CN106291476B - 机载三维异构阵的雷达地面杂波回波获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载三维异构阵的雷达地面杂波回波获取方法，其主要思路为：确定包含N个阵元的三维异构机载雷达阵面，并以三维异构机载雷达载机垂直投影到地面上的点为原点建立直角坐标系，所述三维异构机载雷达载机为1×3维；选取距离三维异构机载雷达载机为R处的地面杂波环，并将所述杂波环均匀分成M个杂波块；利用M个杂波块，得到三维异构机载雷达载机指向M个杂波块的归一化杂波方向矩阵C，进而计算得到N×M维中间变量矩阵A；然后根据所述N×M维中间变量矩阵A，计算完整的N×M维阵元删除矩阵B；然后计算N×M维空间导向矢量S_s，并将S_s按列相加，得到1×M维方向图E，计算K×M维时间导向矢量S_t，进而计算NK×M维空时导向矢量S_st；根据E和S_st，计算NK×1维杂波回波数据D。

Description

机载三维异构阵的雷达地面杂波回波获取方法

技术领域

本发明属于雷达地面杂波处理技术领域，特别涉及一种机载三维异构阵的雷达地面杂波回波获取方法，适用于不限制阵面形状情况下地面杂波回波的获取。

背景技术

阵列天线是由若干个天线单元按照一定的组合方式排列在一起的，按照排列方式的不同，阵列天线可分很多情况：直线阵、平面阵、圆环阵、圆柱阵等等。对于前述阵面形状规则，阵元排列比较有规律的阵列天线，现有的研究技术已经相当成熟，但因其形状固定依然有着许多不足：例如在很多小型高机动平台上难以安装，空气动力学性能不佳，扫描角度有限，天线性能不高等。而三维异构阵的提出为上述问题提供了很好的解决方案。

由于三维异构阵属于最广义的阵列形式，因此需要建立具有更一般意义的统一杂波模型，以满足三维异构阵带来的任意阵型的杂波建模要求；而关于机载三维异构阵的地面杂波回波研究成果将对各类机载雷达杂波特性分析和杂波抑制处理均有普遍参考意义，在新一代预警机雷达、高速战机火控雷达、智能蒙皮雷达、新一代战场监视和侦察雷达有着广泛的应用前景。

尽管三维异构阵有着诸多优点，但由于机载三维异构阵的地面杂波回波仿真存在诸多困难，关于机载三维异构阵的地面杂波回波建模的研究还很少：由于不同天线单元所在的位置不同，其轴线方向也不同，方向图是有区别的，这就破坏了方向性乘积原理成立的条件。因此，三维异构阵的方向图不能表示成一个显式。而且三维异构阵在扫描时，由于有曲面载体的遮挡作用，必须断开或者改善对主波束无贡献的单元激励，这样势必增加馈电网络的有效性。此外，目前关于地面杂波回波的模型往往没有考虑不同阵元间的视角相关性；机载三维异构阵中的阵元可能相距较远，相对于地面同一散射点的视角有所不同，会使得不同阵元接收到的关于同一散射点的回波去相关，所以相对一般阵面更容易产生视角去相关的情况，导致机载三维异构阵接收到的杂波去相关，进而更加难以抑制。

发明内容

针对以上现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种机载三维异构阵的地面杂波回波获取方法，该种机载三维异构阵的地面杂波回波获取方法在地面杂波回波建模时考虑了视角去相关，且不限制阵元排列方式，是一种较为通用的机载三维异构阵地面杂波回波获取方法

为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种机载三维异构阵的雷达地面杂波回波获取方法，包括以下步骤：

步骤1，确定包含N个阵元的三维异构机载雷达阵面，并以三维异构机载雷达载机垂直投影到地面上的点为原点建立直角坐标系，所述三维异构机载雷达载机为1×3维，然后分别获取以包含N个阵元的N×3维全阵元坐标矩阵E_p和N×3维全阵元指向矩阵E_d；

N为三维异构机载雷达阵面包含的阵元数，并且所述全阵元坐标矩阵E_p的第n行表示第n个阵元的位置坐标，所述全阵元指向矩阵E_d的第n行表示第n个阵元的单位法向量，n∈{1,2,…,N}；

步骤2，选取距离三维异构机载雷达载机为R处的地面杂波环，并将所述杂波环均匀分成M个杂波块；

步骤3，利用M个杂波块，得到三维异构机载雷达载机指向M个杂波块的归一化杂波方向矩阵C，所述归一化杂波方向矩阵C为M×3维矩阵，其中第m行表示载机指向第m个杂波块的归一化杂波方向矢量，m∈{1,2,…,M}；然后根据所述N×3维全阵元指向矩阵E_d和所述归一化杂波方向矩阵C，计算得到N×M维中间变量矩阵A；

步骤4，建立一个N×M维阵元删除矩阵，然后根据所述N×M维中间变量矩阵A，计算得到所述N×M维阵元删除矩阵中的每一个元素值，进而得到完整的N×M维阵元删除矩阵B；

步骤5，根据所述完整的N×M维阵元删除矩阵B、所述N×3维全阵元坐标矩阵E_p、所述归一化杂波方向矩阵C，计算得到N×M维空间导向矢量S_s；

步骤6，将N×M维空间导向矢量S_s按列相加，得到1×M维方向图E；

步骤7，将一个相干处理间隔的脉冲数记为K，并根据一个相干处理间隔的脉冲数K，计算得到一个相干处理间隔的时间向量k，然后利用所述一个相干处理间隔的时间向量k和所述归一化杂波方向矩阵C，计算得到K×M维时间导向矢量S_t；

步骤8，根据所述N×M维空间导向矢量S_s和所述K×M维时间导向矢量S_t，计算得到NK×M维空时导向矢量S_st；

步骤9，根据所述1×M维方向图E和所述NK×M维空时导向矢量S_st，计算得到NK×1维杂波回波数据D。

本发明的有益效果：现有杂波回波模型中往往没有考虑视角去相关，本发明方法在建立一个适用于任意形状阵面的地面杂波回波模型的过程中考虑了相距较远的阵元的视角去相关，不限制阵面的形状，是一种较为通用的机载三维异构阵地面杂波回波获取方法。

附图说明

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。

图1是本发明的一种机载三维异构阵的雷达地面杂波回波获取方法流程图；

图2是圆柱圆锥相邻的三维异构阵阵面分布示意图；

图3是圆柱圆锥相邻的三维异构阵的前1500个距离门的距离方位域的方向图；

图4是圆柱圆锥相邻的三维异构阵的前1500个距离门的无距离模糊的距离多普勒谱示意图。

具体实施方式

参照图1，为本发明的一种机载三维异构阵的雷达地面杂波回波获取方法流程图；所述机载三维异构阵的雷达地面杂波回波仿真方法，包括以下步骤：

步骤1，确定包含N个阵元的三维异构机载雷达阵面，所述N个阵元任意极化分布，并以三维异构机载雷达载机垂直投影到地面上的点为原点建立xoyz三维直角坐标系，x轴与三维异构机载雷达载机飞行方向相同，z轴与地面垂直，y轴按右手准则分别与x轴和z轴垂直；所述三维异构机载雷达载机为1×3维，然后分别获取以包含N个阵元的N×3维全阵元坐标矩阵E_p和N×3维全阵元指向矩阵E_d；N为三维异构机载雷达阵面包含的阵元数，并且所述全阵元坐标矩阵E_p的第n行表示第n个阵元的位置坐标，所述全阵元指向矩阵E_d的第n行表示第n个阵元的单位法向量，n∈{1,2,…,N}。

步骤2，选取距离三维异构机载雷达载机为R处的地面杂波环，并将所述杂波环均匀分成M个杂波块，其中杂波块个数M的值按下式确定：

M>4πd_acosθ/λ

满足上述条件时，M个杂波块中的相邻两个杂波块的回波相关。

其中，d_a为三维异构机载雷达阵面方位向的基线长度，θ为地面杂波环的主波束方位角，λ为地面杂波环的波长，所述地面杂波环到三维异构机载雷达载机的距离为R。

步骤3，利用M个杂波块，得到三维异构机载雷达载机指向M个杂波块的归一化杂波方向矩阵C，所述归一化杂波方向矩阵C为M×3维矩阵，其中第m行表示载机指向第m个杂波块的归一化杂波方向矢量，m∈{1,2,…,M}；然后根据所述N×3维全阵元指向矩阵E_d和所述归一化杂波方向矩阵C，计算得到N×M维中间变量矩阵A，其表达式为：

A＝E_dC^T

步骤4，建立一个N×M维阵元删除矩阵，然后根据所述N×M维中间变量矩阵A，计算得到所述N×M维阵元删除矩阵中的每一个元素值，进而得到完整的N×M维阵元删除矩阵B；n∈{1,2,…,N}，N为三维异构机载雷达阵面包含的阵元数。

具体地，由于三维异构阵具有遮挡效应，使得在包含N个阵元的三维异构机载雷达阵面中，只有N个阵元中的部分阵元才能接收到信号(干扰信号或需要信号)，即如果来波信号(干扰信号或需要信号)与接收阵元之间受到三维异构机载雷达阵面其他部位的影响时，所述接收阵元被遮挡，进而无法接收到信号(干扰信号或需要信号)；又因为三维异构阵面的非线性特性，使得不同位置的阵元指向不同；本实施例三维异构机载雷达阵面中的每个阵元的安装指向为该阵元所处曲面的法线方向。

当所述N×M维中间变量矩阵A的第n行、第m列元素a_nm值大于cosγ_n时，所述N×M维阵元删除矩阵的第n行、第m列元素b_nm值为1，否则为0；计算所述N×M维阵元删除矩阵的第n行、第m列元素b_nm值的表达式为：

其中，γ_n为第n个阵元不受遮挡接收雷达回波的角度范围，并和包含N个阵元的三维异构机载雷达阵面形状相关；n∈{1,2,…,N}，N为三维异构机载雷达阵面包含的阵元数，m∈{1,2,…,M}，M为距离三维异构机载雷达载机为R处的地面杂波环均匀划分的杂波块个数。

在所述N×M维阵元删除矩阵中，当第n个阵元的安装指向与三维异构机载雷达辐射方向之间的角度，大于第n个阵元不受遮挡接收雷达回波的角度范围γ_n时，该第n个阵元被删除，进而得到完整的N×M维阵元删除矩阵B。

步骤5，根据所述完整的N×M维阵元删除矩阵B、所述N×3维全阵元坐标矩阵E_p、所述归一化杂波方向矩阵C，计算得到N×M维空间导向矢量S_s，其表达式为：

其中，⊙表示Hadamard积，λ为三维异构机载雷达发射信号的波长，上标T表示转置，C₀表示三维异构机载雷达的M×3维主波束指向矩阵，所述M×3维主波束指向矩阵的每一行均为三维异构机载雷达的主波束指向矢量。

步骤6，将N×M维空间导向矢量S_s按列相加，得到1×M维方向图E，其表达式为：

E＝IS_s

其中，I为1×N维全1向量。

步骤7，将一个相干处理间隔的脉冲数记为K，并根据一个相干处理间隔的脉冲数K，计算得到一个相干处理间隔的时间向量k，然后利用所述一个相干处理间隔的时间向量k和所述归一化杂波方向矩阵C，计算得到K×M维时间导向矢量S_t，其表达式分别为：

k＝[0 1 ... K-1]^T

其中，v为三维异构机载雷达载机的速度，所述三维异构机载雷达载机为1×3维；f_r为三维异构机载雷达的脉冲重复频率，λ为三维异构机载雷达发射信号的波长，exp为指数函数，C为三维异构机载雷达载机指向M个杂波块的归一化杂波方向矩阵，上标T为转置。

步骤8，根据所述N×M维空间导向矢量S_s和所述K×M维时间导向矢量S_t，计算得到NK×M维空时导向矢量S_st；所述NK×M维空时导向矢量S_st的第m列为S_st(:,m)，其表达式为：

其中，表示两个矩阵的直积运算，S_t(:,m)表示所述K×M维时间导向矢量S_t的第m列，S_s(:,m)表示所述N×M维空间导向矢量S_s的第m列，n∈{1,2,…,N}，N为三维异构机载雷达阵面包含的阵元数，m∈{1,2,…,M}，M为距离三维异构机载雷达载机为R处的地面杂波环均匀划分的杂波块个数。

步骤9，根据所述1×M维方向图E和所述NK×M维空时导向矢量S_st，计算得到NK×1维杂波回波数据D，其表达式为：

D＝gS_stRE^T+N

其中，g为根据雷达方程计算得出的增益，g＝P_tG_trλ²σ/(4π)³/R⁴，P_t为三维异构机载雷达发射峰值功率，G_tr为三维异构机载雷达天线双程增益，λ为三维异构机载雷达发射信号的波长，σ为M个杂波块的散射截面积，R为三维异构机载雷达载机到地面杂波环的距离；R为M阶随机复对角阵，该M阶随机复对角阵中对角线上的每个元素为随机复数，所述随机复数的幅度服从标准正态分布，所述随机复数的相位服从0到2π的均匀分布；N为加性噪声，上标T表示转置。

本发明效果通过以下仿真实验进一步验证说明。

(一)仿真参数

在本实验中，采用圆柱圆锥相邻的三维异构机载雷达阵面，分布示意图如图2所示，图2为圆柱圆锥相邻的三维异构阵阵面分布示意图；其中圆柱阵元数为352，圆锥阵元数为179个，三维异构机载雷达波长为0.2m，阵元间距为0.1m，脉冲重复频率为5000Hz，三维异构机载雷达载机高度为6000m。三维异构机载雷达信号带宽为2.5MHz，三维异构机载雷达采样频率为2.5MHz，相干积累脉冲为64个；三维异构机载雷达载机沿x轴方向飞行，速度大小为200m/s；三维异构机载雷达阵面主波束指向：方位角45°，俯仰角0°；噪声系数3dB，杂噪比40dB。

(二)仿真数据处理结果及分析

图3是圆柱圆锥相邻的三维异构阵的前1500个距离门的距离方位域的方向图，图4是圆柱圆锥相邻的三维异构阵的前1500个距离门的无距离模糊的距离多普勒谱示意图；

从图3和图4可以看出，本发明方法有效地建立了三维异构机载雷达阵面的方向图和杂波回波数据；三维异构机载雷达的方向图相对于平面阵等阵面，形状更不规则，波瓣不规律，方向图在近距离变化比较复杂，而在远距离变化不明显。

综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。

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 (9)

1.一种机载三维异构阵的雷达地面杂波回波获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，确定包含N个阵元的三维异构机载雷达阵面，并以三维异构机载雷达载机垂直投影到地面上的点为原点建立直角坐标系，所述三维异构机载雷达载机为1×3维，然后分别获取以包含N个阵元的N×3维全阵元坐标矩阵E_p和N×3维全阵元指向矩阵E_d；

N为三维异构机载雷达阵面包含的阵元数，并且所述全阵元坐标矩阵E_p的第n行表示第n个阵元的位置坐标，所述全阵元指向矩阵E_d的第n行表示第n个阵元的单位法向量，n∈{1，2，…，N}；

步骤2，选取距离三维异构机载雷达载机为R处的地面杂波环，并将所述杂波环均匀分成M个杂波块；

步骤3，利用M个杂波块，得到三维异构机载雷达载机指向M个杂波块的归一化杂波方向矩阵C，所述归一化杂波方向矩阵C为M×3维矩阵，其中第m行表示载机指向第m个杂波块的归一化杂波方向矢量，m∈{1，2，…，M}；然后根据所述N×3维全阵元指向矩阵E_d和所述归一化杂波方向矩阵C，计算得到N×M维中间变量矩阵A；

步骤4，建立一个N×M维阵元删除矩阵，然后根据所述N×M维中间变量矩阵A，计算得到所述N×M维阵元删除矩阵中的每一个元素值，进而得到完整的N×M维阵元删除矩阵B；

步骤5，根据所述完整的N×M维阵元删除矩阵B、所述N×3维全阵元坐标矩阵E_p、所述归一化杂波方向矩阵C，计算得到N×M维空间导向矢量S_s；

步骤6，将N×M维空间导向矢量S_s按列相加，得到1×M维方向图E；

步骤7，将一个相干处理间隔的脉冲数记为K，并根据一个相干处理间隔的脉冲数K，计算得到一个相干处理间隔的时间向量k，然后利用所述一个相干处理间隔的时间向量k和所述归一化杂波方向矩阵C，计算得到K×M维时间导向矢量S_t；

步骤8，根据所述N×M维空间导向矢量S_s和所述K×M维时间导向矢量S_t，计算得到NK×M维空时导向矢量S_st；

步骤9，根据所述1×M维方向图E和所述NK×M维空时导向矢量S_st，计算得到NK×1维杂波回波数据D。

2.如权利要求1所述的一种机载三维异构阵的雷达地面杂波回波获取方法，其特征在于，在步骤2中，所述M个杂波块还包括：

杂波块个数M的值按下式确定：

M＞4πd_acosθ/λ

满足上述条件时，M个杂波块中的相邻两个杂波块的回波相关；

其中，d_a为三维异构机载雷达阵面方位向的基线长度，θ为地面杂波环的主波束方位角，λ为地面杂波环的波长，所述地面杂波环到三维异构机载雷达载机的距离为R。

3.如权利要求1所述的一种机载三维异构阵的雷达地面杂波回波获取方法，其特征在于，在步骤3中，所述N×M维中间变量矩阵A，其表达式为：

A＝E_dC^T

其中，上标T表示转置。

4.如权利要求1所述的一种机载三维异构阵的雷达地面杂波回波获取方法，其特征在于，在步骤4中，所述完整的N×M维阵元删除矩阵B，其计算过程为：

当所述N×M维中间变量矩阵A的第n行、第m列元素a_nm值大于cosγ_n时，所述N×M维阵元删除矩阵的第n行、第m列元素b_nm值为1，否则为0；计算所述N×M维阵元删除矩阵的第n行、第m列元素b_nm值的表达式为：

其中，γ_n为第n个阵元不受遮挡接收雷达回波的角度范围，n∈{1，2，…，N}，N为三维异构机载雷达阵面包含的阵元数，m∈{1，2，…，M}，M为距离三维异构机载雷达载机为R处的地面杂波环均匀划分的杂波块个数。

5.如权利要求1所述的一种机载三维异构阵的雷达地面杂波回波获取方法，其特征在于，在步骤5中，所述N×M维空间导向矢量S_s，其表达式为：

其中，⊙表示Hadamard积，λ为三维异构机载雷达发射信号的波长，上标T表示转置，C₀表示三维异构机载雷达的M×3维主波束指向矩阵，所述M×3维主波束指向矩阵的每一行均为三维异构机载雷达的主波束指向矢量。

6.如权利要求1所述的一种机载三维异构阵的雷达地面杂波回波获取方法，其特征在于，在步骤6中，所述1×M维方向图E，其表达式为：

E＝IS_s

其中，I为1×N维全1向量。

7.如权利要求1所述的一种机载三维异构阵的雷达地面杂波回波获取方法，其特征在于，在步骤7中，所述一个相干处理间隔的时间向量k和所述K×M维时间导向矢量S_t，其表达式分别为：

k＝[0 1 ... K-1]^T

其中，v为三维异构机载雷达载机的速度，所述三维异构机载雷达载机为1×3维；f_r为三维异构机载雷达的脉冲重复频率，λ为三维异构机载雷达发射信号的波长，exp为指数函数，C为三维异构机载雷达载机指向M个杂波块的归一化杂波方向矩阵，上标T为转置。

8.如权利要求1所述的一种机载三维异构阵的雷达地面杂波回波获取方法，其特征在于，在步骤8中，所述NK×M维空时导向矢量S_st，还包括：

所述NK×M维空时导向矢量S_st的第m列为S_st(：，m)，其表达式为：

其中，表示两个矩阵的直积运算，S_t(：，m)表示所述K×M维时间导向矢量S_t的第m列，S_s(：，m)表示所述N×M维空间导向矢量S_s的第m列，m∈{1，2，…，M}，M为距离三维异构机载雷达载机为R处的地面杂波环均匀划分的杂波块个数。

9.如权利要求1所述的一种机载三维异构阵的雷达地面杂波回波获取方法，其特征在于，在步骤9中，所述NK×1维杂波回波数据D，其表达式为：

D＝gS_stRE^T+N

其中，g为根据雷达方程计算得出的增益，g＝P_tG_trλ²σ/(4π)³/R⁴，P_t为三维异构机载雷达发射峰值功率，G_tr为三维异构机载雷达天线双程增益，λ为三维异构机载雷达发射信号的波长，σ为M个杂波块的散射截面积，R为三维异构机载雷达载机到地面杂波环的距离；R为M阶随机复对角阵，该M阶随机复对角阵中对角线上的每个元素为随机复数，所述随机复数的幅度服从标准正态分布，所述随机复数的相位服从0到2π的均匀分布；N为加性噪声，上标T表示转置。