专利名称：时分复用信道的天线阵系统及其信号处理方法
技术领域：
本发明属于时分复用信道的天线阵设计领域，特别涉及一种用于在微波频段的脉冲雷达和连续波雷达中对静止或运动目标方向进行方位检测的时分复用信道的天线阵结构设计。
在现代信号检测系统中，常要获得目标的方位，通常有以下三种技术机械扫描天线，相控阵和多通道阵列。相控阵天线的系统造价太高，在频率较高时(如毫米波波段)实现难度非常大，不适于普及型民用系统使用；而机械扫描天线的稳定性又不好，因此当前广泛使用多通道天线阵列。多通道天线阵列的结构如
图1所示，包括多个天线构成的阵列，每个天线通过各自的收发信道设备与一个信号处理器相连，该多通道天线阵列的工作过程如下1、天线阵列中天线同时工作经过各自的收发信道设备发射接收信号(在脉冲雷达中发射接收在不同时间段进行，连续波雷达是发射接收同时进行)；2、信号处理器对各天线信道接收信号进行采样，将各通道获得的数据缓存在RAM中；3、计算协方差矩阵；4、如果采用空间超分辨方法(MUSIC、ESPRIT)，则计算特征值和特征向量，如采用快速傅立叶变换(FFT)这一步可省略；5、构造空间谱函数；6、进行谱峰搜索并获得目标方位。
上述的3-6步在信号处理器中实现。
这种多通道天线阵列存在三个问题第一．从其结构图1中可见，每个天线单元需要一套收发信道设备，当实现高空间分辨力的天线阵列时，天线阵元增多，成本变高。
第二．为获得好的空间目标分辨力，要求每个收发通道的频响特性(幅度和相位)一致，否则的话，分辨力和精度都会下降。然而要实现多个通道的一致是很困难的。天线尺寸较大，特别是为了获得较好的空间分辨力时，系统体积就更大。
第三．在当前大量的民用系统中，如汽车防撞系统、场地监视系统、飞机场地成像系统等，迫切要求寻找一种以低的成本，小的天线尺寸和设备体积的进行方位检测的实现方法。
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种用于目标方位检测的时分复用信道的天线阵系统及其信号处理方法，具有高可靠性、小体积、高分辨能力，可满足工程上高性能、低成本要求、适合民用系统的特点。
本发明提出的一种时分复用信道的天线阵系统，如图2所示，包括由多个天线单元构成的天线阵列，与所说的各个个天线单元相连的一个M×1开关阵列，与该开关阵列相连的一个收发信道设备，该收发信道设备与一个信号处理器相连，该信号处理器还通过信号控制线与所说的开关阵列相连。
本发明的系统天线阵的阵元可以有两种实施方案单天线和部分阵元复用子阵。
对于单天线实施方案，天线可以为微带贴片、缝隙天线、喇叭天线和振子天线等。
对于部分阵元复用子阵，结构如图6所示。共L个子阵，L+1个开关，每个子阵有2M个阵元(由黑框中M个阵元和白框中M个阵元构成)，相邻子阵复用M个阵元。如在第1个子阵工作时，1、2开关接通，在第i个子阵工作时，i、i+1开关接通。采用这种方式可以减少系统切换次数，降低系统要求，同时避免栅瓣产生。子阵中阵元可以为微带贴片、缝隙天线、喇叭天线和振子天线等。
采用本发明的天线阵列系统对不同应用环境中被检测目标的速度范围，可按以下三种不同的信号处理方法进行一、静止或准静止目标，如图3所示，在这种应用环境中目标最大速度vMAX，期望目标方位估计精度δθ、天线阵列间距d，以及系统检测周期T满足关系vMAX<2DδθT--(1)]]>。其信号处理方法包括以下步骤1)天线阵中各个天线单元按1到M的顺序，依次在不同的时间通过开关阵列接通收发信道设备发射接收信号，当一个天线单元工作时，其他天线单元停止工作，不馈电(在脉冲雷达中发射接收在不同时间段进行，连续波雷达是发射接收同时进行)；2)信号处理器依次在不同的时间对各天线单元接收信号进行采样，将获得的数据缓存在RAM中；3)计算Y(t)的协方差矩阵，当所有天线单元都工作后，将所获信号组写成向量为Y(t):Y(t)=A(ξ-)X(t)+N(t)---(2)]]>X(t)=[x1(t)x2(t)…xL(t)]T为信号回波包络N(t)=[n1(t)n2(t)…nM(t)]T为噪声 1)可采用多种方法从协方差矩阵中获得目标方位；如果采用空间超分辨方法，则计算特征值和特征向量，如采用快速傅立叶变换(FFT)这一步可省略；2)构造空间谱函数；一个采用多信号分类(MUSIC-MUltiple SIgnalClassification)方法的实施例中空间谱函数为PMUSIC(f)=1|Σi=p+1M|eH(f)vi|2|------(6)]]>eH∽=[1，exp(j2πfi)，……，exp(j2πfiN)]T，这里为噪声空间向量，p为目标数目；3)进行谱峰搜索可获得ξi=4πdsinθiλ;]]>4)获得目标方位θi=arcsin(ξiλ4πd)]]>。
二、中低速目标应用环境中工作方式如如图4所示，在这种应用环境中目标最大速度vMAX，目标方位分辨力Δθ、天线阵列间距d，以及系统检测周期T满足关系vMAX<2dΔθT]]>。其信号处理方法包括以下步骤1、线阵中各个天线单元按1到M的顺序，依次在不同的时间通过开关阵列接通收发信道设备发射接收信号，当一个天线单元工作时，其他天线单元停止工作，不馈电。(在脉冲雷达中发射接收在不同时间段进行，连续波雷达是发射接收同时进行)；2-6步与上述第一种情况中的2-6步基本相同，不同的只是这里向量 7、阵中各个天线单元按与第一步相反的顺序，从M到1，依次在不同的时间通过开关阵列接通收发信道设备发射接收信号，当一个天线单元工作时，其他天线单元停止工作，不馈电(在脉冲雷达中发射接收在不同时间段进行，连续波雷达是发射接收同时进行)；8-12步与与上述第一种情况中的2-6步基本相同，不同的只是向量 三、高速动目标应用环境中工作方式如图5所示，信号处理方法对应用的目标速度并无限制。其信号处理方法包括以下步骤1、阵中各个天线单元按1到M的顺序，依次在不同的时间通过开关阵列接通收发信道设备发射接收信号，当一个天线单元工作时，其他天线单元停止工作，不馈电。这个过程重复N次。(在脉冲雷达中发射接收在不同时间段进行，连续波雷达是发射接收同时进行)；2、信号处理器依次在不同的时间对各天线单元接收信号进行采样，将获得的数据缓存在RAM中。在第m次第k个天线扫描时，接收信号为 3、将2维信号1维化，第n组信号可写成向量Yn(t)=AnX(t)+Nn(t) 的数据Yn，Nn，An进行排列，获得NM×l向量，NM×l向量和NM×L矩阵 5、通过对R^]]>进行SVD分解获得NM-L个较小特征值对应的特征向量eii=L+l，NM；6、构造空间谱函数P(θi,vi)=[1NM-LΣi=L+1NM|A(θi,vi)Hei|2]-1;]]>7、在目标可能的速度、角度范围内按上式对θi，vi进行谱峰搜索，对应的峰值的θi，vi为目标的速度、角度。这样同时获得了目标的速度、角度。
上述三种工作方法均可分别预先编制成计算机程序固化在上述时分复用信道的天线阵系统的信号处理器中。在实际应用中将根据适应的应用环境中被检测目标的速度范围不同，需采用不同性能的信号处理器，因为信号处理方法从静态、准静态到中、低速，再到高速，可应用的环境越来越广，但对信号处理器速度，和系统工作周期的要求也越来越高，成本会有所上升。然而由于现今DSP、FPGA技术的飞速发展，芯片价格越来越低，即使实现要求最高的高速工作方式，成本也并不高。
本发明可用于目标方位检测，也可以用于脉冲雷达系统，只不过收发通道设备有所不同。
本发明具有以下特点第一，在本发明中，仅有一个收发信道设备，可以大大降低成本。
第二，在本发明中，实现同样空间分辨力和精度时，可以证明天线阵元之间的间距仅为常规多通道天线阵列的一半。这意味着对1维阵列，天线尺寸仅为常规多通道天线阵列的一半，对2维阵列，天线尺寸仅为常规多通道天线阵列的1/4，大大减小了天线阵尺寸。
第三，在本发明中，天线阵元共用一个收发信道设备，因此不需要多通道天线阵列中复杂的通道均衡、补偿，大大简化了实现难度。
第四，在本发明中，如果采用高速目标方案同时检测目标数可达NM-1，不再有目标数小于阵列单元数目的限制，且可同时获得目标的速度与方位。
综上所述，本发明的基本特点为它仅有一个收发单元，天线阵中各个天线单元在不同的时间接通收发单元，当一个天线单元工作时，其他天线单元停止工作。根据应用环境中被检测目标的速度范围，天线阵将采用三类不同工作方式。在实现同样目标分辨能力下，该天线阵到常规天线阵的一半乃至1/4。它尺寸小，设备需求低、精度高、易于实现，是一种可以满足工程上高性能、低成本的实用方法。
附图简要说明图1为已有的多通道天线阵列结构示意图。
图2为本发明的时分复用信道的天线阵系统结构示意图。
图3为本发明的信号处理方法之一的流程框图。
图4为本发明的信号处理方法之二的流程框图。
图5为本发明的信号处理方法之三的流程框图。
图6为本发明的部分阵元复用子阵结构示意图。
图7为本发明的一种实施例系统结构示意图。
下面结合附图详细说明一个用于汽车防撞系统的实施例。
本发明用于汽车防撞系统的实施例，如图7所示。本实施例中汽车防撞系统是基于调频连续波(FMCW)体制实现的。本实施例由包括由多个天线单元构成的天线阵列，与所说的各个个天线单元相连的一个开关阵列，与该开关阵列相连的一个收发信道设备，该收发信道设备与一个信号处理器相连。各部分具体结构分别描述如下本实施例中的系统天线阵天线单元为微带贴片的时间复用8×8子阵，复用与开关切换在水平方向，垂直方向不复用与开关切换。时间复用子阵为8×4子阵。微带贴片间距为半波长。
本实施例中的发射信道设备由调频源、耦合器和环行器构成。DSP(数字信号处理器)产生调频源的控制电压，调频源产生的信号经耦合器，一部分通过环行器到当前开关阵接通的天线发射出去。
本实施例中的接收信道设备由耦合器、环行器、混频器、放大器、滤波器和模拟/数字转换器(A/D)构成。从目标反射回来的信号被当前开关阵接通的天线阵元接收，接收信号通过环行器到混频器与耦合器耦合过来的信号混频。混频产生同相与正交两路信号，分别经过放大器、滤波器等器件送入模拟/数字转换器(A/D)采样。采样后信号送进RAM，进而送入DSP(数字信号处理器)处理。DSP在本实施例中可选择采用德州仪器公司TMS320C52芯片，或相当性能的芯片。
本实施例中的系统信号处理方法采用中、低速动目标工作方式，具体步骤如下1、系统中各个天线单元按1到M的顺序，依次在不同的时间通过开关阵列接通收发信道设备发射接收信号，当一个天线单元工作时，其他天线单元停止工作，不馈电。
2、信号处理器依次在不同的时间对各天线单元接收信号进行采样，将获得的数据缓存在RAM中。
3、计算Y(t)的协方差矩阵。当所有天线单元都工作后，将所获信号组写成向量为 4、通过对R^]]>进行SVD分解获得M-p个较小特征值对应的特征向量eii=p+l，M5、构造空间谱函数PMUSIC(f)=1|Σi=p+1M|eH(f)vi|2|]]>eH(f)=[l，exp(j2πfi)，……，exp(j2πfiN)]T，这里为噪声空间向量，p为目标数目。
6、进行谱峰搜索可获得ξi=2π(2dsinθi+viT)λ]]>7、线阵中各个天线单元按与第一步相反的顺序，从M到l，依次在不同的时间通过开关阵列接通收发信道设备发射接收信号，当一个天线单元工作时，其他天线单元停止工作，不馈电。
8、信号处理器依次在不同的时间对各天线单元接收信号进行采样，将获得的数据缓存在从M中。
9、算Y(t)的协方差矩阵。当所有天线单元都工作后，将所获信号组写成向量为 10、过对R^]]>进行SVD分解获得M-p个较小特征值对应的特征向量eii=p+l，M11、构造空间谱函数PMUSIC(f)=1|Σi=p+1M|eH(f)vi|2|]]>
权利要求
1.一种时分复用信道的天线阵系统，包括天线阵列、一个收发信道设备和一个信号处理器，其特征在于，还包括一个M×1开关阵列，所说的天线阵列由多个天线阵元构成，各个天线阵元均与所说的M×1开关阵列相连，该开关阵列与所说的收发信道设备相连，该收发信道设备与信号处理器相连，该信号处理器还通过信号控制线与所说的开关阵列相连。天线阵的阵元可以有两种实施方案单天线和部分阵元复用子阵。对于单天线实施方案，天线可以为微带贴片、缝隙天线、喇叭天线和振子天线等。
2.如权利要求1所说的天线阵系统，其特征在于，所说的天线阵的阵元为单天线。
3.如权利要求2所说的天线阵系统，其特征在于，所说的单天线为微带贴片、缝隙天线、喇叭天线和振子天线之一种。
4.如权利要求1所说的天线阵系统，其特征在于，所说的天线阵的阵元中的部分阵元为复用子阵。
5.一种用于如权利要求1所述天线阵系统的信号处理方法，包括以下步骤1)天线阵中各个天线单元按1到M的顺序，依次在不同的时间通过开关阵列接通收发信道设备发射接收信号，当一个天线单元工作时，其他天线单元停止工作，不馈电；2)信号处理器依次在不同的时间对各天线单元接收信号进行采样，将获得的数据缓存在RAM中；3)计算Y(t)的协方差矩阵，当所有天线单元都工作后，将所获信号组写成向量为Y(t):Y(t)=A(ξ-)X(t)+N(t)ξi=4πdsinθiλ,]]>其中Y(t)的协方差矩阵R^=1NΣl=1NY(tl)YH(tl);]]>4)可采用多种方法从协方差矩阵中获得目标方位；如果采用空间超分辨方法，则计算特征值和特征向量，如采用快速傅立叶变换(FFT)这一步可省略；5)构造空间谱函数；6)进行谱峰搜索可获得ξi=4πdsinθiλ;]]>7)获得目标方位θi=arcsin(ξiλ4πd)]]>。
6．一种用于如权利要求1所述天线阵系统的信号处理方法，包括以下步骤1)线阵中各个天线单元按1到M的顺序，依次在不同的时间通过开关阵列接通收发信道设备发射接收信号，当一个天线单元工作时，其他天线单元停止工作，不馈电；2)信号处理器依次在不同的时间对各天线单元接收信号进行采样，将获得的数据缓存在RAM中；3)计算Y(t)的协方差矩阵，当所有天线单元都工作后，将所获信号组写成向量为Y(t):Y(t)=A(ξ-)X(t)+N(t)ξi=2π(2dsinθi+viT)λ,]]>其中Y(t)的协方差矩阵R^=1NΣl=1NY(tl)YH(tl);]]>4)可采用多种方法从协方差矩阵中获得目标方位；如果采用空间超分辨方法，则计算特征值和特征向量，如采用快速傅立叶变换(FFT)这一步可省略；5)构造空间谱函数；6)进行谱峰搜索可获得ξi=4πdsinθiλ;]]>7)阵中各个天线单元按与第一步相反的顺序，从M到1，依次在不同的时间通过开关阵列接通收发信道设备发射接收信号，当一个天线单元工作时，其他天线单元停止工作，不馈电；8)信号处理器依次在不同的时间对各天线单元接收信号进行采样，将获得的数据缓存在RAM中；9)计算Y(t)的协方差矩阵，当所有天线单元都工作后，将所获信号组写成向量为 其中Y(t)的协 10)可采用多种方法从协方差矩阵中获得目标方位；如果采用空间超分辨方法，则计算特征值和特征向量，如采用快速傅立叶变换(FFT)这一步可省略；11)构造空间谱函数；12)进行谱峰搜索可获得ξi=4πdsinθiλ;]]>13)目标的角度为θi=arcsin(ξi-ξi8πd)λ]]>。
7．一种用于如权利要求1所述天线阵系统的信号处理方法，包括以下步骤1)阵中各个天线单元按1到M的顺序，依次在不同的时间通过开关阵列接通收发信道设备发射接收信号，当一个天线单元工作时，其他天线单元停止工作，不馈电。这个过程重复N次；2)信号处理器依次在不同的时间对各天线单元接收信号进行采样，将获得的数据缓存在RAM中，获得的数据将是一个2维信号；3)将2维信号1维化；4)计算1维化后信号的协方差矩阵；5)通过对协方差矩阵进行SVD分解，获得特征值和特征向量；6)构造空间谱函数；7)在目标可能的速度、角度范围内按上式对θi，vi进行谱峰搜索，对应的峰值的θi，vi，为目标的速度、角度，这样同时获得了目标的速度、角度。
全文摘要
本发明属于时分复用信道的天线阵设计领域,包括由多个天线单元构成的天线阵列,与所说的各个个天线单元相连的一个M×1开关阵列,与该开关阵列相连的一个收发信道设备,该收发信道设备与一个信号处理器相连,该信号处理器还通过信号控制线与所说的开关阵列相连;以及三种信号处理方法。本发明具有高可靠性、小体积、高分辨能力,可满足工程上高性能、低成本要求、适合民用系统的特点。
文档编号G01S3/16GK1285627SQ0012498
公开日2001年2月28日 申请日期2000年9月29日 优先权日2000年9月29日
发明者李阳, 冯正和, 陈雅琴, 梁立万, 潘伟峰 申请人:清华大学