CN104199005B - 分布式米波阵列雷达最优基线长度确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于分布式米波阵列雷达总体设计技术领域，公开了分布式米波阵列雷达最优基线长度确定方法。该分布式米波阵列雷达最优基线长度确定方法包括以下步骤：分布式米波阵列雷达包括第一子阵和第二子阵；基线长度为第一子阵和第二子阵之间的距离，设定基线长度的变化范围；利用构建的分布式米波阵列雷达的天线阵列结构来仿真回波信号；设置波束扫描的权矢量；利用波束扫描的权矢量对目标进行波束扫描，得到对应的波束扫描的测量角度；令基线长度从小到大遍历基线长度的变化范围，得到一组与基线长度对应的波束扫描测量角度；将一组波束扫描测量角度依次与仿真中设定的目标的真实方位角做比较，得到一组测角误差，最优基线长度为所述误差最小的测量角度对应的基线长度。

Description

分布式米波阵列雷达最优基线长度确定方法

技术领域

本发明属于分布式米波阵列雷达总体设计技术领域，特别涉及分布式米波阵列雷达最优基线长度确定方法，可以选择最优的基线长度，提高波束扫描的测角精度。

背景技术

米波雷达由于信号衰减小、探测距离远，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。但是由于米波体制的雷达发射信号波长较长，根据天线理论，天线波束宽度和天线的物理孔径成正比，在相同的天线孔径下，米波体制雷达的波束宽度相对于微波体制雷达的波束宽度大大增加，导致米波体制雷达具有角分辨率差的固有缺陷。这一问题可以通过增大天线的物理孔径来克服，但天线物理孔径的大小受到实际应用条件的限制，过于大的天线孔径一方面会导致生产成本和制作难度的增加，另一方面会对系统的机动性产生限制。

分布式阵列雷达的概念在一定程度上解决了这一矛盾，分布式阵列雷达是由Nilsson等人于2003年首次提出的，其主要通过将天线子阵分开放置在不同的空间位置，通过增加子阵间的基线长度来增大天线的“物理孔径”，这样虽然增大了雷达的角度分辨率，但也会导致天线方向图的副瓣电平过高和角度模糊。

波束扫描方法是一种应用广泛的目标角度测量方法，丁鹭飞等人在“雷达原理(第三版)[M]，西安：西安电子科技大学出版社，2002”一书中对波束扫描原理进行了描述，即通过改变阵列天线的权值向量，得到阵列天线在不同波束指向时，对同一快拍数据的输出，求出输出结果中幅度最大的点即可得出目标的角度值。在阵列天线接收信号信噪比较高且阵列天线副瓣电平较低时，波束扫描方法具有良好的测角性能，但是在分布式米波阵列雷达中，由于天线方向图模糊带来的高副瓣电平，会使得波束扫描测角模糊，增加基线长度可以有效的解决波束扫描模糊问题，但随着基线长度的增加，会导致波束扫描解模糊错误，造成测角精度下降。所以对于这种情况，找到分布式米波阵列雷达的最优基线长度，就能提高波束扫描的测角精度。对实际工程应用具有指导意义。

发明内容

本发明的目的在于提出分布式米波阵列雷达最优基线长度确定方法，以提高波束扫描测角精度。

本发明的技术思路为:本发明利用分布式米波阵列雷达的特点，依次改变分布式米波阵列雷达的基线长度，利用传统的波束扫描方法进行测角，得到一组测量角度，取误差最小的测量角度对应的基线长度作为最优基线长度。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

分布式米波阵列雷达最优基线长度确定方法包括以下步骤：

步骤1，构建分布式米波阵列雷达的天线阵列结构，分布式米波阵列雷达的天线阵列由第一子阵和第二子阵组成，每个子阵为由N个阵元组成的等距线阵，N为大于1的自然数，每个子阵中任意两个相邻阵元之间的阵元间距为d；

步骤2，基线长度D为第一子阵和第二子阵之间的距离，设定基线长度D的变化范围，基线长度D为雷达发射信号的波长λ的整数倍；

步骤3，利用构建的分布式米波阵列雷达的天线阵列结构来仿真回波信号；

步骤4，设置波束扫描的权矢量，波束扫描的权矢量根据基线长度D的变化而变化；利用波束扫描的权矢量对目标进行波束扫描，得到对应的波束扫描的测量角度；

步骤5，令基线长度D从小到大遍历基线长度D的变化范围，并重复步骤3和步骤4，得到一组与基线长度对应的波束扫描测量角度；

步骤6，将步骤5得到的一组波束扫描测量角度依次与仿真中设定的目标的真实方位角θ做比较，得到对应的一组测角误差，找出所述一组测角误差的最小值对应的测量角度则得出最优基线长度D_opt，D_opt＝D_i。

本发明的特点和进一步改进在于：

在步骤2中，设定基线长度D的变化范围为[D₁λ,D₂λ]，其中D₁、D₂都是大于0的正整数，且D₁<D₂，λ为分布式米波阵列雷达发射信号的波长；

所述步骤5具体包括以下子步骤：令基线长度D从D₁λ至D₂λ进行遍历，并重复步骤3和步骤4，得到一组与基线长度对应的波束扫描测量角度其中，D_m为整数且D_m的取值范围为[D₁,D₂]；

所述步骤6的具体子步骤为：

6a)将步骤5得到的一组波束扫描测量角度依次与仿真中设定的目标的真实方位角θ做比较，得到对应的一组测角误差；当基线长度D＝D_mλ时，步骤5中基线长度D_mλ对应的波束扫描测量角度为步骤6中基线长度D_mλ对应的测角误差γ_m为：

6b)找出子步骤6a中一组测角误差的最小值对应的测量角度则得出最优基线长度D_opt，D_opt＝D_i。

所述步骤4的具体子步骤为：

4a)设置波束扫描的权矢量，波束扫描的权矢量W为：

其中，[]中分号表示矩阵中行与行的间隔符号，λ为分布式米波阵列雷达发射信号的波长，基线长度D为雷达发射信号的波长λ的整数倍，且基线长度D的变化范围为[D₁λ,D₂λ]，D₁、D₂都是大于0的正整数，且D₁<D₂；为：

其中，d为每个子阵中任意两个相邻阵元之间的阵元间距，N为每个子阵的阵元数；表示波束扫描的扫描角度，其取值范围为-α～α，α为设定的大于0的角度，而为：

4b)利用波束扫描的权矢量W对目标进行波束扫描，得到对应的波束扫描的测量角度。

在步骤3中，利用构建的分布式米波阵列雷达的天线阵列结构来仿真的回波信号表示为X；

在子步骤4b)中，利用波束扫描的权矢量W对目标进行波束扫描的过程为：找出使|W^HX|最大的值，||表示取绝对值，上标H表示表示共轭转置；然后将找出的值作为对应的波束扫描的测量角度。

本发明的有益效果为：

1)本发明提出的基线优化方法根据分布式米波阵列雷达的特点，找到最优基线长度，在最优基线长度的情况下进行波束扫描，可最大程度上降低因阵列本身因素造成的测角误差，在实际工程应用中具有指导意义。

2)分布式米波阵列雷达由于其固有的结构特点会造成测角模糊，现有的解模糊技术往往需要付出很大的计算量或者牺牲某些信息为代价才能到达解模糊的目的，本发明仅仅通过改变阵列本身的基线，利用传统的波束扫描，就能达到降低测角误差，提高精度的目的。

附图说明

图1为本发明的分布式米波阵列雷达最优基线长度确定方法的流程图；

图2为为仿真1中对目标采用本发明方法进行波束扫描得出的波束扫描随基线长度变化的均方根误差曲线；

图3为为仿真2中对目标采用本发明方法进行波束扫描得出的波束扫描随基线长度变化的均方根误差曲线；

图4为仿真3中对目标采用本发明方法进行波束扫描得出的波束扫描随基线长度变化的均方根误差曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1，为本发明的分布式米波阵列雷达最优基线长度确定方法的流程图。该分布式米波阵列雷达最优基线长度确定方法包括以下步骤：

步骤1，构建分布式米波阵列雷达的天线阵列结构，分布式米波阵列雷达的天线阵列由第一子阵和第二子阵组成，每个子阵为由N个阵元组成的等距线阵，即每个子阵的阵元数均为N，每个子阵中任意两个相邻阵元之间的阵元间距为d，d＝λ/2，λ为分布式米波阵列雷达发射信号的波长。本发明实施例中，第一子阵和第二子阵位于同一直线上。

步骤2，设定基线长度D的变化范围。

其具体子步骤为：

基线长度D为第一子阵和第二子阵之间的距离，基线长度D为雷达发射信号的波长λ的整数倍。设定基线长度D的变化范围为[D₁λ,D₂λ]，基线长度D从小到大变化时，依次增加λ，其中D₁、D₂都是大于0的正整数，且D₁<D₂。

步骤3，通过仿真实验，获取与构建的分布式米波阵列雷达的天线阵列结构对应的仿真真回波信号；仿真实验中获取的仿真回波信号表示为X，X＝As+n；其中，

A＝[a(θ)；a(θ)exp(j2πD/λsinθ)]，[]中分号表示矩阵中行与行的间隔符号。A表示分布式米波阵列雷达接收的回波信号的导向矢量，a(θ)为：

a(θ)＝[1,exp(j2πd/λsinθ)，…，exp(j2π(N-1)d/λsinθ)]^T

a(θ)表示第一子阵的导向矢量，exp表示以e为底的指数幂，j代表虚数单位，θ表示目标与阵列法线方向的夹角(目标的方位角)，N为每个子阵的阵元数，[·]^T表示向量的转置。

a(θ)exp(j2πD/λsinθ)为：

a(θ)exp(j2πD/λsinθ)

＝[exp(j2πD/λsinθ),exp(j2πd/λsinθ)exp(j2πD/λsinθ)

，…，exp(j2π(N-1)d/λsinθ)exp(j2πD/λsinθ)]^T

s表示分布式米波阵列雷达接收的信号的复包络；n表示分布式米波阵列雷达接收信号时的伴有的噪声，n是均值为0、方差为1的高斯白噪声。

步骤4，设置波束扫描的权矢量，波束扫描的权矢量根据基线长度D的变化而变化；根据分布式米波阵列雷达接收的回波信号，并利用波束扫描的权矢量对目标进行波束扫描，得到对应的波束扫描的测量角度。

其具体子步骤为：

4a)设置波束扫描的权矢量：每次波束扫描的权矢量根据基线长度D的变化而变化。波束扫描的权矢量W为：

其中，[]中分号表示矩阵中行与行的间隔符号，λ为分布式米波阵列雷达发射信号的波长，基线长度D为雷达发射信号的波长λ的整数倍，且基线长度D的变化范围为[D₁λ,D₂λ]，D₁、D₂都是大于0的正整数，且D₁<D₂。为：

其中，d为每个子阵中任意两个相邻阵元之间的阵元间距，N为每个子阵的阵元数；表示波束扫描的扫描角度，其取值范围为-α～α，α为设定的大于0的角度，而为：

4b)利用波束扫描的权矢量W对目标进行波束扫描(采用现有的波束扫描方法)，得到对应的波束扫描的测量角度。本发明实施例中，利用波束扫描的权矢量W对目标进行波束扫描的过程为：找出使|W^HX|最大的值，||表示取绝对值，上标H表示表示共轭转置。然后将找出的值作为对应的波束扫描的测量角度。

步骤5，令基线长度D从D₁λ至D₂λ进行遍历，并重复步骤3和步骤4(即基线长度D每取一个数值时，执行一次步骤3和步骤4)，得到一组与基线长度对应的波束扫描测量角度其中，D_m为整数且D_m的取值范围为[D₁,D₂]。

步骤6，其具体子步骤为：

6a)将步骤5得到的一组波束扫描测量角度依次与仿真中设定的目标的真实方位角θ做比较，得到对应的一组测角误差；当基线长度D＝D_mλ时，步骤5中基线长度D_mλ对应的波束扫描测量角度为步骤6中基线长度D_mλ对应的测角误差γ_m为：

6b)找出子步骤6a中一组测角误差的最小值对应的测量角度则得出最优基线长度D_opt，D_opt＝D_i。

本发明的效果可以通过以下仿真实验进行验证：

1)仿真条件

仿真条件1，分布式米波阵列雷达的两个子阵都是由8个阵元组成的等距线阵，阵元间距d等于λ/2，目标与阵列法线方向的夹角(目标的方位角)为10°，信噪比为0dB，波束扫描的扫描范围为0°～20°，基线长度变化范围为λ～30λ，进行1000次蒙特卡洛试验。

仿真条件2，分布式米波阵列雷达的两个子阵都是由8个阵元组成的等距线阵，阵元间距d等于λ/2，目标与阵列法线方向的夹角(目标的方位角)为10°，信噪比为5dB，波束扫描的扫描范围为0°～20°，基线长度变化范围为λ～30λ，进行1000次蒙特卡洛试验。

仿真条件3，分布式米波阵列雷达的两个子阵都是由8个阵元组成的等距线阵，阵元间距d等于λ/2，目标与阵列法线方向的夹角(目标的方位角)为10°，信噪比为10dB，波束扫描的扫描范围为0°～20°，基线长度变化范围为λ～30λ，进行1000次蒙特卡洛试验。

2)仿真内容

仿真1，利用仿真条件1，对目标采用本发明方法进行波束扫描，可得到波束扫描随基线长度变化的均方根误差曲线。参照图2，为仿真1中对目标采用本发明方法进行波束扫描得出的波束扫描随基线长度变化的均方根误差曲线，图2中横坐标为基线/波长(基线与波长之比)，单位为1，纵坐标为均方根误差，单位为度。由图2可见，分布式米波阵列雷达在仿真条件1下的最优基线长度为5λ。

仿真2，利用仿真条件2，对目标采用本发明方法进行波束扫描，可得到波束扫描随基线长度变化的均方根误差曲线。参照图3，为仿真2中对目标采用本发明方法进行波束扫描得出的波束扫描随基线长度变化的均方根误差曲线。图3中横坐标为基线/波长(基线与波长之比)，单位为1，纵坐标为均方根误差，单位为度。由图3可见，分布式米波阵列雷达在仿真条件2下的最优基线长度为10λ。

仿真3，利用仿真条件3，对目标采用本发明方法进行波束扫描，可得到波束扫描随基线长度变化的均方根误差曲线。参照图4，为仿真3中对目标采用本发明方法进行波束扫描得出的波束扫描随基线长度变化的均方根误差曲线。图4中横坐标为基线/波长(基线与波长之比)，单位为1，纵坐标为均方根误差，单位为度。由图4可见，分布式米波阵列雷达在仿真条件1下的最优基线长度为20λ。由图2、图3和图4的对比可知，随着信噪比的增大分布式米波阵列雷达的最优基线长度也逐渐增加。且随着信噪比及基线长度的增加，均方根误差逐渐减小，测角精度越来越高。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.分布式米波阵列雷达最优基线长度确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，构建分布式米波阵列雷达的天线阵列结构，分布式米波阵列雷达的天线阵列由第一子阵和第二子阵组成，每个子阵为由N个阵元组成的等距线阵，N为大于1的自然数，每个子阵中任意两个相邻阵元之间的阵元间距为d；

步骤2，基线长度D为第一子阵和第二子阵之间的距离，设定基线长度D的变化范围，基线长度D为雷达发射信号的波长λ的整数倍；

在步骤2中，设定基线长度D的变化范围为[D₁λ，D₂λ]，其中D₁、D₂都是大于0的正整数，且D₁＜D₂，λ为分布式米波阵列雷达发射信号的波长；

步骤3，利用构建的分布式米波阵列雷达的天线阵列结构来仿真回波信号，仿真获取的仿真回波信号表示为X，X＝As+n；其中，

A＝[a(θ)；a(θ)exp(j2πD/λsinθ)]，[ ]中分号表示矩阵中行与行的间隔符号，A表示分布式米波阵列雷达接收的回波信号的导向矢量，a(θ)为：

a(θ)＝[1，exp(j2πd/λsinθ)，…，exp(j2π(N-1)d/λsinθ)]^T

a(θ)表示第一子阵的导向矢量，exp表示以e为底的指数幂，j代表虚数单位，θ表示目标与阵列法线方向的夹角(目标的方位角)，N为每个子阵的阵元数，[·]^T表示向量的转置；

a(θ)exp(j2πD/λsinθ)为：

a(θ)exp(j2πD/λsinθ)

＝[exp(j2πD/λsinθ)，exp(j2πd/λsinθ)exp(j2πD/λsinθ)

，…，exp(j2π(N-1)d/λsinθ)exp(j2πD/λsinθ)]^T

s表示分布式米波阵列雷达接收的信号的复包络；n表示分布式米波阵列雷达接收信号时的伴有的噪声，n是均值为0、方差为1的高斯白噪声；步骤4，设置波束扫描的权矢量，波束扫描的权矢量根据基线长度D的变化而变化；利用波束扫描的权矢量对目标进行波束扫描，得到对应的波束扫描的测量角度；

步骤5，令基线长度D从小到大遍历基线长度D的变化范围，并重复步骤3和步骤4，得到一组与基线长度对应的波束扫描测量角度；

所述步骤5具体包括以下子步骤：令基线长度D从D₁λ至D₂λ进行遍历，并重复步骤3和步骤4，得到一组与基线长度对应的波束扫描测量角度其中，当基线长度D＝D_mλ时，步骤5中基线长度D_mλ对应的波束扫描测量角度为D_m为整数，且D_m的取值范围为[D₁，D₂]；

步骤6，将步骤5得到的一组波束扫描测量角度依次与仿真中设定的目标的真实方位角θ做比较，得到对应的一组测角误差，找出所述一组测角误差的最小值对应的测量角度则将所述测量角度对应的基线长度D_iλ确定为最优基线长度D_opt，即令最优基线长度D_opt＝D_iλ；其中，D_i为整数，D₁≤D_i≤D₂。

2.如权利要求1所述的分布式米波阵列雷达最优基线长度确定方法，其特征在于，所述步骤4的具体子步骤为：

4a)设置波束扫描的权矢量，波束扫描的权矢量W为：

其中，[ ]中分号表示矩阵中行与行的间隔符号，λ为分布式米波阵列雷达发射信号的波长，基线长度D为雷达发射信号的波长λ的整数倍，且基线长度D的变化范围为[D₁λ，D₂λ]，D₁、D₂都是大于0的正整数，且D₁＜D₂；为：

其中，d为每个子阵中任意两个相邻阵元之间的阵元间距，N为每个子阵的阵元数；表示波束扫描的扫描角度，其取值范围为-α～α，α为设定的大于0的角度，而为：

4b)利用波束扫描的权矢量W对目标进行波束扫描，得到对应的波束扫描的测量角度。

3.如权利要求2所述的分布式米波阵列雷达最优基线长度确定方法，其特征在于，在步骤3中，利用构建的分布式米波阵列雷达的天线阵列结构来仿真的回波信号表示为X；

在子步骤4b)中，利用波束扫描的权矢量W对目标进行波束扫描的过程为：找出使|W^HX|最大的值，||表示取绝对值，上标H表示表示共轭转置；然后将找出的值作为对应的波束扫描的测量角度。