切换天线阵列技术及其应用研究

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相控阵雷达具有波束快速切换的巨大优势而受到广泛关注,同时,结合数字波束形成技术的数字阵列雷达是未来的发展趋势。但是,相控阵雷达及数字阵列雷达的高成本限制了其快速推广及广泛应用。将切换天线阵列技术应用于雷达系统可以有效缩减发射端及接收端的通道数量,进一步降低数字阵列雷达硬件的成本、功耗及体积。对于静止目标,传统的数字波束形成算法及超分辨空间谱估计算法可直接用于切换天线阵列雷达实现角度估计。但是,对于运动目标,切换天线阵列雷达面临固有的角度-速度耦合问题,若不对运动引入的额外相位差进行补偿修正,将会引起角度估计误差,甚至导致角度估计错误。为了解决切换天线阵列雷达的角度-速度耦合问题,且克服现有运动目标相位补偿方法的缺陷,本文开展了下述研究工作:1)建立了切换天线阵列雷达信号模型,包括SAA(switch antenna array)FMCW(frequency modulated continuous wave)雷达及TDM(time division multiplexing)MIMO(multiple input multiple output)FMCW雷达,分析了利用传统顺序切换方案时分复用时序时的目标运动引入的相位特性及其对数字波束形成的影响,为后续运动目标相位补偿方法的研究奠定理论基础。2)提出了基于双倍时间切换方案的相位消除方法,依据双倍时间切换方案时分复用时序进行信号的接收,通过简单的信号处理直接消除目标运动引起的相位项,解决了运动目标的角度-速度耦合问题,实现了运动目标角度的精确估计。该方法不需要使用优化算法求解最优的时分复用时序,也不需要估计目标速度,避免了模糊速度的估计问题。3)提出了基于参考阵元的相位提取方法,首先,依据基于参考阵元的切换方案时分复用时序进行信号的接收,然后,通过对参考阵元的前两个周期距离单元信号的相位进行处理,提取得到运动引入的相位差,最后,利用该相位差构建相位补偿矩阵,并对阵列信号进行相位补偿。与基于双倍时间切换方案的相位消除方法相比,该方法的一轮接收信号所消耗的时间得到了大幅缩减。4)提出了基于特定切换方案的相位提取方法,首先,信号的接收根据特定切换方案时分复用时序完成,然后,利用第2、3阵元距离单元信号的相位信息计算运动引入的相位差,最后,该相位差被用来构建相位补偿矩阵实现对阵列信号的相位补偿。该方法的一轮接收信号所消耗的时间与传统顺序切换方案一轮接收信号所消耗的时间相同。5)现有的相位补偿方法难以应对低SNR运动目标的角度-速度耦合问题,因此,提出了用于SAA FMCW雷达的低SNR运动目标的角度估计方法。首先,依据传统顺序切换方案时分复用时序进行信号的接收,然后,利用数字波束形成提高目标SNR并进行目标速度估计,接着,利用速度估计值对阵列信号进行相位补偿,最后,再次利用数字波束形成完成目标的角度估计。该方法有效解决了低SNR运动目标的角度-速度耦合问题。对于TDM MIMO FMCW雷达,我们提出了交叉切换方案时分复用时序,使得用于SAA FMCW雷达的低SNR运动目标的角度估计方法适用于TDM MIMO FMCW雷达,仿真及实验测试验证了该方法的有效性。
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