CN105589058A - 一种天线装置及三维雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种天线装置及三维雷达系统，所述天线装置包括：至少一个发射天线单元，其包括至少两个发射天线，用于向待测目标发射探测信号；其中所述发射天线具有一相位中心，所述发射天线的相位中心沿竖直方向分布；接收天线单元，包括至少两个接收天线，用于接收所述待测目标的反射信号；其中所述接收天线具有一相位中心，所述接收天线的相位中心沿水平方向分布。本发明的天线装置及三维雷达系统，通过对现有的发射天线进行改进，从而能够在不增加接收天线的情况下，实现了俯仰角的测量，并在获取方位角和目标的距离的基础上，得到目标在空间的三维位置；从而降低了生产成本，提高了雷达系统的可靠性。

Description

一种天线装置及三维雷达系统

技术领域

本发明涉雷达技术领域，特别是涉及一种天线装置及三维雷达系统。

背景技术

在大空域地面监视雷达系统中，一般要求雷达系统具有较高的方位角度分辨力和俯仰测角能力。现有的雷达系统一般采用以下两种体制：

方位机械扫描体制，通常天线方位方向使用窄波束，俯仰方向使用宽波束，天线在接收状态下在俯仰方向有两个接收通道，采用比幅或比相单脉冲实现俯仰测角，方位方向通过机械扫描实现方位测角。

方位电扫体制，一般采用收发分离的天线，发射天线只有一个，在方位和俯仰方向上同时具有宽波束，可覆盖雷达监测空域，接收天线采用两行水平排列的阵列天线。雷达通过在水平方向上进行数字波束形成(DBF,DigitalBeamForming)实现方位测角，然后对位于同一水平波束内的目标在俯仰方向上进行比相测角。

对于第一种体制，由于机械扫描结构的雷达系统体积、重量较大，且雷达系统的可靠性较低。对于第二种体制，如果使其具有一定方位角度分辨力，所需要的接收天线数为N，但是如果实现俯仰测角，则至少要使用2N个接收通道，这样增大了雷达系统的成本，其中N为自然数。

因此，有必要提供一种天线装置及三维雷达系统，以解决现有技术所存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种天线装置及三维雷达系统，以解决现有雷达系统的可靠性低以及成本较高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明构造了一种天线装置，其包括：

至少一个发射天线单元，所述发射天线单元包括至少两个发射天线，用于向待测目标发射探测信号；其中所述发射天线具有一相位中心，所述发射天线的相位中心沿竖直方向分布；

接收天线单元，包括至少两个接收天线，用于接收所述待测目标的反射信号；其中所述接收天线具有一相位中心，所述接收天线的相位中心沿水平方向分布。

在本发明的天线装置中，所述发射天线的相位中心之间的最小垂直组合间距满足下式：

$d_y\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_v}{2}\≤\frac{\mathrm{\λ}}{2}$

其中，θ_v为所述发射天线单元和所述接收天线单元的复合俯仰波束的半功率波束宽度，d_y为所述发射天线的相位中心之间的最小垂直组合间距；λ为所述探测信号的波长。

在本发明的天线装置中，所述发射天线单元的相位中心沿水平方向的分布总宽度小于所述接收天线单元的相位中心沿水平方向的分布总宽度。

在本发明的天线装置中，所述探测信号为时频正交信号，包括频率正交信号、时间正交信号以及编码正交信号中的至少一种。

本发明还提供一种三维雷达系统，其包括：

发射激励电路，用于产生探测信号；

至少一个发射天线单元，所述发射天线单元包括至少两个发射天线，用于向待测目标发射探测信号；其中所述发射天线具有一相位中心，所述发射天线的相位中心沿竖直方向分布；

接收天线单元，包括至少两个接收天线，用于接收所述待测目标的反射信号；其中所述接收天线具有一相位中心，所述接收天线的相位中心沿水平方向分布；

下变频电路，用于去除所述反射信号中的载波信号，以得到基带信号；

信号处理电路，用于对所述基带信号进行时频分离处理，并根据处理后的基带信号获取所述待测目标的方位角、俯仰角及目标距离，以确定所述待测目标在空间的三维位置。

在本发明的三维雷达系统中，所述发射天线的相位中心之间的最小垂直组合间距满足下式：

$d_{y}sin\frac{{\mathrm{\θ}}_v}{2}\≤\frac{\mathrm{\λ}}{2}$

其中，θ_v为所述发射天线单元和所述接收天线单元的复合俯仰波束的半功率波束宽度，d_y为所述发射天线的相位中心之间的最小垂直组合间距；λ为所述探测信号的波长。

在本发明的三维雷达系统中，所述发射天线单元的相位中心沿水平方向的总分布宽度小于所述接收天线单元的相位中心沿水平方向的总分布宽度。

在本发明的三维雷达系统中，所述探测信号为时频正交信号，包括频率正交信号、时间正交信号以及编码正交信号中的至少一种。

在本发明的三维雷达系统中，信号处理电路，具体用于对所述基带信号进行时频分离处理得到二维虚拟阵列，并根据所述二维虚拟阵列获取所述待测目标的方位角及俯仰角，以及根据所述反射信号的延迟确定目标距离。

在本发明的三维雷达系统中，所述发射激励电路与所述发射天线单元连接；所述接收天线单元通过所述下变频电路与所述信号处理电路连接，所述信号处理电路还与所述发射激励电路连接。

本发明的天线装置及三维雷达系统，通过对现有的发射天线进行改进，从而能够在不增加接收天线的情况下，实现了俯仰角的测量，并在获取方位角和目标的距离的基础上，得到目标在空间的三维位置；从而降低了生产成本，提高了雷达系统的可靠性。

【附图说明】

图1为本发明的三维雷达系统的结构示意图；

图2为本发明第一种结构天线装置的结构示意图；

图3为本发明第二种结构的天线装置的结构示意图；

图4为图2或图3中接收虚拟阵列的相位中心分布示意图；

图5为本发明第一优选实施例的天线装置的结构示意图；

图6为图5中接收虚拟阵列的相位中心分布示意图；

图7为本发明第二优选实施例的天线装置的结构示意图；

图8为图7中接收虚拟阵列的相位中心分布示意图；

图9为本发明第三种优选实施例的天线装置的结构示意图；

图10为图9中接收虚拟阵列的相位中心分布示意图。

【具体实施方式】

以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。在图中，结构相似的单元是以相同标号表示。

请参照图1，图1为本发明的三维雷达系统的结构示意图。

如图1所示，本发明的三维雷达系统包括：发射激励电路11、至少一个发射天线单元12、接收天线单元13、下变频电路14、信号处理电路15；

所述发射激励电路11，用于产生探测信号；譬如产生具有延时分辨力的时频正交信号；

发射天线单元12，用于向待测目标发射所述探测信号；所述发射天线单元包括至少两个发射天线；将所述发射激励电路11产生的探测信号通过各个发射天线发射。

接收天线单元13，用于接收所述待测目标的反射信号；所述接收天线单元13包括至少两个接收天线；

下变频电路14，用于去除所述反射信号中的载波信号得到基带信号；为了便于信号处理电路对反射信号进行处理，需要将所述反射信号中的载波去除。

信号处理电路15，用于对所述基带信号进行时频分离，得到虚拟二维平面阵列，并根据所述虚拟二维平面阵列获取所述待测目标相对于雷达系统的方位角和俯仰角，以及根据所述反射信号的延迟确定目标距离，以确定所述待测目标在空间的三维位置。所述反射信号譬如为回波，具体可以根据所述待测目标的回波延迟，获取所述述待测目标与所述雷达系统之间的距离。

该信号处理电路15还控制发射激励电路11产生具有延时分辨力的时频正交信号。

所述发射激励电路11与所述发射天线单元12连接；所述接收天线单元13通过所述下变频电路14与所述信号处理电路15连接，所述信号处理电路15还与所述发射激励电路11连接。

其中雷达系统使用收发分离的天线，即发射天线单元12和接收天线单元13彼此是分离的，如图2所示，以天线装置包括一个发射天线单元和一个接收天线单元为例，其中发射天线单元21包括多个相位中心沿竖直方向分布的发射天线T₁～T_M；其中发射天线T₁的相位中心为m1(黑点所示的位置)，当然可以理解的发射天线单元的相位中心在竖直方向散布。接收天线单元22包括至少多个相位中心沿水平方向分布的接收天线R₁～R_N；其中接收天线R₁的相位中心为m2(黑点所示的位置)，其中M大于等于2；N大于等于2。优选地，所有所述接收天线的相位中心位于同一水平线上。

当然，接收天线和发射天线还可以部分重叠，如图3所示，其中发射天线单元31包括多个相位中心沿竖直方向分布的发射天线T₁～T_M；接收天线单元32包括至少多个相位中心沿水平方向分布的接收天线R₁～R_N；其中M大于等于2；N大于等于2。在两个虚线框交叠位置的黑色点33表示发射天线和接收天线重的叠相位中心，即将发射天线平移至接收天线的位置，这种平移并不影响最终形成的接收虚拟阵列的相位中心分布，对于收发天线部分重叠的情况，重叠阵元通道需要采用收发隔离措施，如微波定向耦合器、微波环形器、微波收发开关等，以抑制发射信号对接收通道的干扰。

下面主要以收发分离的天线装置为例，介绍阵列配置要素及二维测角方法。

如图2所示，发射天线的相位中心在竖直方向散布，发射天线装置具有M个发射天线，N个接收天线。相邻两个发射天线相位中心之间的水平间距为d_th，相邻两个发射天线的相位中心之间的垂直方向的间距依次为d_tv1、d_tv2、…、d_tvM-1。相邻两个接收天线的相位中心之间的水平间距为d_rh。雷达系统通过每个发射天线发射时频正交信号时，接收天线接收到待测目标的回波信号，并进行发射通道分离，最终形成M*N维接收虚拟阵列(如R₁₁—R_MN)，如图4所示，接收虚拟阵列沿竖直和水平方向二维分布。相应地，图3对应的接收虚拟阵列的相位中心分布也如图4所示。

所述发射天线的相位中心之间的最小垂直组合间距，如公式1所示：

d_tvm＝k_md_y公式1

其中d_tvm为相邻两个发射天线的相位中心之间的垂直间距，M-1≥m≥1；k₁～k_M-1为互质整数，d_y为发射天线的相位中心之间的最小垂直组合间距，d_y决定了雷达俯仰不模糊测角范围。

优选地，为实现测量的俯仰角不模糊，所述发射天线的相位中心之间的最小垂直组合间距至少要满足公式2：

$d_{y}sin\frac{{\mathrm{\θ}}_v}{2}\≤\frac{\mathrm{\λ}}{2}$ 公式2

其中，θ_v为发射天线单元和接收天线单元的复合俯仰波束的半功率波束宽度，λ为探测信号的波长，即雷达发射信号波长，d_y为所述发射天线的相位中心之间的最小垂直组合间距。

如果雷达探测场景的RCS(雷达目标有效截面，RadarCrossSection)起伏很大，且无先验位置信息，则上式需要加严，例如感兴趣目标的RCS起伏超过20dB，则公式2中的θ_v应该取-23dB波束宽度或更宽的波束宽度。

优选地，如图2所示，为获得最大垂直孔径，所述发射天线单元的相位中心沿水平方向的总分布宽度L_t小于所述接收天线单元的相位中心沿水平方向的总分布宽度L_r，即：

L_t≤L_r公式3

接下来介绍上述雷达系统进行测角的具体过程，可以使用两种方式：

(1)基于全阵列方位、俯仰二维数字波束形成技术(DBF)；

由于二维数字波束形成技术是现有技术，在此不再赘述。

(2)单独测量方位角和俯仰角：

步骤101、测量方位角：

将图2中的接收天线单元的各行回波分别通过DBF技术测角后计算平均值，将该平均值作为待测目标的方位角。由于DBF技术为现有技术，在此不再赘述。

步骤102、测量俯仰角：

进行俯仰测角时，需要将相位中心在竖直方向上对齐的垂直阵列。如果发射阵列的水平阵元间距d_th为接收阵列的水平阵元间距d_rh的整数倍时，最终形成的虚拟接收阵列中水平重叠部分可构成竖直方向上对齐的垂直阵列。

图5给出了发射天线水平间距d_th与接收天线水平间距d_rh相等的一种示例。

如图5所示，雷达系统采用3发6收的天线配置，即发射天线单元51包括3个发射天线，接收天线单元52包括6个接收天线，图5对应的接收虚拟阵列的相位中心分布。如图6所示，图6中黑色点表示参与垂直测角的虚拟阵元。此时垂直测角具体为：先在水平方向上进行4点DBF，然后对水平指向角相同的波束在垂直方向上进行比相测角。

图7给出了发射天线水平间距d_th不等于接收天线水平间距d_rh的一种示例，以d_th＝1.2d_rh为例，雷达系统同样采用3发6收的天线配置，即发射天线单元71包括3个发射天线，接收天线单元72包括6个接收天线。此时形成的虚拟阵列如图8中的虚点所示，可以看出第二行和第三行中在垂直方向上没有与第一行对齐的虚拟阵元，因此需要将第二行和第三行阵元进行内插，形成与第一行阵元对齐的虚拟阵元，即图8中的实点(黑色点所示)，然后再采用垂直对齐情况的测角方法。若垂直方向上形成的虚拟阵元数较多，也可以在垂直对齐的水平波束上进行数字波束形成或一维阵列超分辨方法测角。

上述阵列内插的步骤具体可以为：

首先在形成的虚拟阵列中找出各行之间的水平重叠区域，例如在图8中，最大重叠区域为第三行最左侧阵元和第一行最右侧阵元之间的区域。然后确定重叠区域内的内插阵元数及内插对齐水平基准。一般情况下以重叠区域内的第一行阵元为水平基准，例如选择第一行的最后3个虚拟阵元为对齐基准。然后按照以下步骤计算除对齐基准行之外的其它各行内插位置阵元数据。

S201、根据第二行(或第三行)各阵元接收到的信号利用APES(AmplitudeandPhaseEstimation)幅相估计算法做超分辨空间谱估计，得到不同方向上各个目标的幅度和方位角度估计值，假设共有K个目标，第k个目标幅度的估计为方位角度的估计为

S202、例如以第1行左侧第1个阵元为二维平面位置0点，虚拟阵列中第m行第n个阵元的阵元位置为p_m0+Δp_rh(n-1)，其中p_m为第m行第1个阵元的水平位置，其满足公式4：

$p_m=\underset{i=0}{\overset{m-1}{\Σ}}{d}_{thi}$ 公式4

Δp_rh(n-1)为第n个阵元相对该行第一个阵元的水平位置差，其满足公式5：

${\mathrm{\Δp}}_{rh(n-1)}=\underset{i=0}{\overset{n-1}{\Σ}}{d}_{rhi}$ 公式5

譬如共需要Q个内插阵元，其与该行第一个阵元的水平位置差为q＝1,...,Q。譬如第m行原始阵元回波矢量为根据K个目标幅度和方位角度的估计值重构包含内插阵元位置的阵元域回波信号，重构信号矢量如下式：

公式6

其中，为重构的内插阵元位置的回波信号，如公式7所示。

${\hat{s}}_m=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{\widehat{\mathrm{\α}}}_k\hat{a}\left({\widehat{\mathrm{\θ}}}_k\right)$ 公式7

其中

$\hat{a}\left({\widehat{\mathrm{\θ}}}_k\right)={\left[\begin{array}{cccc}\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{{\hat{p}}_{rh1}\sin {\widehat{\mathrm{\θ}}}_k}{\mathrm{\λ}}\right)& \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{{\hat{p}}_{rh2}\sin {\widehat{\mathrm{\θ}}}_k}{\mathrm{\λ}}\right)& \mathrm{...}& \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{{\hat{p}}_{rhQ}\sin {\widehat{\mathrm{\θ}}}_k}{\mathrm{\λ}}\right)\end{array}\right]}^T$

S203、对重构信号利用APES算法做超分辨空间谱估计，得到K个目标的新的幅度估计和方位角度估计其中APES算法中使用的导向矢量为原始虚拟阵元位置对应的导向矢量和内插阵元对应的导向矢量组成的联合导向矢量p，其形式为：

$p={\left[\begin{array}{cc}{a}^T\left(\mathrm{\θ}\right)& {\hat{a}}^T\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]}^T$ 公式8

其中：

$a\left(\mathrm{\θ}\right)={\left[\begin{array}{cccc}0& \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{p_{rh1}sin\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)& \mathrm{...}& \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{p_{rh(N-1)}sin\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)\end{array}\right]}^T$ 公式9

$\hat{a}\left(\mathrm{\θ}\right)={\left[\begin{array}{cccc}\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{{\hat{p}}_{rh1}sin\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)& \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{{\hat{p}}_{rh2}sin\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)& \mathrm{...}& \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{{\hat{p}}_{rhQ}sin\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)\end{array}\right]}^T$

S204、利用第三步中估计的K个目标的幅度和方位角度，分别重构包含虚拟阵元位置和内插阵元位置的阵元域信号。虚拟阵元位置的重构信号为：

公式10

内插阵元位置的回波信号为：

${\hat{s}}_m=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{\widehat{\mathrm{\α}}}_k\hat{a}\left({\widehat{\mathrm{\θ}}}_k\right)$ 公式11

S205、计算原始虚拟阵元回波信号与该位置对应的重构信号之间的平方误差，如下式：

公式12

如果ε小于门限值μ，则停止迭代，此时重构向量即为内插阵元位置的信号矢量，否则返回到第三步继续迭代估计。

当然阵列内插不局限于上述算法，也可以使用其他阵列变换方法。

图2-图8给出的天线装置仅包括一个发射天线单元，但是上述天线装置也可包括多个发射天线单元。如图9所示，雷达系统的天线装置采用6发6收的天线配置。即发射天线组91包括两个发射天线单元，第一个发射天线单元包括发射天线T1-T3，第二个发射天线单元包括发射天线T4-T6，即每个发射天线单元包括3个发射天线，两个发射天线单元的分布相同，每个发射天线单元内相邻两个发射天线之间的水平间距与相邻两个接收天线之间的水平间距相等，两个发射天线单元之间的间距譬如为7d_rh。接收天线单元92包括6个接收天线R1-R6。图9对应的接收虚拟阵列的相位中心分布，如图10所示。图10中的黑色点表示参与垂直测角的虚拟阵元。当然，两个发射天线单元之间的组间间距也可略大于7d_rh，但此时需要对形成的虚拟阵列在水平方向上内插，该内插方法与图7所示的天线装置采用的内插方法相同，在此不再赘述。

本发明实施例还提供一种天线装置，其包括：

至少一个发射天线单元，所述发射天线单元包括至少两个发射天线，用于向待测目标发射探测信号；其中所述发射天线具有一相位中心，所述发射天线的相位中心沿竖直方向分布；

接收天线单元，包括至少两个接收天线，用于接收所述待测目标的反射信号；其中所述接收天线具有一相位中心，所述接收天线的相位中心沿水平方向分布。

优选地，所述发射天线的相位中心之间的最小垂直组合间距满足下式：

$d_{y}sin\frac{{\mathrm{\θ}}_v}{2}\≤\frac{\mathrm{\λ}}{2}$

其中，θ_v为所述发射天线单元和所述接收天线单元的复合俯仰波束的半功率波束宽度，d_y为所述发射天线的相位中心之间的最小垂直组合间距；λ为所述探测信号的波长。

优选地，所述发射天线单元的相位中心沿水平方向的总分布宽度小于所述接收天线单元的相位中心沿水平方向的总分布宽度。

优选地，所述探测信号为时频正交信号，包括频率正交信号、时间正交信号以及编码正交信号中的至少一种。

该天线装置可以应用在雷达系统中，鉴于上文在雷达系统中以对该天线装置的具体结构进行描述，在此不再赘述。

本发明的天线装置及三维雷达系统，通过对现有的雷达系统进行改进，从而能够在不增加接收天线的情况下，实现了俯仰角和方位角的测量，以及根据回波延迟确定出目标距离，从而得到目标在空间的三维位置；降低了生产成本，提高了雷达系统的可靠性。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种天线装置，其特征在于，包括：至少一个发射天线单元，所述发射天线单元包括至少两个发射天线，用于向待测目标发射探测信号；其中所述发射天线具有一相位中心，所述发射天线的相位中心沿竖直方向分布；

接收天线单元，包括至少两个接收天线，用于接收所述待测目标的反射信号；其中所述接收天线具有一相位中心，所述接收天线的相位中心沿水平方向分布。

2.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述发射天线的相位中心之间的最小垂直组合间距满足下式：

$d_{y}sin\frac{{\mathrm{\θ}}_v}{2}\≤\frac{\mathrm{\λ}}{2}$

其中，θ_v为所述发射天线单元和所述接收天线单元的复合俯仰波束的半功率波束宽度，d_y为所述发射天线的相位中心之间的最小垂直组合间距；λ为所述探测信号的波长。

3.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述发射天线单元的相位中心沿水平方向的总分布宽度小于所述接收天线单元的相位中心沿水平方向的总分布宽度。

4.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述探测信号为时频正交信号，包括频率正交信号、时间正交信号以及编码正交信号中的至少一种。

5.一种三维雷达系统，其特征在于，包括：发射激励电路，用于产生探测信号；

至少一个发射天线单元，所述发射天线单元包括至少两个发射天线，用于向待测目标发射探测信号；其中所述发射天线具有一相位中心，所述发射天线的相位中心沿竖直方向分布；

接收天线单元，包括至少两个接收天线，用于接收所述待测目标的反射信号；其中所述接收天线具有一相位中心，所述接收天线的相位中心沿水平方向分布；

下变频电路，用于去除所述反射信号中的载波信号，以得到基带信号；

信号处理电路，用于对所述基带信号进行时频分离处理，并根据处理后的基带信号获取所述待测目标的方位角、俯仰角及目标距离，以确定所述待测目标在空间的三维位置。

6.根据权利要求5所述的三维雷达系统，其特征在于，所述发射天线的相位中心之间的最小垂直组合间距满足下式：

$d_{y}sin\frac{{\mathrm{\θ}}_v}{2}\≤\frac{\mathrm{\λ}}{2}$

其中，θ_v为所述发射天线单元和所述接收天线单元的复合俯仰波束的半功率波束宽度，d_y为所述发射天线的相位中心之间的最小垂直组合间距；λ为所述探测信号的波长。

7.根据权利要求5所述的三维雷达系统，其特征在于，所述发射天线单元的相位中心沿水平方向的总分布宽度小于所述接收天线单元的相位中心沿水平方向的总分布宽度。

8.根据权利要求5所述的三维雷达系统，其特征在于，所述探测信号为时频正交信号，包括频率正交信号、时间正交信号以及编码正交信号中的至少一种。

9.根据权利要求5所述的三维雷达系统，其特征在于，信号处理电路，具体用于对所述基带信号进行时频分离处理得到二维虚拟阵列，并根据所述二维虚拟阵列获取所述待测目标的方位角及俯仰角，以及根据所述反射信号的延迟确定目标距离。

10.根据权利要求5所述的三维雷达系统，其特征在于，所述发射激励电路与所述发射天线单元连接；所述接收天线单元通过所述下变频电路与所述信号处理电路连接，所述信号处理电路还与所述发射激励电路连接。