CN105182283B - 一种无源雷达固定目标时域测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无源雷达固定目标时域测向方法：建立测向模型，求出发射机到目标、目标到接收机的距离之和，即斜距历程；根据斜距历程推导目标的回波信号模型；根据回波信号模型构造信号匹配矩阵；对回波信号进行均匀采样和解调，并将其拓展为与信号匹配矩阵相同大小的回波信号矩阵；求回波信号矩阵与信号匹配矩阵的Hadamard积，得到回波匹配矩阵；回波匹配矩阵时间维求和，并取其结果的模值，根据其峰值位置确定目标方向。本发明使用基于窄带连续波的无源雷达实现固定目标时域测向方法，易于工程实现，可以降低系统成本；测向效率较高；测向效果好；系统生存能力强；仅用了外辐射源频率而对外辐射源位置不敏感，大大方便了处理过程。

Description

一种无源雷达固定目标时域测向方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种无源雷达固定目标时域测向方法，可用于固定目标的窄带连续波无源雷达测向。

背景技术

目标测向在战场侦查领域具有重要意义。目前常用的测向方法包括实孔径雷达测向和阵列雷达测向两种，两种雷达的角度分辨率均为0.89λ/D，其中λ为信号波长，D为天线孔径或者阵列天线长度。为了获得较高的角度分辨率以实现良好的测向性能，一般D要较大，也即采用大实孔径天线或者长阵列天线，这使得雷达生产成本大大增加。另外，在现代战争中，采取主动照射的方式极易遭到敌方反辐射导弹的攻击，上述实孔径雷达和阵列雷达测向系统的生存能力受到严重威胁。

无源雷达是自身不携带发射机或者不主动发射电磁信号、仅靠被动接收目标反射其他辐射源的回波信号并通过信号处理技术而实现对目标进行探测的一种新体制雷达。由于其具有系统配置灵活、隐蔽性强等优点，能够有效降低遭受敌方火力摧毁和电磁干扰的概率，有很高的生存能力。此外还有一定的反隐身能力，具有很好的军事应用前景，是现代雷达领域的重要研究内容。无源雷达的外辐射源来源较为广泛，本发明选用调频广播、模拟电视等民用信号作为外辐射源。相对常用的雷达信号而言，由于民用信号带宽较小，可以认为是窄带连续波或是单频连续波信号。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种无源的、易于工程实现的固定目标时域测向方法，以解决现有技术存在的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种无源雷达固定目标时域测向方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤1：建立测向模型：发射机和目标固定，接收机绕着其旋转中心做半径为r的匀速圆周运动，以接收机的旋转中心为原点，0时刻旋转中心到接收机的方向为X轴正方向，建立笛卡尔坐标系，求出斜距历程R：

R≈R_t0+R_r0-r cos(ωt-θ)

其中，R_t0为发射机到目标的距离，R_r0为目标到旋转中心的距离，r为旋转半径，ω为旋转角速度，θ为目标方位角度。

步骤2：根据斜距历程R推导目标的回波信号模型：

其中，σ为目标散射强度，f为发射机信号频率，λ为信号波长。

步骤3：根据回波信号模型构造信号匹配矩阵：假设在接收机旋转一周过程中共采样N次，每次采样步长为2π/N rad，对θ的搜索空间为(0,2π]rad，假设对其进行了M次搜索，则每次的搜索步长为2π/M rad，则建立的信号匹配矩阵为：

其中，n＝1,2,……,N；m＝1,2,……,M。

步骤4：对回波信号进行均匀采样和解调，并将其拓展为与信号匹配矩阵相同大小的回波信号矩阵：

其中，n＝1,2,……,N；m＝1,2,……,M。

步骤5：求回波信号矩阵与信号匹配矩阵的Hadamard积，得到回波匹配矩阵：

其中，n＝1,2,……,N；m＝1,2,……,M；⊙表示两个相同大小矩阵的Hadamard积。

步骤6：回波匹配矩阵时间维求和，并取其结果的模值，根据其峰值位置确定目标方向。

所述步骤1中斜距历程R的推导过程为：接收机的坐标为(x_r,y_r)，发射机的坐标为(x_t,y_t)，场景中任一目标散射点坐标为(x₀,y₀)，则有：求出斜距历程R：

所述步骤2中回波信号模型的推导过程为：

其中，τ为回波时延，c为光速。

所述步骤5中回波匹配矩阵的推导过程为：

所述步骤6中的回波匹配矩阵时间维求和：

其中，J(·)为贝塞尔函数，取其结果的模值：

根据贝塞尔函数的性质，当时，|G(m)|取得最大值|σN|，而在其他位置则以贝塞尔函数形式衰减，从而确定目标方位角为

本发明的有益效果：1、本发明首次提出使用基于窄带连续波的无源雷达实现固定目标时域测向方法，易于工程实现，可以降低系统成本；2、在直角坐标系下，对目标的所有采样同时进行处理，通过时域的匹配累积对目标进行测向，效率较高；3、本发明能够取得较好的测向效果，给出了角度分辨率，综合来说，信号频率越高、接收机转动半径越大，分辨性能越好；4、由于采用了无源雷达形式，在实际应用的过程中，使得系统具有很高的生存能力；5、在处理过程中，仅用了外辐射源频率，而对外辐射源位置不敏感，使得处理过程大大方便。

附图说明

图1为本发明的系统示意图。

图2为本发明当接收机转动半径r为5m，发射机信号频率f为300MHz时的测向仿真结果图。

图3为本发明当接收机转动半径r为5m，发射机信号频率f分别为600MHz、200MHz、100MHz时的测向仿真结果图。

图4为本发明当发射机信号频率f＝300MHz,接收机转动半径r分别为1m、2m、10m时的测向仿真结果图。

图5为本发明的随机四目标测向仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种无源雷达固定目标时域测向方法，包括以下步骤：

步骤1，建立测向模型，求出发射机到目标、目标到接收机的距离之和，即斜距历程R。其中测向模型为发射机和目标固定，接收机绕着其旋转中心做半径为r的匀速圆周运动，以接收机的旋转中心为原点，0时刻旋转中心到接收机的方向为X轴正方向，建立笛卡尔坐标系，如图1所示，接收机的坐标为(x_r,y_r)，发射机的坐标为(x_t,y_t)，场景中任一目标散射点坐标为(x₀,y₀)，则有：求出斜距历程R：

其中，R_t0为发射机到目标距离，R_r0为目标到旋转中心的距离，r为旋转半径，ω为旋转角速度，θ为目标方位角度。

步骤2，根据斜距历程R推导目标的回波信号模型。回波信号模型为：

其中，σ为目标散射强度，f为发射机信号频率，λ为信号波长，τ为回波时延，c为光速。

步骤3，根据回波信号模型构造信号匹配矩阵。在信号匹配矩阵中，假设在接收机旋转一周过程中共采样N次，每次采样步长为2π/N rad，对θ的搜索空间为(0,2π]rad，假设对其进行了M次搜索，则每次的搜索步长为2π/M rad，则建立的信号匹配矩阵为：

其中，n＝1,2,……,N；m＝1,2,……,M。

步骤4，对回波信号进行均匀采样和解调，并将其拓展为与信号匹配矩阵相同大小的回波信号矩阵：

其中，n＝1,2,……,N；m＝1,2,……,M。

步骤5，求回波信号矩阵与信号匹配矩阵的Hadamard积，得到回波匹配矩阵。其中回波匹配矩阵为：

其中，n＝1,2,……,N；m＝1,2,……,M；⊙表示两个相同大小矩阵的Hadamard积。

步骤6，回波匹配矩阵时间维求和，并取其结果的模值，根据其峰值位置确定目标方向。其中回波匹配矩阵时间维求和：

其中，J(·)为贝塞尔函数，取其结果的模值：

根据贝塞尔函数的性质，当时，|G(m)|取得最大值|σN|，而在其他位置则以贝塞尔函数形式衰减，从而确定目标方位角为若散射强度σ＝1，本方法峰值旁瓣比为-7.9dB，角度分辨率为0.36c/(f*r)或0.36λ/r。

下面以一个具体的实施例来进一步说明本发明。

步骤1，建立测向模型，求出发射机到目标、目标到接收机的距离之和，即斜距历程R。其中测向模型为发射机和目标固定，接收机绕着其旋转中心做半径为5m的匀速圆周运动，以接收机的旋转中心为原点，0时刻旋转中心到接收机的方向为X轴正方向，建立笛卡尔坐标系，接收机的坐标为(x_r,y_r)，发射机的坐标为(x_t,y_t)，场景中任一目标散射点坐标为(x₀,y₀)，则有：求出斜距历程R：R≈R_t0+R_r0-5cos(ωt-π)，其中，R_t0为发射机到目标距离，R_r0为目标到旋转中心的距离，ω为旋转角速度。

步骤2，根据斜距历程R推导目标的回波信号模型。取f＝300MHz，则λ＝1m，并假设目标方位角为πrad。为处理方便，此处取σ＝1。回波信号模型为：

s(t)＝exp{j2πft}exp{-j2π(R_t0+R_r0)}exp{j10πcos(ωt-π)}。

步骤3，根据回波信号模型构造信号匹配矩阵。在信号匹配矩阵中，假设接收机绕旋转中心旋转一周，在旋转过程中，共采样360次，每次采样步长为π/180rad，对θ的搜索空间为(0,2π]rad，假设对其进行了360次搜索，则每次的搜索步长为π/180rad，则建立的信号匹配矩阵为：

其中，n＝1,2,……,360；m＝1,2,……,360。

步骤4，对回波信号进行解调，并将其拓展为与信号匹配矩阵相同大小的回波信号矩阵：

其中，n＝1,2,……,360；m＝1,2,……,360。

步骤5，求回波信号矩阵与信号匹配矩阵的Hadamard积，得到回波匹配矩阵。其中回波匹配矩阵为：

其中，n＝1,2,……,360；m＝1,2,……,360；⊙表示两个相同大小矩阵的Hadamard积。

步骤6，回波匹配矩阵时间维求和，并取其结果的模值，根据其峰值位置确定目标方向。其中回波匹配矩阵时间维求和：

其中，J(·)为贝塞尔函数，取其结果的模值：

根据贝塞尔函数的性质，当m＝180时，|G(m)|取得最大值360，而在其他位置则以贝塞尔函数形式衰减，从而确定目标方位角为角度分辨率为0.072rad。对模值进行归一化处理，使用MATLAB软件仿真结果如图2所示。

保持接收机转动半径5m不变，改变发射机信号频率为600MHz、200MHz、100MHz，使用MATLAB软件仿真结果如图3所示。仿真表明，在转动半径一定的情况下，角度分辨率受发射机信号频率影响，信号频率越高，分辨性能越好。

保持发射机信号频率300MHz不变，改变接收机转动半径为1m、2m、10m，使用MATLAB软件仿真结果如图4所示。仿真表明，在发射机信号频率一定的情况下，角度分辨率受转动半径影响，转动半径越大，分辨性能越好。

本发明的实施方法可实现对多个固定目标定向。设置接收机转动半径为10m，发射机信号频率为300MHz，随机产生4个目标，仿真结果如图5所示，在图5中，圆圈为目标的真实方位角。可以看出来，对于随机产生的目标，本方法也能够较为准确地测得其方向，验证了算法的正确性。

综上所述，本发明使用基于窄带连续波的无源雷达实现固定目标时域测向方法，在直角坐标系下，对目标的所有采样同时进行处理，通过时域的匹配累积对目标进行测向，极大地减小了目标方位角估计所需要的运算复杂度，也可对多个固定目标测向，角度分辨率可根据接收机转动半径调整。

Claims (5)

1.一种无源雷达固定目标时域测向方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤1：建立测向模型：发射机和目标固定，接收机绕着其旋转中心做半径为r的匀速圆周运动，以接收机的旋转中心为原点，0时刻旋转中心到接收机的方向为X轴正方向，建立笛卡尔坐标系，求出斜距历程R：

R≈R_t0+R_r0-r cos(ωt-θ)

其中，R_t0为发射机到目标的距离，R_r0为目标到旋转中心的距离，r为旋转半径，ω为旋转角速度，θ为目标方位角度；

步骤2：根据斜距历程R推导目标的回波信号模型：

其中，σ为目标散射强度，f为发射机信号频率，λ为信号波长；

步骤3：根据回波信号模型构造信号匹配矩阵：假设在接收机旋转一周过程中共采样N次，每次采样步长为2π/N rad，对θ的搜索空间为(0,2π)rad，假设对其进行了M次搜索，则每次的搜索步长为2π/M rad，则建立的信号匹配矩阵为：

其中，n＝1,2,……,N；m＝1,2,……,M；

步骤4：对回波信号进行均匀采样和解调，并将其拓展为与信号匹配矩阵相同大小的回波信号矩阵：

其中，n＝1,2,……,N；m＝1,2,……,M；

步骤5：求回波信号矩阵与信号匹配矩阵的Hadamard积，得到回波匹配矩阵：

其中，n＝1,2,……,N；m＝1,2,……,M；⊙表示两个相同大小矩阵的Hadamard积；

步骤6：回波匹配矩阵时间维求和，并取其结果的模值，根据其峰值位置确定目标方向。

2.根据权利要求1所述的无源雷达固定目标时域测向方法，其特征在于：所述步骤1中斜距 历程R的推导过程为：接收机的坐标为(x_r,y_r)，发射机的坐标为(x_t,y_t)，场景中任一目标散射点坐标为(x₀,y₀)，则有：求出斜距历程R：

3.根据权利要求1所述的无源雷达固定目标时域测向方法，其特征在于：所述步骤2中回波信号模型的推导过程为：

其中，τ为回波时延，c为光速。

4.根据权利要求1所述的无源雷达固定目标时域测向方法，其特征在于：所述步骤5中回波匹配矩阵的推导过程为：

5.根据权利要求1所述的无源雷达固定目标时域测向方法，其特征在于：所述步骤6中的回波匹配矩阵时间维求和：

其中，J(·)为贝塞尔函数，取其结果的模值：

根据贝塞尔函数的性质，当时，|G(m)|取得最大值|σN|，而在其他位置则以贝塞尔函数形式衰减，从而确定目标方位角为