基于旋转场天线的全向雷达测角方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明全向雷达【技术领域】，公开了一种基于旋转场天线的全向雷达测角方法及系统，该方法包括步骤：根据天线组合方式划分空域；比幅测角计算目标点迹的方位角θ；进行点迹与航迹数据关联计算，更新符合相关要求的航迹；对不符合相关要求的航迹，计算目标真实方位角并建立航迹，或者进行点迹凝聚处理。本发明采用信号发射时间空间分集技术，解决了测角模糊问题，完善了基于旋转场天线的全向雷达测角理论，使得具有众多优势的该体制雷达投入到实际工程应用成为可能。
【专利说明】基于旋转场天线的全向雷达测角方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及更具体地说，是涉及一种基于旋转场天线的全向雷达测角方法及系统。
【背景技术】
[0002]目前，旋转场天线在雷达及其他诸多领域得到了广泛的应用，如用于通信、广播电视领域电磁波的全方位发射和接收。基于旋转场天线的全向雷达是一种新体制雷达，具有如体积小、功率小、重量轻、成本低和可靠性高等优势。在方位面全向发射和接收电磁波束的情况下如何测量目标的方位角是该体制雷达首先面临的关键问题。
[0003]基于旋转场天线的全向雷达主要通过比幅测角来测量目标的方位角，当目标回波以某个方位角进入接收天线时，均匀分布的接收天线振子所对应的三个通道会接收到不同幅度的回波信号，理论上可以通过解方程组的方式求出目标方位角。在工程上实现时，三通道比幅测角精度受噪声的影响较大而且计算繁琐，因此可根据旋转场天线的波束特性，通过通道合成形成信号幅度一致的左旋和右旋通道，然后通过比较两个通道的相位差计算出目标的方位角。如图1所示为两对振子的旋转场天线接收目标回波示意图，由于接收天线的振子具有180°对称特性，不能区分目标回波以θ角或Θ+180。进入接收天线，比幅测角方法存在角度解算模糊问题。基于旋转场天线的全向雷达测角模糊的问题是该体制雷达的固有特征，需要新的技术手段来解决该问题。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何解决现有全向雷达的测角模糊问题。
[0005]为解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种基于旋转场天线的全向雷达测角方法，所述全向雷达包括4副独立的发射天线，所述4副天线依次相差90°配置；所述方法包括步骤:
[0006]将雷达探测空域按所述4副天线的组合方式划分为2个组合发射区和2个公共交叠区，所述4副天线同时向空中发射波束；
[0007]接收目标回波，形成信号幅度一致的左旋和右旋通道，比较左旋和右旋通道的相位差计算出目标的方位角Θ ；
[0008]进行点迹与航迹数据关联计算，首先使用点迹的所述方位角Θ与航迹进行相关判断，如果符合相关要求，则用所述方位角Θ更新航迹；如果不符合相关要求，则将点迹中的方位角变为Θ+180。后再与航迹进行相关判断，此时如果符合相关要求，则用方位角Θ+1800更新航迹；
[0009]判断与航迹不相关的点迹是否符合建立航迹的准则，若不符则进行点迹凝聚处理；若符合则在建立航迹之前，根据点迹的所述方位角Θ判断目标所在区域，关闭相关的天线组合，计算目标真实方位角。
[0010]优选地，所述将雷达探测空域按所述4副天线的组合方式划分为2个组合发射区和2个公共交叠区包括步骤:
[0011]将雷达探测空域划分为第一天线和第二天线组合的第一组合发射区、第三天线和第四天线组合的第二组合发射区，同时得到第一天线和第四天线间的第一公共交叠区、第二天线和第三天线间的第二公共交叠区。
[0012]优选地，所述根据点迹的所述方位角Θ判断目标所在区域，关闭相关的天线组合，计算目标真实方位角包括步骤:
[0013]如果目标在区域第一组合发射区内，则在3个帧周期内关断第三天线和第四天线，如果仍然能够收到目标的信息，则确定目标在第一组合发射区内，目标的真实方位角为Θ ;否则，确定目标在第二组合发射区内，目标的真实方位角为Θ+180。；
[0014]如果目标在第一公共交叠区内，则在3个帧周期内关断第二天线和第三天线，如果仍然能够收到目标的信息，则确定目标在第一公共交叠区内，目标的真实方位角为Θ ；否则，确定目标在第二公共交叠区内，目标的真实方位角为Θ+180。；
[0015]如果目标在第二公共交叠区内，同样则在3个帧周期内关断第二天线和第三天线，如果仍然能够收到目标的信息，则确定目标在第一公共交叠区内，目标的真实方位角为Θ+1800，否则，确定目标在第二公共交叠区内，目标的真实方位角为Θ。
[0016]优选地，所述方法中，经过通道合成处理形成信号幅度一致的左旋和右旋通道。
[0017]优选地，所述判断与航迹不相关的点迹是否符合建立航迹的准则包括步骤:
[0018]判断是否在多帧周期内收到同一目标的点迹信息，如果是则符合；否则不符合。
[0019]另一方面，本发明还同时提供了一种基于旋转场天线的全向雷达测角系统，所述全向雷达包括4副独立的发射天线，所述4副天线依次相差90°配置；所述系统包括:
[0020]空域划分模块，用于将雷达探测空域按所述4副天线的组合方式划分为2个组合发射区和2个公共交叠区，所述4副天线同时向空中发射波束；
[0021]比幅测角模块，用于接收目标回波，形成信号幅度一致的左旋和右旋通道，比较左旋和右旋通道的相位差计算出目标的方位角Θ ；
[0022]关联计算模块，用于进行点迹与航迹数据关联计算，首先使用点迹的所述方位角Θ与航迹进行相关判断，如果符合相关要求，则用所述方位角Θ更新航迹；如果不符合相关要求，则将点迹中的方位角变为Θ+180。后再与航迹进行相关判断，此时如果符合相关要求，则用方位角θ+180°更新航迹；
[0023]真实测角模块，用于判断与航迹不相关的点迹是否符合建立航迹的准则，若不符则进行点迹凝聚处理；若符合则在建立航迹之前，根据点迹的所述方位角Θ判断目标所在区域，关闭相关的天线组合，计算目标真实方位角。
[0024]优选地，所述空域划分模块进一步包括:
[0025]区域划分模块，用于将雷达探测空域划分为第一天线和第二天线组合的第一组合发射区、第三天线和第四天线组合的第二组合发射区，同时得到第一天线和第四天线间的第一公共交叠区、第二天线和第三天线间的第二公共交叠区。
[0026]优选地，所述真实测角模块进一步包括:
[0027]发射区测角模块，用于在初步判定目标在区域第一组合发射区内时，在3个帧周期内关断第三天线和第四天线，如果仍然能够收到目标的信息，则确定目标在第一组合发射区内，目标的真实方位角为Θ ;否则，确定目标在第二组合发射区内，目标的真实方位角为 Θ +180° ；
[0028]第一交叠区测角模块，用于在初步判定目标在第一公共交叠区内时，在3个帧周期内关断第二天线和第三天线，如果仍然能够收到目标的信息，则确定目标在第一公共交叠区内，目标的真实方位角为Θ ;否则，确定目标在第二公共交叠区内，目标的真实方位角为 Θ +180° ；
[0029]第二交叠区测角模块，用于在初步判定目标在第二公共交叠区内时，在3个帧周期内关断第二天线和第三天线，如果仍然能够收到目标的信息，则确定目标在第一公共交叠区内，目标的真实方位角为Θ+180。，否则，确定目标在第二公共交叠区内，目标的真实方位角为Θ。
[0030]优选地，所述比幅测角模块中，经过通道合成处理形成信号幅度一致的左旋和右旋通道。
[0031]优选地，所述真实测角模块中，判断是否在多帧周期内收到同一目标的点迹信息，如果是则符合建立航迹的准则；否则不符合。
[0032]本发明采用信号发射时间空间分集技术，解决了测角模糊问题，完善了基于旋转场天线的全向雷达测角理论，使得具有众多优势的该体制雷达投入到实际工程应用成为可倉泛。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1是两对振子的旋转场天线接收目标回波示意图；
[0034]图2是左通道和右通道的形成示意图；
[0035]图3是本发明的一个实施例中全向雷达发射天线的结构示意图；
[0036]图4是本发明的一个实施例中全向雷达发射时间空间分集示意图；
[0037]图5是本发明的一个优选实施例中基于旋转场天线的全向雷达测角方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0038]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，所描述的实施例为实施本发明的较佳实施方式，所述描述是以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围应当以权利要求所界定者为准，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
[0039]基于旋转场天线的测角的基本方法是比幅测角，如图1所示，当目标回波以Θ角进入接收天线时，均匀分布的A、B两对振子所对应的两个通道会接收到不同幅度的回波信号，可以通过解方程组的方式求出Θ角。在工程上实现时，多通道的比幅测角精度受噪声的影响较大而且计算繁琐，因此可根据旋转场天线的波束特性，通过通道合成形成信号幅度一致但相位不同的左和右通道，如图2所示，然后通过比较两个通道的相位差计算出目标的方位角。
[0040]但实际情况中，由于接收天线的振子物理上具有180°对称特性，不能区分目标回波以Θ角或θ+180°进入接收天线，比幅测角方法存在角度解算模糊问题，表现在求解方程组时，在0°?360°值域内求出存在相差180°的两个解。针对这种缺陷，本发明提出信号发射时间空间分集法解决基于旋转场天线的全向雷达的测角模糊问题。
[0041]信号发射时间空间分集是采用发射信号时间上交替覆盖两个测角模糊的空域达到解模糊的目的。发射时间空间分集需要发射天线具备空间指向的能力，在方位面形成两个波束，每个波束覆盖180°的空域，但在实际工作中两个波束存在交叠的问题，处于交叠区内的目标仍然不能解决测角模糊问题。
[0042]本发明采用包含4副独立的发射天线解决波束交叠区的问题，如图3所示为全向雷达发射天线组成示意图。4副天线能根据测角需要配置成两种交叠情况，当第一天线I和第二天线2为一组、第三天线3和第四天线4为另一组时，交叠区如图4左图所示；当第一天线I和第四天线4为一组、第二天线2和第三天线3为另一组时，交叠区如图4右图所示。在本发明中，采用信号发射时间空间分集技术，解决了测角模糊问题。其方法通过天线的组合划分空域；首先利用比幅测角计算目标点迹的方位角Θ ;再进行点迹与航迹数据关联计算，更新符合相关要求的航迹；对不符合相关要求的航迹，计算目标真实方位角并建立航迹，或者进行点迹凝聚处理待获得更详细信息后再进行上述处理。
[0043]更具体地，如图5所示，解决目标测角模糊问题与雷达数据处理系统密切相关，图5描述了如何获得目标的真实方位角:
[0044]如图4左图所示，将雷达探测空域划分为第一天线I和第二天线2组合发射区SECT0R_1_2、第三天线3和第四天线4组合发射区SECT0R_3_4、公共交叠区SECT0R_C0M_1、SECT0R_C0M_2，4副天线同时向空中发射波束。
[0045]接收天线收到目标回波，经过通道合等处理形成信号幅度一致的左旋和右旋通道，雷达信号处理机比较左旋和右旋通道的相位差计算出目标的方位角，并向雷达数据处理系统发送点迹信息(方位角Θ )，点迹可能出现的区域为SECT0R_1_2、SECT0R_C0M_USECT0R_C0M_2o
[0046]数据处理系统进行点迹与航迹数据关联计算，首先使用点迹(方位角Θ )与航迹进行相关判断，如果符合相关要求，则用点迹(方位角Θ )更新航迹；如果不符合相关要求，则将点迹中的方位角变为Θ+180。，然后再进行点迹(方位角Θ+180。)与航迹相关判断，如果符合相关要求，则用点迹(方位角Θ+180。)更新航迹。
[0047]雷达数据处理系统将与航迹不相关的点迹(方位角Θ )进行点迹凝聚等处理，如果在多帧周期内收到同一目标的点迹信息，符合雷达数据处理算法建立航迹的准侧，则在建立航迹之前，数据处理系统根据点迹(方位角Θ )判断目标所在区域，关闭相关的天线组合，计算目标真实方位角。
[0048]具体地，如果目标在区域SECT0R_1_2内，则在3个帧周期内关断第三天线3和第四天线4，如果仍然能够收到目标的信息，则确定目标在区域SECT0R_1_2内，目标的真实方位角为Θ ;否则，确定目标在区域SECT0R_3_4内，目标的真实方位角为Θ+180。。
[0049]如果目标在区域SECT0R_C0M_1内，则在3个帧周期内关断第二天线2和第三天线3，如果仍然能够收到目标的信息，则确定目标在区域SECT0R_C0M_1内，目标的真实方位角为Θ，否则，确定目标在区域SECT0R_C0M_2内，目标的真实方位角为Θ+180°。
[0050]如果目标在区域SECT0R_C0M_2内，同样则在3个帧周期内关断第二天线2和第三天线3，如果仍然能够收到目标的信息，则确定目标在区域SECT0R_C0M_1内，目标的真实方位角为Θ+180。，否则，确定目标在区域SECTOR_COM_2内，目标的真实方位角为Θ。
[0051]本发明采用发射信号时间上交替覆盖两个测角模糊的空域达到解模糊的目的。由于采用具备空间指向的能力的天线，在方位面形成两个波束，每个波束覆盖180°的空域，密切结合雷达数据处理流程，通过控制开、关某种天线组合，交替覆盖测角模糊的空域，解决了测角解模糊问题。与本发明相近似的，还可采用发射频率空间分集方案来替代解决测角模糊问题，具体方法是采用两个不同频率的发射信号去覆盖两个测角模糊的空域，接收时通过频率分集处理来到达解模糊的目的。该方式与本发明的发射时间空间分集法类似，需要发射天线具备空间指向的能力，发射天线在方位面至少能形成两个波束，每个波束覆盖180°的空域，但该方案需要更多的处理资源，从而导致系统成本更高，在此不再赘述。
[0052]本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括上述实施例方法的各步骤，而所述的存储介质可以是:R0M/RAM、磁碟、光盘、存储卡等。因此，本领域相关技术人员应能理解，与本发明的方法相对应的，本发明还同时包括一种基于旋转场天线的全向雷达测角系统，其中所述全向雷达包括4副独立的发射天线，所述4副天线依次相差90°配置，与上述方法步骤一一对应地，该系统包括:
[0053]空域划分模块，用于将雷达探测空域按所述4副天线的组合方式划分为2个组合发射区和2个公共交叠区，所述4副天线同时向空中发射波束；
[0054]比幅测角模块，用于接收目标回波，形成信号幅度一致的左旋和右旋通道，比较左旋和右旋通道的相位差计算出目标的方位角Θ ；
[0055]关联计算模块，用于进行点迹与航迹数据关联计算，首先使用点迹的所述方位角Θ与航迹进行相关判断，如果符合相关要求，则用所述方位角Θ更新航迹；如果不符合相关要求，则将点迹中的方位角变为Θ+180。后再与航迹进行相关判断，此时如果符合相关要求，则用方位角θ+180°更新航迹；
[0056]真实测角模块，用于判断与航迹不相关的点迹是否符合建立航迹的准则，若不符则进行点迹凝聚处理；若符合则在建立航迹之前，根据点迹的所述方位角Θ判断目标所在区域，关闭相关的天线组合，计算目标真实方位角。
[0057]基于旋转场天线的全向雷达在国内是一部新体制雷达，具有如体积小、功率小、重量轻、成本低和可靠性高等优势。但由于接收天线的振子具有180°对称特性，目标方位角的求解过程存在模糊问题，测角模糊是该新体制雷达的固有缺陷。本发明采用信号发射时间空间分集技术，解决了测角模糊问题，完善了基于旋转场天线的全向雷达测角理论，使得具有众多优势的该体制雷达投入到实际工程应用成为可能。
[0058]上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1.一种基于旋转场天线的全向雷达测角方法，其特征在于，所述全向雷达包括4副独立的发射天线，所述4副天线依次相差90°配置；所述方法包括步骤: 将雷达探测空域按所述4副天线的组合方式划分为2个组合发射区和2个公共交叠区，所述4副天线同时向空中发射波束； 接收目标回波，形成信号幅度一致的左旋和右旋通道，比较左旋和右旋通道的相位差计算出目标的方位角Θ ; 进行点迹与航迹数据关联计算，首先使用点迹的所述方位角Θ与航迹进行相关判断，如果符合相关要求，则用所述方位角Θ更新航迹；如果不符合相关要求，则将点迹中的方位角变为Θ+180。后再与航迹进行相关判断，此时如果符合相关要求，则用方位角Θ+1800更新航迹； 判断与航迹不相关的点迹是否符合建立航迹的准则，若不符则进行点迹凝聚处理；若符合则在建立航迹之前，根据点迹的所述方位角Θ判断目标所在区域，关闭相关的天线组合，计算目标真实方位角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将雷达探测空域按所述4副天线的组合方式划分为2个组合发射区和2个公共交叠区包括步骤: 将雷达探测空域划分为第一天线和第二天线组合的第一组合发射区、第三天线和第四天线组合的第二组合发射区，同时得到第一天线和第四天线间的第一公共交叠区、第二天线和第三天线间的第二公共交叠区。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据点迹的所述方位角Θ判断目标所在区域，关闭相关的天线组合，计算目标真实方位角包括步骤: 如果目标在区域第一组合发射区内，则在3个帧周期内关断第三天线和第四天线，如果仍然能够收到目标的信息，则确定目标在第一组合发射区内，目标的真实方位角为Θ ；否则，确定目标在第二组合发射区内，目标的真实方位角为Θ+180。； 如果目标在第一公共交叠区内，则在3个帧周期内关断第二天线和第三天线，如果仍然能够收到目标的信息，则确定目标在第一公共交叠区内，目标的真实方位角为Θ ;否则，确定目标在第二公共交叠区内，目标的真实方位角为Θ+180。； 如果目标在第二公共交叠区内，同样则在3个帧周期内关断第二天线和第三天线，如果仍然能够收到目标的信息，则确定目标在第一公共交叠区内，目标的真实方位角为Θ+1800，否则，确定目标在第二公共交叠区内，目标的真实方位角为Θ。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法中，经过通道合成处理形成信号幅度一致的左旋和右旋通道。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述判断与航迹不相关的点迹是否符合建立航迹的准则包括步骤: 判断是否在多帧周期内收到同一目标的点迹信息，如果是则符合；否则不符合。
6.一种基于旋转场天线的全向雷达测角系统，其特征在于，所述全向雷达包括4副独立的发射天线，所述4副天线依次相差90°配置；所述系统包括: 空域划分模块，用于将雷达探测空域按所述4副天线的组合方式划分为2个组合发射区和2个公共交叠区，所述4副天线同时向空中发射波束； 比幅测角模块，用于接收目标回波，形成信号幅度一致的左旋和右旋通道，比较左旋和右旋通道的相位差计算出目标的方位角Θ; 关联计算模块，用于进行点迹与航迹数据关联计算，首先使用点迹的所述方位角Θ与航迹进行相关判断，如果符合相关要求，则用所述方位角Θ更新航迹；如果不符合相关要求，则将点迹中的方位角变为Θ+180。后再与航迹进行相关判断，此时如果符合相关要求，则用方位角θ+180°更新航迹； 真实测角模块，用于判断与航迹不相关的点迹是否符合建立航迹的准则，若不符则进行点迹凝聚处理；若符合则在建立航迹之前，根据点迹的所述方位角Θ判断目标所在区域，关闭相关的天线组合，计算目标真实方位角。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述空域划分模块进一步包括: 区域划分模块，用于将雷达探测空域划分为第一天线和第二天线组合的第一组合发射区、第三天线和第四天线组合的第二组合发射区，同时得到第一天线和第四天线间的第一公共交叠区、第二天线和第三天线间的第二公共交叠区。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述真实测角模块进一步包括: 发射区测角模块，用于在初步判定目标在区域第一组合发射区内时，在3个帧周期内关断第三天线和第四天线，如果仍然能够收到目标的信息，则确定目标在第一组合发射区内，目标的真实方位角为Θ ;否则，确定目标在第二组合发射区内，目标的真实方位角为Θ +180° ； 第一交叠区测角模块，用于在初步判定目标在第一公共交叠区内时，在3个帧周期内关断第二天线和第三天线，如果仍然能够收到目标的信息，则确定目标在第一公共交叠区内，目标的真实方位角为Θ ;否则，确定目标在第二公共交叠区内，目标的真实方位角为Θ +180° ； 第二交叠区测角模块，用于在初步判定目标在第二公共交叠区内时，在3个帧周期内关断第二天线和第三天线，如果仍然能够收到目标的信息，则确定目标在第一公共交叠区内，目标的真实方位角为Θ+180。，否则，确定目标在第二公共交叠区内，目标的真实方位角为Θ。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的系统，其特征在于，所述比幅测角模块中，经过通道合成处理形成信号幅度一致的左旋和右旋通道。
10.根据权利要求6-8中任一项所述的系统，其特征在于，所述真实测角模块中，判断是否在多帧周期内收到同一目标的点迹信息，如果是则符合建立航迹的准则；否则不符合。
【文档编号】G06F19/00GK104200112SQ201410458047
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月10日 优先权日:2014年9月10日
【发明者】王盛鳌, 张容权, 龚海烈, 赵怀坤, 何旭峰, 李娜 申请人:四川九洲电器集团有限责任公司