CN105974390A - 基于多普勒信息的机扫米波雷达质量中心测角方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达技术领域，公开了一种基于多普勒信息的机扫米波雷达质量中心测角方法，以降低同一波束宽度内存在多目标对质量中心法测角精度的影响，减小测角误差，提高测角精度，该方法包括天线阵列发射脉冲信号；对接收的回波信号进行相位调整，之后进行DFT运算；找到多普勒频率在多普勒通道中对应的点，在该点左右两边保留M个点，其余点置0；对置0后的数据进行IDFT运算；对IDFT运算后的数据取最大幅值，并找到对应脉冲，以及该脉冲对应脉冲的角度值θ_max；在该角度的左右均取(L‑1)/2个角度值，并找出对应的幅值；使用质心法进行角度估计。

Description

基于多普勒信息的机扫米波雷达质量中心测角方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种基于多普勒信息的机扫米波雷达质量中心测角方法，可用于机械扫描雷达中在同一波束内存在单个或多个目标时对目标进行质量中心法测角。

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，但同时由于米波雷达的波长较长，波束较宽，使得其角度分辨率差，测角精度低。机械扫描雷达由于成本低，实现简单等因素一直被人们广泛应用。机扫雷达测角方法一般采用最大信号法，但这种方法的精度较差，尤其是对于机扫米波雷达。其电尺寸较小，波束较宽，最大信号法测角精度不高。而传统的质量中心法虽然比最大信号法测角精度高一些，但是依然不能满足我们的对精度的需求，尤其当同一波束宽度内存在多目标时，传统质量中心法测角精度会更低。

传统质量中心法对系统要求简单，只需一个信号通道以及一个扫描波束，而且这种测角方法的运算量少，成本低，从这些方面看，质量中心法是一种很重要的方法。

质心法的角度测量方法，是振幅法测角的一种，其基本原理同最大信号法的基本原理大体相同，不同之处在于确定目标方向时不再将单独的幅度最大的点对应的天线波束指向作为目标方向，而是通过确定各回波脉冲信号的质心确定出目标角度。

但受机扫米波雷达波束较宽、中心波束对不准目标等缺点的影响，质量中心法测角精度受同一波束内目标个数的影响很大，从而影响雷 达的分辨力和探测、跟踪目标的准确性，精度需要进一步提高。

发明内容

针对上述已有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于多普勒信息的机扫米波雷达质量中心测角方法，以降低同一波束宽度内存在多目标对质量中心法测角精度的影响，减小测角误差，提高测角精度。

本发明的技术方案为：本发明技术方案实现的前提条件为：系统相参，系统频率不捷变，天线中心对准目标。机扫阵列雷达对接收的回波信号，利用离散傅里叶变换DFT将回波信号转换到多普勒通道中，将旁瓣的噪声影响去除掉，然后对其进行离散傅里叶逆变换IDFT，对处理后得到的数据取最大幅值，并找到对应的角度值，在该角度的左右均取(L-1)/2个角度值(L为波束方向图3 dB带宽包含的脉冲个数)，并找出对应的幅值，最后，使用质心法进行角度估计。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种基于多普勒信息的机扫米波雷达质量中心测角方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，设定机扫米波雷达的天线为由N个阵元组成的等距线阵，机扫米波雷达发射K个脉冲，相邻脉冲之间间隔固定预设角，N为大于或者等于4的整数，K为大于1的自然数；

步骤2，机扫米波雷达通过等距线阵接收K个脉冲的回波信号X，确定第i个脉冲的目标偏轴角，i＝1,2,...,K，并对回波信号X进行相位调整，得到相位调整后的回波信号，进而对相位调整后的回波信号进行K点离散傅里叶变换，得到离散傅里叶变换之后的回波信号；目标偏轴角为目标与天线中心法线之间的夹角；

步骤3，确定离散傅里叶变换之后的回波信号中目标多普勒频率对 应的点G，在点G左右两侧各保留M个点，并将其余数据置零，从而得到置零后的回波信号，其中，1≤M≤K/2；

步骤4，对置零后的回波信号进行逆离散傅里叶变换，得到逆离散傅里叶变换后的回波信号，获取逆离散傅里叶变换后的回波信号中最大幅值对应的脉冲，以及该脉冲对应的目标偏轴角，记为第一目标偏轴角；

步骤5，在第一目标偏轴角左右两侧各取(L-1)/2个角度值，并在逆离散傅里叶变换后的回波信号中获取每个角度值对应的幅度值，组成新的回波数据；L为在3dB波束宽度内包含的脉冲个数；

步骤6，对所述新的回波数据使用质量中心测角方法进行目标角度估计，得到目标角度估计值。

本发明与现有技术相比有以下优点：1)本发明由于对接收数据进行了DFT运算，相当于对信号进行了相干积累，并将DFT后的旁瓣置0，减少了旁瓣接收的噪声对信号的影响，提高了信噪比和测角精度；2)本发明对接收数据进行DFT运算，将数据转换到多普勒通道中，由于多普勒通道可以提取不同信号的多普勒信息，故本发明能同时对一个波束宽度内的多个目标进行测角，相对于传统幅相单脉冲测角方法具有更好的稳健性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于多普勒信息的机扫米波雷达质量中心测角方法的实现流程示意图；

图2是采用本发明方法与传统质量中心法对一个目标进行测角的均方根误差对比曲线示意图；

图3是采用本发明方法与传统质量中心法在多个目标时对一个目标进行测角的均方根误差对比曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于多普勒信息的机扫米波雷达质量中心测角方法，参照图1，所述方法包括如下步骤：

步骤1，设定机扫米波雷达的天线为由N个阵元组成的等距线阵，机扫米波雷达发射K个脉冲，相邻脉冲之间间隔固定预设角，N为大于或者等于4的整数，K为大于1的自然数。

将机扫雷达的天线等效成由N个阵元组成的等距线阵，即任意两个相邻阵元之间的阵元间距d均相等，且为米波雷达发射信号的波长λ的一半，d＝λ/2；

步骤1中，机扫米波雷达发射K个脉冲，相邻脉冲之间间隔固定预设角具体为：机扫米波雷达在天线扫描工作时，每间隔固定预设角△Φ发射一个脉冲，且在3dB波束宽度内包含L个脉冲；其中，△Φ＝360*t/T，t为脉冲重复周期，T为机扫米波雷达的转速。

机扫雷达在天线扫描工作时，每间隔△Φ发射一个脉冲，假设，在3dB波束宽度内有L个脉冲，测角时，发射天线发射K个脉冲，K个脉冲中包含了L个脉冲，天线中心法线与水平参考面的夹角作为基准 角i＝1,2,...,K。

步骤2，机扫米波雷达通过等距线阵接收K个脉冲的回波信号X，确定第i个脉冲的目标偏轴角，i＝1,2,...,K，并对回波信号X进行相位调整，得到相位调整后的回波信号，进而对相位调整后的回波信号进行K点离散傅里叶变换，得到离散傅里叶变换之后的回波信号；目标偏轴角为目标与天线中心法线之间的夹角。

步骤2具体为：

(2a)机扫米波雷达通过天线阵接收K个脉冲的回波信号X＝AS+n，其中，A＝[a(θ₁),...a(θ_i)...,a(θ_K)]表示回波信号包含的目标相位信息，a(θ_i)＝[1,exp(j2πd/λsinθ_i),...,exp(j2π(N-1)d/λsinθ_i)]^T为第i个脉冲的目标偏轴角矢量，i＝1,2,...,K；d为阵元间隔，λ为信号波长，表示向量的转置，exp表示以e为底的指数幂，j代表虚数单位；回波信号X为N×K阶矩阵。

S＝[S₁,...S_i...,S_K]^T表示回波信号的复包络，S_i表示第i个脉冲的复包络信息，其中f_d表示目标的多普勒频率，f_d＝2Vf₀/c，V表示目标相对机扫米波雷达的径向速度，f₀表示雷达发射信号的中心频率，c代表光速，t为脉冲重复周期；n代表均值为0、方差为1的N×K阶高斯白噪声矩阵；

(2b)对回波信号X进行相位调整，得到相位调整后的回波信号Y＝a(θ₀)·X，其中，θ₀为目标的实际角度，a(θ₀)＝[1,exp(j2πd/λsin(θ₀)),…,exp(j2π(N-1)d/λsin(θ₀))]^T；

(2c)对相位调整后的回波信号进行K点离散傅里叶变换，得到离散傅里叶变换之后的回波信号Q。

Q＝[Q(0),...,Q(l),...Q(K-1)]，其中式中T_g(m)表示DFT前的数据Q_g(k)表示DFT后的数据，g＝1,2，0≤m≤K-1， 0≤k≤K-1。

步骤3，确定离散傅里叶变换之后的回波信号中目标多普勒频率对应的点G，在点G左右两侧各保留M个点，并将其余数据置零，从而得到置零后的回波信号，其中，1≤M≤K/2。

步骤3具体为：

确定离散傅里叶变换之后的回波信号Q中目标多普勒频率f_d对应的点G，在点G左右两侧各保留M个点，并将其余数据置零，从而得到置零后的回波信号，其中，G＝[f_d×t×K]+1，[·]代表四舍五入取整运算，t表示脉冲重复周期，K表示机扫米波雷达发射的脉冲数，1≤M≤K/2。

需要说明的是，本步骤中在点G左右两侧各保留M个点具体为：以G点为中心，向左右两侧分别保留连续的M个点。

步骤4，对置零后的回波信号进行逆离散傅里叶变换，得到逆离散傅里叶变换后的回波信号，获取逆离散傅里叶变换后的回波信号中最大幅值对应的脉冲，以及该脉冲对应的目标偏轴角，记为第一目标偏轴角。

对置0后的数据进行K点逆离散傅里叶变换IDFT运算，得到逆离散傅里叶变换后的数据Z＝[Z₁(0),...,Z₁(m),...,Z₁(K-1)]即 式中Y_g(k)表示IDFT之前的数据，Z_g(m)表示IDFT之后的数据，g＝1,2，0≤m≤K-1，0≤k≤K-1。

步骤5，在第一目标偏轴角左右两侧各取(L-1)/2个角度值，并在逆离散傅里叶变换后的回波信号中获取每个角度值对应的幅度值，组成新的回波数据；L为在3dB波束宽度内包含的脉冲个数。

步骤6，对所述新的回波数据使用质量中心测角方法进行目标角度估计，得到目标角度估计值。

步骤6具体为：

(6a)将在第一目标偏轴角左侧取的(L-1)/2个角度值、在第一目标偏轴角右侧取的(L-1)/2个角度值以及第一目标偏轴角分别依次记为θ_l，l＝1,…,L，并将其对应的幅度值记为a_l，l＝1,…,L，从而得到新的回波数据；

(6b)对所述新的回波数据使用质量中心测角方法进行目标角度估计，得到目标角度估计值θ_e：

${\mathrm{\θ}}_e=\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}{\mathrm{\θ}}_l{a}_l/\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}{a}_l.$

本发明的效果可以通过以下计算机仿真进行验证：

一、仿真条件

仿真条件1：假设天线是由10个阵元组成的天线面，天线的波束宽度约为50°，天线以10s/r的速度进行旋转扫描，雷达每隔10ms发射一个频率为300MHz的脉冲，天线每次接收到21个脉冲信号，天线中心法线对准目标；假设存在一个目标，目标的真实角度为10°，目标相对雷达的径向速度为150m/s，目标的多普勒频率为300Hz；信噪比取-10dB到10dB，这里的信噪比是指单个阵元、单个脉冲的。

仿真条件2：假设天线为由10个阵元组成的天线面，天线的波束宽度约为50°，天线以10s/r的速度进行旋转扫描，雷达每隔10ms发射一个频率为300MHz的脉冲，天线每次接收到21个脉冲信号，天线中心法线对准目标；假设存在两个目标，且第一个目标的真实角度为10°，第二个目标的真实角度为15°，第一个目标相对雷达的径向速度为150m/s，多普勒频率为300Hz；第二个目标相对雷达的径向速度为225m/s，多普勒频率为450Hz；信噪比取-10dB到20dB，这里的信噪比是指单个阵元、单个脉冲的。

二、仿真内容

利用仿真条件1对只有一个目标时，分别采用传统质量中心法和本 发明方法进行测角，得到两种方法随信噪比变化的均方根误差曲线，如图2所示，图2中横坐标为信噪比，纵坐标为均方根误差。

利用仿真条件2对有两个个目标时，分别采用传统质量中心法和本发明方法进行测角，得到两种方法随信噪比变化的均方根误差曲线，如图3所示，图3中横坐标为信噪比，纵坐标为均方根误差。

由图2可见，本发明方法比传统质量中心法精度要高，特别是在信噪比低时，效果非常明显，本发明方法可以降低噪声的影响，提高测角精度。

由图3可见，在机扫雷达测角过程中存在多个目标时，传统质量中心法受其它目标的影响测角性能会下降，在两个目标相距较近的时候，受其他目标的影响较大，由于在高信噪比的时候噪声对第一个目标的影响变小，但第二个目标仍对第一个目标存在影响，所以传统质量中心法的均方根误差曲线会趋近于平直，本发明提出的改进方法即使在两个目标相距的较近时，依然能够降低噪声的影响，提高信噪比，保证质量中心法测角的精度，具有很好的稳健性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于多普勒信息的机扫米波雷达质量中心测角方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1，设定机扫米波雷达的天线为由N个阵元组成的等距线阵，机扫米波雷达发射K个脉冲，相邻脉冲之间间隔固定预设角，N为大于或者等于4的整数，K为大于1的自然数；

步骤2，机扫米波雷达通过等距线阵接收K个脉冲的回波信号X，确定第i个脉冲的目标偏轴角，i＝1，2，...，K，并对回波信号X进行相位调整，得到相位调整后的回波信号，进而对相位调整后的回波信号进行K点离散傅里叶变换，得到离散傅里叶变换之后的回波信号；目标偏轴角为目标与天线中心法线之间的夹角；

步骤3，确定离散傅里叶变换之后的回波信号中目标多普勒频率对应的点G，在点G左右两侧各保留M个点，并将其余数据置零，从而得到置零后的回波信号，其中，1≤M≤K/2；

步骤4，对置零后的回波信号进行逆离散傅里叶变换，得到逆离散傅里叶变换后的回波信号，获取逆离散傅里叶变换后的回波信号中最大幅值对应的脉冲，以及该脉冲对应的目标偏轴角，记为第一目标偏轴角；

步骤5，在第一目标偏轴角左右两侧各取(L-1)/2个角度值，并在逆离散傅里叶变换后的回波信号中获取每个角度值对应的幅度值，组成新的回波数据；L为在3dB波束宽度内包含的脉冲个数；

步骤6，对所述新的回波数据使用质量中心测角方法进行目标角度估计，得到目标角度估计值。

2.根据权利要求1所述的一种基于多普勒信息的机扫米波雷达质量中心测角方法，其特征在于，步骤1中，机扫米波雷达发射K个脉冲，相邻脉冲之间间隔固定预设角具体为：

机扫米波雷达在天线扫描工作时，每间隔固定预设角ΔΦ发射一个脉冲，且在3dB波束宽度内包含L个脉冲；其中，ΔΦ＝360*t/T，t为脉冲重复周期，T为机扫米波雷达的转速。

3.根据权利要求1所述的一种基于多普勒信息的机扫米波雷达质量中心测角方法，其特征在于，步骤2具体为：

(2a)机扫米波雷达通过天线阵接收K个脉冲的回波信号X＝AS+n，其中，A＝[a(θ₁)，...a(θ_i)...，a(θ_K)]表示回波信号包含的目标相位信息，a(θ_i)＝[1，exp(j2πd/λsinθ_i)，...，exp(j2π(N-1)d/λsinθ_i)]^T为第i个脉冲的目标偏轴角矢量，i＝7，2，...，K；d为阵元间隔，λ为信号波长，表示向量的转置；

S＝[S_l，...S_i...，S_K]^T表示回波信号的复包络，S_i表示第i个脉冲的复包络信息，其中f_d表示目标的多普勒频率，f_d＝2Vf₀/c，V表示目标相对机扫米波雷达的径向速度，f₀表示雷达发射信号的中心频率，c代表光速，t为脉冲重复周期；n代表均值为0、方差为1的N×K阶高斯白噪声矩阵；

(2b)对回波信号X进行相位调整，得到相位调整后的回波信号Y＝a(θ₀)·X，其中，θ₀为目标的实际角度，a(θ₀)＝[1，exp(j2πd/λsin(θ₀))，…，exp(j2π(N-1)d/λsin(θ₀))]^T；

(2c)对相位调整后的回波信号进行K点离散傅里叶变换，得到离散傅里叶变换之后的回波信号Q。

4.根据权利要求1所述的一种基于多普勒信息的机扫米波雷达质量中心测角方法，其特征在于，步骤3具体为：

确定离散傅里叶变换之后的回波信号Q中目标多普勒频率f_d对应的点G，在点G左右两侧各保留M个点，并将其余数据置零，从而得到置零后的回波信号，其中，G＝[f_d×t×K]+1，[·]代表四舍五入取整运算，t表示脉冲重复周期，K表示机扫米波雷达发射的脉冲数，1≤M≤K/2。

5.根据权利要求1所述的一种基于多普勒信息的机扫米波雷达质量中心测角方法，其特征在于，步骤6具体为：

(6a)将在第一目标偏轴角左侧取的(L-1)/2个角度值、在第一目标偏轴角右侧取的(L-1)/2个角度值以及第一目标偏轴角分别依次记为θ_l，l＝1，...，L，并将其对应的幅度值记为a_l，l＝1，...，L，从而得到新的回波数据；

(6b)对所述新的回波数据使用质量中心测角方法进行目标角度估计，得到目标角度估计值θ_e：

${\mathrm{\θ}}_e=\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}{\mathrm{\θ}}_l{a}_l/\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}{a}_l.$