宽带数字阵列雷达的通道固定时延误差估计方法

技术领域

本发明一种宽带数字阵列雷达的通道固定时延误差估计方法。

背景技术

宽带数字波束形成作为宽带数字阵列雷达的一项关键技术，其性能优劣影响着雷达系统后续对目标检测、跟踪和识别的能力。然而对于大规模宽带数字阵列雷达，其阵列通道往往多达数百个，由于各通道的系统固定时延误差导致的信号不同步必然会造成宽带数字波束形成性能下降。同时由于阵列通道数量巨大，系统对硬件资源需求量也将更高。因此，通道间的高速数字信号的同步和系统硬件资源需求量大的问题一直是阻碍宽带数字波束形成技术工程应用的主要技术难题。

为解决由于通道固定时延误差带来的高速信号同步问题，可利用阵列信号处理中的时延估计算法估计通道固定时延量，并对各通道信号进行时延补偿以达到信号同步目的。目前，应用于雷达阵列通道间的时延误差估计研究较少，大部分关于时延估计的研究集中在水声阵列信号处理领域。如基于迭代时间的变步长算法、基于分数阶傅里叶变换的时延估计算法，还有将神经网络、机器学习和遗传算法引入分数时延估计算法中。但由于其算法复杂度较高，应用领域也较为局限。因此，在不同领域对时延估计算法的选用也不尽相同，需要根据实际系统要求，在时延估计精度和算法复杂度两方面权衡。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种宽带数字阵列雷达的通道固定时延误差估计方法，能够达到分数倍时延估计精度，补偿后可以有效克服通道固定时延误差对宽带数字波束形成造成的影响，降低硬件资源占有率，提高宽带数字阵列雷达系统中波束形成的性能。

本发明解决技术的方案是：一种宽带数字阵列雷达的通道固定时延误差估计方法，包括如下步骤：

步骤一、在宽带数字阵列雷达各个阵列接收通道馈入同一小时宽的线性调频信号后，采集并储存含有通道固定时延的各通道输出信号，对储存的信号进行并串转换后输出至脉冲压缩模块；

步骤二、对并串转换后的各通道信号分时输入脉冲压缩模块，脉冲压缩输出信号输入峰值检测模块，记录峰值检测模块输出的峰值点和其前后两点对应的采样时刻和峰值，此峰值点的采样时刻可以认为通道固定时延的整数部分；

步骤三、以峰值点为参考零点，使用峰值点及其前后两点拟合多项式，并记录此多项式峰值点的横坐标，即为通道固定时延的分数部分；

步骤四、将通道固定时延整数部分与分数部分相加，得到各通道固定时延后，计算各通道与参考通道之间的固定时延误差，即可用时域分数延时滤波器实现精确补偿。

在上述的一种宽带数字阵列雷达的通道固定时延误差估计方法，所述步骤二中，脉冲压缩模块输出峰值点的采样时刻可以认为通道固定时延的整数部分，具体计算方法为：

S1、对于阵列通道的固定时延估计可以看成在功率谱密度为N

y(t)＝s(t-t

其中，T

S2、对S1中y(t)的似然函数做最大似然估计求解，可得对时延t

S3、利用全微分公式对S2中公式做进一步化简，可得公式如下所示，所以S2中最大似然估计量就是信号y(t)和s(t-t

其中，t

在上述的一种宽带数字阵列雷达的通道固定时延误差估计方法，所述步骤三中，分数阶通道固定时延具体计算方法为：

S4、将峰值估计模块输出的数值REG7、REG8和REG9分别记作(0，f(0))、(-1，f(-1))和(1，f(1))；

S5、根据以上三点拟合如f(t)＝at

其中，t

在上述的一种宽带数字阵列雷达的通道固定时延误差估计方法，所述步骤三中，通道固定时延误差可按下列公式计算：

其中，Δτ

本发明的一种宽带数字阵列雷达的通道固定时延误差估计方法，步骤包括；步骤一、在宽带数字阵列雷达各个阵列接收通道馈入同一线性调频信号后，采集并储存含有通道固定时延的各通道输出信号，对储存的信号进行并串转换后输出至下一模块；步骤二、对并串转换后的各通道信号分时输入脉冲压缩模块，对脉冲压缩输出信号进行峰值检测，并记录峰值点和其前后两点对应的采样时刻和峰值，此峰值点的采样时刻可以认为通道固定时延的整数部分；步骤三、以峰值点为参考零点，使用峰值点及其前后两点拟合多项式，并记录此多项式峰值点的横坐标，即为通道固定时延的分数部分；步骤四、将通道固定时延整数部分与分数部分相加，得到各通道固定时延后，计算各通道与参考通道之间的固定时延误差。本发明在输入信号信噪比10dB至30dB情况下，估计精度达到0.001至0.014倍采样间隔，同时能够降低硬件资源占用率，提高宽带数字阵列雷达中数字波束形成的性能，从而提高宽带数字阵列雷达的系统性能。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明将水声阵列中时延估计定位算法引入数字阵列雷达通道时延估计误差估计中，相对于相关法等整数倍时延估计方法，可显著提高通道时延误差的估计性能。

(2)本发明相对于基于迭代时间的变步长、基于分数阶傅里叶变换的时延估计等算法，充分利用宽带数字阵列雷达中脉冲压缩环节，在整数时延估计部分不需要增加处理额外环节，能够降低硬件资源占用。

(3)本发明设计简单，计算量小，易于工程实现。

附图说明

图1为本发明的一种宽带数字阵列雷达的通道固定时延误差估计方法流程图；

图2为本发明中峰值检测示例图；

图3为本发明中分数倍时延估计的内插示例图；

图4为本发明在不同信噪比下，时延估计精度相关指标示例图；

图5为本发明在时延误差对波束形成的影响和时延估计补偿后对波束形成方向图的性能改善示例图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明提供一种宽带数字阵列雷达的通道固定时延误差估计方法，包含以下步骤：

步骤一、在宽带数字阵列雷达各个阵列接收通道馈入同一小时宽的线性调频信号后，采集并储存含有通道固定时延的各通道输出信号，对储存的信号进行并串转换后输出至脉冲压缩模块；

步骤二、对并串转换后的各通道信号分时输入脉冲压缩模块，脉冲压缩输出信号输入峰值检测模块，记录峰值检测模块输出的峰值点和其前后两点对应的采样时刻和峰值，此峰值点的采样时刻可以认为通道固定时延的整数部分；

图2给出了峰值检测的示意图，其具体方法可表示为：

S1、在脉冲压缩信号输入后，开启计数器，并记录相邻的三个时刻的输入信号的大小为REG1、REG2和REG3；

S2、比较数值REG1、REG2和REG3的大小，若存在数值REG2大于数值REG1和REG3的情况，则将数值REG1、REG2和REG3保存，对应数值分别为REG4、REG5和REG6；

S3、比较REG5与REG8大小，若数值REG5大于数值REG8，则将数值REG4、REG5和REG6保存，相对应的值为REG7、REG8和REG9，并保存计数器的计数值；

重复迭代S7至S9，至完成脉冲压缩信号输入。此时数值REG7、REG8和REG9的值便是所求脉冲压缩峰值及与峰值相邻两点的值，与此同时，计数器输出的计数值可看作通道固定时延的整数部分。

步骤三、以峰值点为参考零点，使用峰值点及其前后两点拟合多项式，并记录此多项式峰值点的横坐标，即为通道固定时延的分数部分；

图3给出了分数倍时延估计的内插示例图，其具体方法可表示为：

S4、将峰值估计模块输出的数值REG7、REG8和REG9分别记作(0，f(O))、(-1，f(-1))和(1，f(1))；

S5、根据以上三点拟合如f(t)＝at

其中，t

步骤四、将通道固定时延整数部分与分数部分相加，得到各通道固定时延后，计算各通道与参考通道之间的固定时延误差，即可用时域分数延时滤波器实现精确补偿。

图4给出了1000次蒙特卡洛仿真实验，不同信噪比下，通道固定时延误差估计算法的平均值、标准差和均方根误差变化趋势。

从图4中可以得到，在信噪比为10dB～30dB条件下，通道固定时延估计的标准差仅在0.011～0.003倍采样间隔，所得估计值的离散程度较低，估计算法的稳定性较好；同时时延估计的均方误差仅在0.012～0.001倍采样间隔，其均值在0.009～0.001倍采样间隔，估计补偿后各通道误差仅在皮秒级别。

图5给出了无通道固定时延误差和通道固定时延误差估计补偿前后数字波束形成广义方向图。

从图5中可以得到，当通道固定时延误差标准差为20ps时，与无通道固定时延误差的情况相比，其波束指向偏移了0.6°，归一化主瓣增益下降了1.060dB，归一化峰值副瓣和平均副瓣电平分别抬高了10.349dB和6.437dB，而在对通道固定时延误差补偿后，其波束指向和归一化主瓣增益未产生明显变化，仅峰值副瓣和平均副瓣电平产生少量上升。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。