CN109633525A - 一种快速的均匀圆阵空间谱测向实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种快速的均匀圆阵空间谱测向实现方法中，反辐射雷达天线均匀圆阵接收目标辐射源的电磁信息，获取目标回波IQ数据；对均匀圆阵接收到的数据进行协方差矩阵估计，获取估计值；对协方差矩阵估计值进行特征值分解，获得特征值和特征向量；依据特征值进行信号源个数估计，得到目标辐射源个数；利用特征值有效构建信号子空间与噪声子空间；结合预装信息，选取有效的目标搜索范围，优化搜索策略，同时采用查表的方法获取天线阵列从极坐标系到直角坐标系的坐标转换矩阵，进行空间谱估计运算，获取多目标辐射源入射角度信息。本发明大大减少导向矢量以及空间谱估计的运算量，能够实现对目标的快速准确高精度测向和稳定跟踪。

Description

一种快速的均匀圆阵空间谱测向实现方法

技术领域

本发明涉及反辐射导弹制导领域，尤其涉及雷达导引头阵列接收测向技术。

背景技术

反辐射雷达通过探测反导雷达辐射的电磁波，获取雷达的位置信息，从而指引导弹系统攻击并摧毁对方反导雷达，在一定程度上，可以压制或攻破敌方的空中防御能力，在现代战场中拥有重要的地位。反辐射雷达常采用基于相位干涉仪的测向方法，具有实现简单、实时性高、技术成熟等优点，但其测向精度和角度分辨率均受到天线阵尺寸以及结构布局的限制，且存在角度模糊的问题。现代战场电磁环境日趋复杂，对反辐射雷达的性能提出了越来越高的要求，传统的测向方法难以适应以及满足系统对测向性能的需求。

MUSIC算法是最为经典的空间谱估计超分辨测向算法，开创了子空间类阵列信号处理算法研究的先河，是阵列信号处理算法研究中的一个大的突破，可有效的应用于反辐射雷达系统中，利用空间天线阵列构成的处理系统来完成对目标信号参数的准确估计，大大改善在系统处理带宽内空间信号的角度估计精度、角度分辨力及其他相关参数精度，从而提高系统的测向性能。但常规的MUSIC算法需要进行矩阵分解和多维搜索，运算量极大，对系统硬件配置要求较高，且难以满足反辐射雷达系统实时性的需求。

《极化敏感阵下非信号DOA与极化参数联合估计方法》(专利申请号CN201410614481.5，申请日2014.11.04，申请人：中国航天科工集团第三研究院第八三五七研究所)，介绍了一种极化敏感阵列下非圆信号DOA与极化参数联合估计方法，利用信号的非圆特性将混合入射信号中的圆信号与非圆信号分开依次进行估计，减少两类信号的互相干扰，提升了估计性能。该专利将谱估计的四维搜索降为二维搜索，在一定程度上降低了运算量，但对于反辐射雷达实时性的要求还有一定的差距。

《一种基于支持向量机的单比特空间谱估计方法》(专利申请号CN201611109930.6，申请日2017.03.22，申请人：哈尔滨工业大学)，解决了在单比特极端量化和超大规模天线阵情形，克服了传统空间谱估计不仅计算量大，而且精度很差的问题。该专利能够简化接收机构以及提高空间谱估计的精度，但是需要根据单比特接收数据，构造样本训练模型，并计算分类系数向量，增加了运算的复杂度，难以满足快速高分辨测向的要求。

《基于快速实时空间谱估计超分辨测向装置的测向方法》(专利申请号CN200810137464.1，申请日2008.11.06，申请人：哈尔滨工程大学)，提供了一种基于快速实时空间谱估计超分辨测向装置的测向方法，主要由一组DSP构成的主从DSP并行信号处理模块、由FPGA构成的逻辑控制模块和通信接口模块三部分组成。该专利能够同时对多个辐射源进行快速精确测向，主要介绍测向装置的实现，并没有具体说明测向流程和角度估计方法。

常用的成熟测向方法为干涉仪测向，论文《均匀圆阵干涉仪测向算法》(作者：赵明峰等，期刊：舰船电子对抗，发表日期2015年8月)提出了一种均匀圆阵干涉仪测向方法，通过仿真验证，实现宽频带范围内正确解模糊，具有较高的测向精度，但其解模糊成功率依赖于大量的基线，运算量大，且存在一定的模糊概率。

论文《基于均匀圆阵的求根MUSIC算法测向研究》(作者：朱丽华等，期刊：无线互联科技，发表日期2014年2月)介绍了一种基于均匀圆型阵列的求根MUSIC算法，其利用模式空间激励技术，将均匀圆阵的阵列流行变换成虚拟线阵的阵列流行，算法运算量相比传统MUSIC算法小，但其需满足阵元数远大于目标源个数条件才能实现阵列流行变换，测向精度上并未有明显提升。《圆阵二维MUSIC谱快速计算方法研究》(作者：杜政东，期刊：信号处理，发表日期2015年7月)对各种算法快速计算二维MUSIC谱的实现进行对比，各有利弊，极少能很好地满足工程应用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速的均匀圆阵空间谱测向实现方法，可解决现有方法中运算量大、实时性较差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种快速的均匀圆阵空间谱测向实现方法，包括如下步骤：

S1、建立M元均匀圆阵测向空间直角坐标系模型，反辐射雷达天线采用均匀圆阵，阵元数为M，M≥5，接收m个目标辐射源的电磁信息，m<M；

S2、建立直角坐标系到极坐标系下的角度坐标转换矩阵，并将二维转换矩阵存放到FLASH中；

S3、对均匀圆阵接收到的IQ数据进行协方差矩阵估计，获取估计值

S4、对进行特征值分解，获得特征值λ_i和特征向量v_i，i＝1,2,…,M；

S5、由的特征值进行信号源个数估计，得到目标辐射源个数D；

S6、根据S4中所求特征值的绝对值大小，将特征值按照从大到小排列，并将特征向量矩阵分为信号子空间与噪声子空间，选取绝对值较大的D个特征值所对应的特征向量构成信号子空间，其余(M-D)个特征值所对应的特征向量构成噪声子空间；

S7、利用电子侦察设备的预置信息，选取有效的目标搜索范围，然后通过查表读FLASH的方法获取天线阵列从极坐标系到直角坐标系的坐标转换矩阵，构建信号导向矢量；

S8、按照MUSIC算法的谱估计公式计算空间谱，进行谱峰搜索，它的极大值所对应的角度就是信号的入射方向。

可选地，在所述步骤S7中，需要根据电子侦察设备的预置信息的精确度，在一定的范围内选取合适的目标搜索范围。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

传统的相位干涉仪测向算法测向精度不高且角度分辨差，存在角度模糊的问题，需要进行大量的解模糊处理；基于阵列信号的空间谱估计的测向算法精度高但运算量大，对硬件的要求较高，在经典的MUSIC空间谱测向算法中，需要在极坐标域进行全空域范围的二维谱峰搜索，并且需要考虑边界条件下的谱峰极值情况，这种算法虽然有很好的测向性能，但运算量太大，难以满足反辐射雷达系统快速实时截获和跟踪目标的要求。本发明提出的一种快速的均匀圆阵空间谱测向实现方法，在充分运用目标角度预装信息的基础上，对搜索策略进行优化，在有效的空域范围进行高精度搜索。并且利用查表的方法，线性获取目标搜索范围内的坐标转换矩阵，大大较少导向矢量以及空间谱估计的运算量，能够实现对目标的快速高精度测向和稳定跟踪，可有效适用于工程应用中。

附图说明

下面结合附图对发明作进一步说明：

图1是本发明中M个均匀圆阵分布图；

图2是本发明中M个均匀圆阵结构模型图；

图3是本发明中测向空间直角坐标系示意图；

图4是本发明中基于快速的均匀圆阵空间谱测向实现方法的流程图；

图5a、图5b是本发明实施案例中单目标的二维谱估计性能仿真图，分别对应偏航、俯仰二维角度搜索；

图6a为本发明实施案例中采用基于均匀空间搜索的M元圆阵MUSIC算法进行目标搜索，获取的空间谱图；

图6b为本发明实施案例中空间谱图在偏航、俯仰平面上的投影。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

本发明提供的一种快速的均匀圆阵空间谱测向实现方法，包括如下步骤：

A1、反辐射雷达天线为圆阵，阵元数为M(M≥5)，接收m个目标辐射源的电磁信息，m<M，每个阵元均无方向性，均匀分布在一个半径为R的圆周上，在具体实施方式中，M个均匀圆阵分布图见图1。

A2、建立空间直角坐标系，坐标系的原点位于阵列中心即圆心，圆周位于XOY坐标平面，阵列第i个阵元与X轴的夹角为φ_i。方位角θ为目标辐射源在XOY平面内的投影连线与X轴正向的夹角，在具体实施方式中，M个均匀圆阵结构模型见图2，测向空间直角坐标系示意图见图3。

图2中M个相同的无方向性天线阵元均匀分布在x-y坐标系中一个半径为R的圆周上，坐标系的原点位于阵列中心即圆心，阵列第m个阵元与x轴的夹角为φ_m。

图3中Y轴代表水平向右，Z轴代表水平向上，即天线视轴方向，X轴、Y轴和Z轴满足右手螺旋准则，XOY平面构成天线所在平面。射线代表空间辐射信号，将投影到XOZ平面，其投影与Z轴的夹角定义为航向角，记为ξ；将投影到YOZ平面，其投影与Z轴的夹角定义为俯仰角，记为β。信号来波方向与XOY平面的夹角定义为仰角方位角θ为信源在XOY平面内的投影连线与X轴正向的夹角。

A3、建立直角坐标系到极坐标系的坐标转换矩阵表，并写入FLASH中，其中存放角度的精度可根据实际要求选取，在本发明实施例中选取间隔0.1°。

A4、对均匀圆阵接收到的数据进行协方差矩阵估计，设阵列输出信号向量为X(n)＝[x₁(n),x₂(n),…,x_M(n)]^T，一次估计所用的采样快拍数为N，则共有N个数据向量X(n)，n＝1,2,…,N，于是协方差矩阵估计值可表示为：

A5、对进行特征值分解，获得特征值λ_i和特征向量v_i(i＝1,2,…,M)。

A6、由的特征值进行信号源个数估计，得到目标辐射源个数D。

A7、根据A5中所求特征值的绝对值大小，将特征值按照从大到小排列，并将特征向量矩阵分为信号子空间与噪声子空间，选取绝对值较大的信源数(D)个特征值所对应的D个特征向量构成信号子空间，其余(M-D)个特征值所对应的特征向量构成噪声子空间。

A8、根据电子侦察设备的预置信息或者上位机提供的预装信息，选取有效的目标搜索范围，根据反辐射雷达系统性能要求选取二维空间角度搜索间隔。

A9、根据选取的目标搜素范围和角度间隔，读取FLASH中对应的坐标转换矩阵，构建信号的导向矢量，大大提高实时测向的运算效率。

A10、按照MUSIC谱估计公式计算空间谱，进行谱峰搜索，它的D个极大值所对应的角度就是D个信号的入射方向。

图5a、图5b是本发明实施案例中单目标的二维谱估计性能仿真图，假设目标信号为单频脉冲信号，选取目标频率波段，设置合适信噪比以及快拍数，俯仰角度保持为3°不变。目标方位向从﹣30°到30°运动，在进行谱峰搜索时，以0.1°的步进对目标进行偏航、俯仰二维角度搜索。

图6a、图6b是本发明实施案例中非相干双目标测向仿真图，假设空间两个独立并且方向接近的辐射源DOA分别为(40°，45°)和(40°，48°)，选取目标频率波段，设置合适信噪比以及快拍数，图6a为采用基于均匀空间搜索的M元圆阵MUSIC算法进行目标搜索，获取的空间谱图。图6b为空间谱图在偏航、俯仰平面上的投影。

综上所述，本发明的一种快速的均匀圆阵空间谱测向实现方法中，反辐射雷达天线均匀圆阵接收目标辐射源的电磁信息，获得接收数据；对均匀圆阵接收到的数据进行协方差矩阵估计，获取估计值；对协方差矩阵估计值进行特征值分解，获得特征值和特征向量；依据特征值进行信号源个数估计，得到目标辐射源个数；利用特征值有效构建信号子空间与噪声子空间；结合预装信息，选取有效的目标搜索范围，优化搜索策略，同时采用查表的方法获取天线阵列从极坐标系到直角坐标系的坐标转换矩阵，进行空间谱估计运算，获取多目标辐射源入射角度信息，实现快速准确高精度测向。在经典的MUSIC空间谱测向算法中，需要在极坐标域进行全空域范围的二维谱峰搜索，并且需要考虑边界条件下的谱峰极值情况，这种算法虽然有很好的测向性能，但运算量太大，难以满足反辐射雷达系统快速实时截获和跟踪目标的要求。本发明利用预装信息，对搜索策略进行优化，在有效的空域范围进行高精度搜索。并且利用查表的方法，线性获取目标搜索范围内的坐标转换矩阵，大大较少导向矢量以及空间谱估计的运算量，能够实现对目标的快速高精度测向和稳定跟踪。可较好的应用于反辐射雷达系统工程应用中，提升制导精度。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种快速的均匀圆阵空间谱测向实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立M元均匀圆阵测向空间直角坐标系模型，反辐射雷达天线采用均匀圆阵，阵元数为M，M≥5，接收m个目标辐射源的电磁信息，m<M；

S2、建立直角坐标系到极坐标系下的角度坐标转换矩阵，并将二维转换矩阵存放到FLASH中；

S3、对均匀圆阵接收到的IQ数据进行协方差矩阵估计，获取估计值

S4、对进行特征值分解，获得特征值λ_i和特征向量v_i，i＝1,2,…,M；

S5、由的特征值进行信号源个数估计，得到目标辐射源个数D；

S6、根据S4中所求特征值的绝对值大小，将特征值按照从大到小排列，并将特征向量矩阵分为信号子空间与噪声子空间，选取绝对值较大的D个特征值所对应的特征向量构成信号子空间，其余(M-D)个特征值所对应的特征向量构成噪声子空间；

S7、利用电子侦察设备的预置信息，选取有效的目标搜索范围，然后通过查表读FLASH的方法获取天线阵列从极坐标系到直角坐标系的坐标转换矩阵，构建信号导向矢量。

S8、按照MUSIC算法的谱估计公式计算空间谱，进行谱峰搜索，它的极大值所对应的角度就是信号的入射方向。

2.如权利要求1所述的一种快速的均匀圆阵空间谱测向实现方法，其特征在于，所述步骤S7中，目标搜索范围与电子侦察设备的预置信息的精确度相匹配。

3.如权利要求1所述的一种快速的均匀圆阵空间谱测向实现方法，其特征在于，空间直角坐标系中，坐标系的原点位于阵列中心即圆心，圆周位于XOY坐标平面，阵列第i个阵元与X轴的夹角为φ_i；方位角θ为目标辐射源在XOY平面内的投影连线与X轴正向的夹角。