本发明属于信号处理，尤其涉及一种基于数字波束形成的天线去耦合方法、目标到达角测量方法及雷达设备。
背景技术：
1、在雷达探测过程中，目标所在的距离、速度、角度是雷达探测的重要指标。雷达探测目标过程中的发射信号、接收信号如图1所示。设雷达发射信号为：
2、
3、其中，s(t)表示雷达发射信号，a1表示发射信号幅度，ω表示圆频率，t表示时间，表示初相。由于则雷达发射信号可表示为：
4、
5、其中，f表示频率，f0表示载频，μ表示信号斜率。相对于发射信号，接收信号的幅度衰减在时间上滞后τ，因此接收信号为：
6、
7、其中，r(t)表示雷达接收信号，a2表示接收信号幅度，τ表示时延，r表示目标与雷达的距离，c表示光速。
8、经混频、低通滤波后的差频信号为：
9、
10、其中，x(t)表示雷达差频信号。将代入到上述差频信号的表达式后，得到的差频信号为：
11、
12、可知，差频信号的初相为：
13、
14、由上式可知，差频信号的初相只与距离r有关，因此通过获取差频信号的初相值即可解算出目标与雷达的距离r。当目标距离r发生很小的变化时，会导致相位发生变化，因此可利用目标与雷达接收天线的距离的变化δd引起的相位变化来估算到达角。由于目标到达雷达的距离r与雷达接收天线之间的间距相差超百倍，因此可近似为目标到达各接收天线的到达角相同。
15、如图2所示，第一个接收天线的差频信号为：
16、
17、其中，x1(t)表示第一个接收天线的差频信号，b(t)表示接收信号表示形式，ω0表示载频f0对应的圆频率。第二个接收天线的差频信号为：
18、
19、其中，x2(t)表示第二个接收天线的差频信号，σ表示目标反射信号到达第二个接收天线与到达第一个接收天线的时延。目标反射信号到达第二个接收天线的距离r2与到达第一个接收天线的距离r1之间的关系为：
20、r2＝r1+dsinθ；
21、其中，d表示接收天线之间的间距，θ表示目标到达接收天线的到达角。通过计算两个接收天线的相位差即可计算出目标的到达角：
22、
23、由图2可知，则：
24、
25、因此，
26、数字波束形成利用横向滤波器对差频信号x(t)进行滤波，使差频信号的某些期望方向通过横向滤波器，而抑制其他方向的信号，如图3所示。
27、接收阵列信号x(t)表示为：
28、x(t)＝a(γ)x(t)；
29、其中，a(γ)表示导向向量。由于接收天线i的差频信号为因此接收阵列信号m表示接收阵元数量。数字波束形成的输出为：
30、y(t)＝whx(t)＝wha(γ)x(t)；
31、其中，y(t)表示输出的波束信号，wh表示移相系数。令w满足w＝a(γ)，则：
32、y(t)＝a(γ)ha(γ)x(t)＝mx(t)；
33、上式表明γ方向的信号可以通过滤波器，并被放大到m倍，同时抑制其他方向的信号。
34、测角方法选取和差比幅测角，和差比幅测角需要在阵列的输出端分别形成和波束和差波束，其中，和波束要求在波束指向处形成主瓣增益，而差波束则要求在波束指向处形成零陷，然后利用和差比估计出期望信号方向。
35、对于m个接收天线，如图4所示，和波束为：
36、∑＝x1(t)+x2(t)+...+xm(t)；
37、δ＝x1(t)+...+xm/2(t)-(xm/2+1(t)+...+xm(t))；
38、其中，∑表示和波束，xm(t)表示第m个接收天线的差频信号，δ表示差波束。每一个角度都对应一个和差波束的比值，比值的正负表示角度的正负，通过计算和、差波束的比值即可获得目标所在比值对应的角度。
39、由于天线之间并不是理想条件下的发射和接收，每一个天线单元除受本身电流产生的磁场外，还要受到天线阵列中其他天线单元上的电流所产生的磁场影响，同时接收天线间也会相互影响。因此，不同天线之间会存在耦合效应。
40、天线之间的耦合效应不仅会使天线阵列的输入阻抗失配、方向图畸变，还会使天线阵列的增益降低、极化特性恶化、辐射性能变差等。当探测目标到达角(即目标反射信号与天线阵列法线之间的夹角)时，由于存在天线耦合效应，且天线之间相互影响的系数是未知的，所以在使用和差波束测角时的和差比值会受天线之间耦合的影响，导致天线单元之间的相位差不再与理论相位差一致，进而导致探测到的目标到达角出现偏差，且无法进行补偿。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种天线去耦合方法、目标到达角测量方法及雷达设备，以解决天线耦合效应对雷达接收信号的影响。
2、本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种天线去耦合方法，包括：
3、步骤s1：获取当前波束指向时各接收天线在耦合效应下的接收差频信号；
4、步骤s2：根据当前波束指向时各接收天线在耦合效应下的接收差频信号，计算当前波束指向时的和波束和差波束；
5、步骤s3：根据当前波束指向时的和波束和差波束计算当前波束指向时的目标到达角；
6、步骤s4：判断波束指向调整次数是否小于或等于调整次数阈值，若否，转入步骤s5；若是，调整波束指向，波束指向调整次数加1，对于下一个波束指向重复所述步骤s1～步骤s4；
7、步骤s5：根据不同波束指向时的目标到达角求解各接收天线之间的耦合系数；
8、步骤s6：根据各接收天线之间的耦合系数对各接收天线在耦合效应下的接收差频信号进行补偿，得到补偿后各接收天线的接收差频信号。
9、进一步地，所述步骤s2中，对于m个接收天线，和波束计算公式为：
10、∑k＝zk1(t)+zk2(t)+...+zki(t)+...+zkm(t)；
11、其中，∑k表示第k个波束指向时的和波束，zki(t)表示第k个波束指向时第i个接收天线在耦合效应下的接收差频信号，t表示时间；
12、δk＝zk1(t)+...+zkm/2(t)-(zkm/2+1(t)+...+zkm(t))；
13、其中，δk表示第k个波束指向时的差波束。
14、进一步地，所述步骤s3中，根据当前波束指向时的和波束和差波束计算当前波束指向时的目标到达角，包括：
15、步骤s3.1：对所述和波束和差波束分别进行傅里叶变换，得到和波束频谱信号和差波束频谱信号；
16、步骤s3.2：对所述和波束频谱信号进行目标检测，得到目标在频谱信号中的位置；
17、步骤s3.3：根据所述目标在频谱信号中的位置，分别从和波束频谱信号、差波束频谱信号中提取第一信号、第二信号；
18、步骤s3.4：计算所述第一信号与第二信号的比值，根据所述比值确定目标到达角。
19、进一步地，所述步骤s4中，调整次数阈值为：
20、
21、其中，nt表示调整次数阈值，m表示接收天线数量。
22、进一步地，所述步骤s5中，各接收天线之间的耦合系数的求解公式为：
23、
24、
25、h11＝h22＝…＝hii＝…＝hmm＝1；
26、h21＝h12,…,hi1＝h1i,…,hm1＝h1m；…；hi2＝h2i,…,hm2＝h2m；…；hmi＝him；
27、其中，θk表示第k个波束指向时的目标到达角；∑k表示第k个波束指向时的和波束，zki(t)表示第k个波束指向时第i个接收天线在耦合效应下的接收差频信号，t表示时间；δk表示第k个波束指向时的差波束；m表示接收天线数量；zk(t)表示第k个波束指向时的接收差频信号阵列；hii表示第i个接收天线对第i个接收天线的耦合系数，i＝1,2,…,m；him表示第m个接收天线对第i个接收天线的耦合系数；hmi表示第i个接收天线对第m个接收天线的耦合系数；xki(t)表示第k个波束指向时第i个接收天线在理想条件下的接收差频信号；wi表示第i个接收天线的移相系数；angle()表示求目标到达角；k＝1,2,…,nt，nt表示调整次数阈值。
28、进一步地，所述步骤s6中，补偿后各接收天线的接收差频信号的计算公式为：
29、z1'(t)＝z1(t)-h12x2(t)-h13x3(t)-…-h1ixi(t)-…-h1mxm(t)；
30、zi'(t)＝zi(t)-hi1x1(t)-…-hi(i-1)x(i-1)(t)-hi(i+1)x(i+1)(t)-…-himxm(t)；
31、其中，z1'(t)表示补偿后第1个接收天线的接收差频信号；z1(t)表示第1个接收天线在耦合效应下的接收差频信号；xi(t)表示第i个接收天线在理想条件下的接收差频信号；h1i表示第i个接收天线对第1个接收天线的耦合系数；m表示接收天线数量；hi(i-1)表示第i-1个接收天线对第i个接收天线的耦合系数；hi(i+1)表示第i+1个接收天线对第i个接收天线的耦合系数；him表示第m个接收天线对第i个接收天线的耦合系数；x(i-1)(t)表示第i-1个接收天线在理想条件下的接收差频信号；x(i+1)(t)表示第i+1个接收天线在理想条件下的接收差频信号；xm(t)表示第m个接收天线在理想条件下的接收差频信号；zi'(t)表示补偿后第i个接收天线的接收差频信号；zi(t)表示第i个接收天线在耦合效应下的接收差频信号；i＞1。
32、基于同一构思，本发明还提供一种目标到达角测量方法，包括：
33、获取各接收天线的实际接收差频信号；
34、利用如上所述的天线去耦合方法计算各接收天线之间的耦合系数；
35、根据各接收天线之间的耦合系数对各接收天线的实际接收差频信号进行补偿；
36、根据补偿后各接收天线的实际接收差频信号计算实际目标到达角。
37、基于同一构思，本发明提供一种雷达设备，所述雷达设备采用如上所述的天线去耦合方法实现雷达天线的去耦合。
38、进一步地，所述雷达设备包括：
39、调整单元，用于调整波束指向；
40、信号采集单元，用于采集不同波束指向时各接收天线在耦合效应下的接收差频信号；
41、第一计算单元，用于根据不同波束指向时各接收天线在耦合效应下的接收差频信号，计算每个波束指向时的和波束和差波束；
42、第二计算单元，用于根据每个波束指向时的和波束和差波束计算对应波束指向时的目标到达角；
43、判断单元，用于判断波束指向调整次数是否小于或等于调整次数阈值；
44、第三计算单元，用于当波束指向调整次数大于调整次数阈值时，根据不同波束指向时的目标到达角求解各接收天线之间的耦合系数；
45、补偿单元，用于根据各接收天线之间的耦合系数对各接收天线在耦合效应下的接收差频信号进行补偿，得到补偿后各接收天线的接收差频信号。
46、基于同一构思，本发明提供一种雷达设备，所述雷达设备采用如上所述的目标到达角测量方法进行目标到达角的测量。
47、有益效果
48、与现有技术相比，本发明的优点在于：
49、本发明在不同波束指向时，基于数字波束形成原理计算目标到达角，根据不同波束指向时的目标到达角与和波束、差波束的关系求解不同接收天线之间的耦合系数，根据不同接收天线之间的耦合系数对各接收天线的接收差频信号进行补偿，消除了接收天线之间的耦合效应对雷达接收信号的影响。
50、利用补偿后的各接收天线的接收差频信号计算目标相关信息(例如目标到达角)，提高了目标相关信息的测量精度，避免了各接收天线之间的耦合效应导致的测量误差。
1.一种天线去耦合方法，其特征在于，所述去耦合方法包括：
2.根据权利要求1所述的天线去耦合方法，其特征在于，所述步骤s2中，对于m个接收天线，和波束计算公式为：
3.根据权利要求1所述的天线去耦合方法，其特征在于，所述步骤s3中，根据当前波束指向时的和波束和差波束计算当前波束指向时的目标到达角，包括：
4.根据权利要求1所述的天线去耦合方法，其特征在于，所述步骤s4中，调整次数阈值为：
5.根据权利要求1所述的天线去耦合方法，其特征在于，所述步骤s5中，各接收天线之间的耦合系数的求解公式为：
6.根据权利要求1～5中任一项所述的天线去耦合方法，其特征在于，所述步骤s6中，补偿后各接收天线的接收差频信号的计算公式为：
7.一种目标到达角测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：
8.一种雷达设备，其特征在于，所述雷达设备采用如权利要求1～6中任一项所述的天线去耦合方法实现雷达天线的去耦合。
9.根据权利要求8所述的雷达设备，其特征在于，所述雷达设备包括：
10.一种雷达设备，其特征在于，所述雷达设备采用如权利要求7所述的目标到达角测量方法进行目标到达角的测量。
