CN107807352A - 一种海上平台高频雷达阵列不变波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种海上平台高频雷达阵列不变波束形成方法，对于安装在船基或者浮标基等海上平台的高频雷达，通过波束形成将天线通道转化为若干线性无关的波束通道，确定其为基准的波束通道；然后在需要进行相干积累的时间段内，根据平台偏航角的变化，利用最小二乘法进行波束形成，使得在船的偏航角不断变化的过程中各波束能保持对地的不变性，进而补偿平台转动引起的目标回波幅度和相位的变化，为进行准确的方位估计提供了前提。本发明能够有效地改善平台转动对安装在船基（不行驶状态）或者浮标基等海上平台高频雷达目标方位估计的不利影响，提高雷达方位探测的准确性。

Description

一种海上平台高频雷达阵列不变波束形成方法

技术领域

本发明涉及一种海上平台高频雷达阵列不变波束形成方法，特别是安装在船基或者浮标基等海上平台的高频雷达。

背景技术

高频地波雷达利用垂直极化的高频电磁波在海面衰减小，传播距离远的特点，可以实现对海平面视线以下的飞机、舰船、导弹的探测。利用高频电磁波与海面的一阶和二阶散射机制，可以从雷达回波之中提取风场、浪场和流场信息，实现海态环境大范围、高精度和全天候的探测。将高频地波雷达部署在海上平台，如浮标、舰船等，通过自发自收以及岸发船收等方式工作，突破了海岸线复杂的地形地貌限制，一方面能够实现平台周边海域的探测，另一方面其灵活部署的特点能够为网络化探测提供更多有效的探测节点。

然而，对于浮标基/船载雷达，接收端在浮标基或船体这种会随风浪流等影响而晃动的平台(横摇、纵摇、艏摇等)上，其俯仰角、横滚角、偏航角的变化是带来方位估计模糊性的主要因素。尤其是对于浮标或者未行驶的船舶，数分钟相干积累时间内的艏摇而产生的偏航角波动较大，在十分钟内变化可高达70度，造成接收天线阵的法线方向变化较大，无法直接进行目标方位的准确测量。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明的目的是提供一种海上平台高频雷达阵列不变波束形成方法，以补偿平台晃动特别是旋转对目标方位估计的不良影响，以提高雷达系统性能。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种海上平台高频雷达阵列不变波束形成方法，对于安装在船基或者浮标基等海上平台的高频雷达，通过波束形成将天线通道转化为若干线性无关的波束通道，确定其为基准的波束通道；然后在相干积累时间内，根据实时测得的浮标的偏航角的变化，通过最小二乘法实时计算波束形成的权值，使得对应波束通道的能够实现对地的不变性，以此补偿平台转动的对目标到达角方位估计的影响，为进行准确的方位估计提供了重要前提。该方法包括以下步骤：

步骤1，在一个相干积累时间内，按照平台晃动引起的阵列法线随时间的变化情况对雷达回波数据进行分段；

步骤2，结合各段初始时刻阵列法向和阵型，形成若干基准波束，作为该相干积累周期内后续每段数据进行对地不变波束形成的基准。

步骤3，在保证各接收通道一致性的前提下即进行通道校准之后，进行对地不变波束形成，使得在每段时间内，不管阵列的指向随平台晃动如何变化，形成的波束对地的复数方向图尽量与基准波束一致。

步骤1，所述的在一个相干积累时间内，对雷达回波数据按照平台转动引起的阵列法线变化情况进行分段的方法是，使每一小段时间内其法线偏离角度不大于雷达的方位分辨力，这样可以近似认为该段时间内阵列法线不变；

步骤2所述的基准波束个数可根据实际需要来定，可使用常规波束形成CBF(Conventional Beam Formation)等方法，在360度范围内按照均匀角度间隔形成规定个数的基准波束。

步骤3所述的对地不变波束形成，结合各段时间内阵列法线变化值，通过最小二乘法改变波束通道的权值，再根据这些权值利用波束形成得到一组新的通道数据，使得对应波束通道的能够实现对地的不变性，以此补偿平台转动的对目标到达角方位估计的影响，基于这些数据采用MUSIC(Multiple Signal Identification Classification，多重信号分类法)算法得到目标的方位估计。

步骤3所述的最小二乘法得到实时波束通道权值，是通过约束各个波束的复矢量方向图与基准波束的残差平方和最小来实现的。

步骤2所述的利用CBF方法在360度范围内按照均匀角度间隔形成指定个数的基准波束，实现过程如下：

使用CBF，选择等角度间隔的N个方向为主波束方向，波束指向为θ_j的波束通道，j＝1,2,...,N；利用CBF方法合成形成N个基准波束，这里基准波束取值大小等于阵列中天线根数N；第j个基准波束的方向图可由下式计算得到；

d_0j＝w_0jA (1)

式中N为天线根数，也是基准波束个数；A∈C^N×M，为N个接收天线复方向图360度范围M点采样矩阵；M为方向图采样点数；w_0j∈C^1×N，为第j个波束形成的权值；d_0j∈C^1×M为第j个基准波束方向图的M点采样矩阵；按上式可以得到N个基准波束的方向图，记为D₀，D₀∈C^N×M，其与d_0j的关系如下式；

步骤3所述的对地不变波束形成，结合各段时间内阵列法线变化值，通过最小二乘法计算波束通道的权值，根据这些权值进行波束形成得到一组新的通道数据，使得对应波束通道的能够实现对地的不变性，其实现过程如下：

初始时间段其对应的偏航角为H₀，某一段对应的偏航角为H；以一个基准波束为例，通过对基准波束d₀循环移位，循环移位的位数为H、H₀单位为°，[·]表示取整，得到从阵列坐标角度观察的波束d，d也是使用最小二乘法进行波束形成时的参考波束方向图；循环移位使得该时间段与初始时间段的复数方向图在对地不变的坐标体系下一致；使用最小二乘法可以得到该时间段对于该基准波束权值：

w＝(AA^H)^-1Ad^H (3)

上式中，w∈C^N×1为单个波速通道的权值，A∈C^N×M为N个接收天线复方向图360度范围内M点采样矩阵，d∈C^1×M为单个通道的目标波束形状；

对其他基准波束重复该操作，得到N个基准波束在该时间段对应的权值W：

W＝(AA^H)^-1AD^H (4)

上式中，W∈C^N×N，其每一行代表一个波束的权值；D∈C^N×M,为N个基准波束循环移位之后的波束矩阵，D由D₀的每一行经过上述的循环移位得到；

然后将该时间段的天线通道数据R_m转化为波束通道数据B_m：

B_m＝WR_m (5)

上式中W∈C^N×N，为N个对地不变波束形成权值矩阵；R_m∈C^N×L,为某一小段时间内N个天线接收到的数据矩阵，长度L为该时间段内雷达数据采样点数；

上式完成了一小段时间内对地不变波束通道的转换，通过对各小时间段重复该操作，将整个相干积累周期内的数据全部转化为相对于基准波束通道数据，最后将得到的每一段波束通道数据按照时间顺序组合为B,B＝[B₁B₂B₃…]。

步骤3，基于通道数据采用MUSIC算法得到目标的方位信息，其实现过程如下：

对B做协方差，得到协方差矩阵CB

CB＝BB^H

对CB进行奇异值分解可得：

其中，N_s为根据特征值向量(λ₁,…λ_N)估计的信源的个数，则u_i(i＝1,2,…N_s)为信号子空间向量，n_i(i＝1,2…N-N_s)为噪声子空间向量，二者均为N×1的复矢量；

用MUSIC算法进行谱峰搜索的时候的公式为：

其中为噪声子空间，a(θ)∈C^1×N为目标在θ方向时N个基准波束的导向矢量，其第n列取值为D₀的第n行在θ方向的取值，D₀可由式子(2)得到。

本发明的优势在于在不增加任何硬件成本的前提下，通过阵列不变波束形成的方法，可有效地补偿平台转动对安装在船基或者浮标基等海上平台高频雷达目标方位估计的不利影响，提高雷达方位探测的准确性，算法简捷易实现，通用性强。

附图说明

图1为船艏摇运动示意图；图中Δα为船首在水平面上偏转角度。

图2为船载雷达偏航角变化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以安装在船载高频地波雷达为例，采用8元均匀圆形阵列，保证阵元为能旋转重合和中心对称，图1为船体艏摇运动示意图。本发明实施提供了一种海上平台高频雷达阵列不变波束形成方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，在一个相干积累周期内，根据平台转动引起的阵列法线变化情况对雷达回波数据进行分段，每一小段时间内其法线偏离角度不大于雷达的方位分辨力，这样可以近似认为该段时间内阵列法线不变；

步骤2，结合各段初始时刻阵列法线指向和阵型，形成若干基准波束，作为每一段数据进行对地不变波束形成的基准。

步骤3，在保证各接收通道一致性的前提下，进行对地不变波束形成，使得在每段时间内，不管阵列的指向随平台晃动如何变化，形成的波束对地的复数方向图尽量与基准波束一致。

步骤1所述的对雷达回波数据分段的方法是根据平台晃动引起的阵列法向变化来定，阵列法向变化剧烈时每段数据持续的时间更短。根据相干积累周期初始时刻船首指向建立坐标系，天线阵列中心为原点，船首指向为y轴。利用姿态传感器可实时得到偏航角的变化曲线，进而得到阵列法线的变化情况。

步骤2所述的基准波束个数可根据实际需要来定，可使用常规波束形成CBF等方法，在360度范围内等角度间隔形成指定个数的基准波束。

基准波束的个数由所需要的波束通道个数决定，一般情况取值等于阵列中总天线数。基准波束的权值，只需要满足其权值线性无关即可。一种简单的做法就是使用CBF，选择等角度间隔的N个方向为主波束方向，波束指向为θ_j(j＝1,2,...,N)的波束通道，利用CBF方法合成形成N个基准波束，第j个基准波束的方向图可由下式计算得到。

d_0j＝w_0jA

式中A∈C^N×M，为N个接收天线复方向图360度范围内M点采样矩阵；w_0j∈C^1×N，为第j个波束形成的权值；d_0j∈C^1×M为第j个基准波束方向图的M点采样矩阵。按上式可以得到N个基准波束的方向图，记为D₀，D₀∈C^N×M，其与d_0j的关系如下式。

步骤3所述的对地不变波束形成，结合各段时间内阵列法线变化值，通过最小二乘法得到各波束通道权值，再根据这些权值进行波束形成得到一组新的波束通道代替原有的N个天线通道，使得对应波束通道能够实现对地的不变性，以此补偿平台转动的对目标到达角方位估计的影响，基于这些数据采用MUSIC算法即得到目标的方位估计。

(1)分段实现天线通道向对地不变波束通道的转化

初始时间段其对应的偏航角为H₀，某一段对应的偏航角为H。以一个基准波束为例，通过对基准波束d₀循环移位，循环移位的位数为(H、H₀单位为°，[·]表示取整)，得到从阵列坐标角度观察的波束d，d也是使用最小二乘法进行波束形成时的参考波束方向图。循环移位使得该时间段与初始时间段的复数方向图在对地不变的坐标体系下一致。使用最小二乘法可以得到该时间段对于该基准波束权值。

w＝(AA^H)^-1Ad^H

上式中，w∈C^N×1为单个波速通道的权值，A∈C^N×M为N个接收天线复方向图360度范围内M点采样矩阵，d∈C^1×M为单个通道的目标波束形状。

对其他基准波束重复该操作，得到N个基准波束在该时间段对应的权值W。

W＝(AA^H)^-1AD^H

上式中，W∈C^N×N，其每一行代表一个波束的权值；D∈C^N×M,为N个基准波束循环移位之后的波束矩阵，D由D₀的每一行经过上述的循环移位得到。

然后将该时间段的天线通道数据R_m转化为波束通道数据B_m。

B_m＝WR_m

上式中W∈C^N×N，为N个对地不变波束形成权值矩阵；R_m∈C^N×L,为某一小段时间内N个天线接收到的数据矩阵，长度L为该时间段内雷达数据采样点数。

上式完成了一小段时间内对地不变波束通道的转换，通过对各小时间段重复该操作，将整个相干积累周期内的数据全部转化为相对于基准波束通道数据，最后将得到的每一段波束通道数据按照时间顺序组合为B,B＝[B₁B₂B₃…]。

(2)进行波束形成的MUSIC算法估计方位

对B做协方差，得到协方差矩阵CB

CB＝BB^H

对CB进行奇异值分解可得：

其中，N为天线根数，也是基准波束个函数；N_s为根据特征值向量(λ₁,…λ_N)估计的信源的个数；u_i(i＝1,2,…N_s)为信号子空间向量，n_i(i＝1,2…N-N_s)为噪声子空间向量，二者均为N×1的复矢量；

用MUSIC算法进行谱峰搜索的时候的公式为：

其中为噪声子空间，a(θ)∈C^1×N为目标在θ方向时N个基准波束的导向矢量，其第n列取值为D₀的第n行在θ方向的取值，D₀可由式子(2)得到。

该方法已经经过较标源进行过验证，证实了其可行性。并成功应用于海流方位估计，取得比较满意的效果。本发明之中提到的原理其实可以应用于一切在积累时间之内，平台的旋转角度无法忽略情况下，进行目标方位估计的场合，不足之处在于，需要尽可能考虑平台的电磁环境和阵元之间的耦合，使得每个阵元尽可能的能够视作在我们所关心的维度为各向同性的。

Claims (8)

1.一种海上平台高频雷达阵列不变波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在一个相干积累周期内，记录因平台晃动导致随时间变化的阵列法线方向，并根据阵列法线方向的变化对雷达回波数据分段；

步骤2，结合相干积累周期初始时刻阵列法线指向和阵型，形成多个基准波束，作为该相干积累周期内后续每一段数据进行对地不变波束形成的基准；

步骤3，在保证各接收通道一致性的前提下，利用最小二乘法进行对地不变波束形成，使得在每段时间内，不管阵列法向随平台晃动如何变化，形成的波束对地的复数方向图尽量与步骤2中的基准波束一致。

2.根据权利要求1所述的一种海上平台高频雷达阵列不变波束形成方法，其特征在于，步骤1所述的对雷达回波数据分段的方法是使每一小段时间内其法线偏离角度不大于雷达的方位分辨力。

3.根据权利要求1所述的一种海上平台高频雷达阵列不变波束形成方法，其特征在于，步骤2所述的基准波束个数根据实际需要确定，利用常规波束形成CBF方法，在360度范围内按照均匀角度间隔形成指定个数的基准波束。

4.根据权利要求1所述的一种海上平台高频雷达阵列不变波束形成方法，其特征在于，步骤3所述的对地不变波束形成，结合各段时间内阵列法线变化值，通过最小二乘法计算波束通道的权值，根据这些权值进行波束形成得到一组新的通道数据，使得对应波束通道的能够实现对地的不变性，以此补偿平台转动的对目标到达角估计的影响，基于这些通道数据采用MUSIC算法得到目标的方位信息。

5.根据权利要求4所述的一种海上平台高频雷达阵列不变波束形成方法，其特征在于，步骤3所述的最小二乘法得到实时波束通道权值，是通过约束各个波束的复矢量方向图与基准波束的残差平方和最小来实现的。

6.根据权利要求3所述的一种海上平台高频雷达阵列不变波束形成方法，其特征在于，步骤2所述的利用CBF方法在360度范围内按照均匀角度间隔形成指定个数的基准波束，实现过程如下：

使用CBF，选择等角度间隔的N个方向为主波束方向，波束指向为θ_j的波束通道，j＝1,2,...,N；利用CBF方法合成形成N个基准波束，这里基准波束取值大小等于阵列中天线根数N；第j个基准波束的方向图可由下式计算得到；

d_0j＝w_0jA (1)

式中N为天线根数，也是基准波束个数；A∈C^N×M，为N个接收天线复方向图360度范围M点采样矩阵；M为方向图采样点数；w_0j∈C^1×N，为第j个波束形成的权值；d_0j∈C^1×M为第j个基准波束方向图的M点采样矩阵；按上式可以得到N个基准波束的方向图，记为D₀，D₀∈C^N×M，其与d_0j的关系如下式；

<mrow> <msub> <mi>D</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>d</mi> <mn>01</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>d</mi> <mn>02</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mo>.</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mo>.</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mo>.</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mn>0</mn> <mi>N</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>

7.根据权利要求4所述的一种海上平台高频雷达阵列不变波束形成方法，其特征在于，步骤3所述的对地不变波束形成，结合各段时间内阵列法线变化值，通过最小二乘法计算波束通道的权值，根据这些权值进行波束形成得到一组新的通道数据，使得对应波束通道的能够实现对地的不变性，其实现过程如下：

初始时间段其对应的偏航角为H₀，某一段对应的偏航角为H；以一个基准波束为例，通过对基准波束d₀循环移位，循环移位的位数为H、H₀单位为°，[·]表示取整，得到从阵列坐标角度观察的波束d，d也是使用最小二乘法进行波束形成时的参考波束方向图；循环移位使得该时间段与初始时间段的复数方向图在对地不变的坐标体系下一致；使用最小二乘法可以得到该时间段对于该基准波束权值：

w＝(AA^H)^-1Ad^H (3)

上式中，w∈C^N×1为单个波速通道的权值，A∈C^N×M为N个接收天线复方向图360度范围内M点采样矩阵，d∈C^1×M为单个通道的目标波束形状；

对其他基准波束重复该操作，得到N个基准波束在该时间段对应的权值W：

W＝(AA^H)^-1AD^H (4)

上式中，W∈C^N×N，其每一行代表一个波束的权值；D∈C^N×M,为N个基准波束循环移位之后的波束矩阵，D由D₀的每一行经过上述的循环移位得到；

然后将该时间段的天线通道数据R_m转化为波束通道数据B_m：

B_m＝WR_m (5)

上式中W∈C^N×N，为N个对地不变波束形成权值矩阵；R_m∈C^N×L,为某一小段时间内N个天线接收到的数据矩阵，长度L为该时间段内雷达数据采样点数；

上式完成了一小段时间内对地不变波束通道的转换，通过对各小时间段重复该操作，将整个相干积累周期内的数据全部转化为相对于基准波束通道数据，最后将得到的每一段波束通道数据按照时间顺序组合为B,B＝[B₁B₂B₃…]。

8.根据权利要求7所述的一种海上平台高频雷达阵列不变波束形成方法，其特征在于，步骤3，基于通道数据采用MUSIC算法得到目标的方位信息，其实现过程如下：

对B做协方差，得到协方差矩阵CB

CB＝BB^H

对CB进行奇异值分解可得：

其中，N_s为根据特征值向量(λ₁,…λ_N)估计的信源的个数，则u_i(i＝1,2,…N_s)为信号子空间向量，n_i(i＝1,2…N-N_s)为噪声子空间向量，二者均为N×1的复矢量；

用MUSIC算法进行谱峰搜索的时候的公式为：

<mrow> <mi>P</mi> <mi>m</mi> <mi>u</mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>c</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>a</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>U</mi> <mi>n</mi> </msub> <msup> <msub> <mi>U</mi> <mi>n</mi> </msub> <mi>H</mi> </msup> <mi>a</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>H</mi> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中为噪声子空间，a(θ)∈C^1×N为目标在θ方向时N个基准波束的导向矢量，其第n列取值为D₀的第n行在θ方向的取值，D₀可由式子(2)得到。