一种基于二维相控阵雷达的无人机载脱靶量矢量检测方法

摘要

本发明涉及脱靶量检测，具体涉及一种基于二维相控阵雷达的无人机载脱靶量矢量检测方法，信号处理分系统对中频信号进行频域处理，对频域数据进行谱峰搜索，获取谱峰位置和相位信息，并利用多频点比相测距算法计算目标物体的距离；信号处理分系统对幅相校准后方位通道、俯仰通道的幅相数据进行二维同时多波束形成，通过多波束比幅测角分别计算目标物体的方位角、俯仰角；数据处理分系统对目标物体的距离、方位角和俯仰角进行点迹凝聚，并进行多阵面目标物体参数空间坐标系转换，对转换后的目标物体参数进行航迹跟踪，实现脱靶量矢量检测；本发明提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的难以对高速小目标进行准确地连续检测和跟踪的缺陷。

权利要求

1.一种基于二维相控阵雷达的无人机载脱靶量矢量检测方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、发射机分系统产生多频点连续波作为发射信号，将发射信号辐射至对应空域；

S2、接收机分系统接收目标回波信号，并基于目标回波信号生成中频信号；

S3、信号处理分系统对中频信号进行频域处理，对频域数据进行谱峰搜索，获取谱峰位置和相位信息，并利用多频点比相测距算法计算目标物体的距离；

S4、信号处理分系统分别对接收机分系统接中的方位通道、俯仰通道进行目标幅度和相位信息的提取，并对方位通道、俯仰通道进行幅相校准；

S5、信号处理分系统对幅相校准后方位通道、俯仰通道的幅相数据进行二维同时多波束形成，通过多波束比幅测角分别计算目标物体的方位角、俯仰角；

S6、数据处理分系统对目标物体的距离、方位角和俯仰角进行点迹凝聚，并进行多阵面目标物体参数空间坐标系转换，对转换后的目标物体参数进行航迹跟踪，实现脱靶量矢量检测。

2.根据权利要求1所述的基于二维相控阵雷达的无人机载脱靶量矢量检测方法，其特征在于：S1中发射机分系统产生多频点连续波作为发射信号，将发射信号辐射至对应空域，包括：发射机产生对应频率的发射信号，发射信号经过功率放大器放大后通过发射天线辐射至对应空域。

3.根据权利要求2所述的基于二维相控阵雷达的无人机载脱靶量矢量检测方法，其特征在于：S2中接收机分系统接收目标回波信号，并基于目标回波信号生成中频信号，包括：接收天线接收目标回波信号，目标回波信号经过低噪声放大器进入接收机，接收机将目标回波信号和本振信号进行混频生成中频信号，并将中频信号发送至信号处理分系统。

4.根据权利要求3所述的基于二维相控阵雷达的无人机载脱靶量矢量检测方法，其特征在于：S3中信号处理分系统对中频信号进行频域处理，包括：信号处理分系统通过AD转换芯片对中频信号进行信号采集，调用FPGA芯片的FFT核对采集信号进行频域处理。

5.根据权利要求4所述的基于二维相控阵雷达的无人机载脱靶量矢量检测方法，其特征在于：S3中对频域数据进行谱峰搜索，获取谱峰位置和相位信息，包括：提取发射频率分别为 、 对应目标回波信号的多普勒频率成分 、 ，其中N代表采样点数；

对 、 分别作N点FFT，对 、 各自对应离散频谱求出谱峰的最大位置 、 ，并获取各自的初始相位差 、 ；

计算第i对发射信号的回波相位差 ，对

进行 处理；

对处理后的 进行判断，如果 ，则 ；如果 ，则 不

需要做处理。

6.根据权利要求5所述的基于二维相控阵雷达的无人机载脱靶量矢量检测方法，其特征在于：S3中利用多频点比相测距算法计算目标物体的距离，包括：发射信号由不同频点的单频点连续波组成，假设发射机分系统发射M对发射信号，其频差值分别为 ，则相应于 的最大不模糊距离为 ；

同时，由第i对发射信号测得的模糊距离为 ，则目标物体的距离表示为：，

其中，ki为最大不模糊距离的倍数，c为光速， 为第i对发射信号的回波相位差，；

结合运动补偿距离得到目标物体距离的最终值。

7.根据权利要求5所述的基于二维相控阵雷达的无人机载脱靶量矢量检测方法，其特征在于：S4中信号处理分系统分别对接收机分系统接中的方位通道、俯仰通道进行目标幅度和相位信息的提取，并对方位通道、俯仰通道进行幅相校准，包括：对方位通道、俯仰通道在微波暗室进行远场的有源校准，计算得到对应的幅相校准矩阵，将方位通道、俯仰通道的目标幅度和相位信息分别乘以对应的幅相校准矩阵进行幅相校准。

8.根据权利要求7所述的基于二维相控阵雷达的无人机载脱靶量矢量检测方法，其特征在于：S6中数据处理分系统对目标物体的距离、方位角和俯仰角进行点迹凝聚，并进行多阵面目标物体参数空间坐标系转换，对转换后的目标物体参数进行航迹跟踪，实现脱靶量矢量检测，包括：信号处理分系统将目标物体参数发送至数据处理分系统，数据处理分系统对目标物体的距离、方位角和俯仰角进行点迹凝聚，并进行多阵面目标物体参数空间坐标系转换；

数据处理分系统对转换后的目标物体参数进行航迹跟踪，并将航迹跟踪数据发送至试验中心。

说明书

一种基于二维相控阵雷达的无人机载脱靶量矢量检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及脱靶量检测，具体涉及一种基于二维相控阵雷达的无人机载脱靶量矢量检测方法。

背景技术

[0002] 武器装备的发展离不开靶场试验，由于现代科学技术的飞速发展，武器装备也在不断更新换代，武器装备的更新对靶场测量条件提出了更高的要求。射击武器和制导武器的性能一般在靶、弹的遭遇段能够得到较为集中的体现，为了能够利用遭遇段的数据来分析武器系统的误差因素，脱靶量检测设备应完成以下具体任务：鉴定武器系统的射击或制导精度、记录遭遇实况、测量起爆时刻以及目标与武器间的相对位置和姿态。脱靶量检测对于鉴定和评估攻击性能起到关键作用，是靶场测量任务的核心内容之一。

[0003] 由于无人机载脱靶量矢量检测装置需要安装在靶机的机头部位，雷达需要实现小型化、高集成度设计，同时通过多个雷达组网的形式实现对半球面的空域覆盖，并且要实现2
对高速小目标（RCS=0.01m ，V=1300m/s）的精准测量和实时跟踪，检测装置需要具有高速目标检测能力、二维测角能力以及高数据刷新率（1Hz）。

[0004] 现有的脱靶量矢量检测方法主要采用调频连续波一维相控阵体制，其不模糊测速范围偏小，并且存在距离和速度耦合的问题，不能精准测量高速小目标，同时一维相控阵只能实现一维测角，而采用相扫的方式实现大范围的搜索和跟踪会导致数据刷新率偏低，很难保证对高速小目标的连续检测和跟踪。

发明内容

[0005] 针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种基于二维相控阵雷达的无人机载脱靶量矢量检测方法，能够有效克服现有技术所存在的难以对高速小目标进行准确地连续检测和跟踪的缺陷。

[0006] 为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

[0007] 一种基于二维相控阵雷达的无人机载脱靶量矢量检测方法，包括以下步骤：

[0008] S1、发射机分系统产生多频点连续波作为发射信号，将发射信号辐射至对应空域；

[0009] S2、接收机分系统接收目标回波信号，并基于目标回波信号生成中频信号；

[0010] S3、信号处理分系统对中频信号进行频域处理，对频域数据进行谱峰搜索，获取谱峰位置和相位信息，并利用多频点比相测距算法计算目标物体的距离；

[0011] S4、信号处理分系统分别对接收机分系统接中的方位通道、俯仰通道进行目标幅度和相位信息的提取，并对方位通道、俯仰通道进行幅相校准；

[0012] S5、信号处理分系统对幅相校准后方位通道、俯仰通道的幅相数据进行二维同时多波束形成，通过多波束比幅测角分别计算目标物体的方位角、俯仰角；

[0013] S6、数据处理分系统对目标物体的距离、方位角和俯仰角进行点迹凝聚，并进行多阵面目标物体参数空间坐标系转换，对转换后的目标物体参数进行航迹跟踪，实现脱靶量矢量检测。

[0014] 优选地，S1中发射机分系统产生多频点连续波作为发射信号，将发射信号辐射至对应空域，包括：

[0015] 发射机产生对应频率的发射信号，发射信号经过功率放大器放大后通过发射天线辐射至对应空域。

[0016] 优选地，S2中接收机分系统接收目标回波信号，并基于目标回波信号生成中频信号，包括：

[0017] 接收天线接收目标回波信号，目标回波信号经过低噪声放大器进入接收机，接收机将目标回波信号和本振信号进行混频生成中频信号，并将中频信号发送至信号处理分系统。

[0018] 优选地，S3中信号处理分系统对中频信号进行频域处理，包括：

[0019] 信号处理分系统通过AD转换芯片对中频信号进行信号采集，调用FPGA芯片的FFT核对采集信号进行频域处理。

[0020] 优选地，S3中对频域数据进行谱峰搜索，获取谱峰位置和相位信息，包括：

[0021] 提取发射频率分别为 、 对应目标回波信号的多普勒频率成分 、，其中N代表采样点数；

[0022] 对 、 分别作N点FFT，对 、 各自对应离散频谱求出谱峰的最大位置 、 ，并获取各自的初始相位差 、 ；

[0023] 计算第i对发射信号的回波相位差，对 进行 处理；

[0024] 对处理后的 进行判断，如果 ，则 ；如果 ，则不需要做处理。

[0025] 优选地，S3中利用多频点比相测距算法计算目标物体的距离，包括：

[0026] 发射信号由不同频点的单频点连续波组成，假设发射机分系统发射M对发射信号，其频差值分别为 ，则相应于 的最大不模糊距离为 ；

[0027] 同时，由第i对发射信号测得的模糊距离为 ，则目标物体的距离表示为：

[0028] ，

[0029] 其中，ki为最大不模糊距离的倍数，c为光速， 为第i对发射信号的回波相位差， ；

[0030] 结合运动补偿距离得到目标物体距离的最终值。

[0031] 优选地，S4中信号处理分系统分别对接收机分系统接中的方位通道、俯仰通道进行目标幅度和相位信息的提取，并对方位通道、俯仰通道进行幅相校准，包括：

[0032] 对方位通道、俯仰通道在微波暗室进行远场的有源校准，计算得到对应的幅相校准矩阵，将方位通道、俯仰通道的目标幅度和相位信息分别乘以对应的幅相校准矩阵进行幅相校准。

[0033] 优选地，S6中数据处理分系统对目标物体的距离、方位角和俯仰角进行点迹凝聚，并进行多阵面目标物体参数空间坐标系转换，对转换后的目标物体参数进行航迹跟踪，实现脱靶量矢量检测，包括：

[0034] 信号处理分系统将目标物体参数发送至数据处理分系统，数据处理分系统对目标物体的距离、方位角和俯仰角进行点迹凝聚，并进行多阵面目标物体参数空间坐标系转换；

[0035] 数据处理分系统对转换后的目标物体参数进行航迹跟踪，并将航迹跟踪数据发送至试验中心。

[0036] 与现有技术相比，本发明所提供的一种基于二维相控阵雷达的无人机载脱靶量矢量检测方法，具有以下有益效果：

[0037] 1）本发明采用多频点连续波二维相控阵体制，多频点连续波可实现对高速小目标2
（RCS=0.01m， ）在靶机轴向360°内的全空域覆盖精准探测；

[0038] 2）本发明采用多频点连续波二维相控阵体制，同时基于二维多通道数字接收阵进行二维同时多波束形成，实现对探测空域的同时多波束覆盖，起到对探测空域的凝视作用，保证高数据刷新率（1Hz）的同时还能够提高通过多波束比幅测角对目标物体的测角精度，提升对高速小目标连续检测和跟踪的能力；

[0039] 3）发射机雷达的工作频率为23 25GHz，工作带宽大，发射波形灵活可调，通过跳频~的方式将各发射机雷达的工作频率设置在不同的区域可以有效解决同频干扰的问题。

附图说明

[0040] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0041] 图1 为本发明的流程示意图；

[0042] 图2 为本发明的硬件示意图；

[0043] 图3 为本发明中多频点连续波的时序图；

[0044] 图4 为本发明中发射天线、接收天线的分布示意图；

[0045] 图5 为本发明中对频域数据进行谱峰搜索，获取谱峰位置和相位信息的示意图；

[0046] 图6 为本发明中对幅相校准后方位通道、俯仰通道的幅相数据进行二维同时多波束形成得到的波形图。

具体实施方式

[0047] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0048] 一种基于二维相控阵雷达的无人机载脱靶量矢量检测方法，如图1所示，①发射机分系统产生多频点连续波作为发射信号，将发射信号辐射至对应空域，具体包括：

[0049] 发射机产生对应频率的发射信号，发射信号经过功率放大器放大后通过发射天线辐射至对应空域。

[0050] ②接收机分系统接收目标回波信号，并基于目标回波信号生成中频信号，具体包括：

[0051] 十六路接收天线接收目标回波信号，目标回波信号经过低噪声放大器进入十六通道接收机，十六通道接收机将目标回波信号和本振信号进行混频生成十六路中频信号，并将十六路中频信号发送至信号处理分系统。

[0052] ③信号处理分系统对中频信号进行频域处理，对频域数据进行谱峰搜索，获取谱峰位置和相位信息，并利用多频点比相测距算法计算目标物体的距离。

[0053] 1）信号处理分系统对中频信号进行频域处理，包括：

[0054] 信号处理分系统通过AD转换芯片对中频信号进行信号采集（其中每路AD转换通道分别有两组1024点的回波数据），调用FPGA芯片的FFT核对采集信号进行频域处理（进行32组1024点回波数据的频域处理）。

[0055] 2）对频域数据进行谱峰搜索，获取谱峰位置和相位信息，如图5所示，包括：

[0056] 提取发射频率分别为 、 对应目标回波信号的多普勒频率成分 、，其中N代表采样点数；

[0057] 对 、 分别作N点FFT，对 、 各自对应离散频谱求出谱峰的最大位置 、 ，并获取各自的初始相位差 、 ；

[0058] 计算第i对发射信号的回波相位差 ，对进行 处理；

[0059] 对处理后的 进行判断，如果 ，则 ；如果 ，则不需要做处理。

[0060] 3）利用多频点比相测距算法计算目标物体的距离，包括：

[0061] 发射信号由不同频点的单频点连续波组成，假设发射机分系统发射M对发射信号，其频差值分别为 ，则相应于 的最大不模糊距离为 ；

[0062] 同时，由第i对发射信号测得的模糊距离为 ，则目标物体的距离表示为：

[0063] ，

[0064] 其中，ki为最大不模糊距离的倍数，c为光速， 为第i对发射信号的回波相位差， ；

[0065] 结合运动补偿距离得到目标物体距离的最终值。

[0066] ④信号处理分系统分别对接收机分系统接中的方位通道、俯仰通道进行目标幅度和相位信息的提取，并对方位通道、俯仰通道进行幅相校准，具体包括：

[0067] 对方位通道、俯仰通道（各自均具有八个通道）在微波暗室进行远场的有源校准，计算得到对应的幅相校准矩阵，将方位通道、俯仰通道的目标幅度和相位信息分别乘以对应的幅相校准矩阵进行幅相校准。

[0068] ⑤信号处理分系统对幅相校准后方位通道、俯仰通道的幅相数据进行二维同时多波束形成（共形成26个波束，如图6所示），通过多波束比幅测角分别计算目标物体的方位角、俯仰角。

[0069] ⑥数据处理分系统对目标物体的距离、方位角和俯仰角进行点迹凝聚，并进行多阵面目标物体参数空间坐标系转换，对转换后的目标物体参数进行航迹跟踪，实现脱靶量矢量检测，具体包括：

[0070] 信号处理分系统将目标物体参数发送至数据处理分系统，数据处理分系统对目标物体的距离、方位角和俯仰角进行点迹凝聚，并进行多阵面目标物体参数空间坐标系转换；

[0071] 数据处理分系统对转换后的目标物体参数进行航迹跟踪，并将航迹跟踪数据发送至试验中心。

[0072] 本申请技术方案中，将4套无人机载脱靶量矢量检测装置（采用多频点连续波二维相控阵雷达），安装在靶机设备的四周，实现靶机轴向360°内的全空域覆盖精准探测。其中，无人机载脱靶量矢量检测装置包括发射机分系统、接收机分系统、信号处理分系统和数据处理分系统，如图2所示：

[0073] 发射机分系统，包括单通道发射机、功率放大器和一路发射天线（采用微带宽波束天线，实现方位120°、俯仰120°的空域覆盖）；

[0074] 接收机分系统，包括十六路接收天线（采用二维十六通道宽波束天线，实现方位120°、俯仰120°的空域范围内目标回波信号的接收）、低噪声放大器和十六通道接收机；

[0075] 信号处理分系统，包括一片FPGA芯片和两片八通道AD转换芯片，实现对目标回波信号的信号处理，并利用多频点比相测距算法计算目标物体的距离，同时通过多波束比幅测角分别计算目标物体的方位角、俯仰角；

[0076] 数据处理分系统，对目标物体的距离、方位角和俯仰角进行点迹凝聚，并进行多阵面目标物体参数空间坐标系转换，对转换后的目标物体参数进行航迹跟踪，实现脱靶量矢量检测。

[0077] 图3为本发明中多频点连续波的时序图，从图3中可以看出，每1ms为一个周期，满足高数据刷新率（1Hz）的要求；同时每个发射信号由2个不同频点的单频点连续波组成，本发明中各发射信号的发射频点如下表所示：

[0078] 表1 各发射信号的发射频点表

[0079]

[0080] 为了防止4套无人机载脱靶量矢量检测装置同时工作产生同频干扰，每套雷达的发射频点分别跳频100MHz。1号雷达的发射频点为 、 ，频差为Δf=3MHz，根据多频点连续波测距公式：

[0081] ，

[0082] 可知对应的最大不模糊距离 ，满足测距范围的要求。

[0083] 如图4所示，为了保证波束扫描时不出现栅瓣，需要对接收天线之间的间距提出一定要求。当波束扫描至最大波束扫描角度 时，为了在整个扫描波束内不出现栅瓣，则只要满足：

[0084] ，

[0085] 其中，d代表接收天线之间的间距， 代表天线工作波长。从上式可知，天线扫描角度越大，则接收天线之间的间距越小，同时频率越高，接收天线之间的间距也应该越小。考虑到最大波束扫描角度为60°的情况，本发明中接收天线之间的间距设计为 。

[0086] 为了实现方位±60°、俯仰±60°的空域覆盖要求，同时保证对目标物体的测角精度要求，需要对十六通道目标回波信号进行二维同时多波束形成，实现对探测空域的同时多波束覆盖，起到对探测空域的凝视作用。具体二维同时多波束形成的策略如下：十六通道接收机同时接收目标回波信号，方位、俯仰在±60°的范围内各自同时形成13个波束，总共形成26个波束（具体波形如图6所示），这26个波束的具体指向如下表所示：

[0087] 表2 二维同时多波束形成得到波束的指向表

[0088] 波束号 方位多波束指向（°） 波束号 俯仰多波束指向（°）1 ‑60 14 ‑60
2 ‑50 15 ‑50
3 ‑40 16 ‑40
4 ‑30 17 ‑30
5 ‑20 18 ‑20
6 ‑10 19 ‑10
7 0 20 0
8 10 21 10
9 20 22 20
10 30 23 30
11 40 24 40
12 50 25 50
13 60 26 60

[0089] 利用FFT频谱分析的方法提取目标物体产生的多普勒频移，从而能够得到目标物体的径向速度（目标物体的径向速度可以与目标物体的距离、方位角和俯仰角一起作为目标物体参数）。如图3所示，雷达的时序重复周期为1μs，频点 ，本发明中的最大不模糊速度为:

[0090] ，

[0091] 其中，fr为信号处理分系统通过AD转换芯片对中频信号进行信号采集产生的一组1024点的回波数据进行频域处理后计算得到的多普勒频率。

[0092] 利用上式计算可得最大不模糊速度 ，满足对于最大不模糊速度大于1300m/s，同时最大不模糊速度至少达到2000m/s的要求。同时，本发明中频域处理的点数为1024点，其对应的测速分辨率为： 。

[0093] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。