CN109932696B - 基于雷达通道噪声功率的数字波束形成方法 - Google Patents

基于雷达通道噪声功率的数字波束形成方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于雷达通道噪声功率的数字波束形成方法，用于解决现有技术中存在的由各雷达通道噪声不一致带来的波束合成效率低的技术问题。本发明的实现步骤包括：获取每个雷达通道回波信号；计算每个雷达通道回波信号的噪声功率；计算每个雷达通道回波信号的幅度加权系数；计算每个雷达通道回波信号的幅相加权系数；合成各雷达通道回波信号。本发明对各雷达通道噪声规律进行评估，用特定的幅相加权系数进行数字波束形成，能够提升数字波束形成后目标的信噪比，提高了波束合成效率，进而提升目标检测性能。

Description

基于雷达通道噪声功率的数字波束形成方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，更进一步涉及雷达信号处理技术领域中的一种基于雷达通道噪声功率的数字波束形成方法。本发明利用各通道噪声功率计算波束形成权值，形成数字波束。该数字波束可用于优化雷达目标检测性能。
背景技术
传统数字波束形成方法利用雷达各通道回波信号相位特征不同的特点，可以对各通道回波信号进行相位加权求和，使波束指向特定的方向，能够使波束指向方向的目标信噪比有效提高。而目标信噪比是影响雷达目标检测、参数估计、跟踪与识别性能的关键指标，也是衡量波束合成效率的最重要因素，因此数字波束形成是雷达信号处理的关键环节，数字波束形成的性能是影响雷达目标检测性能的关键。但其未考虑雷达各通道噪声功率的差异性，通道噪声主要来源于电阻热噪声、天线热噪声和接收系统的噪声，不可能保证各种情况下每个通道的噪声功率完全一致。处于特定工作模式下或受到泄露信号串扰时，可能会出现少量接收通道噪声过大的现象，采用传统数字波束形成方法对其进行波束形成后，因其未考虑通道噪声功率的差异，会带来波束合成后目标信噪比低、波束合成效率低的问题，用各种恒虚警检测的方法对波束合成后的回波数据进行目标检测，因噪声电平估计值高、检测门限高，造成漏警现象，影响雷达目标检测性能。
北京遥测技术研究所在其申请的专利文献“一种数字多波束形成方法”(专利申请号：201310680428.0，申请公布号：CN 103701515 A)中公开了一种数字多波束形成方法。该方法通过对输入信号进行干扰检测，确定输入信号中是否存在干扰，从而使用不同的波束形成算法进行信号合成，如果输入信号中不存在干扰，则使用固定波束形成算法来进行信号合成；如果输入信号中存在干扰，则使用自适应波束形成算法来进行信号合成。该方法存在的不足之处是，在进行数字多波束形成过程中没有考虑各通道噪声功率不一致的情况，造成波束合成后目标信噪比低、目标检测性能差的问题。
武汉滨湖电子有限责任公司在其申请的专利文献“一种圆阵列天线数字波束形成方法”(专利申请号：201010585291.7，申请公布号：CN 102082591 A)中公开了一种圆阵列天线数字波束形成方法。该方法采用有多个阵子组成的圆阵中部分相邻阵子构成一个小的圆弧阵，在该圆弧阵中心阵子的法线方向上形成沿圆心向外的主波束，这样以每一个阵子为中心都可以构造一个圆弧阵，形成沿圆心向外的波束，整个圆阵就能形成覆盖360°空间的多个等间距的波束，构成了圆阵列天线数字波束。该方法存在的不足之处是，没有考虑圆柱共形阵天线单元之间的互耦效应产生的通道差异，其加权系数与雷达实际工作状态加权系数不匹配，造成波束合成效率低的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于雷达通道噪声功率的数字波束形成方法，用于解决现有技术中存在的波束合成后目标信噪比低、波束合成效率低的技术问题。
实现本发明目的的思路是：定量计算雷达各通道的噪声功率，将各通道噪声功率的差异转化成幅度加权系数的差异，将雷达通道归一化导向系数和幅度加权系数结合，获取幅相加权系数，用得到的幅相加权系数合成各通道回波信号。
本发明的具体实现步骤包括如下：
(1)获取每个雷达通道回波信号：
输入雷达通道数为N的雷达回波信号，将每个雷达通道的雷达回波信号组成K行T列的雷达通道回波信号矩阵，其中，N＞2，K表示雷达回波脉冲的总数，T表示雷达回波脉冲时域的采样点总数；
(2)计算每个雷达通道回波信号的噪声功率：
(2a)利用元素替换方法，获取每个雷达通道的最终检测数据矩阵；
(2b)按照下式，计算每个雷达通道回波信号的噪声功率：
Figure BDA0001986445110000021
其中，Pn表示第n个雷达通道回波信号的噪声功率，∑表示求和操作，sn(k,t)表示第n个雷达通道的最终检测数据矩阵中第k行第t列的元素值，
Figure BDA0001986445110000022
表示开平方根操作；
(3)按照下式，计算每个雷达通道回波信号的幅度加权系数：
Figure BDA0001986445110000031
其中，A(n)表示第n个雷达通道回波信号的幅度加权系数，P0表示理想状态下回波信号的噪声功率，g表示根据理想状态下回波信号的噪声功率大小设置的最大可容忍噪声门限因子；
(4)按照下式，计算每个雷达通道回波信号的幅相加权系数：
W(n)＝A(n)a(n)
其中，W(n)表示第n个雷达通道回波信号的幅相加权系数，a(n)表示由波束指向引起的雷达通道相位差确定的第n个雷达通道的归一化导向系数；
(5)合成各雷达通道回波信号：
(5a)将每个雷达通道回波信号矩阵中的每个元素值，分别乘以该雷达通道回波信号的幅相加权系数，得到每个雷达通道回波信号校正矩阵；
(5b)将所有雷达通道回波信号校正矩阵相加，得到回波信号数字波束合成矩阵；
(5c)对回波信号数字波束合成矩阵中的每一行进行脉冲压缩，对脉冲压缩后的每一列元素分别进行快速傅里叶变换，对快速傅里叶变换结果求模值，得到数字波束合成处理矩阵。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
第一，本发明通过计算各通道回波信号的噪声功率，定量衡量了各通道噪声功率的差异，解决了现有技术的数字波束形成方法因各通道噪声功率不一致带来的数字波束合成后目标信噪比低的问题，使得本发明提高了波束合成后目标信噪比，进而提升了雷达检测目标的性能。
第二，本发明分别计算每个通道的幅度加权系数和幅相加权系数，用得到的幅相加权系数合成各通道回波信号，解决了现有技术的数字波束形成方法加权系数与雷达实际工作状态加权系数不匹配带来的波束合成效率低的问题，使得本发明有效匹配了雷达实际工作状态加权系数，提升了数字波束合成效率。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2是本发明仿真图；
图3是本发明仿真实验的目标多普勒谱对比图。
具体实施方式
下面结合附图及其实施例对本发明做进一步详细描述。
参照图1，对本发明实现的具体步骤做进一步详细描述。
步骤1，获取每个雷达通道回波信号。
输入雷达通道数为N的雷达回波信号，将每个雷达通道的雷达回波信号组成K行T列的雷达通道回波信号矩阵，其中，N＞2，K表示雷达回波脉冲的总数，T表示雷达回波脉冲时域的采样点总数。在本发明的实施例中设置的雷达通道数N＝16，雷达回波脉冲的总数K＝1024，雷达回波脉冲时域的采样点总数T＝150。
步骤2，计算每个雷达通道回波信号的噪声功率。
利用元素替换方法，获取每个雷达通道的最终检测数据矩阵。
所述的元素替换方法是指，其具体执行步骤为如下：
第1步，对每个雷达通道回波信号矩阵中的每一列进行快速傅里叶变换，并对快速傅里叶变换结果求模值，得到每个雷达通道回波信号矩阵傅里叶变换后的K行T列数据矩阵，删去数据矩阵的前K1行数据和后K1行数据，得到每个雷达通道的初始检测数据矩阵，其中
Figure BDA0001986445110000041
Figure BDA0001986445110000042
表示向上取整操作。在本发明的实施例中，K＝1024，T＝150，删去数据的行数K1＝64。
第2步，根据雷达系统检测参数选取一个大于1的值作为门限因子。在本发明的实施例中，门限因子为1.5。
第3步，求每个雷达通道初始检测数据矩阵的均值，将每个雷达通道初始检测数据矩阵的均值乘以门限因子，得到每个雷达通道的检测门限值；
第4步，查找每个雷达通道初始检测数据矩阵中超过该雷达通道检测门限值的所有元素，用超过检测门限值的雷达通道初始检测数据矩阵的均值更新查找到的所有元素值，将更新后的每个雷达通道初始检测数据矩阵作为每个雷达通道的最终检测数据矩阵。
按照下式，计算每个雷达通道回波信号的噪声功率：
Figure BDA0001986445110000051
其中，Pn表示第n个雷达通道回波信号的噪声功率，∑表示求和操作，sn(k,t)表示第n个雷达通道的最终检测数据矩阵中第k行第t列的元素值，
Figure BDA0001986445110000052
表示开平方根操作。
步骤3，按照下式，计算每个雷达通道回波信号的幅度加权系数：
Figure BDA0001986445110000053
其中，A(n)表示第n个雷达通道回波信号的幅度加权系数，P0表示理想状态下回波信号的噪声功率，g表示根据理想状态下回波信号的噪声功率大小设置的最大可容忍噪声门限因子。在本发明的实施例中，最大可容忍噪声门限因子g＝2。
步骤4，按照下式，计算每个雷达通道回波信号的幅相加权系数：
W(n)＝A(n)a(n)
其中，W(n)表示第n个雷达通道回波信号的幅相加权系数，a(n)表示由波束指向引起的雷达通道相位差确定的第n个雷达通道的归一化导向系数。在本发明的实施例中，16个归一化导向系数分别为0.15-0.98i、-0.26-0.96i、-0.02-0.99i、0.84-0.53i、0.23+0.97i、-0.51-0.85i、-0.16+0.98i、0.94+0.33i、0.99+0.02i、0.71+0.69i、-0.85+0.52i、0.65-0.75i、-0.98+0.16i、0.13+0.99i、0.74+0.66i、0.71+0.69i。
步骤5，合成各雷达通道回波信号。
将每个雷达通道回波信号矩阵中的每个元素值，分别乘以该雷达通道回波信号的幅相加权系数，得到每个雷达通道回波信号校正矩阵。
将所有雷达通道回波信号校正矩阵相加，得到回波信号数字波束合成矩阵。
对回波信号数字波束合成矩阵中的每一行进行脉冲压缩，对脉冲压缩后的每一列元素分别进行快速傅里叶变换，对快速傅里叶变换结果求模值，得到数字波束合成处理矩阵。在本发明的实施例中，雷达采用连续波体制，连续波体制雷达脉冲压缩相当于对每个脉冲重复周期的雷达回波信号做快速傅里叶变换。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步的说明。
1、仿真条件：
本发明仿真的软件条件是：MATLAB R2017a Windows 10(Pro)。
本发明仿真的硬件条件是：Intel(R)Core(TM)i7-6700K CPU 4.00GHz。
2、仿真内容及仿真结果分析：
本发明的仿真实验是采用本发明的方法和现有技术“一种圆阵列天线数字波束形成方法”(专利申请号：201010585291.7，申请公布号：CN 102082591A)，对如下所述的雷达的各通道雷达回波信号进行仿真处理得到的。
本发明仿真实验中所用的雷达为线性调频连续波体制，雷达使用的天线阵列是包含16个天线阵元的弧面共形阵，弧面共形阵半径为30cm，张角为120°。16个阵元均匀等间隔分布在弧面上，相邻阵元与弧心连线的夹角为8°，阵列法线方向为90°。
本发明仿真实验用大疆4A无人机作为检测目标，沿着雷达的阵列法线方向以均匀速度，远离雷达直线飞行，飞行高度与雷达发射天线相对于地面的高度一致。飞行约90个距离单元，采集实测数据，各通道回波信号包含无人机目标信号和噪声信号。对包含无人机目标的各雷达通道回波信号进行波束合成，并进行脉冲压缩和慢时间维快速傅里叶变换的处理，得到波束合成仿真图，如图2所示。提取波束合成仿真图中目标所在距离单元上的多普勒谱，得到目标多普勒谱图，如图3所示。
图2(a)表示本发明仿真实验中采用现有技术中的一种圆阵列天线数字波束形成方法得到的波束合成仿真图。图2(b)表示本发明仿真实验中采用本发明的方法得到的波束合成仿真图。
图2中两幅图均由三维坐标构成，三个维度分别表示距离单元、多普勒通道号及幅度，且在两幅图中标出，目标位置在两幅子图中用箭头标出。从图2(a)可以看出，采用现有技术中的一种圆阵列天线数字波束形成方法有针对性的把波束指向目标方向，波束合成处理后在91距离单元处出现一处凸起，和实际无人机飞行位置匹配，故判定该凸起就是目标，但受到各通道噪声功率不同的影响，目标信噪比不高；从图2(b)可以看出，采用本发明得到的波束合成仿真图中整体底噪明显下降，目标在噪声背景中更加突出，在进行恒虚警检测时噪声功率的估计值会降低，因此检测门限降低，目标检测性能更好。
图3(a)表示本发明仿真实验中采用现有技术中的一种圆阵列天线数字波束形成方法得到的目标多普勒谱图。图3(b)表示本发明仿真实验中采用本发明得到的目标多普勒谱图。
图3中两幅图的横坐标表示多普勒通道号，纵坐标表示幅度值，单位dB，两幅图中用数据游标标出的是目标所在的位置。从两幅图中可以看出，目标的多普勒通道号都是740。
根据下式，计算目标信噪比：
Figure BDA0001986445110000071
其中，S表示目标信噪比，单位dB，lg表示以10为底的对数操作，x740表示横坐标为740时对应的幅度值，xi表示横坐标为i时对应的幅度值。
计算得图3(a)中的目标信噪比为16.1dB，图3(b)中的目标信噪比为20.1dB。由此可见，采用本发明得到的目标信噪比比采用现有技术方法得到的目标信噪比高4dB，故本发明具有提高波束合成后目标信噪比、提高波束合成效率的作用。
综上所述，本发明提出的一种基于雷达通道噪声功率的数字波束形成方法，将各通道噪声功率的差异转化到各通道加权系数的差异上，与现有技术中的一种圆阵列天线数字波束形成方法相比可以提高目标信噪比，提高波束合成效率，提升目标检测性能。

Claims (2)

1.一种基于雷达通道噪声功率的数字波束形成方法，其特征在于，计算每个雷达通道回波信号的噪声功率，分别计算每个雷达通道回波信号的幅度加权系数和幅相加权系数，该方法的具体步骤包括如下：
(1)获取每个雷达通道回波信号：
输入雷达通道数为N的雷达回波信号，将每个雷达通道的雷达回波信号组成K行T列的雷达通道回波信号矩阵，其中，N＞2，K表示雷达回波脉冲的总数，T表示雷达回波脉冲时域的采样点总数；
(2)计算每个雷达通道回波信号的噪声功率：
(2a)利用元素替换方法，获取每个雷达通道的最终检测数据矩阵；
(2b)按照下式，计算每个雷达通道回波信号的噪声功率：
Figure FDA0002825513910000011
其中，Pn表示第n个雷达通道回波信号的噪声功率，
Figure FDA0002825513910000012
Figure FDA0002825513910000013
表示向上取整操作，∑表示求和操作，sn(k,t)表示第n个雷达通道的最终检测数据矩阵中第k行第t列的元素值，
Figure FDA0002825513910000014
表示开平方根操作；
(3)按照下式，计算每个雷达通道回波信号的幅度加权系数：
Figure FDA0002825513910000015
其中，A(n)表示第n个雷达通道回波信号的幅度加权系数，P0表示理想状态下回波信号的噪声功率，g表示根据理想状态下回波信号的噪声功率大小设置的最大可容忍噪声门限因子；
(4)按照下式，计算每个雷达通道回波信号的幅相加权系数：
W(n)＝A(n)a(n)
其中，W(n)表示第n个雷达通道回波信号的幅相加权系数，a(n)表示由波束指向引起的雷达通道相位差确定的第n个雷达通道的归一化导向系数；
(5)合成各雷达通道回波信号：
(5a)将每个雷达通道回波信号矩阵中的每个元素值，分别乘以该雷达通道回波信号的幅相加权系数，得到每个雷达通道回波信号校正矩阵；
(5b)将所有雷达通道回波信号校正矩阵相加，得到回波信号数字波束合成矩阵；
(5c)对回波信号数字波束合成矩阵中的每一行进行脉冲压缩，对脉冲压缩后的每一列元素分别进行快速傅里叶变换，对快速傅里叶变换结果求模值，得到数字波束合成处理矩阵。
2.根据权利要求1所述的基于雷达通道噪声功率的数字波束形成方法，其特征在于，步骤(2a)中所述元素替换方法的步骤如下：
第一步，对每个雷达通道回波信号矩阵中的每一列进行快速傅里叶变换，并对快速傅里叶变换结果求模值，得到每个雷达通道回波信号矩阵傅里叶变换后的K行T列数据矩阵，删去数据矩阵的前K1行数据和后K1行数据，得到每个雷达通道的初始检测数据矩阵；
第二步，根据雷达系统检测参数选取一个大于1的值作为门限因子；
第三步，求每个雷达通道初始检测数据矩阵的均值，将每个雷达通道初始检测数据矩阵的均值乘以门限因子，得到每个雷达通道的检测门限值；
第四步，查找每个雷达通道初始检测数据矩阵中超过该雷达通道检测门限值的所有元素，用超过检测门限值的雷达通道初始检测数据矩阵的均值更新查找到的所有元素值，将更新后的每个雷达通道初始检测数据矩阵作为每个雷达通道的最终检测数据矩阵。
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