CN109116297B - 一种被动雷达空间谱估计与合成波束的联合测向方法 - Google Patents

一种被动雷达空间谱估计与合成波束的联合测向方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种被动雷达空间谱估计与合成波束的联合测向方法，通过构建被动雷达空间谱估计与合成波束的联合测向系统，包括宽带接收天线阵（1）、接收通道（2）、信号处理单元（3）、信号提取模块、信号采集解算模块（5）、空域扫描模块（6）和空间谱估计模块（7）；信号提取模块置于接受通道内，信号采集解算模块（5）、空域扫描模块（6）和空间谱估计模块（7）置于信号处理单元（3）内；宽带接收天线阵（1）接收目标辐射源的微波信号，信号经由接收通道（2）传递给信号处理单元（3），信号处理单元（3）完成对目标辐射源的测向。本发明比单纯采用谱估计进行全空域扫描的计算量降低了40%以上，能够在1ms内实现大空域搜索功能。

Description

一种被动雷达空间谱估计与合成波束的联合测向方法
技术领域
本发明涉及一种联合测向方法，特别是一种被动雷达空间谱估计与合成波束的联合测向方法。
背景技术
目前典型的微波被动导引头常用测向方法有比幅法测向、干涉仪测向、空间谱估计。上述测向方法均基于对电场分布的测量，从而计算出电波到达方向。其中比幅法测向是基于对目标幅度的测量，干涉仪测向是基于对目标相位差的测量，而空间谱估计是基于对目标信号电磁特征的多次测量。空间谱估计是利用天线阵列实现超分辨测向的一种测向体制，但其计算量大，在进行目标大空域搜索时，难以满足测向实时性的要求。
发明内容
本发明目的在于提供一种被动雷达空间谱估计与合成波束的联合测向方法，解决微波被动导引头大空域搜索的实时性问题。
一种被动雷达空间谱估计与合成波束的联合测向方法的具体步骤为：
第一步构建被动雷达空间谱估计与合成波束的联合测向系统
被动雷达空间谱估计与合成波束的联合测向系统，包括：宽带接收天线阵、接收通道、信号处理单元、信号提取模块、信号采集解算模块、空域扫描模块和空间谱估计模块；所述信号提取模块置于接受通道内，所述信号采集解算模块、空域扫描模块和空间谱估计模块置于信号处理单元内。
所述宽带接收天线阵包含N个天线单元，以宽带接收天线阵中心为坐标原点建立坐标系，以第i个天线为例，则第i个天线坐标表示为(xi，yi，zi)；宽带接收天线阵与接收通道用微波电缆连接；接收通道的两个输出端口与信号处理单元的射频电缆和控制电缆连接；信号处理单元的通信接口与弹上惯导设备连接。
信号提取模块的功能为：提取宽带接收天线阵接收信号的幅度和相位；
信号采集解算模块的功能为：采集并解算接收通道的幅度和相位；
空域扫描模块的功能为：进行数字波束合成并进行空域扫描；
空间谱估计模块的功能为：进行空间谱估计计算，获取信号的入射方向。
第二步信号提取模块提取宽带接收天线阵的幅度和相位
信号提取模块根据宽带接收天线阵接收目标辐射源辐射的微波信号，经由接收通道下变频，频率为ω，由此得到宽带接收天线阵接收到的信号频率f0及各天线的幅度和相位。
第三步信号采集解算模块采集并解算接收通道的幅度和相位
信号处理单元采集接收通道输出的模拟信号，并根据计算得到通道的幅度和相位信息。第i个通道的幅度为Ei，相位为φi。
第四步空域扫描模块进行数字波束合成并进行空域扫描
空域扫描模块进行数字波束合成和空域扫描处理，设来波方位角为α，来波俯仰角为β，则第i个通道与宽带接收天线阵中心的相位差为：
ψi＝2πf0(xi sinβ+yi sinαcosβ+zi cosαcosβ)/c。
式中：c为光速。
又根据预先的通道功率补偿值，第i个通道预先的通道功率补偿值表示为Ei'，得到一组向量如下：
A＝[E1'ψ1,E2'ψ2,…,Ei'ψi,…,EN'ψN]T。
根据得到的通道的幅度和相位信息，得到一组向量如下：
B＝[E1φ1,E2φ2,…,Eiφi,…,ENφN]T。
分别改变α、β的取值，使α、β的取值在全视场范围内以一定步长扫描，计算空域扫描值：
C＝ABT
选取C值最大点对应的α、β的取值，记为αm、βm。
第五步空间谱估计模块进行空间谱估计计算并获取信号的入射方向
空间谱估计模块根据得到的通道的幅度和相位信息，得到数据矩阵X如下，其中N为通道数，M为数据点数，
Figure GDA0001635343490000031
由X得到数据协方差矩阵R，
R＝XXH；
对R进行特征值分解得到R的噪声子空间导向矢量Un；
用A与Un采用MUSIC算法对方位角αm、俯仰角βm附近空域进行搜索，搜索范围按实际情况确定，公式为：
Figure GDA0001635343490000032
式中：P为谱峰值。
找出极大值点对应的角度即信号的入射方向，完成测向。
至此，完成了被动雷达空间谱估计与合成波束联合测向。
本发明采用合成波束进行空域粗扫，空间谱估计在粗扫的结果上进行精扫，比单纯采用谱估计进行全空域扫描的计算量降低了40％以上，能够在1ms内实现大空域搜索功能。
附图说明
图1一种被动雷达空间谱估计与合成波束联合测向方法所述系统组成示意图；
图2一种被动雷达空间谱估计与合成波束联合测向方法所述宽带接收天线阵示意图。
1.宽带接收天线阵 2.接收通道 3.信号处理单元 4.信号提取模块 5.信号采集解算模块 6.空域扫描模块 7.空间谱估计模块
具体实施方式
一种被动雷达空间谱估计与合成波束的联合测向方法的具体步骤为：
第一步构建被动雷达空间谱估计与合成波束的联合测向系统
被动雷达空间谱估计与合成波束的联合测向系统，包括：宽带接收天线阵1、接收通道2、信号处理单元3、信号提取模块、信号采集解算模块5、空域扫描模块6和空间谱估计模块7；所述信号提取模块置于接受通道内，所述信号采集解算模块5、空域扫描模块6和空间谱估计模块7置于信号处理单元3内。
所述宽带接收天线阵1包含N个天线单元，以宽带接收天线阵1中心为坐标原点建立坐标系，以第i个天线为例，则第i个天线坐标表示为xi，yi，zi；宽带接收天线阵1与接收通道2用微波电缆连接；接收通道2的两个输出端口与信号处理单元3的射频电缆和控制电缆连接；信号处理单元3的通信接口与弹上惯导设备连接。
信号提取模块的功能为：提取宽带接收天线阵1接收信号的幅度和相位；
信号采集解算模块5的功能为：采集并解算接收通道2的幅度和相位；
空域扫描模块6的功能为：进行数字波束合成并进行空域扫描；
空间谱估计模块7的功能为：进行空间谱估计计算，获取信号的入射方向。
第二步信号提取模块4提取宽带接收天线阵1的幅度和相位
信号提取模块根据宽带接收天线阵1接收目标辐射源辐射的微波信号，经由接收通道2下变频，频率为ω，由此得到宽带接收天线阵1接收到的信号频率f0及各天线的幅度和相位。
第三步信号采集解算模块5采集并解算接收通道2的幅度和相位
信号处理单元3采集接收通道2输出的模拟信号，并根据计算得到通道的幅度和相位信息。第i个通道的幅度为Ei，相位为φi。
第四步空域扫描模块6进行数字波束合成并进行空域扫描
空域扫描模块6进行数字波束合成和空域扫描处理，设来波方位角为α，来波俯仰角为β，则第i个通道与宽带接收天线阵1中心的相位差为：
ψi＝2πf0(xi sinβ+yi sinαcosβ+zi cosαcosβ)/c。
式中：c为光速。
又根据预先的通道功率补偿值，第i个通道预先的通道功率补偿值表示为Ei'，得到一组向量如下：
A＝[E1'ψ1,E2'ψ2,…,Ei'ψi,…,EN'ψN]T。
根据得到的通道的幅度和相位信息，得到一组向量如下：
B＝[E1φ1,E2φ2,…,Eiφi,…,ENφN]T。
分别改变α、β的取值，使α、β的取值在全视场范围内以一定步长扫描，计算空域扫描值：
C＝ABT
选取C值最大点对应的α、β的取值，记为αm、βm。
第五步空间谱估计模块7进行空间谱估计计算并获取信号的入射方向
空间谱估计模块7根据得到的通道的幅度和相位信息，得到数据矩阵X如下，其中N为通道数，M为数据点数，
Figure GDA0001635343490000051
由X得到数据协方差矩阵R，
R＝XXH；
对R进行特征值分解得到R的噪声子空间导向矢量Un；
用A与Un采用MUSIC算法对方位角αm、俯仰角βm附近空域进行搜索，搜索范围按实际情况确定，公式为：
Figure GDA0001635343490000052
式中：P为谱峰值。
找出极大值点对应的角度即信号的入射方向，完成测向。
至此，完成了被动雷达空间谱估计与合成波束联合测向。

Claims (3)

1.一种被动雷达空间谱估计与合成波束的联合测向方法，其特征在于具体步骤为：
第一步 构建被动雷达空间谱估计与合成波束的联合测向系统
被动雷达空间谱估计与合成波束的联合测向系统，包括：宽带接收天线阵(1)、接收通道(2)、信号处理单元(3)、信号提取模块、信号采集解算模块(5)、空域扫描模块(6)和空间谱估计模块(7)；所述信号提取模块置于接受通道内，所述信号采集解算模块(5)、空域扫描模块(6)和空间谱估计模块(7)置于信号处理单元(3)内；
所述宽带接收天线阵(1)包含N个天线单元，以宽带接收天线阵(1)中心为坐标原点建立坐标系，以第i个天线为例，则第i个天线坐标表示为(xi，yi，zi)；宽带接收天线阵(1)与接收通道(2)用微波电缆连接；接收通道(2)的两个输出端口与信号处理单元(3)的射频电缆和控制电缆连接；信号处理单元(3)的通信接口与弹上惯导设备连接；
信号提取模块的功能为：提取宽带接收天线阵(1)接收信号的幅度和相位；
信号采集解算模块(5)的功能为：采集并解算接收通道(2)的幅度和相位；
空域扫描模块(6)的功能为：进行数字波束合成并进行空域扫描；
空间谱估计模块(7)的功能为：进行空间谱估计计算，获取信号的入射方向；
第二步 信号提取模块(4)提取宽带接收天线阵(1)的幅度和相位
信号提取模块根据宽带接收天线阵(1)接收目标辐射源辐射的微波信号，经由接收通道(2)下变频，频率为ω，由此得到宽带接收天线阵(1)接收到的信号频率f0及各天线的幅度和相位；
第三步 信号采集解算模块(5)采集并解算接收通道(2)的幅度和相位
信号处理单元(3)采集接收通道(2)输出的模拟信号，并根据计算得到通道的幅度和相位信息；第i个通道的幅度为Ei，相位为φi；
第四步 空域扫描模块(6)进行数字波束合成并进行空域扫描
空域扫描模块(6)进行数字波束合成和空域扫描处理，设来波方位角为α，来波俯仰角为β，根据预先的通道功率补偿值以及通道的幅度和相位信息，得到两组向量A和B，分别改变α、β的取值，使α、β的取值在全视场范围内以一定步长扫描，计算空域扫描值：
C＝ABT
选取C值最大点对应的α、β的取值，记为αm、βm；
第五步 空间谱估计模块(7)进行空间谱估计计算并获取信号的入射方向
根据得到的通道的幅度和相位信息，得到数据矩阵X，由X得到数据协方差矩阵R，
R＝XXH；
对R进行特征值分解得到R的噪声子空间导向矢量Un；
用A与Un采用MUSIC算法对方位角αm、俯仰角βm附近空域进行搜索，搜索范围按实际情况确定，公式为：
Figure FDA0001635343480000021
式中：P为谱峰值；
找出极大值点对应的角度即信号的入射方向，完成测向；
至此，完成了被动雷达空间谱估计与合成波束联合测向。
2.如权利要求1所述的被动雷达空间谱估计与合成波束的联合测向方法，其特征在于：所述空域扫描模块(6)进行数字波束合成和空域扫描处理的具体过程为：
首先获取第i个通道与宽带接收天线阵中心的相位差ψi为：
ψi＝2πf0(xisinβ+yisinαcosβ+zicosαcosβ)/c；
式中：c为光速；
又根据预先的通道功率补偿值，第i个通道预先的通道功率补偿值表示为Ei'，得到一组向量为：
A＝[E1'ψ1,E2'ψ2,…,Ei'ψi,…,EN'ψN]T；
根据得到的通道的幅度和相位信息，得到一组向量为：
B＝[E1φ1,E2φ2,…,Eiφi,…,ENφN]T；
分别改变α、β的取值，使α、β的取值在全视场范围内以一定步长扫描，计算空域扫描值为：
C＝ABT
选取C值最大点对应的α、β的取值，记为αm、βm。
3.如权利要求1或2所述的被动雷达空间谱估计与合成波束的联合测向方法，其特征在于：所述空间谱估计模块(7)进行空间谱估计计算并获取信号的入射方向时，数据矩阵X为：
Figure FDA0001635343480000031
其中N为通道数，M为数据点数。
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