信号检测和跟踪装置结构示意图。
具体实施方式
9.下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本技术能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
10.另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
11.本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。
12.请参考图1，图1为一种实施例的连续波相控阵系统的信号检测和跟踪方法流程图，其中，连续波相控阵系统包括天线阵面，天线阵面用于接收目标发送的信号。以下简称信号检测和跟踪方法，该信号检测和跟踪方法包括步骤101至步骤107，下面具体说明。
13.步骤101：获取天线阵面中第一阵面区域和第二阵面区域接收的信号；其中，所述第一阵面区域和第二阵面区域关于天线阵面的垂直中心轴或者水平中心轴对称。
14.步骤102：将第一阵面区域接收的来自于目标的信号和第二阵面区域接收的信号进行互相关运算，得到检测信号。
15.步骤103：判断检测信号中是否包含有来自于目标的信号。
16.步骤104：若检测信号中未包含有来自于目标的信号，则调整天线指向，返回步骤101，继续获取天线阵面中第一阵面区域和第二阵面区域接收的信号。其中，调整天线指向即为调整天线阵面的指向，本实施例通过不断调整天线指向，使得天线阵面能够接收到来自于目标的信号，本领域技术人员可以理解的是，调整天线指向的方式可以为本领域常用调整天线指向的任一方式，本实施例不进行具体限定。
17.步骤105：若检测信号中包含有来自于目标的信号，根据检测信号，获取天线阵面的和波束信号；并将天线阵面按照预设坐标系分为四象限区域，在四象限区域，根据检测信号，确定对应的方位差波束信号和俯仰差波束信号。
18.步骤106：将和波束信号和方位差波束信号进行互相关运算，得到方位角误差值，将和波束信号和俯仰差波束信号进行互相关运算，得到俯仰角误差值。
19.步骤107：基于方位角误差值和俯仰角误差值进行跟踪。
20.在本发明实施例中，将信号检测和跟踪方法可以拆解为角捕获阶段和角跟踪阶段。
21.在角捕获阶段，其包括步骤101和步骤104，具体是将天线阵面进行分区，分为第一阵面区域和第二阵面区域，其中第一阵面区域可以为上阵面区域或左阵面区域，第二阵面区域可以为下阵面区域或右阵面区域，将第一阵面区域接收的信号和第二阵面区域接收的信号进行互相关运算，得到检测信号。当第一阵面区域和第二阵面区域接收的信号不包含目标发送的信号时，检测信号为较为平坦的信号波形，没有明显的峰值。当第一阵面区域和第二阵面区域接收的信号包含目标发送的信号时，检测信号为具有峰值的信号波形，由于天线阵面不同区域接收到的信号同是来自于目标，因此，不同区域接收的信号进行互相关后可获得理想的信号峰值，同时消除了由目标运动引起的多普勒。若信噪比较低，可对不同区域接收的信号的互相关结果进行相参累积，形成检测统计量，利用恒虚警检测方法进行信号检测。
22.需要说明的是，本实施例中，通过检测信号是否具有峰值，来判断是否包含有来自
于目标的信号，该步骤是本领域常用的技术手段，可通过多种方式实现，例如：设一门限值，当检测信号的峰值大于或等于门限值时，则认为检测信号中包含有来自于目标的信号；当检测信号的峰值小于门限值时，则认为检测信号中不包含有来自于目标的信号。
23.当判断出检测信号中包含有来自于目标的信号后，进入角跟踪阶段。
24.在角跟踪阶段，其包括步骤105至步骤107，需要在天线阵面中构造形成差波束信号。本实施例采用对称取反法构造差波束信号，对于对称取反法，其差波束可采用四象限对称取反法实现，其示意如图2所示，按照预设坐标系将天线阵面分为四象限区域，分别为第一象限区域i、第二象限区域ii、第三象限区域iii和第四象限区域iv，其中，预设坐标系为以所述天线阵面的中心点为原点o，以所述天线阵面的水平方向为x轴，以所述天线阵面的竖直方向为y轴，x轴和y轴相交于原点o。第一象限区域i接收的信号和第二象限区域ii接收的信号相加得到第一相加结果，第三象限区域iii接收的信号和第四象限区域iv接收的信号相加得到第二相加结果；将第一相加结果减去第二相加结果，即得到俯仰差波束信号；方位差波束信号的计算方式同理，将第一象限区域i接收的信号和第四象限区域iv接收的信号相加得到第三相加结果；将第二象限区域ii接收的信号和第三象限区域iii接收的信号相加得到第四相加结果；将第三相加结果减去第四相加结果，得到方位差波束信号。在获取到和波束信号、方位差波束信号和俯仰差波束信号后，将和波束信号分别与方位差波束信号、俯仰差波束信号进行互相关运算，获得方位和差波束比值和俯仰和差波束比值，并对该比值进行积累，获得对应的方位角误差值和俯仰角误差值用于跟踪。
25.其中，本实施例中的和波束信号是将天线阵面的所有区域的信号相加得到。
26.在一个实施中，将天线阵面按照预设坐标系分为四象限区域，包括：将x轴的正半轴和y轴的正半轴所围的天线阵面区域为第一象限区域i；将x轴的负半轴和y周的正半轴所围的天线阵面区域为第二象限区域ii；将x轴的负半轴和y周的负半轴所围的天线阵面区域为第三象限区域iii；将x轴的正半轴和y周的负半轴所围的天线阵面区域为第四象限区域iv。
27.下面对根据和波束信号与差波束信号进行相关运算以获取角误差值进行分析说明，以俯仰方向为例(方位向分析类似)。
28.在一个和差双通道角跟踪系统中，和波束信号和俯仰差波束信号除了幅度不同外，在信号形式上是相同的，和波束信号和俯仰差波束信号具有很好的相干性。
29.请参考图3，在图3中阵面区域1为第一阵面区域（例如图2中，第一象限区域i +第二象限区域ii），阵面区域2为第二阵面区域（例如图2中，第三象限区域iii+第四象限区域iv），以阵面区域1接收的信号s
e1
为基准来讨论图中各信号的相干性。由于阵面区域2和阵面区域1接收的是同一目标信号，故阵面区域1接收的信号s
e1
和阵面区域2接收的信号s
e2
是相干的，它们相加产生的和信号s
σ
与s
e1
仍然是相干的，它们的差信号s
△e＝s
e1
－s
e2
与s
e1
也是相干的，且当 s
e1
＞ s
e2
时（对应于目标向上方偏移）运算结果为正，当s
e1
＜ s
e2
时，运算结果为负（对应于目标向下偏移），用运算的正、负可区别目标偏离的方向，从而实现目标的跟踪。
30.并且，由于和通道与差通道的馈线噪声和接收机内部噪声是不相干的，天线噪声在经过和通道与差通道两个通道后，可能具有一定的相干性，但两通道存在传输时延差异，并且天线噪声的影响在和差信道噪声中所占的比例也不大，因此可以认为进入跟踪接收机
的噪声是不相干的。
31.基于以上对和波束信号、差波束信号以及噪声的相干性分析，请参考图4，图4为一种实施例的和差波束信号互相关装置的原理示意图，其中，输入为和波束信号s
σ
和差波束信号（为方位差波束信号、为俯仰差波束信号），输出为方位误差值和俯仰误差值，和差波束信号互相关装置包括滤波器1、滤波器2、agc放大器1（自动增益放大器）、agc放大器2、模数转换器1、模数转换器2、时延校正器1、时延校正器2、dds（直接数字频率合成器）、方位移相器、俯仰移相器、滤波器3、滤波器4、滤波器5、相关器1、相关器2、低通滤波器1和低通滤波器2。
32.具体工作流程为：对和波束信号、方位差波束信号和俯仰差波束信号分别进行滤波、放大处理。
33.对滤波、放大处理后的和波束信号、方位差波束信号和俯仰差波束信号分别进行模数转换和时延校正，得到数字和波束信号、数字方位差波束信号和数字俯仰差波束信号。
34.将数字和波束信号、数字方位差波束信号和数字俯仰差波束信号，分别进行下变频、滤波，再将数字和波束信号与数字方位差波束信号进行相关处理，得到方位相关结果；将数字和波束信号与所述数字俯仰差波束信号进行相关处理，得到俯仰相关结果。
35.方位相关结果和俯仰相关结果分别进行累积和滤波，得到方位角误差值和俯仰角误差值。
36.下面通过一个例子对本发明提供的信号检测和跟踪方法进行说明。
37.以pcm/fm信号为例，对和波束信号和差波束信号互相关解调角误差信号进行具体分析，其他调制、扩频信号的分析方法类似。设：分析，其他调制、扩频信号的分析方法类似。设：s
σ
为和波束信号；为载波频率；为时间；调频指数；为调制频率信号；为差波束信号，其中，为方位差波束信号，为俯仰差波束信号；va为方位信号幅度；ve为俯仰信号幅度；是和通道与差通道之间的时延差。
38.下变频经低通滤波之后，完成相关、低通滤波，得到方位、俯仰误差信号分别为：分别为：其中，为归一化系数；为方位向相位角不随时间变化部分差值；俯仰向相位角不随时间变化部分差值。
39.对相位的影响可以忽略，进而：对相位的影响可以忽略，进而：当方位方向上天线没有正对，在俯仰方向上正对时，角误差驱动天线，调整使得时，则：。
40.当俯仰方向上天线没有正对，在方位方向上正对时，角误差驱动天线调整使得时，则：。
41.至此，角误差解调已完成。
42.基于上述实施例提供的信号检测和跟踪方法，请参考图5，本实施例还提供了一种连续波相控阵系统的信号检测和跟踪装置，以下简称信号检测和跟踪装置，包括：信号获取模块201、第一互相关模块202、判断模块203、循环模块204、和差波束获取模块205、第二互相关模块206和跟踪模块207。
43.信号获取模块201用于获取天线阵面中第一阵面区域和第二阵面区域接收的信号；其中，第一阵面区域和第二阵面区域关于天线阵面的垂直中心轴或者水平中心轴对称。
44.第一互相关模块202用于将第一阵面区域接收的信号和第二阵面区域接收的信号进行互相关运算，得到检测信号。
45.判断模块203用于判断所述检测信号中是否包含有来自于目标的信号；循环模块204用于若所述检测信号中未包含有来自于目标的信号，则调整天线指向，继续获取天线阵面中第一阵面区域和第二阵面区域接收的信号；和差波束获取模块205用于若检测信号中包含有来自于目标的信号，根据检测信号，获取天线阵面的和波束信号；并将天线阵面按照预设坐标系分为四象限区域，在四象限区域，根据检测信号，确定对应的方位差波束信号和俯仰差波束信号。
46.第二互相关模块206用于将和波束信号和方位差波束信号进行互相关运算，得到方位角误差值，将和波束信号和俯仰差波束信号进行互相关运算，得到俯仰角误差值。
47.跟踪模块207用于基于方位角误差值和俯仰角误差值进行跟踪。
48.需要说明的是，本实施例中的功能模块与上述实施例的方法步骤相对应，其具体实施方式在上述实施例中已经详细说明，此处不再赘述。
49.本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分功能可以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中全部或部分功能。
50.以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限
制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。