專利名稱：一種多波束快速探測方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及聲納和雷達技術，更具體地說，本發明涉及用于主動探 測中的一種多波束快速掃描探測方法及裝置。
背景技術：
在聲納和雷達領域，為獲得目標的空間信息(方位角、俯仰角)， 常使所發射的主動脈沖具有一定的空間指向性，即形成發射波束。每次 脈沖對特定區域(由波束寬度決定)進行探測。為了覆蓋整個探測空間， 系統按照"預置波束一>發射脈沖一>接收回波一>指向下一波束"的流 程重復，進行掃描。早期聲納或雷達通過換能器/天線結構設計和機械 掃描來實現這一目的，現代聲納和雷達一般采用換能器/天線陣列相控 的方法來形成發射波束，以電子方式進行掃描。對于采用發射波束掃描 的系統來說，需要掃描遍歷所有波束后才得到探測空間的完整信息，對 目標信息進行一次更新。
本領域技術人知道，發射波束越窄，得到的目標空間信息越精確， 同時也更有利于回波檢測，因為窄的發射波束所引起的混響/雜波強度 更小。然而在現有的聲納/雷達探測中，在一個波束上發射脈沖信號后， 需要等待進行回波接收，然后才能指向下一個波束發射脈沖信號，這是 因為1)現有的聲納/雷達系統在每個波束都發射相同的脈沖，如果前波束回波接收沒有結束就向其它波束發射脈沖，就不能判斷回波來自
哪個波束；2)對于脈沖探測系統來說，發射主動脈沖期間接收機通常會 因為直達波耦合而飽和，不能正常工作，如果在回波接收過程中發射主 動脈沖，會丟失可能的目標回波。在每個波束上等待的時間由系統的最 大探測距離決定對于給定的探測距離d，在每個發射波束上都必須等 待^2^c的時間，其中c為聲波/電磁波的速度。因此，雖然采用更多 的波束、更窄的發射波束有利于提高探測性能，但卻意味著掃描整個探 測范圍所需的時間更長。與此同時，人們總是希望系統能夠盡可能快地 更新信息，及時反映探測范圍內的態勢。這樣，系統探測目標的精度與 更新速度之間的需求就存在矛盾。由于聲速很低，對于主動聲納探測來 講這一問題就更加突出，因此在聲納中多采用較寬的發射波束或者全向 發射，同時在接收端作全波束形成的方法來獲得方位信息。但是，采用 寬的發射波束或者全向發射不利于提高發射源級，并且會帶來較強的混 響干擾，使得檢測性能下降。
由于現有技術的不足，就需要一種快速掃描方法和掃描裝置。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種多波束快速掃描方 法及裝置，以提高采用發射波束掃描的主動探測系統的信息更新速度。 為了達到上述目的，本發明采取如下技術方案
在一次主動探測中向多個波束分別發射波形不同、互不相關(即波 形具有小的互相關函數值，例如利用同階的不同本原多項式m序列碼相同載波調相產生的波形)的脈沖，接收端根據波形的不同來區分回波 的方位，使得在一個脈沖周期內可以覆蓋更大的探測區域，從而提高掃 描速度。具體步驟如下
(1 )根據在一個脈沖周期內需要覆蓋的波束數目設計一組互不相 關的波形；
(2) 根據在當前脈沖周期內所要覆蓋的波束號對步驟(1)所生成
的發射波形分別作預波束形成，得到要加載到換能器/天線陣元上的信 號，將對應同一陣元的不同波形的預波束信號相加后加載到該陣元上進
行發射；
(3) 接收脈沖回波，以各發射脈沖為復本對回波進行匹配處理， 得到各波束指向上的目標信息；
(4) 重復步驟(2) —步驟(3)，在余下的波束中確定下一組波束 并進行掃描，直到遍歷所有波束指向為止。
在上述技術方案中，所述步驟(1)中是按照碼分或/和頻分的方法 生成波形不同、互不相關的脈沖。
在上述技術方案中，進一步地，所述步驟(2)中，同一組內的不 同波束互相位于其它波束的最小響應位置。
在上述技術方案中，在步驟(2)中發射預波束形成是通過相控方 法實現的。
為了達到上述發明目的，本發明提出一種采用多波束快速掃描的主 動探測裝置，包括以下結構-
主動探測發射端，包括一個波束選擇器、預波束形成器、信號相加器，由換能器/天線陣列以及與陣元數相對應的功率放大器組成的相控
發射單元；
主動探測接收端，包括接收換能器/天線陣列以及與陣元數相對應 的前置放大器、波束形成器、回波信號檢測器及顯示單元；
雙工轉換器，用于完成換能器/天線陣列發射/接收狀態的隔離與轉
換；
波束掃描同步器，用于同步選擇發射端與接收端的掃描波束號。 本發明能夠達到如下技術效果-
(1) 能夠在一次發射中覆蓋多個波束，與傳統單波束掃描的方法 相比，縮短了掃描整個探測空間所用的時間；
(2) 與全向或寬波束發射的系統相比，采用本發明掃描方法的主 動探測系統可以采用更窄的發射波束，有利于降低混響/雜波的影響， 從而提高檢測性能。
圖1是本發明波束掃描方法與傳統單波束掃描方法的對比示意圖； 圖l.a所示為傳統的單波束掃描系統發射探測脈沖的工作流程；圖l.b
所示為采用本發明的多波束快速掃描系統的工作流程；
圖2是本發明同一次發射中不同脈沖的指向性示意圖3是采用本發明所述的多波束快速掃描方法的一個主動探測裝
置的結構示意圖具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述 本發明的原理是在一次發射中發射分別覆蓋多個波束的不同脈沖， 各脈沖波形采用碼分或/和頻分方法設計，脈沖之間具有小的互相關性， 接收機可根據波形的不同來區分回波所屬波束(例如利用同階的不同本 原多項式m序列碼對相同載波調相產生的波形)，從而獲得方位信息。作為多波束快速掃描方法的實施例，具體步驟如下(1) 根據目標系統的具體應用需求確定系統覆蓋的探測范圍和方 位分辨精度，即整個掃描開角^、以及單個發射波束的寬度A^，則所需 要掃描的總波束數目為M^^"^(2) 確定每次發射中所能掃描的波束數目。由于在一次發射中覆 蓋多個波束，等于將發射系統的能量分配到多個波束，在總的發射功率 一定的情況下，波束越多，每個波束上的等效源級就越小。所以，需要 根據系統設計指標中所要求的每個發射波束上的等效發射源級，來確定 一組發射中所能覆蓋的波束數目。假設一次發射中所能掃描的波束數目 為W，則需要重復《-M/iV次掃描以覆蓋整個探測范圍；(3) 確定掃描方案，即每次掃描所要覆蓋的波束號。盡可能找到 一種分配方案，使得在一次發射中所掃描的波束相互位于最小響應位置(避免出現在旁瓣上)，以減小不同波束之間的相互干擾；(4) 采用碼分或/和頻分方法設計iV個互不相關的脈沖波形；(5) 根據步驟(3)所確定的方案進行一次掃描發射將步驟(4)所得到的發射波形對當前所要覆蓋的波束分別作預波束形成，并將對同一陣元的不同波形的預波束信號相加后發射；(6) 接收脈沖回波，以各發射波形為復本分別對回波進行匹配處 理，得到各波束指向上的目標信息；(7) 重復步驟(5)、步驟(6),在余下的波束中確定下一組波束 并進行掃描，重復K次以遍歷所有波束。圖1為本發明所提出的發射波束掃描方法與傳統單波束掃描方法的 對比示意圖。圖中r為主動脈沖時間長度，7>為一個脈沖探測周期(兩 次發射間隔，通常取r + 2d/c)。如圖l.a所示，傳統掃描方法每次發射 一個脈沖，對應一個波束。新方法中每次發射多個波形不同的脈沖，分 別對應不同的波束，如圖l.b所示。為了減小一次發射中不同脈沖之間 相互干擾，它們所對應的波束號(方位角)并不連續，而是相互位于其 它脈沖所在波束的極小響應位置上，如圖2所示。圖2是同一次發射中 不同脈沖的指向性圖，圖中脈沖Pt、 P2、 P3分別指向-14。 、 0° 、 +14 ° 。在-14° (脈沖P1主瓣峰)處，脈沖P2、 P3為極小響應。相應地， Ph &在0°處為極小響應，P!、 P2在+14。處為極小響應。同一次發射 中不同脈沖的指向都被選取為滿足這種相互位于"零點"的角度，從而 進一歩減小了不同脈沖間的干擾。僅作為原理描述目的，假設整個探測 空間分為M-9個波束，則傳統單波束掃描需要9次發射才可以完成覆 蓋。假設采用新方法后一次發射波所覆蓋的波束數為iV-3，則只需3 次發射，覆蓋探測空間所需時間縮短為原來的1/3，信息更新速率提高3 倍。圖3是采用本發明所述的多波束快速掃描方法的主動探測裝置結構示意圖。系統采用收/發共用的線陣列，由一個雙工轉換器完成發射和 接收信號的隔離。雙工器以下左側為發射端部分，由波形產生器、預波 束形成器、波形相加器及功率放大器組成。右側為接收端，由波束形成 器、相干檢測接收機以及回波后處理/顯示單元組成。波束選擇和掃描 控制器控制發射接收端的波束掃描操作。該系統可在一次發射中同時掃描3個波束。工作時，掃描控制器選擇一組波束，發射端的預波束形成 器據此分別對由主動波形生成器產生3個脈沖波形作相控預波束形成， 接下來在波形相加器中，對應同一陣元的波形被相加在一起，并且經過 功率放大器送到相應陣元發射。脈沖發射結束后，系統進入回波接收狀 態，陣列輸出信號首先經過前置放大器進行調理放大，然后進入波束形 成器，波束形成器根據掃描控制器提供的波束號作波束形成，接下來各 波束信號被送入相干檢測接收機進行回波檢測。相干檢測接收機的是核 心是3個相關器，它們分別以發射脈沖為復本與對應波束的信號做相關。 檢測接收機輸出經過后處理后最終由顯示單元顯示。 一次脈沖周期結束 后，掃描控制器選擇下一組波束，系統對另外3個波束進行掃描探測。 最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非 限制。盡管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人 員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當 中。
權利要求
1、一種多波束快速探測方法，該方法在一次主動探測中向至少兩個波束分別發射波形不同、互不相關的脈沖，接收端根據波形的不同來區分回波的方位。
2、 按權利要求1所述的多波束快速探測方法，其主動探測發射階 段包括如下步驟-(1) 根據在一個脈沖周期內需要覆蓋的波束數目設計一組互不相 關的波形；(2) 將對應同一陣元的不同波形的預波束信號相加，然后發射出去。
3、 按權利要求2所述的多波束快速探測方法，所述不同波形的預 波束信號是根據當前脈沖周期內所要覆蓋的波束號對步驟(1)所生成 的發射波形分別作預波束形成而得到的信號。
4、 按權利要求3所述的多波束快速探測方法，其主動探測接收階 段包括如下步驟(3) 接收脈沖回波，以各發射脈沖為復本對回波進行匹配處理， 得到各波束指向上的目標信息。
5.(4) 不斷重復步驟(2) —步驟(3)，在余下的波束中確定下一組波束并進行掃描，直到遍歷所有波束指向為止。
6、 按權利要求2所述的多波束快速探測方法，其特征在于，所述步驟(1)中是按照碼分或/和頻分的方法生成波形不同、互不相關的脈 沖。
7、 按權利要求3所述的多波束快速探測方法，其特征在于，所述 步驟(2)中，同一組內的不同波束互相位于其它波束的最小響應位置。
8、 按權利要求3所述的多波束快速探測方法，其特征在于，在步 驟(2)中發射預波束形成是通過相控方法實現的。
9、 一種多波束快速探測裝置，包括以下結構 主動探測發射端，用于在一次主動探測中向至少兩個波束分別發射波形不同、互不相關的脈沖；主動探測接收端，用于對回波進行匹配處理，得到各波束指向上的 目標信息。
10、 按權利要求9所述的多波束快速探測裝置，所述主動探測發射 端包括一個波束選擇器、預波束形成器、信號相加器，由換能器/天線 陣列以及與陣元數相對應的功率放大器組成的相控發射單元；所述主動探測接收端包括接收換能器/天線陣列以及與陣元數相對 應的前置放大器、波束形成器、回波信號檢測器及顯示單元； 此外，所述多波束快速探測裝置還包括雙工轉換器，用于完成換能器/天線陣列發射/接收狀態的隔離與轉換；波束掃描同步器，用于同步選擇發射端與接收端的掃描波束號。
全文摘要
本發明涉及一種多波束快速探測方法及裝置，其探測方法是在一次主動探測中向至少兩個波束分別發射波形不同、互不相關的脈沖，接收端根據波形的不同來區分回波的方位。本發明的探測裝置包括主動探測發射端，主動探測接收端，雙工轉換器和波束掃描同步器。與現有技術相比，本發明的優點是(1)能夠在一次發射中覆蓋多個波束，與傳統單波束掃描的方法相比，縮短了掃描整個探測空間所用的時間；(2)與全向或寬波束發射的系統相比，采用本發明掃描方法的主動探測系統可以采用更窄的發射波束，有利于降低混響/雜波的影響，從而提高檢測性能。
文檔編號G01S7/523GK101329397SQ200710117638
公開日2008年12月24日 申請日期2007年6月20日 優先權日2007年6月20日
發明者吳永清, 王永豐, 蔡惠智 申請人:中國科學院聲學研究所