CN109765551A - 雷达测角方法、装置、设备、计算机设备和存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种雷达测角方法、装置、设备、计算机设备和存储介质。所述方法包括：接收稀疏阵列天线的采样信号，并对所述采样信号进行预处理，得到所述采样信号中的相位，其中，所述稀疏阵列天线包括发射天线和接收天线，所述接收天线为多条，每条接收天线并列间隔设置；对所述相位进行互相关运算，得到所述相位序列；采用快速算法对所述相位序列进行处理，得到目标的位置信息。采用本方法能够对目标角度进行测量，具有普遍适用性、雷达阵列天线数量少、计算方法简单且成本低。

Description

雷达测角方法、装置、设备、计算机设备和存储介质

技术领域

本申请涉及雷达技术领域，特别是涉及一种雷达测角方法、装置、设备、计算机设备和存储介质。

背景技术

随着雷达技术的发展，出现了米波阵列雷达测角技术，得到目标的准确角度。

现有技术中，通过天线阵列接收雷达的脉冲回波信号，以任意一个脉冲作为参考脉冲，对其他所有脉冲的搜索权适量进行补充，并构建代价函数，通过对代价函数进行波束扫描，得到目标的偏轴角，将偏轴角与参考脉冲的基准角相加，最终得到目标的角度。此外，还利用相邻多帧雷达回波数据中目标信息的相关性，通过多帧数据中目标信息的融合，得到目标的角度。

然而，目前的方法，存在方法复杂、成本高等问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种雷达测角方法、装置、设备、计算机设备和存储介质。

一种雷达测角方法，所述方法包括：

接收稀疏阵列天线的采样信号，并对所述采样信号进行预处理，得到所述采样信号中的相位，其中，所述稀疏阵列天线包括发射天线和接收天线，所述稀疏阵列天线包括发射天线和接收天线，所述接收天线为多条，每条接收天线并列间隔设置；

对所述相位进行互相关运算，得到所述相位序列；

采用快速算法对所述相位序列进行处理，得到目标的位置信息。

在其中一个实施例中，所述接收稀疏阵列天线的采样信号，并对所述采样信号进行预处理，得到所述采样信号中的相位包括：

采用所述稀疏阵列天线对预设范围内的回波进行采样，得到采样信号，其中，所述采样信号至少包括相位信息；

将所述采样信号转换，得到所述采样信号对应的数字信号；

对所述数字信号进行雷达信号处理，获取所述相位信息中的相位。

在其中一个实施例中，所述对所述数字信号进行雷达信号处理，获取采样信号中的相位包括：

对所述数字信号进行快速傅里叶运算，得到运算后数字信号；

选取运算后数字信号中对应所述每条接收天线预设幅度范围内的幅度对应的相位。

在其中一个实施例中，所述对所述相位进行互相关运算，得到所述相位序列包括：

对所述相位信息进行两两互相关运算，得到所述相位序列。

在其中一个实施例中，所述采用快速算法对所述相位序列进行处理，得到所述目标的位置信息包括：

将所述相位序列按照相位递增的方式进行数据重排，得到排列后的相位序列；

根据所述排列后的相位序列，得到所述目标的位置信息。

在其中一个实施例中，所述根据排列后的相位序列，得到目标的位置信息包括：

对所述排列后的相位序列进行快速傅里叶运算，得到角频率序列；

选取所述角频率序列中数值最大的角频率，得到所述目标角频率；

对所述目标角频率进行函数转换，得到所述目标的方位角。

一种雷达测角装置，所述装置包括：

相位获取模块，用于接收稀疏阵列天线的采样信号，并对所述采样信号进行预处理，得到所述采样信号中的相位，其中，所述稀疏阵列天线包括发射天线和接收天线，所述接收天线为多条，每条接收天线并列间隔设置；

相位序列获取模块，用于对所述相位进行互相关运算，得到所述相位序列；

目标位置信息获取模块，用于采用快速算法对所述相位序列进行处理，得到目标的位置信息。

一种雷达测角设备，所述设备包括雷达测角装置。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上任一项所述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的方法的步骤。

上述雷达测角方法、装置、设备、计算机设备和存储介质，通过接收稀疏阵列天线的采样信号，并对所述采样信号进行预处理，得到所述采样信号中的相位，其中，所述稀疏阵列天线包括发射天线和接收天线，所述接收天线为多条，每条接收天线并列间隔设置；进一步，对所述相位进行互相关运算，得到所述相位序列；从而采用快速算法对所述相位序列进行处理，得到目标的位置信息。上述方法对目标角度进行测量，具有普遍适用性、雷达阵列天线数量少、计算方法简单且成本低。

附图说明

图1为一个实施例中一种雷达测角方法的应用环境图；

图2为一个实施例中一种雷达测角方法的流程示意图；

图3为一个实施例中稀疏阵列天线排布图；

图4为一个实施例中步骤S1的流程示意图；

图5为另一个实施例中阵列天线和目标呈现如下的几何关系示意图；

图6为另一个实施例中阵列天线排列编号示意图；

图7为另一个实施例中步骤S3的流程示意图；

图8为另一个实施例中步骤S32的流程示意图；

图9为另一个实施例中测角误差分布示意图；

图10为另一个实施例中相位外校正场景示意图；

图11为一个实施例中一种雷达测角装置的结构框图；

图12为一个实施例中计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请提供的雷达测角以应用于如图1所示的应用环境中。其中，稀疏阵列天线102通过网络与服务器104进行通信。服务器104接收稀疏阵列天线的采样信号，并对所述采样信号进行预处理，得到所述采样信号中的相位，其中，所述稀疏阵列天线包括发射天线和接收天线，所述接收天线为多条，每条接收天线并列间隔设置；进一步，对所述相位进行互相关运算，得到所述相位序列；从而采用快速算法对所述相位序列进行处理，得到目标的位置信息。其中，稀疏阵列天线102可以但不限于采用环形、线形或圆形等形式排列的阵列，服务器104可以用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种雷达测角方法，以该方法应用于图1中的服务器为例进行说明，包括以下步骤：

步骤S1：接收稀疏阵列天线的采样信号，并对所述采样信号进行预处理，得到所述采样信号中的相位，其中，所述稀疏阵列天线包括发射天线和接收天线，所述接收天线为多条，每条接收天线并列间隔设置。

具体地，稀疏阵列天线是将传统满阵部署阵列存在的冗余天线单元进行去除，且以一定方式排布的阵列。其中，对于稀疏阵列天线的排布方式不限于环形、线形或圆形等形式排列的阵列。此外，稀疏阵列天线的接收天线的条数以及发射天线的条数不作具体限定。但是，稀疏阵列天线的排布方式要确保满足工程和算法简单性，且具备测角算法基本的核心项。通过本申请所述稀疏阵列天线进行测角，其成本仅为传统满阵部署阵列的10％，大大降低了成本，且效果也由于传统满阵部署阵列测角的方法。

对所述采样信号预处理指将采集的采用信号进行信号转换或提取等处理。

如图3所示，揭示了本申请文件采用的一个稀疏阵列。稀疏阵列的整个方位由37+1根波导天线布置而成，发射天线为1根，接收天线为37根，发射天线位于接收天线侧上方。接收天线之间采用最小单位间隔10.5mm，每根波导天线采用标准的BJ180波导，法兰盘采用非标准设计以满足10.5mm间隔的需求。所有波导天线稀疏布置后，整个方位面有效尺寸为3.5m。

步骤S2：对所述相位进行互相关运算，得到所述相位序列。

具体地，互相关指对两个函数分别作复数共轭和反向平移并使其相乘的无穷积分，或者说：第一个函数依次作复共轭和平移后与第二个函数相乘的无穷积分。互相关运算的结果反映了两个信号之间相似性的量度。

步骤S3：采用快速算法对所述相位序列进行处理，得到目标的位置信息。

具体地，快速算法广泛应用于数字信号处理，包括卷积和离散富里叶变换的各种经典和现代的快速算法，Winograd富里叶变换算法，多项式变换及其应用，离散余弦变换和w变换的快速算法，有关Toeplitz矩阵及Toeplitz系统的快速算法，格与树搜索的快速算法等。本申请主要采用傅里叶变换算法对信号进行处理。

上述雷达测角方法，通过接收稀疏阵列天线的采样信号，并对所述采样信号进行预处理，得到所述采样信号中的相位，其中，所述稀疏阵列天线包括发射天线和接收天线，所述接收天线为多条，每条接收天线采用固定间距平行排列；进一步，对所述相位进行互相关运算，得到所述相位序列；从而采用快速算法对所述相位序列进行处理，得到所述目标的位置信息。上述方法对目标角度进行测量，具有普遍适用性、雷达阵列天线数量少、计算方法简单且成本低。

在一个实施例中，如图4所示，所述步骤S1包括：

步骤S11：采用所述稀疏阵列天线对预设范围内的回波进行采样，得到采样信号，其中，所述采样信号至少包括相位信息。

具体地，预设范围指稀疏阵列天线采集回波信号的范围，其中，范围可为扇形、矩形或者不规则形状，本申请对空间-45°--45方位范围进行回波信号的采集。

相位信息指稀疏阵列天线中每个波导天线实时获取的相位信号。幅度信息指稀疏阵列天线中每个波导天线实时获取的幅度信号。其中，相位信号与幅度信号为对应关系。

步骤S12：将所述采样信号转换，得到所述采样信号对应的数字信号。

具体地，采样得到的信号在稀疏阵列完成电磁波到RF射频信号的转换；转换得到的RF信号进入阵列射频接收单元，完成RF到IF(中频)的转换；转换得到的IF信号进入阵列数字接收单元，完成IF到基带数字信号的转换。

阵列天线和目标呈现如下的几何关系如图5所示，夹角为θ，距离R。把目标设定为信号源。在R处，目标的真实方位为θ。

对天线进行编号，分两种情况：如果天线个数是奇数个，那么法线落在最中间那个天线，如果天线是偶数个，法线落在中间两个天线之间。编号方式如图6所示。

稀疏阵列天线的每个天线(对于奇数个为：1、2、…2k+1；对于偶数个为：1、2、…2k)记录下信号源的幅度相位。不失一般性，以下讨论按照奇数个天线的情况进行，那么，空间的正弦波经过天线、接收机、ADC之后，得到2k+1个数字信号x₁(n)、x₂(n)、…x_2k+1(n)。

步骤S13：对所述数字信号进行雷达信号处理，获取所述相位信息中的相位。

具体地，对基带数字信号进行包括DDC、FIR、FFT等在内的雷达信号处理，得到采样信号的相位。

在一个实施例中，所述步骤S13包括：

步骤S131：对所述数字信号进行快速傅里叶运算，得到运算后数字信号；

步骤S132：获取所述相位信息和幅度信息，并选取运算后数字信号中对应所述每条接收天线预设幅度范围内的幅度对应的相位。

具体地，预设幅度指每条接收天线采集的幅度的某个数值区间。

对数字信号组{x₁(n)、x₂(n)、…x_2k+1(n)}进行快速傅里叶变换，得到{X₁(n)、X₂(n)、…X_2k+1(n)}，以1通道作为主通道，通过取绝对值找最大值的方式找到所有天线的同一最大值位置对应的结果(不失一般性，架设结果都进行了幅度归一化)，结果为{C₁、C₂、...C_2k+1}。这组结果代表了每个天线接收到的信号的相位信息。

在一个实施例中，所述步骤S2包括：

步骤S21：对所述相位信息进行两两互相关运算，提取所述相位序列。

具体地，对{C₁、C₂、...C_2k+1}进行两两互相关运算，得到2k个结果：{D₁、D₂、...D_2k}，其中，不失一般性，代表基线长为l，代表基线长为2l，…代表基线长为2kl。

在一个实施例中，如图7所示，所述步骤S3包括：

步骤S31：将所述相位序列按照相位递增的方式进行数据重排，得到排列后的相位序列。

具体地，将得到的{D₁、D₂、...D_2k}数值，按照大小进行重新排列，即按照从小到大的方式，对所述数值进行排列。

步骤S32：根据所述排列后的相位序列，得到所述目标的位置信息。

具体地，将所述排列后的基本型进行运算或其他方式的处理，最终得到目标的位置信息。

在一个实施例中，如图8所示，所述步骤S32包括：

步骤S321：对所述排列后的相位序列进行快速傅里叶运算，得到角频率序列；

步骤S322：选取所述角频率序列中数值最大的角频率，得到所述目标角频率；

步骤S323：对所述目标角频率进行函数转换，得到所述目标的方位角。

具体地，对得到的{D₁、D₂、...D_2k}进行数据重排后，再将排列后基本项进行FFT运算，取最大值得到角频率Δω，根据角频率Δω计算得到方位角θ，计算公式如下：

阵列天线和目标之间的距离R不一样时，根据仿真结果，采用上述算法得到的测角误差分布如图9，因此可以根据应用需求选取合适的R，例如，当要求整个+-45°测角方位内测角误差不大于0.02°时，应该让距离R＞120m。

在一个实施中，给出了进行雷达测角时对相位外校正的方法，即雷达系统相位外校正按照如下步骤进行：

1)全站仪(类似设备)架设在雷达天线中心，指向喇叭位置A点，距离雷达200m；

2)雷达开机接收，喇叭发射，进行第一次标定，此时雷达测量值显示0°；

3)全站仪角度旋转45°，指向喇叭位置B点，读取雷达此时的测量值θ_measure；

4)把θ_real＝45°，θ_measure代入公式(1)，求得Δθ₀；

5)雷达正常工作(有必要的话做3点ABC式标定，再加一次-45°角度的标定)按照公式(1)实时计算目标的方位角度。

具体地，在进行阵列雷达测角时需要先对系统进行相位外校正。首先对雷达系统相位外校正场景及校正方法进行说明。相位外校正场景如图10所示。主要标定用仪器设备包括天线阵面和喇叭天线两个部分。主要轴包括理想光轴、工作法线OA、工作45°和工作-45°四个轴。

理想光轴是个存在而又无法达到的轴，它只能由安装在雷达天线阵面的光电瞄准镜初步确定，由于加工误差和装配误差，光电瞄准镜视场的十字架中心所得到的轴OA和理想光轴总会有一个固定的系统误差，通常要求这个误差满足Δθ₀＜1°。

工作法线是由光电瞄准镜确定的，具体方法是在远处200m左右处让喇叭天线位于光电瞄准镜的十字架中心。在此位置，通知雷达标定自己的工作法线(电轴)，即0°方向。

工作+45°方向由高精度测角设备得到，一旦0°工作法线确定后，旋转高精度测角设备到45°方向，在光电瞄准镜的十字架中心架设喇叭天线，此处即定义为雷达的工作45°方向。工作-45°方向同工作+45°方向。

因为理想光轴和工作法线总存在一个Δθ₀误差，所以雷达测得的方位角需要进行修正，尤其是在大角度的时候。经过推导，雷达的直接测量值θ_measure、真实值θ_real和修正值之间服从如下公式。

应该理解的是，虽然图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，如图11所示，提供了一种雷达测角装置，包括：相位信息获取模块、相位信息基本项获取模块和目标位置信息获取模块，其中：

相位获取模块10，用于接收稀疏阵列天线的采样信号，并对所述采样信号进行预处理，得到所述采样信号中的相位，其中，所述稀疏阵列天线包括发射天线和接收天线，所述接收天线为多条，每条接收天线并列间隔设置；

相位序列获取模块20，用于采用快速算法对所述相位序列进行处理，得到所述目标的位置信息；

目标位置信息获取模块30，用于采用快速算法对所述相位序列进行处理，得到目标的位置信息。

在一个实施例中，所述相位获取模块10包括：

采用信号获取模块101，用于采用所述稀疏阵列天线对预设范围内的回波进行采样，得到采样信号，其中，所述采样信号至少包括相位信息；

数字信号获取模块102，用于将所述采样信号转换，得到所述采样信号对应的数字信号；

雷达信号处理模块103，用于对所述数字信号进行雷达信号处理，获取所述相位信息中的相位。

在一个实施例中，所述雷达信号处理模块103包括：

傅里叶运算模块1031，用于对所述数字信号进行快速傅里叶运算，得到运算后数字信号；

相位选取模块1032，用于获取所述相位信息和幅度信息，并选取运算后数字信号中对应所述每条接收天线预设幅度范围内的幅度对应的相位。

在一个实施例中，所述相位序列获取模块20包括：

互相关运算模块201，用于对所述相位进行两两互相关运算，得到所述相位序列。

在一个实施例中，所述目标位置信息获取模块30包括：

排序模块301，用于将所述相位序列按照相位递增的方式进行数据重排，得到排列后的相位序列；

相位序列处理模块302，用于根据所述排列后的相位序列，得到所述目标的位置信息。

在一个实施例中，所述相位序列处理模块302包括：

角频率序列获取模块3021，用于对所述排列后的相位序列进行快速傅里叶运算，得到角频率序列；

目标角频率获取模块3022，用于选取所述角频率序列中数值最大的角频率，得到所述目标角频率；

方位角获取模块3023，用于对所述目标角频率进行函数转换，得到所述目标的方位角。

在一个实施例中，还提供一种雷达测角设备，所述设备如上所述的雷达测角装置。

关于雷达测角装置的具体限定可以参见上文中对于雷达测角方法的限定，在此不再赘述。上述雷达测角装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图12所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储雷达测角数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种雷达测角方法。

本领域技术人员可以理解，图12中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现如上方法所述步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上方法所述步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种雷达测角方法，其特征在于，所述方法包括：

接收稀疏阵列天线的采样信号，并对所述采样信号进行预处理，得到所述采样信号中的相位，其中，所述稀疏阵列天线包括发射天线和接收天线，所述接收天线为多条，每条接收天线并列间隔设置；

对所述相位进行互相关运算，得到所述相位序列；

采用快速算法对所述相位序列进行处理，得到目标的位置信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收稀疏阵列天线的采样信号，并对所述采样信号进行预处理，得到所述采样信号中的相位包括：

采用所述稀疏阵列天线对预设范围内的回波进行采样，得到采样信号，其中，所述采样信号至少包括相位信息；

将所述采样信号转换，得到所述采样信号对应的数字信号；

对所述数字信号进行雷达信号处理，获取所述相位信息中的相位。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述数字信号进行雷达信号处理，获取所述相位信息中的相位包括：

对所述数字信号进行快速傅里叶运算，得到运算后数字信号；

获取所述相位信息和幅度信息，并选取运算后数字信号中对应所述每条接收天线预设幅度范围内的幅度对应的相位。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述相位进行互相关运算，得到所述相位序列包括：

对所述相位信息进行两两互相关运算，得到所述相位序列。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述采用快速算法对所述相位序列进行处理，得到所述目标的位置信息包括：

将所述相位序列按照相位递增的方式进行数据重排，得到排列后的相位序列；

根据所述排列后的相位序列，得到所述目标的位置信息。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据排列后的相位序列，得到目标的位置信息包括：

对所述排列后的相位序列进行快速傅里叶运算，得到角频率序列；

选取所述角频率序列中数值最大的角频率，得到所述目标角频率；

对所述目标角频率进行函数转换，得到所述目标的方位角。

7.一种雷达测角装置，其特征在于，所述装置包括：

相位获取模块，用于接收稀疏阵列天线的采样信号，并对所述采样信号进行预处理，得到所述采样信号中的相位，其中，所述稀疏阵列天线包括发射天线和接收天线，所述接收天线为多条，每条接收天线固定间隔设置；

相位序列获取模块，用于对所述相位进行互相关运算，得到所述相位序列；

目标位置信息获取模块，用于采用快速算法对所述相位序列进行处理，得到目标的位置信息。

8.一种雷达测角设备，其特征在于，所述设备包括权利要求7所述的雷达测角装置。

9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。