CN103412301B - 米波雷达测角方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种米波雷达测角方法，主要解决现有技术由于多普勒通道对不准而造成的信噪比损失大的问题。其实现步骤为：（1）对阵列接收的雷达回波信号进行脉冲压缩，得到脉压回波信号；（2）估计目标角度，并用该目标角度构造权矢量对脉压回波信号进行波束形成；(3)对波束形成后的数据进行多点的快速傅里叶变换，进而获得目标的精确多普勒频率；(4)用获得的精确多普勒频率产生一个多普勒权矢量，用此多普勒权矢量对脉压回波信号进行加权滤波；(5)采用滤波后的数据进行波束扫描测角。本发明具有测角精度高，性能稳定的优点，可用于雷达技术领域中的目标精准定位。

Description

米波雷达测角方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体是一种米波雷达测角方法，可用于改善米波雷达测角过程中因多普勒通道对不准而导致的目标角度估计精度下降的问题。

背景技术

米波雷达在超视距探测、抗电子干扰等方面具有独特的优势，近年来受到普遍重视。但由于米波波长较长，且受到天线尺寸的限制，天线主瓣波束较宽，测角精度较差，无法对目标精准定位。如何有效提高米波雷达的测角精度至今仍然是雷达界的一个难题。本发明在常规测角方法的基础上，提出了一种改进的米波雷达测角方法。

雷达的测角精度除了和系统本身的参数、估计方法、天线孔径有关外，还与信噪比直接相关。所以要提高测角精度，必须想办法提高信噪比。而进行角度估计时是利用通道信号处理后的数据来进行的，所以通道信号处理结果对提高信噪比，以致对角度估计结果有直接影响。

贾永康等人在“利用多普勒信息的波达方向最大似然估计方法[J].电子学报,1997,25(6)：71-76.”文章中提出的常规的基于多普勒信息的测角方法，是将脉冲压缩后得到的脉压回波信号进行检测通道信号处理，包括波束形成，多普勒滤波等；根据检测结果，利用检测通道信号处理后的目标数据进行波束扫描测角；最后估计出目标的角度。这种方法由于其检测通道信号处理存在损失，如进行多普勒滤波，多普勒滤波器没有对准目标的多普勒频率的时候，即多普勒通道对不准，造成角度估计的数据有信噪比损失，测角精度会受到影响。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有米波雷达常规测角方法在多普勒通道对不准的缺点，提出了一种精度高、性能稳定的米波雷达测角方法。

本发明是这样实现的：

一，技术思路

本发明利用常规测角方法估计目标的角度，再用此角度构造的权矢量对脉压回波信号进行波束形成，通过对波束形成后的目标数据进行足够多点的快速傅里叶变换，得到精确的目标多普勒频率；利用此目标多普勒频率产生一个权矢量，再用这个权矢量对脉压回波信号进行加权滤波；再通过对滤波后的数据进行波束扫描，测得目标角度。

二，实现步骤

（1）采用包含N个阵元的均匀线阵接收米波雷达回波信号，并经过脉冲压缩后得到脉压回波信号为X；

（2）对脉压回波信号X用权向量w_q进行波束形成，得到波束形成后的数据y_D＝w_q ^HX，

其中w_q＝a(θ₀')＝[1,exp(j2πdsinθ₀'/λ),…,exp(j2πd(N-1)sinθ₀'/λ)]^T表示权向量，θ₀'是常规测角方法估计的角度，exp表示以e为底的指数幂，j表示虚数单位，d为阵元间距，λ表示信号的波长，[]^H表示向量共轭转置，[]^T表示向量转置；

（3）对波束形成后的数据y_D，进行4M点的FFT处理，得到FFT处理后的数据y_F，M表示每个阵元的接收脉冲数；

（4）设y_F的模值最大值所对应的位置为p_T,则目标的多普勒频率估计为 ${f_d}^{\′}=\frac{p_T-1}{4M{T}_r};$

（5）利用目标多普勒频率f_d'产生一组权矢量：

w_fd＝[1,exp(j2πf_d'T_r),…,exp(j2πf_d'(M-1)T_r)]^T，

其中T_r表示脉冲重复周期；

（6）用权矢量w_fd对脉压回波信号X进行加权滤波，得到滤波后的数据Z＝[z₁,z₂,…,z_N]^T，其中z_i表示对第i个阵元接收的脉压回波信号进行加权滤波后所得的值，i=1,2,3,…,N；

（7）对滤波后的数据Z进行波束扫描测角，得到估计的目标角度为

$\widehat{\mathrm{\θ}}=\arg \underset{\mathrm{\θ}}{\max }\left|a^H\left(\mathrm{\θ}\right)Z\right|,$

其中||表示求模，a(θ)＝[1,exp(j2πdsinθ/λ),…,exp(j2πd(N-1)sinθ/λ)]^T表示扫描权向量，θ为扫描角度。

本发明与现有技术相比有以下优点：

本发明由于采用4M点的FFT处理，进而得到目标的精确多普勒频率，并利用此多普勒频率构造的权矢量进行加权滤波，使得目标多普勒频率能对准多普勒通道，从而减少了用于角度估计的数据的信噪比损失，因此测角精度高且性能稳定。

附图说明

图1是本发明的实施流程图；

图2是本发明仿真使用的滤波器组幅频响应图；

图3是用常规测角方法与本发明方法采用图2的数据在波束扫描前的信噪比对比图；

图4是常规测角方法与本发明方法采用图2的数据进行测角的角度均方根误差对比图。

具体实施方式

参照图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，采用包含N个阵元的均匀线阵接收米波雷达回波信号，并经过脉冲压缩后得到脉压回波信号为X，表示为：X＝[x_ik]_N×M，

其中，x_ik=s_Texp(j2πd(i-1)sinθ_T/λ)exp(j2πf_d(k-1)T_r)+w_ik表示第i个阵元接收到的第k个脉冲的脉压回波信号，i=1,2,3,…,N，k=1,2,3,…,M，M表示每个阵元的接收脉冲数，s_T表示经过脉冲压缩之后的目标回波信号初始复振幅,exp表示以e为底的指数幂，j表示虚数单位，d为阵元间距，θ_T为目标回波方向与接收天线阵列法线之间的夹角，λ表示信号的波长，f_d表示目标的多普勒频率，T_r表示脉冲重复周期，w_ik表示白噪声。

步骤2，对脉压回波信号X用权向量w_q进行波束形成，得到波束形成后的数据：y_D＝w_q ^HX，

其中，w_q＝a(θ₀')＝[1,exp(j2πdsinθ₀'/λ),…,exp(j2πd(N-1)sinθ₀'/λ)]^T表示权向量，θ₀'是常规测角方法估计的目标角度，[]^H表示向量共轭转置，[]^T表示向量转置。

步骤3，对波束形成后的数据y_D，进行4M点的FFT处理，得到FFT处理后的数据y_F＝FFT[y_D]。

步骤4，设所述y_F的模值最大值所对应的位置为p_T,则目标的多普勒频率估计为 ${f_d}^{\′}=\frac{p_T-1}{4M{T}_r}\·$

步骤5，利用目标多普勒频率f_d'产生一组权矢量：

w_fd＝[1,exp(j2πf_d'T_r),…,exp(j2πf_d'(M-1)T_r)]^T。

步骤6，获取滤波后的N个数据。

6a）用权矢量w_fd对第一个阵元接收到的脉压回波信号[x₁₁,x₁₂,…,x_1M]进行加权滤波，得到滤波后的一个数据：z₁＝w_fd ^H[x₁₁,x₁₂,…,x_1M]^T；

6b）对其他阵元做同样的处理，每个阵元都得到滤波后的一个数据，最后得到N个阵元所对应的滤波后的N个数据，Z＝[z₁,z₂,…,z_N]^T。

步骤7，估计目标的角度。

7a）对滤波后的数据Z进行波束扫描，得到扫描后的数据：f(θ)＝a^H(θ)Z，

其中，a(θ)＝[1,exp(j2πdsinθ/λ),…,exp(j2πd(N-1)sinθ/λ)]^T表示扫描权向量，θ为扫描角度；

7b）根据上述扫描后的数据f(θ)，估计出的目标角度为其中||表示求模。

本发明的效果可以通过以下计算机仿真进行验证：

1.仿真条件

仿真中，发射信号中心频率f_c＝150MHz，发射信号带宽B＝1MHz，发射脉冲时宽T₀＝100μs，脉冲重复周期T_r＝1ms，脉冲重复频率PRF＝1/T_r＝1000Hz，发射脉冲数M＝32，信噪比SNR＝0dB，阵元数N＝10，阵元间距d＝1m，目标角度在20°，目标与雷达之间的距离R＝10km，采样频率f_s＝4MHz。

2.仿真内容

仿真1，利用上述条件，产生32点FFT滤波器的幅频响应，如图2所示。图2中横坐标为频率，纵坐标为幅度，其中：

图2(a)显示了32点FFT滤波器组的幅频响应图，由图2(a)可见，从0到PRF＝1000Hz之间有32个等间隔的滤波器构成了此滤波器组。

图2(b)是图2(a)的局部放大图，由2(b)可见，滤波器组中的32个滤波器是周期等间隔分布的，任选两相邻滤波器波峰之间的频率对应的速度可作为仿真2的目标速度。

仿真2，利用上述条件，以及仿真1的结果，选择滤波器组相邻两个峰值所对应的多普勒频率为282.0Hz和313.0Hz，由f_d＝2v/λ求得对应的目标速度分别为282.0m/s和313.0m/s，设置仿真的目标速度在282.0m/s到313.0m/s之间，以间隔速度0.5m/s变化，经过仿真，得到常规测角方法与本发明方法在波束扫描前的信噪比对比图，如图3所示，其中横坐标为目标速度，纵坐标为信噪比。

由图3可见，常规测角方法在波束扫描前的信噪比跟随速度改变而变化，也就是跟随目标的多普勒频率改变而变化。若目标多普勒频率能被FFT滤波器组完全对准的时候信噪比可以达到最优，但是随着目标速度的变化，目标多普勒频率会越来越偏离FFT滤波器组中滤波器的波峰频率，此时常规测角方法的信噪比会出现损失，当目标多普勒频率在两滤波器峰值中间的时候信噪比损失达到最大，但是本发明方法在波束扫描前的信噪比一直保持在最优情况，不受目标的速度影响。

由图3进一步可见，本发明在波束扫描前的信噪比明显比常规测角方法在波束扫描前的信噪比高而且稳定，没有出现信噪比随着速度的改变而有所损失的情况，这充分说明本发明能够改善常规测角方法由于多普勒频率对不准而引起的信噪比损失的问题。

仿真3，利用上述的目标速度进行仿真，得到常规测角方法和本发明方法的角度均方根误差与速度的关系曲线图，如图4所示，其中横坐标为目标速度，纵坐标为角度均方根误差。

由图4可见，常规测角方法的角度均方根误差随着目标速度的变化即目标的多普勒频率变化而变化，而本发明方法的角度均方根误差不随目标速度的变化而变化，均方根误差维持恒定且比常规测角方法误差小。

图4可以充分证明本发明测角精度更高，性能更稳定，确实能提高米波雷达的测角精度。需要说明的是，本发明方法同样可以应用于其他波段的阵列雷达中，来进一步提高测角精度。

Claims (2)

1.一种米波雷达测角方法，包括如下步骤：

(1)采用包含N个阵元的均匀线阵接收米波雷达回波信号，并经过脉冲压缩后得到脉压回波信号为X，表示为：X＝[x_ik]_N×M，

其中，x_ik＝s_Texp(j2πd(i-1)sinθ_T/λ)exp(j2πf_d(k-1)T_r)+w_ik表示第i个阵元接收到的第k个脉冲的脉压回波信号，i＝1,2,3,…,N，k＝1,2,3,…,M，s_T表示经过脉冲压缩之后的目标回波信号初始复振幅,θ_T为目标回波方向与接收天线阵列法线之间的夹角，f_d表示目标的多普勒频率，w_ik表示白噪声；

(2)对脉压回波信号X用权向量w_q进行波束形成，得到波束形成后的数据y_D＝w_q ^HX，

其中w_q＝a(θ₀')＝[1,exp(j2πdsinθ₀'/λ),…,exp(j2πd(N-1)sinθ₀'/λ)]^T表示权向量，θ₀'是常规测角方法估计的角度，exp表示以e为底的指数幂，j表示虚数单位，d为阵元间距，λ表示信号的波长，[]^H表示向量共轭转置，[]^T表示向量转置；

(3)对波束形成后的数据y_D，进行4M点的FFT处理，得到FFT处理后的数据y_F，M表示每个阵元的接收脉冲数；

(4)设y_F的模值最大值所对应的位置为p_T,则目标的多普勒频率估计为

${f_d}^{\′}=\frac{p_T-1}{4{\mathrm{MT}}_r};$

(5)利用目标多普勒频率f_d'产生一组权矢量：

w_fd＝[1,exp(j2πf_d'T_r),…,exp(j2πf_d'(M-1)T_r)]^T，

其中T_r表示脉冲重复周期；

(6)用权矢量w_fd对脉压回波信号X进行加权滤波，得到滤波后的数据Z＝[z₁,z₂,…,z_N]^T，其中z_i表示对第i个阵元接收的脉压回波信号进行加权滤波后所得的值，i＝1,2,3,…,N；

(7)对滤波后的数据Z进行波束扫描测角，得到估计的目标角度为

$\widehat{\mathrm{\θ}}=\arg \underset{\mathrm{\θ}}{\max }\left|a^H\left(\mathrm{\θ}\right)Z\right|,$

其中||表示求模，a(θ)＝[1,exp(j2πdsinθ/λ),…,exp(j2πd(N-1)sinθ/λ)]^T表示扫描权向量，θ为扫描角度。

2.根据权利要求1所述的米波雷达测角方法，其特征在于，步骤(6)所述的用权矢量w_fd对脉压回波信号X进行加权滤波，按如下步骤进行：

3a)用权矢量w_fd对第一个阵元接收到的脉压回波信号[x₁₁,x₁₂,…,x_1M]，进行加权滤波，得到滤波后的一个数据：z₁＝w_fd ^H[x₁₁,x₁₂,…,x_1M]^T；

3b)对其他阵元做同样的处理，每个阵元都得到滤波后的一个数据，最后得到N个阵元所对应的滤波后的N个数据，Z＝[z₁,z₂,…,z_N]^T。