CN106855622A - 一种子阵级相控阵雷达的测角方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种子阵级相控阵雷达的测角方法属于阵列信号处理领域，涉及一种雷达测角方法，该方法适用于任意子阵划分的相控阵雷达，可以在干扰条件下对目标进行测角。本发明利用子阵加权形成的波束在空域进行扫描，当波束扫描到目标角度时系统输出能量最大，因此计算全部角度的系统输出能量，其中最大值所在的角度就是目标角度，从此测量出了目标角度。与单脉冲测角方法相比较，本发明不需要存储鉴角曲线等数据，节省了数据存储空间；当存在干扰时，与线性约束自适应单脉冲测角方法相比较，本发明不消耗系统抗干扰自由度；与自适应单脉冲测角方法相比较，本发明提升了测角精度。

Description

一种子阵级相控阵雷达的测角方法

技术领域

本发明一种子阵级相控阵雷达的测角方法属于阵列信号处理领域，涉及一种雷达测角方法，该方法适用于任意子阵划分的相控阵雷达，可以在干扰条件下对目标进行测角。

背景技术

单脉冲测角技术由于结构简单、技术成熟的特点，在雷达中得到了广泛的应用。子阵级相控阵雷达可以通过数字信号处理形成数字和差波束，从而采用单脉冲测角技术。单脉冲测角方法针对某个工作频点和某个波束指向，计算和波束与差波束信号的比值，得到鉴角曲线。测角时，首先计算和差波束比值，然后通过查找鉴角曲线表，反推出方位角或俯仰角。单脉冲测角技术的主要缺点有：(1)不同工作频点与波束主瓣方向的鉴角曲线不同，需要分别存储，占用大量数据存储空间。(2)当波束主瓣指向的方位角或俯仰角较大时，由于波束出现畸变，鉴角曲线出现较大误差，影响测角精度。(3)工程实际中，为了减少需要存储的鉴角曲线表，通常采用加窗、多项式拟合、变换到正弦空间等方法，对相近频点或主瓣指向的鉴角曲线进行分组、合并与近似，或者仅存储每条误差曲线的斜率，这些近似处理增大了测角误差。

在存在干扰情况下，子阵级相控阵通常采用自适应波束形成等自适应信号处理技术来抑制干扰，然而对干扰的抑制扰动了和差波束的方向图，造成主瓣畸变和旁瓣抬高，自适应和波束与自适应差波束之比的斜率与静态和差波束比的斜率有大的偏差，给单脉冲测角带来误差。为了抑制自适应和差波束的畸变，通常对波束主瓣若干个点的增益值或者导数进行线性约束，从而保证了单脉冲测角的性能；然而线性约束施加的一系列保持鉴角曲线斜率的约束条件，消耗了系统的抗干扰自由度，即降低了系统可抑制干扰源的数目。

发明目的

针对现有技术中单脉冲测角方法的不足，本发明提出一种子阵级相控阵雷达的自适应波束扫描测角方法，该方法不仅避免了储存鉴角曲线，还提升了测角精度，保证了完整的系统抗干扰自由度。

技术方案

一种子阵级相控阵雷达的测角方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)对于一个M子阵的子阵级相控阵阵列，每个子阵有独立的接收通道。用于测角的多通道数据记为s，向量维数为M×1，即s＝[s₁,s₂,…,s_M]^T，其中s_m为第m子阵通道的数据，包含了目标回波、干扰和噪声，符号T表示转置；

2)计算干扰抑制矩阵B；

3)计算各个子阵的等效相位中心；

4)确定空间采样点，假定波束主瓣指向方位角为φ₀、俯仰角为θ₀；方位角测角范围为[-φ_Δ,φ_Δ]，俯仰角测角范围为[-θ_Δ,θ_Δ]；目标方位角为φ_T、俯仰角为θ_T，目标在测角范围以内，即有φ₀-φ_Δ≤φ_T≤φ₀+φ_Δ，θ₀-θ_Δ≤θ_T≤θ₀+θ_Δ，在测角范围内的空域取K个空间采样点，得到K组方位角与俯仰角组合，其中第k组角度记为(φ(k),θ(k))，即有φ₀-φ_Δ≤φ(k)≤φ₀+φ_Δ，θ₀-θ_Δ≤θ(k)≤θ₀+θ_Δ，其中k＝1,2,…,K。K个空间采样点覆盖测角范围；

5)计算每个空间采样点的子阵加权向量，从角度(φ₀,θ₀)发射的电磁波到达阵列中心的距离与到达第m子阵等效相位中心的距离的差值记为β₀，从角度(φ(k),θ(k))发射的电磁波到达阵列中心的距离与到达第m子阵等效相位中心的距离的差值记为β_m(k)，当前雷达频点为f_c，光速为c₀，则第k个空间采样点对应的M×1维的子阵加权权值向量记为w(k)＝[w₁(k),w₂(k),…,w_M(k)]^T，由下式求得：

w(k)＝Ba(k)

其中

其中exp为e的指数函数，j为虚数单位；

6)计算每个空间采样点的波束扫描输出G(k)；

7)找出波束扫描输出G(k)的最大值，对应的空间采样点的角度即是目标角度，即假如取得最大值，目标的测角结果为

本发明优点

(1)与单脉冲测角方法相比较，本发明不需要存储鉴角曲线等数据，节省了数据存储空间。

(2)与线性约束自适应单脉冲测角方法相比较，本发明不消耗系统抗干扰自由度。

(3)与自适应单脉冲测角方法相比较，本发明提升了测角精度。

附图说明

图1是本发明的主程序流程图。

具体实施方式

本发明的测角原理为：利用子阵加权形成的波束在空域进行扫描，当波束扫描到目标角度时系统输出能量最大，因此计算全部角度的系统输出能量，其中最大值所在的角度就是目标角度，从此测量出了目标角度。

本发明方法一种子阵级相控阵雷达的测角方法，其特征在于，本发明方法包括以下步骤：

1)对于一个M子阵的子阵级相控阵阵列，每个子阵有独立的接收通道。用于测角的多通道数据记为s，向量维数为M×1，即s＝[s₁,s₂,…,s_M]^T，其中s_m为第m子阵通道的数据，包含了目标回波、干扰和噪声，符号T表示转置；

2)计算干扰抑制矩阵B；

3)计算各个子阵的等效相位中心；

4)确定空间采样点，假定波束主瓣指向方位角为φ₀、俯仰角为θ₀；方位角测角范围为[-φ_Δ,φ_Δ]，俯仰角测角范围为[-θ_Δ,θ_Δ]；目标方位角为φ_T、俯仰角为θ_T，目标在测角范围以内，即有φ₀-φ_Δ≤φ_T≤φ₀+φ_Δ，θ₀-θ_Δ≤θ_T≤θ₀+θ_Δ，在测角范围内的空域取K个空间采样点，得到K组方位角与俯仰角组合，其中第k组角度记为(φ(k),θ(k))，即有φ₀-φ_Δ≤φ(k)≤φ₀+φ_Δ，θ₀-θ_Δ≤θ(k)≤θ₀+θ_Δ，其中k＝1,2,…,K。K个空间采样点覆盖测角范围；

5)计算每个空间采样点的子阵加权向量，从角度(φ₀,θ₀)发射的电磁波到达阵列中心的距离与到达第m子阵等效相位中心的距离的差值记为β₀，从角度(φ(k),θ(k))发射的电磁波到达阵列中心的距离与到达第m子阵等效相位中心的距离的差值记为β_m(k)，当前雷达频点为f_c，光速为c₀，则第k个空间采样点对应的M×1维的子阵加权权值向量记为w(k)＝[w₁(k),w₂(k),…,w_M(k)]^T，由下式求得：

w(k)＝Ba(k)

其中

其中exp为e的指数函数，j为虚数单位；

6)计算每个空间采样点的波束扫描输出G(k)；

7)找出波束扫描输出G(k)的最大值，对应的空间采样点的角度即是目标角度，即假如取得最大值，目标的测角结果为

实施例

下面结合本发明图1对本发明实施例的技术方案进行描述，本发明方法包括以下步骤：

1、对于一个M子阵的子阵级相控阵阵列，每个子阵有独立的接收通道。用于测角的多通道数据记为s，向量维数为M×1，即s＝[s₁,s₂,…,s_M]^T，其中s_m为第m子阵通道的数据，包含了目标回波、干扰和噪声，符号T表示转置。

2、仅包括干扰信号与噪声信号的M通道接收数据矩阵记为X，维数为M×L，其中L为快拍数，求出采样数据协方差矩阵

得到的协方差矩阵R的维数为M×M，符号H表示共轭转置。R的逆矩阵记为R^-1，干扰抑制矩阵为B＝R^-1。

若接收信号X与s不包含干扰信号时，干扰抑制矩阵可简化为B＝I，I为M×M维的单位阵。

3、计算各个子阵的等效相位中心。若阵元放置在X-O-Y平面，阵列中心为坐标原点。第m子阵中的第i阵元的空间位置记为(x_m,i,y_m,i)，幅度加权为A_m,i。第m子阵的等效相位中心位置(X_m,Y_m)可以通过下式计算：

其中第m子阵的阵元集合表示为ζ_m＝{i|阵元i属于第m子阵}。

4、确定空间采样点。假定波束主瓣指向方位角为φ₀、俯仰角为θ₀；方位角测角范围为[-φ_Δ,φ_Δ]，俯仰角测角范围为[-θ_Δ,θ_Δ]；目标方位角为φ_T、俯仰角为θ_T，目标在测角范围以内，即有φ₀-φ_Δ≤φ_T≤φ₀+φ_Δ，θ₀-θ_Δ≤θ_T≤θ₀+θ_Δ。

假定取P+1个方位角采样点，第p个方位角记为

φ(p)＝φ₀-φ_Δ+p·Δφ,p＝0,1,2,…,P

取Q+1个俯仰角采样点，第q个俯仰角记为

θ(q)＝θ₀-θ_Δ+q·Δθ,q＝0,1,2,…,Q

于是构成了(P+1)×(Q+1)个空间采样点，均匀地覆盖整个测角范围。

5、计算每个空间采样点的子阵加权向量。

从角度(φ₀,θ₀)发射的电磁波到达阵列中心的距离与到达第m子阵等效相位中心的距离的差值记为β₀。令k＝(p+1)+(P+1)q，从角度(φ(p),θ(q))发射的电磁波到达阵列中心的距离与到达第m子阵等效相位中心的距离的差值记为β_m(k)。则有

β₀＝X_mcos(θ₀)sin(φ₀)+Y_msin(θ₀)

β_m(k)＝X_m cos(θ(q))sin(φ(p))+Y_m sin(θ(q))

当前雷达频点为f_c，光速为c₀。则第k个空间采样点对应的M×1维的子阵加权权值向量记为w(k)＝[w₁(k),w₂(k),…,w_M(k)]^T，由下式求得

w(k)＝Ba(k)

其中

其中exp为e的指数函数，j为虚数单位。

6、计算每个空间采样点的波束扫描输出。第k个空间采样点对应的波束扫描输出为

其中abs为求模值的函数。

7、找出波束扫描输出G(k)的最大值，对应的空间采样点的角度即是目标角度。即假如取得最大值，由得到的目标测角结果为

Claims (1)

1.一种子阵级相控阵雷达的测角方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)对于一个M子阵的子阵级相控阵阵列，每个子阵有独立的接收通道。用于测角的多通道数据记为s，向量维数为M×1，即s＝[s₁,s₂,…,s_M]^T，其中s_m为第m子阵通道的数据，包含了目标回波、干扰和噪声，符号T表示转置；

2)计算干扰抑制矩阵B；

3)计算各个子阵的等效相位中心；

4)确定空间采样点，假定波束主瓣指向方位角为φ₀、俯仰角为θ₀；方位角测角范围为[-φ_Δ,φ_Δ]，俯仰角测角范围为[-θ_Δ,θ_Δ]；目标方位角为φ_T、俯仰角为θ_T，目标在测角范围以内，即有φ₀-φ_Δ≤φ_T≤φ₀+φ_Δ，θ₀-θ_Δ≤θ_T≤θ₀+θ_Δ，在测角范围内的空域取K个空间采样点，得到K组方位角与俯仰角组合，其中第k组角度记为(φ(k),θ(k))，即有φ₀-φ_Δ≤φ(k)≤φ₀+φ_Δ，θ₀-θ_Δ≤θ(k)≤θ₀+θ_Δ，其中k＝1,2,…,K。K个空间采样点覆盖测角范围；

5)计算每个空间采样点的子阵加权向量，从角度(φ₀,θ₀)发射的电磁波到达阵列中心的距离与到达第m子阵等效相位中心的距离的差值记为β₀，从角度(φ(k),θ(k))发射的电磁波到达阵列中心的距离与到达第m子阵等效相位中心的距离的差值记为β_m(k)，当前雷达频点为f_c，光速为c₀，则第k个空间采样点对应的M×1维的子阵加权权值向量记为w(k)＝[w₁(k),w₂(k),…,w_M(k)]^T，由下式求得：

w(k)＝Ba(k)

其中

$a\left(k\right)=\left[\begin{array}{c}\exp \{j\frac{2{\mathrm{\πf}}_c}{c_0}\[{\mathrm{\β}}_0-{\mathrm{\β}}_1\left(k\right)\]\}\\ \exp \{j\frac{2{\mathrm{\πf}}_c}{c_0}\[{\mathrm{\β}}_0-{\mathrm{\β}}_2\left(k\right)\]\}\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ \exp \{j\frac{2{\mathrm{\πf}}_c}{c_0}\[{\mathrm{\β}}_0-{\mathrm{\β}}_M\left(k\right)\]\}\end{array}\right]$

其中exp为e的指数函数，j为虚数单位；

6)计算每个空间采样点的波束扫描输出G(k)；

7)找出波束扫描输出G(k)的最大值，对应的空间采样点的角度即是目标角度，即假如取得最大值，目标的测角结果为