CN104237844A - 基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于分布式米波平面阵列雷达目标方位角度测量技术领域，特别涉及基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法。该方法主要包括以下步骤：计算出每个子阵列在俯仰和方位维的3分贝波束宽度B_y和B_z内包含的搜索间隔数M_y和M_z；给定包含目标信息的两子阵列的一次快拍接收数据X₁和X₂；利用接收数据X₁，估计出目标仰角计算虚拟天线架高H_1s和H_2s；得到虚拟天线架高H_1s同架高H₁间的高度差ΔH₁及虚拟天线架高H_2s同架高H₂间的高度差ΔH₂；构造分布式平面阵列两个子阵在俯仰维的波束形成矢量w_z1和w_z2；利用高度差ΔH₁和ΔH₂及目标仰角估计值对w_z1和w_z2进行相位补偿，得到相位补偿后的波束形成矢量及利用及对接收数据X₁和X₂进行波束形成，进而得到目标方位角估计值

Description

基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法

技术领域

本发明属于分布式米波平面阵列雷达目标方位角测量技术领域，特别涉及基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达目标方位角度测量方法，利用相位补偿解决多径信号对分布式米波雷达目标方位角度测量的影响，以提高分布式米波雷达目标方位角度测角性能的方法。

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，使得在低仰角下雷达波束打地。在低仰角波束打地时，信号反射的直达波信号和地(海)面反射的多径信号在雷达波束主瓣内叠加，由于直达波信号和多径信号的多普勒频率及时延近似相等，两信号为一组强相干性信号，这给目标角度估计带来困难。同时由于米波体制雷达的波束宽度较宽，导致米波体制雷达具有角分辨率差的固有缺陷，分布式雷达的概念在一定程度上解决了这一矛盾，其通过将天线子阵分开放置在不同的空间位置来增大天线的“物理孔径”，从而在一定程度上提高米波体制雷达的测角性能，但是天线的分布式放置导致天线方向图具有很高的旁瓣，在低信噪比下容易导致测角模糊。另外，多径信号和分布式阵列天线的高旁瓣对目标角度测量的影响不是独立的，两个因素相互作用，对目标角度测量的影响更加严重。

目前，关于多径信号对米波雷达测角性能影响的研究主要集中在多径信号对仰角测量的影响上，而认为多径信号对方位角的测量影响不大。但是，在研究中发现在某些入射仰角下，多径信号对方位角的测量也有很大的影响。线性阵列是进行方位角测量中经常采用的一种天线形式，其具有天线结构简单、系统灵活、信号处理简单等优点，但是由于线性阵列具有的自由度较少，其对信号的增益较低，使得接收信号信噪比较低时，雷达的测角性能严重下降。

发明内容

本发明的目的在于提出基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达目标方位角度测量方法，以降低多径信号对目标角度测量的影响，提高角度测量精度。

实现本发明的技术方案是：通过角度补偿，调整两阵列天线接收多径信号的相位，使其尽量接近于直达波信号的相位，降低多径信号对目标方位角度测量的影响，实现对目标方位角度的高精度测量，本发明包括以下步骤：

基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达目标方位角度测量方法包括以下步骤：

步骤1，所述分布式米波平面阵列雷达包括第一子平面阵列和第二子平面阵列，第一子平面阵列和第二子平面阵列位于同一竖直平面内；每个子平面阵列在水平方向上的阵元数为N_y，每个子平面阵列中任意两个水平相邻的阵元的间距为d_y；每个子平面阵列在竖直方向上的阵元数为N_z，每个子平面阵列中任意两个竖直相邻的阵元的间距为d_z；分布式米波平面阵列雷达发射信号波长为λ；

确定每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度B_y、以及每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度B_z；根据分布式米波平面阵列雷达在方位维的搜索间隔分布式米波平面阵列雷达在俯仰维的角度搜索间隔Δθ，得出每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度B_y内包含的搜索间隔数M_y和每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度B_z内包含的搜索间隔数M_z；

步骤2，分布式米波平面阵列雷达的接收机在一次快拍的条件下，通过每个子平面阵列接收目标的回波数据，第一子平面阵列接收的目标的回波数据表示为X₁，第二子平面阵列接收的目标的回波数据表示为X₂；

步骤3，利用第一个子阵的接收数据X₁，得出目标仰角的估计值

步骤4，得出第一子平面阵列的虚拟天线架高H_1s和第二子平面阵列的虚拟天线架高H_2s；第一子平面阵列的虚拟天线架高H_1s和第二子平面阵列的虚拟天线架高H_2s定义为：当第一子平面阵列相对于水平面的架高为H_1s且第二子平面阵列相对于水平面的架高为H_2s时，分布式米波平面阵列雷达接收的多径信号和直达波信号同相；

步骤5，计算得出第一子平面阵列的虚拟天线架高H_1s和第一子平面阵列相对于水平面的架高H₁之间的高度差ΔH₁，ΔH₁＝H₁-H_1s；计算得出第二子平面阵列的虚拟天线架高H_2s和第二子平面阵列相对于水平面的架高H₂的高度差ΔH₂，ΔH₂＝H₂-H_2s；

步骤6，根据目标仰角估计值构造第一子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量w_z1和第二个子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量w_z2；

步骤7，对第一子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量w_z1进行相位补偿，得出第一子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量对第二子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量w_z2进行相位补偿，得出第二子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量

步骤8，利用第一子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量对第一子平面阵列接收的目标的回波数据X₁进行波束形成，得出第一子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量z₁；利用第二子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量对第二子平面阵列接收的目标的回波数据X₂进行波束形成，得出第二子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量z₂；构造分布式米波平面阵列雷达的俯仰维波束形成输出矢量z，z＝[z₁,z₂]；

步骤9，由分布式平面阵列雷达的俯仰维波束形成输出矢量z，得出目标方位角估计值

本发明的有益效果为：1)本发明利用多径信号和直达波信号之间相位差同天线高度差的关系，通过目标仰角的粗估计值对多径信号和直达波信号间的相位差进行补偿，降低了多径信号对目标方位角度测量的影响，提高了目标方位角度测量精度；2)本发明利用分布式平面阵列，通过对接收数据在俯仰维和方位维分别进行波束形成，提高了方位角度测量时信号的信噪比，在一定程度上缓解了分布式米波雷达的测角模糊问题。

附图说明

图1为本发明的基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达目标方位角度测量方法的流程图；

图2为本发明的分布式米波平面阵列雷达的阵列结构示意图；

图3为仿真实验1中采用本发明和传统方法得出的方位角测量均方根误差曲线示意图；

图4为仿真实验2中采用本发明和传统方法得出的方位角测量均方根误差曲线示意图。

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，为本发明的基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法的流程图。该基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法包括以下步骤：

步骤1，参照图2，为本发明的分布式米波平面阵列雷达的阵列结构示意图。上述分布式米波平面阵列雷达包括阵元分布完全相同的第一子平面阵列和第二子平面阵列。分布式米波平面阵列的基线长度D＝kλ，k为任意正数，λ为分布式米波平面阵列雷达发射信号波长，第一子平面阵列和第二子平面阵列位于同一竖直平面内；每个子平面阵列在水平方向上的阵元数为N_y，每个子平面阵列中任意两个水平相邻的阵元的间距为d_y；每个子平面阵列在竖直方向上的阵元数为N_z，每个子平面阵列中任意两个竖直相邻的阵元的间距为d_z。

确定每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度B_y、以及每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度B_z；根据分布式米波平面阵列雷达在方位维的搜索间隔分布式米波平面阵列雷达在俯仰维的角度搜索间隔Δθ，得出每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度B_y内包含的搜索间隔数M_y和每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度B_z内包含的搜索间隔数M_z。

其具体子步骤为：

(1.1)结合图2，上述分布式米波数字平面阵列雷达包括阵元分布完全相同的第一子平面阵列和第二子平面阵列。分布式米波数字平面阵列的基线长度D＝kλ，k为任意正数，λ为分布式米波数字平面阵列雷达发射信号波长，第一子平面阵列和第二子平面阵列位于同一竖直平面内，第一子平面阵列相对于水平面的架高为H₁，第二子平面阵列相对于水平面的架高为H₂；每个子平面阵列在水平方向上的阵元数为N_y，每个子平面阵列中任意两个水平相邻的阵元的间距为d_y；每个子平面阵列在竖直方向上的阵元数为N_z，每个子平面阵列中任意两个竖直相邻的阵元的间距为d_z。本发明实施例中，第一子平面阵列和第二子平面阵列并没有限定顺序，仅方便区分，结合图2，第一子平面阵列为子阵1，第二子平面阵列为子阵2。

得出每个子平面阵列在方位维的有效物理孔径D_y，D_y＝(N_y-1)d_y，得出每个子平面阵列在俯仰维的有效物理孔径D_z＝(N_z-1)d_z。

(1.2)得出每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度B_y，B_y＝50.1λ/D_y；得出每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度B_z，B_z＝50.1λ/D_z。

(1.3)设定分布式米波平面阵列雷达在方位维的角度测量精度为α_y，分布式米波平面阵列雷达在俯仰维的角度测量精度为α_z，确定分布式平面阵列分布式米波平面阵列雷达在方位维的角度搜索间隔确定分布式平面阵列分布式米波平面阵列雷达在俯仰维的角度搜索间隔Δθ，Δθ≤α_z。

(1.4)得出每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度B_y内包含的搜索间隔数M_y，得出每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度B_z内包含的搜索间隔数M_z，M_z＝B_z/Δθ。

步骤2，当分布式米波平面阵列雷达检测到目标后，分布式米波平面阵列雷达的接收机在一次快拍的条件下，通过每个子平面阵列接收目标的回波数据，第一子平面阵列接收的目标回波数据表示为X₁，X₁为N_z×N_y维的矩阵；第二子平面阵列接收的目标回波数据表示为X₂，X₂为N_z×N_y维的矩阵。

步骤3，根据雷达工作参数、分布式数字平面阵列的结构参数以及地(海)面的多径反射系数，利用第一个子阵的接收数据X₁，估计出目标所在仰角

其具体子步骤为：

(3.1)构造第一子平面阵列在方位维的第一波束形成权矢量

其中，j为虚数单位，λ为分布式米波数字平面阵列雷达发射信号波长，N_y为每个子平面阵列在水平方向上的阵元数，d_y为每个子平面阵列中任意两个水平相邻的阵元的间距，为当前时刻分布式米波平面阵列雷达在方位维的波束指向，θ₀为当前时刻分布式米波平面阵列雷达在俯仰维的波束指向。可以看出，是N_y×1维的列向量。

(3.2)利用第一子平面阵列在方位维的第一波束形成权矢量对第一子平面阵列接收的目标回波数据X₁在方位维进行波束形成，得到第一子平面阵列在方位维的第一波束形成输出矢量 其中，(·)^H表示共轭转置操作，(·)^T表示转置操作。

(3.3)令俯仰维搜索间隔计数器m＝1,2,...，初始化俯仰维搜索间隔计数器m，即当m＝1时，执行子步骤(3.4)。

(3.4)构造第一俯仰维权矢量w_m1和第二俯仰维权矢量w_m2：

$w_{m1}={[1,e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{d}_z\sin \left((m-M_z/2)\mathrm{\Δ\θ}\right)},...,e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(N_z-1)d_z\sin \left((m-M_z/2)\mathrm{\Δ\θ}\right)}]}^T$

$w_{m2}={[1,e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{d}_z\sin \left((m-M_z/2)\mathrm{\Δ\θ}\right)},...,e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(N_z-1)d_z\sin \left((m-M_z/2)\mathrm{\Δ\θ}\right)}]}^T;$

其中，d_z为每个子平面阵列中任意两个竖直相邻的阵元的间距，N_z为每个子平面阵列在竖直方向上的阵元数，M_z为每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度B_z内包含的搜索间隔数，Δθ为分布式米波数字平面阵列雷达在俯仰维的角度搜索间隔，(·)^T表示转置操作；可以看出，w_m1和w_m2均为N_z×1维的列向量。

(3.5)根据第一俯仰维权矢量w_m1和第二俯仰维权矢量w_m2，得出第一子平面阵列在俯仰维的第一波束形成权矢量为：

$w_m^R=w_{m1}+\mathrm{\ρ}{e}^{-j\frac{4\mathrm{\π}{H}_1\sin \left((m-M_z/2)\mathrm{\Δ\θ}\right)}{\mathrm{\λ}}}{w}_{m2};$

其中，ρ为地面或海面的多径反射系数，H₁为第一子平面阵列相对于水平面的架高。

(3.6)令m的值自增1，并判断m是否大于M_z，如果是，则得到第一子平面阵列在俯仰维的波束扫描矩阵W^R，然后执行子步骤(3.7)；否则执行子步骤(3.4)。可以看出，W^R为N_z×M_z维的矩阵。

(3.7)利用第一子平面阵列在俯仰维的波束扫描矩阵W^R对第一子平面阵列在方位维的第一波束形成输出矢量进行波束形成，得到第一子平面阵列在俯仰维的第一波束形成矢量 $z_1^R={\left(W^R\right)}^H{\left(y_1^R\right)}^T={[z_1^R,z_2^R,...,z_{M_z}^R]}^T,$ 其中，(·)^H表示共轭转置操作，(·)^T表示转置操作，可以看出，是M_z×1维的列向量，为第一子平面阵列在俯仰维的第一波束形成矢量的第m个分量，m取1至M_z。

(3.8)找出第一子平面阵列在俯仰维的第一波束形成矢量中幅度最大的元素对应的序列标号l，其中，|·|表示取模值操作。

(3.9)由序列标号l得到目标仰角估计值 其中，Δθ为分布式米波平面阵列雷达在俯仰维的角度搜索间隔，θ₀为当前时刻分布式米波平面阵列雷达在俯仰向的波束指向，B_z为每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度。

步骤4，将第一子平面阵列的虚拟天线架高H_1s和第二子平面阵列的虚拟天线架高H_2s定义如下：当第一子平面阵列相对于水平面的架高为H_1s且第二子平面阵列相对于水平面的架高为H_2s时，分布式米波数字平面阵列雷达接收的多径信号和直达波信号同相，此时，多径信号对目标方位角的测量影响最小。

分析分布式米波数字平面阵列雷达接收信号的特点，可以得出以下关于第一子平面阵列的虚拟天线架高H_1s和第二子平面阵列的虚拟天线架高H_2s的方程组：

$\frac{2\mathrm{\π}(H_{1s}-H_{2s})}{\mathrm{\λ}}\sin \left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)=\mathrm{\π}$

$[\frac{2\mathrm{\π}(H_{1s}+H_{2s})}{\mathrm{\λ}}-\frac{2\mathrm{\π}(N_z-1)d_z}{\mathrm{\λ}}]\sin \left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)=2\mathrm{\π},$

其中，λ为分布式米波平面阵列雷达发射信号波长，为目标仰角估计值，d_z为每个子平面阵列中任意两个竖直相邻的阵元的间距，N_z为每个子平面阵列在竖直方向上的阵元数。

求解上述关于第一子平面阵列的虚拟天线架高H_1s和第二子平面阵列的虚拟天线架高H_2s的方程组，可得：

$H_{1s}=\frac{3\mathrm{\λ}}{4\sin \left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)}+\frac{N_z-1}{2}{d}_z$

$H_{2s}=\frac{\mathrm{\λ}}{4\sin \left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)}+\frac{N_z-1}{2}{d}_z$

步骤5，计算得出第一子平面阵列的虚拟天线架高H_1s和第一子平面阵列相对于水平面的架高H₁之间的高度差ΔH₁，ΔH₁＝H₁-H_1s；计算得出第二子平面阵列的虚拟天线架高H_2s和第二子平面阵列相对于水平面的架高H₂的高度差ΔH₂，ΔH₂＝H₂-H_2s。

步骤6，根据目标仰角估计值构造第一子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量w_z1和第二个子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量w_z2：

$w_{z1}={[1,e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{d}_z\sin \left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)},...,e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(N_z-1)d_z\sin \left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)}]}^T$

$w_{z2}=e^{-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(H_2-H_1)\sin \left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)}{w}_{z1};$

其中，λ为分布式米波平面阵列雷达发射信号波长，为目标仰角估计值，d_z为每个子平面阵列中任意两个竖直相邻的阵元的间距，N_z为每个子平面阵列在竖直方向上的阵元数，H₁为第一子平面阵列相对于水平面的架高，H₂为第二子平面阵列相对于水平面的架高。可以看出，w_z1和w_z2均为N_z×1的列向量。

步骤7，根据第一子平面阵列的虚拟天线架高H_1s和第一子平面阵列相对于水平面的架高H₁之间的高度差ΔH₁、以及目标仰角估计值对第一子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量w_z1进行相位补偿，得出第一子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量

$w_{z1}^c=e^{-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}{H}_1\sin \left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)}{w}_{z1}$

其中，λ为分布式米波数字平面阵列雷达发射信号波长。

根据第二子平面阵列的虚拟天线架高H_2s和第二子平面阵列相对于水平面的架高H₂的高度差ΔH₂、以及目标仰角估计值对第二子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量w_z2进行相位补偿，得出第二子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量

$w_{z2}^c=e^{-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}{H}_2\sin \left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)}{w}_{z2}.$

步骤8，利用第一子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量对第一子平面阵列接收的目标回波数据X₁进行波束形成，得出第一子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量z₁；利用第二子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量对第二子平面阵列接收的目标回波数据X₂进行波束形成，得出第二子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量z₂；z₁和z₂分别为：

$z_1={\left(w_{z1}^c\right)}^H{X}_1$

$z_2={\left(w_{z2}^c\right)}^H{X}_2;$

构造分布式米波数字平面阵列雷达的俯仰维波束形成输出矢量z，z＝[z₁,z₂]。

步骤9，由分布式数字平面阵列俯仰维波束形成输出矢量z＝[z₁,z₂]，给出目标方位角估计值

(9.1)令方位维搜索间隔计数器n＝1,2,...，初始化方位维搜索间隔计数器n，即当n＝1时，执行子步骤(9.2)；

(9.2)构造第一方位维权矢量w_n1和第二方位维权矢量w_n2：

其中，d_y为每个子平面阵列中任意两个水平相邻的阵元的间距，N_y为每个子平面阵列在水平方向上的阵元数为N_y，M_y为每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度B_y内包含的搜索间隔数，λ为分布式米波数字平面阵列雷达发射信号波长，(·)^T表示转置操作，为分布式米波数字平面阵列雷达在方位维的搜索间隔；可以看出，w_n1和w_n2均为N_y×1维的列向量。

(9.3)构造分布式米波数字平面阵列雷达在方位维的波束形成矢量w_n：

$w_n=\left[\begin{array}{c}{w}_{n1}\\ w_{n2}\end{array}\right];$

(9.4)令n的值自增1，并判断n是否大于M_y，如果是，则得到分布式米波数字平面阵列雷达在方位维波束扫描矩阵W，然后执行子步骤(9.5)；否则执行子步骤(9.2)；可以看出，W为2N_y×M_y维的矩阵。

(9.5)由分布式米波平面阵列雷达在方位维波束扫描矩阵W对分布式米波平面阵列雷达的俯仰维波束形成输出矢量z在方位维进行波束形成，得出分布式米波平面阵列雷达在方位维波束形成输出矢量p， $p=W^H{z}^T[p_1,p_2,...,p_{M_y}],$ 可以看出p是M_y×1维的列向量。 $p_n=w_n^H{z}^T$ 为分布式米波平面阵列雷达在方位维波束形成输出矢量p的第n个分量，n取1至M_y。

(9.6)找出分布式米波平面阵列雷达在方位维波束形成输出矢量p中幅度最大的元素对应的序列标号I，其中，|·|表示取模值操作。

(9.7)由序列标号I得到目标方位角估计值 其中，为分布式米波平面阵列雷达在方位维的搜索间隔，为当前时刻分布式米波平面阵列雷达在方位向的波束指向，B_y为每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度。

本发明的效果可通过以下仿真实验进一步说明：

仿真条件：

本发明仿真实验中软件仿真平台为MATLAB R2010a，实验中设定雷达发射信号波长λ＝0.8m，分布式平面阵列天线的基线长度D＝10λ，每个子阵在方位维的阵元个数N_y＝8，阵元间距分别为d_y＝λ/2，角度搜索精度为α_y＝0.05，角度搜索间隔为每个子阵在俯仰维的阵元个数N_z＝8，阵元间距分别为d_z＝λ/2，角度搜索精度为α_z＝0.05，角度搜索间隔为Δθ＝0.05°，子阵列一的架高H₁＝10m，子阵列二的架高H₂＝30m，多径反射系数ρ＝-0.9。

2)仿真内容及结果：

仿真1，在上述条件下，本实验给出本发明方法和传统方法(直接利用步骤6的权矢量，不进行补偿)的测角均方根误差随接收信号信噪比的变化关系。仿真实验中设定目标的方位角度为10°，俯仰角度为2°，单个阵元接收数据的信噪比SNR由-8dB变化到20dB，在每一接收信噪比下，分别采用本发明方法和传统方法对目标方位角度进行500次独立测量，得到两种方法的方位角测量均方根误差曲线如图3所示。图3中，横坐标表示单个阵元的接收数据的信噪比，单位为分贝，纵坐标表示测角均方根误差，单位为度。

由图3可知，由于多径信号的影响，传统方法的测角性能受到很大影响，导致传统方法进行角度估计为有偏估计；本发明方法通过相位补偿，避免了多径信号对目标角度测量的影响，具有更好的测角性能。

仿真2，由于多径信号对目标角度测量的影响同目标仰角角度有关，本实验给出在不同的入射仰角下，本发明方法和传统方法的方位角测量均方根误差曲线。在上述条件下，设定单个阵元接收数据的信噪比SNR＝0dB，目标方位角度10°，仰角角度由0.5°变化到6°，分别采用本发明方法和传统方法对目标方位角度进行500次独立测量，得到两种方法的方位角测量均方根误差曲线如图4所示。图4中，横坐标表示目标的入射仰角，单位为度，纵坐标表示测角均方根误差，单位为度。

由图4可知，在不同的入射方位角下，本发明方法均比传统方法具有更高的方位角测量精度。

综上可知，本发明方法能有效用于多径信号环境下对目标方位角度的测量。

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 (7)

1.基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，所述分布式米波平面阵列雷达包括第一子平面阵列和第二子平面阵列，第一子平面阵列和第二子平面阵列位于同一竖直平面内；每个子平面阵列在水平方向上的阵元数为N_y，每个子平面阵列中任意两个水平相邻的阵元的间距为d_y；每个子平面阵列在竖直方向上的阵元数为N_z，每个子平面阵列中任意两个竖直相邻的阵元的间距为d_z；分布式米波平面阵列雷达发射信号波长为λ；

确定每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度B_y、以及每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度B_z；根据分布式米波平面阵列雷达在方位维的搜索间隔分布式米波平面阵列雷达在俯仰维的角度搜索间隔Δθ，得出每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度B_y内包含的搜索间隔数M_y和每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度B_z内包含的搜索间隔数M_z；

步骤2，分布式米波平面阵列雷达在一次快拍的条件下，通过每个子平面阵列接收目标的回波数据，第一子平面阵列接收的目标的回波数据表示为X₁，第二子平面阵列接收的目标的回波数据表示为X₂；

步骤3，利用第一个子阵的接收数据X₁，得出目标仰角的估计值

步骤4，得出第一子平面阵列的虚拟天线架高H_1s和第二子平面阵列的虚拟天线架高H_2s；第一子平面阵列的虚拟天线架高H_1s和第二子平面阵列的虚拟天线架高H_2s定义为：当第一子平面阵列相对于水平面的架高为H_1s且第二子平面阵列相对于水平面的架高为H_2s时，分布式米波平面阵列雷达接收的多径信号和直达波信号同相；

步骤5，计算得出第一子平面阵列的虚拟天线架高H_1s和第一子平面阵列相对于水平面的架高H₁之间的高度差ΔH₁，ΔH₁＝H₁-H_1s；计算得出第二子平面阵列的虚拟天线架高H_2s和第二子平面阵列相对于水平面的架高H₂的高度差ΔH₂，ΔH₂＝H₂-H_2s,；

步骤6，根据目标仰角估计值构造第一子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量w_z1和第二个子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量w_z2；

步骤7，对第一子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量w_z1进行相位补偿，得出第一子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量对第二子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量w_z2进行相位补偿，得出第二子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量

步骤8，利用第一子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量对第一子平面阵列接收的目标的回波数据X₁进行波束形成，得出第一子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量z₁；利用第二子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量对第二子平面阵列接收的目标的回波数据X₂进行波束形成，得出第二子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量z₂；构造分布式米波平面阵列雷达的俯仰维波束形成输出矢量z，z＝[z₁,z₂]；

步骤9，由分布式平面阵列雷达的俯仰维波束形成输出矢量z，得出目标方位角估计值

2.如权利要求1所述的基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法，其特征在于，所述步骤1的具体子步骤为：

(1.1)得出每个子平面阵列在方位维的有效物理孔径D_y，D_y＝(N_y-1)d_y，得出每个子平面阵列在俯仰维的有效物理孔径D_z＝(N_z-1)d_z；

(1.2)得出每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度B_y，B_y＝50.1λ/D_y；得出每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度B_z，B_z＝50.1λ/D_z；

(1.3)设定分布式米波平面阵列雷达在方位维的角度测量精度为α_y，分布式米波平面阵列雷达在俯仰维的角度测量精度为α_z，确定分布式平面阵列分布式米波平面阵列雷达在方位维的角度搜索间隔确定分布式平面阵列分布式米波平面阵列雷达在俯仰维的角度搜索间隔Δθ，Δθ≤α_z；

(1.4)得出每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度B_y内包含的搜索间隔数M_y，得出每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度B_z内包含的搜索间隔数M_z，M_z＝B_z/Δθ。

3.如权利要求1所述的基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法，其特征在于，所述步骤3的具体子步骤为：

(3.1)构造第一子平面阵列在方位维的第一波束形成权矢量

其中，j为虚数单位，λ为分布式米波数字平面阵列雷达发射信号波长，为当前时刻分布式米波平面阵列雷达在方位向的波束指向，θ₀为当前时刻分布式米波平面阵列雷达在俯仰向的波束指向；

(3.2)利用第一子平面阵列在方位维的第一波束形成权矢量对第一子平面阵列接收的目标的回波数据X₁在方位维进行波束形成，得到第一子平面阵列在方位维的第一波束形成输出矢量 其中，(·)^H表示共轭转置操作，(·)^T表示转置操作；

(3.3)令俯仰维搜索间隔计数器m＝1,2,...，当m＝1时，执行子步骤(3.4)；

(3.4)构造第一俯仰维权矢量w_m1和第二俯仰维权矢量w_m2：

$w_{m1}={[1,e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{d}_z\sin \left((m-M_z/2)\mathrm{\Δ\θ}\right)},...,e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(N_z-1)d_z\sin \left((m-M_z/2)\mathrm{\Δ\θ}\right)}]}^T$

$w_{m2}={[1,e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{d}_z\sin \left((m-M_z/2)\mathrm{\Δ\θ}\right)},...,e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(N_z-1)d_z\sin \left((m-M_z/2)\mathrm{\Δ\θ}\right)}]}^T;$

其中，Δθ为分布式米波平面阵列雷达在俯仰维的角度搜索间隔，(·)^T表示转置操作；

(3.5)得出第一子平面阵列在俯仰维的第一波束形成权矢量为：

$w_m^R=w_{m1}+\mathrm{\ρ}{e}^{-j\frac{4\mathrm{\π}{H}_1\sin \left((m-M_z/2)\mathrm{\Δ\θ}\right)}{\mathrm{\λ}}}{w}_{m2};$

其中，ρ为地面多径反射系数或海面的多径反射系数，H₁为第一子平面阵列相对于水平面的架高；

(3.6)令m的值自增1，并判断m是否大于M_z，如果是，则得到第一子平面阵列在俯仰维的波束扫描矩阵W^R，然后执行子步骤(3.7)；否则执行子步骤(3.4)；

(3.7)利用第一子平面阵列在俯仰维的波束扫描矩阵W^R对第一子平面阵列在方位维的第一波束形成输出矢量进行波束形成，得到第一子平面阵列在俯仰维的第一波束形成矢量 其中，(·)^H表示共轭转置操作，(·)^T表示转置操作；

(3.8)找出第一子平面阵列在俯仰维的第一波束形成矢量中幅度最大的元素对应的序列标号l，其中，|·|表示取模值操作；

(3.9)由序列标号l得到目标仰角估计值 其中，Δθ为分布式米波平面阵列雷达在俯仰维的角度搜索间隔，θ₀为当前时刻分布式米波平面阵列雷达在俯仰向的波束指向，B_z为每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度。

4.如权利要求1所述的基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法，其特征在于，所述步骤4的具体子步骤为：根据分布式米波平面阵列雷达接收信号的特点，得出以下关于第一子平面阵列的虚拟天线架高H_1s和第二子平面阵列的虚拟天线架高H_2s的方程组：

$\frac{2\mathrm{\π}(H_{1s}-H_{2s})}{\mathrm{\λ}}\sin \left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)=\mathrm{\π}$

$[\frac{2\mathrm{\π}(H_{1s}+H_{2s})}{\mathrm{\λ}}-\frac{2\mathrm{\π}(N_z-1)d_z}{\mathrm{\λ}}]\sin \left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)=2\mathrm{\π},$

其中，λ为分布式米波平面阵列雷达发射信号波长，为目标仰角估计值；

求解上述关于第一子平面阵列的虚拟天线架高H_1s和第二子平面阵列的虚拟天线架高H_2s的方程组，可得：

$H_{1s}=\frac{3\mathrm{\λ}}{4\sin \left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)}+\frac{N_z-1}{2}{d}_z$

$H_{2s}=\frac{\mathrm{\λ}}{4\sin \left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)}+\frac{N_z-1}{2}{d}_z.$

5.如权利要求1所述的基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法，其特征在于，在所述步骤7中，第一子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量为：

$w_{z1}^c=e^{-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}{H}_1\sin \left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)}{w}_{z1}$

第二子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量为：

$w_{z2}^c=e^{-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}{H}_2\sin \left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)}{w}_{z2}.$

6.如权利要求1所述的基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法，其特征在于，在所述步骤8中，第一子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量z₁和第二子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量z₂分别为：

$z_1={\left(w_{z1}^c\right)}^H{X}_1$

$z_2={\left(w_{z2}^c\right)}^H{X}_2.$

7.如权利要求1所述的基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法，其特征在于，所述步骤9的具体子步骤为：

(9.1)令方位维搜索间隔计数器n＝1,2,...，当n＝1时，执行子步骤(9.2)；

(9.2)构造第一方位维权矢量w_n1和第二方位维权矢量w_n2：

其中，上标T表示矩阵或向量的转置，为分布式米波数字平面阵列雷达在方位维的搜索间隔；

(9.3)构造分布式米波平面阵列雷达在方位维的波束形成矢量w_n：

$w_n=\left[\begin{array}{c}{w}_{n1}\\ w_{n2}\end{array}\right];$

(9.4)令n的值自增1，并判断n是否大于M_y，如果是，则得到分布式米波平面阵列雷达在方位维波束扫描矩阵W，然后执行子步骤(9.5)；否则执行子步骤(9.2)；

(9.5)由分布式米波平面阵列雷达在方位维波束扫描矩阵W对分布式米波平面阵列雷达的俯仰维波束形成输出矢量z在方位维进行波束形成，得出分布式米波平面阵列雷达在方位维波束形成输出矢量p，p＝W^Hz^T；

(9.6)找出分布式米波数字平面阵列雷达在方位维波束形成输出矢量p中幅度最大的元素对应的序列标号I，其中，|·|表示取模值操作；

(9.7)由序列标号I得到目标方位角估计值 其中，为分布式米波平面阵列雷达在方位维的搜索间隔，为当前时刻分布式米波平面阵列雷达在方位向的波束指向，B_y为每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度。