CN109946664B - 一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法 - Google Patents

一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法 Download PDF

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CN109946664B CN201910169571.0A CN201910169571A CN109946664B CN 109946664 B CN109946664 B CN 109946664B CN 201910169571 A CN201910169571 A CN 201910169571A CN 109946664 B CN109946664 B CN 109946664B
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Abstract

本发明公开了一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法。主要解决了主瓣干扰环境下，现有方法应用于雷达导引头非矩形阵面时无法进行精确测角的问题。实现过程是：对阵列天线的接收数据进行降维接收；通过设计不同的选择矩阵对差通道的接收数据进行处理，并进行非自适应波束形成生成不同的差波束；计算线性补偿系数，线性调整单脉冲查找表，并对差波束进行线性补偿；自适应波束形成抗主瓣干扰；对目标角度进行测量。本发明通过设计选择矩阵，并通过构建线性补偿关系式，对目标角度的测量精度高，估计性能优于现有方法，且实现简单，具有工程化应用价值。本发明可用于主瓣干扰环境下阵列导引头的单脉冲测角。

Description

一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，涉及导引头的单脉冲测角，具体是一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法，可用于弹载阵列雷达导引头在主瓣干扰环境下对目标的角度估计。
背景技术
随着电子对抗技术的飞速发展，导弹武器系统面临着日趋复杂的电子干扰环境，因而要求导引头具备更强的抗干扰能力。多通道相控阵雷达导引头采用多通道接收及阵列信号处理技术，不仅拓展了雷达导引头抗干扰的能力，而且使其目标探测能力显著提高，成为当前精确制导雷达导引头的热点研究方向。
当干扰来自天线主瓣区域时，由于主瓣具有增益高，宽度窄等特点，如何对主瓣干扰进行有效地抑制，同时保持良好的单脉冲特性，进行精确的角度测量，是阵列雷达导引头需要重点解决的问题。FARINA.A等人在“Maximum likelihood estimator approach todetermine the target angular coordinates in presence of main beaminterference:application to live data acquired with a microwave phased arrayradar,IEEE International Radar Conference.2005”中提出一种最大似然估计法，该方法通过采用四个高增益波束来确定目标角度，但该方法存在运算量较大的问题。WIDROW.B等人在“Adaptive antenna system,Proceedings of the IEEE.1967”中提出了一种基于双差波束法的自适应波束形成信号处理架构，可以在抑制主瓣干扰的同时，完成对目标的单脉冲角度估计，但是，上述方法只适用于矩形天线阵列，对于阵列雷达导引头常采用非矩形阵列模型，利用上述方法进行角度测量时会产生较大误差。针对非矩形阵，陈新竹等人在“非矩形相控阵的抗主瓣干扰与单脉冲测角技术，现代雷达，2016”中提出了一种基于线性补偿技术的双差波束法，该方法通过计算线性补偿系数，并对和波束及双差波束进行线性补偿，使得自适应输出比与静态单脉冲比相同，但同时会导致静态单脉冲比的曲线斜率下降，因此会损失一定的测角精度。
存在主瓣干扰时，传统的双差波束法应用于非矩形阵列模型，会导致自适应波束的输出比与静态单脉冲比不再相同，因此测角不再准确；而线性补偿技术通过线性补偿方法使自适应输出比与静态单脉冲比相同，但会导致静态单脉冲比的曲线斜率下降，从而损失一定的测角精度，因此，现有方法应用于阵列导引头的非矩形阵列模型时，不能满足在抑制干扰的同时，进行精确的角度测量。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，结合一种常见的雷达导引头非矩形阵列模型，提出一种实现简单，测角精度高的主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法。
本发明是一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)数据接收：根据雷达导引头的非矩形阵列模型及均匀子阵划分模式，接收到的数据分别为：和通道数据XΣ，俯仰差通道数据
Figure BDA0001987474660000021
方位差通道数据/>
Figure BDA0001987474660000022
及双差通道数据
Figure BDA0001987474660000023
(2)根据非矩形阵列模型进行数据选择及非自适应波束形成：首先根据和通道接收数据生成和波束Σ，然后设计俯仰维数据选择矩阵A1和方位维数据选择矩阵A2，分别对俯仰差通道，方位差通道及双差通道的接收数据进行处理；在对目标进行俯仰维角度测量时，选取非矩形阵列模型中间两列的子阵数据进行非自适应波束形成，分别生成第一俯仰差波束
Figure BDA0001987474660000024
第一方位差波束/>
Figure BDA0001987474660000025
第一双差波束/>
Figure BDA0001987474660000026
在对目标进行方位维角度测量时，选取非矩形阵列模型中间两行的子阵数据进行非自适应波束形成，分别生成第二俯仰差波束
Figure BDA0001987474660000027
第二方位差波束/>
Figure BDA0001987474660000028
第二双差波束/>
Figure BDA0001987474660000029
(3)构建线性补偿关系式：根据形成的和差波束，计算得出线性补偿系数，分别对俯仰维角度测量和方位维角度测量的单脉冲查找表进行线性调整，并对第一俯仰差波束
Figure BDA00019874746600000210
及第二方位差波束/>
Figure BDA00019874746600000211
进行线性补偿，使得在波束指向附近，满足以下关系式：
Figure BDA0001987474660000031
Figure BDA0001987474660000032
其中，
Figure BDA0001987474660000033
为线性补偿后的俯仰差波束，/>
Figure BDA0001987474660000034
为线性补偿后的方位差波束；
(4)自适应波束形成：自适应波束形成抗主瓣干扰，包括有如下步骤：
(4a)生成抑制方位向主瓣干扰的波束：根据生成的和波束Σ，第一双差波束
Figure BDA0001987474660000035
第一方位差波束/>
Figure BDA0001987474660000036
以及经过线性补偿后的第一俯仰差波束/>
Figure BDA0001987474660000037
由俯仰向和差通道输出公式计算得到抑制方位向主瓣干扰的波束；
(4b)抑制俯仰向的主瓣干扰：根据生成的和波束Σ，第二双差波束
Figure BDA0001987474660000038
第二俯仰差波束/>
Figure BDA0001987474660000039
以及经过线性补偿后的第二方位差波束/>
Figure BDA00019874746600000310
由方位向和差通道输出公式计算得到抑制俯仰向主瓣干扰的波束；
(5)角度测量：利用形成的自适应波束分别对目标的俯仰角及方位角进行测量，得到目标的角度估计值。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
实现简单：本发明通过设计不同的选择矩阵对差通道的接收数据进行选择，以形成不同的差波束，并根据线性补偿系数对单脉冲查找表及差波束进行线性补偿，实现主瓣干扰下的目标角度测量。本发明通过设计选择矩阵及利用线性补偿技术能达到很好的测角精度，且选择矩阵及线性补偿系数仅通过该非矩形阵面模型及子阵划分模式便可获得，具有实现简单的优点。
具有更高的测角精度：存在主瓣干扰时，传统的四通道波束形成技术应用于非矩形阵列模型时会导致自适应波束的输出比与静态单脉冲比不再相同，因此测角不再准确；而线性补偿技术通过计算线性补偿系数，对和波束及双差波束进行线性补偿，使得自适应输出比与静态单脉冲比相同，但同时会导致静态单脉冲比的曲线斜率下降，因此会损失一定的测角精度；本发明通过设计不同的选择矩阵，并结合线性补偿技术，形成和波束及不同的差波束，来抑制不同维度的主瓣干扰并对目标进行角度测量。本发明充分利用了阵列天线的孔径，相对于现有方法，本发明具有更高的测角精度。
附图说明
图1是本发明应用的阵列导引头阵元级模型；
图2是本发明应用的阵列导引头子阵级模型；
图3是本发明的实现流程图；
图4是本发明应用于该阵面生成的可以抑制方位维主瓣干扰的自适应和差波束等高线图；
图5是本发明与线性补偿法应用于该阵面生成的俯仰维鉴角曲线对比图；
图6是本发明应用于该阵面在不同信噪比下俯仰维测角精度变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明详细说明：
实施例1
当干扰来自天线主瓣区域时，针对矩形阵列模型，一般会采用四通道波束形成技术，并利用双差波束自适应地抑制主瓣干扰，然后利用单脉冲查找表对目标角度进行估计。但是对于阵列导引头常采用非矩形阵列模型，应用上述技术后，自适应波束的输出比与静态单脉冲比不再相同，因此测角不再准确。对于非矩形阵列模型，现有的线性补偿技术通过计算线性补偿系数，并对和波束及双差波束进行线性补偿，使得自适应输出比与静态单脉冲比相同，但同时会导致静态单脉冲比的曲线斜率下降，因此会损失一定的测角精度；针对上述问题，本发明展开了探讨与创新，提出一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法，参见图3，包括有如下步骤：
(1)数据接收：根据雷达导引头的非矩形阵列模型及均匀子阵划分模式，参见图1，图2，对数据进行降维接收，接收到的数据分别为：和通道数据XΣ，俯仰差通道数据
Figure BDA0001987474660000041
方位差通道数据/>
Figure BDA0001987474660000042
及双差通道数据/>
Figure BDA0001987474660000043
(2)根据非矩形阵列模型进行数据选择及非自适应波束形成：首先根据和通道接收数据生成和波束Σ，在进行俯仰维测角和方位维测角时，为了充分利用阵列孔径，提高测角精度，同时满足每一个子阵流型需关于阵列中心彼此对称的要求，本发明分别设计俯仰维数据选择矩阵A1和方位维数据选择矩阵A2，在对目标进行俯仰维角度测量时，选取非矩形阵列模型中间两列的子阵数据进行非自适应波束形成，在对目标进行方位维角度测量时，选取非矩形阵列模型中间两行的子阵数据进行非自适应波束形成，形成了针对阵列雷达导引头非矩形阵列模型的数据选择和非自适应波束形成的技术方案。
(3)构建线性补偿关系式：为了使静态单脉冲比与自适应单脉冲比相同，同时保持较高的测角精度，需要根据和差波束比计算线性补偿系数，然后线性调整波束指向附近的单脉冲查找表，并对第一俯仰差波束
Figure BDA0001987474660000051
及第二方位差波束/>
Figure BDA0001987474660000052
进行线性补偿，使得静态单脉冲比与自适应单脉冲比在波束指向附近相同，即满足以下关系式：
Figure BDA0001987474660000053
Figure BDA0001987474660000054
其中，
Figure BDA0001987474660000055
为线性补偿后的第一俯仰差波束，/>
Figure BDA0001987474660000056
为线性补偿后的第二方位差波束。
(4)自适应波束形成：自适应波束形成抗主瓣干扰，利用形成的自适应波束对主瓣干扰进行抑制。
(4a)生成抑制方位向主瓣干扰的波束：根据生成的和波束Σ，第一双差波束
Figure BDA0001987474660000057
第一方位差波束/>
Figure BDA0001987474660000058
以及经过线性补偿后的第一俯仰差波束/>
Figure BDA0001987474660000059
由俯仰向和差通道输出公式计算得到抑制方位向主瓣干扰的波束。
(4b)抑制俯仰向的主瓣干扰：根据生成的和波束Σ，第二双差波束
Figure BDA00019874746600000510
第二俯仰差波束/>
Figure BDA00019874746600000511
以及经过线性补偿后的第二方位差波束/>
Figure BDA00019874746600000512
由方位向和差通道输出公式计算得到抑制俯仰向主瓣干扰的波束。
(5)角度测量：利用形成的自适应波束分别对目标的俯仰角及方位角进行测量，得到目标的角度估计值。
本发明的技术思路是：针对非矩形阵列模型，解决现有方法测角精度较差的问题。
本发明利用阵列天线接收的数据，通过设计变换矩阵，分别对方位差通道，俯仰差通道及双差通道的接收数据进行选择，形成不同的方位差波束，俯仰差波束及双差波束，然后根据计算得到线性补偿系数，线性调整单脉冲查找表及差波束，并利用不同的和差波束进行自适应波束形成，形成整体的技术方案，实现不同维度的主瓣干扰抑制及目标角度测量，本发明具有较高的测角精度。
实施例2
一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法同实施例1，步骤(1)所述的数据接收，包括有如下步骤：
(1a)参照图1和图2，图1是本发明应用的阵列导引头阵元级模型，图2是本发明应用的阵列导引头子阵级模型。本发明专门针对这种非矩形阵列模型，首先根据非矩形阵列模型的阵元级接收数据，进行降维处理，设阵元级接收数据为X，且X∈C432×1,针对该阵列导引头的12子阵划分方式，若要求子阵转换矩阵，首先将12子阵缺失的周边四个角补齐，使其成为规则的16子阵模型，因此，此种模式下，子阵转换矩阵T0可以表示为：
Figure BDA0001987474660000061
其中，
Figure BDA0001987474660000062
表示Kronecker积，Tx为方位维的子阵形成矩阵，Tz为俯仰维的子阵形成矩阵，且Tx,Tz分别表示如下：
Figure BDA0001987474660000063
Figure BDA0001987474660000064
令
Figure BDA0001987474660000065
其中，
Figure BDA0001987474660000066
d表示阵元间距，θ0,/>
Figure BDA0001987474660000067
分别表示期望信号的俯仰角和方位角。并令
Figure BDA0001987474660000068
不考虑阵元级幅度加权，降维转换矩阵T可按如下公式计算：
T＝Φ·T0；
(1b)由于在12子阵划分模式下，首先对四角缺失子阵进行补齐再来求解降维矩阵，故要求实际的子阵级接收数据，需要使用16子阵的通道选择矩阵A将补齐的四角部分子阵数据筛去，且A表示如下：
Figure BDA0001987474660000071
(1c)和通道的接收数据XΣ，俯仰差通道的接收数据
Figure BDA0001987474660000072
方位差通道的接收数据
Figure BDA0001987474660000073
及双差通道的接收数据/>
Figure BDA0001987474660000074
分别表示如下：/>
Figure BDA0001987474660000075
本发明应用于阵列导引头的非矩形阵列模型，受限于阵列导引头的体积及实时性要求，对阵元级数据进行降维处理，降低了运算量，并节省了硬件成本。
实施例3
一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法同实施例1-2，步骤(2)中的根据非矩形阵列模型进行数据选择及非自适应波束形成，包括有如下步骤：
(2a)由和通道的接收数据直接进行波束扫描形成和波束Σ：
Figure BDA0001987474660000078
其中，WΣ为生成和波束Σ的权值，且W∈C12×1，
Figure BDA0001987474660000079
为导向矢量阵，且
Figure BDA0001987474660000081
(2b)分别设计俯仰维选择矩阵A1及方位维选择矩阵A2。且俯仰维数据选择矩阵A1及方位维数据选择矩阵A2分别表示如下：
Figure BDA0001987474660000082
(2c)对目标进行俯仰维角度测量时，根据俯仰维选择矩阵A1对俯仰差通道，方位差通道及双差通道的数据选择，进行波束扫描，生成第一俯仰差波束
Figure BDA0001987474660000083
第一方位差波束
Figure BDA0001987474660000084
及第一双差波束/>
Figure BDA0001987474660000085
其表示式分别为：
Figure BDA0001987474660000086
Figure BDA0001987474660000087
Figure BDA0001987474660000088
其中，
Figure BDA0001987474660000089
分别为根据和波束Σ的权值WΣ得到的俯仰差波束，方位差波束及双差波束的权值，且/>
Figure BDA00019874746600000810
分别用下式表示：
Figure BDA00019874746600000811
Figure BDA00019874746600000812
Figure BDA00019874746600000813
其中，
Figure BDA00019874746600000815
表示Hadamar积；
(2d)对目标进行方位维角度测量时，根据方位维选择矩阵A2对俯仰差通道，方位差通道及双差通道的选择数据，生成第二俯仰差波束
Figure BDA00019874746600000814
第二方位差波束/>
Figure BDA0001987474660000091
及第二双差波束/>
Figure BDA0001987474660000092
其表示式为：
Figure BDA0001987474660000094
本发明通过设计俯仰维选择矩阵和方位维选择矩阵，分别选取不同的子阵数据形成不同的差波束，考虑到了每一个子阵流型需关于阵列中心彼此对称的要求，同时充分利用了非矩形阵列模型俯仰向和方位向的阵列天线孔径，在后续进行俯仰维和方位维测角时，测量结果更加精确。
实施例4
一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法同实施例1-3，步骤(3)中所述的构建线性补偿关系式，包括有如下步骤：
(3a)参照图2，图2中显示了非矩形阵列模型的子阵结构，整个平面阵被视为一个含有12个超元的阵列，每个超元被放置在对应的子阵相位中心，所以整个平面的和波束方向图按如下公式计算：
Figure BDA0001987474660000096
其中，w等于2π/λ，λ为波长，xk为第k个子阵相位中心的x轴坐标，zk为第k个子阵相位中心的z轴坐标，fsub,k(u,v)为第k个子阵的波束方向图，(u0,v0)为波束指向的方向余弦值，具体表达式为：
Figure BDA0001987474660000097
参见图2，由于12个子阵完全相同，所以子阵的波束方向图可以用一个函数fsub(u,v)表示，此外，子阵关于x,z轴对称，所以该阵列生成的和波束方向图按如下公式计算：
Figure BDA0001987474660000098
其中，U1表示位于整个阵列右上四分之一内选取数据的子阵数，本例中，参见图2，整个阵列右上四分之一内选取数据的子阵数U1＝3；
同理，第一方位差波束
Figure BDA0001987474660000101
第一俯仰差波束/>
Figure BDA0001987474660000102
第一双差波束/>
Figure BDA0001987474660000103
及第二方位差波束/>
Figure BDA0001987474660000104
第二俯仰差波束/>
Figure BDA0001987474660000105
第二双差波束/>
Figure BDA0001987474660000106
的波束方向图可以分别按如下公式计算：
Figure BDA0001987474660000107
Figure BDA0001987474660000108
Figure BDA0001987474660000109
Figure BDA00019874746600001010
Figure BDA00019874746600001011
Figure BDA00019874746600001012
其中，U2、U3分别表示位于整个阵列右上四分之一内选取数据的子阵数，本例中，参见图2，整个阵列右上四分之一内选取数据的子阵数U2＝U3＝2；
(3b)在波束指向附近，第一俯仰差波束
Figure BDA00019874746600001013
与和波束Σ的比值/>
Figure BDA00019874746600001014
第一双差波束
Figure BDA00019874746600001015
与第一方位差波束/>
Figure BDA00019874746600001016
的比值/>
Figure BDA00019874746600001017
分别表示如下：
Figure BDA00019874746600001018
Figure BDA00019874746600001019
第二方位差波束
Figure BDA00019874746600001020
与和波束Σ的比值/>
Figure BDA00019874746600001021
第二双差波束/>
Figure BDA00019874746600001022
与第二俯仰差波束
Figure BDA00019874746600001023
的比值/>
Figure BDA00019874746600001024
分别表示如下：
Figure BDA0001987474660000111
/>
Figure BDA0001987474660000112
当目标接近主瓣波束指向时，u趋于u0，v趋于v0，按如下公式计算：
Figure BDA0001987474660000113
Figure BDA0001987474660000114
Figure BDA0001987474660000115
Figure BDA0001987474660000116
得到在波束指向附近，
Figure BDA0001987474660000117
与/>
Figure BDA0001987474660000118
之间的关系，/>
Figure BDA0001987474660000119
与/>
Figure BDA00019874746600001110
之间的关系，分别表示如下：
Figure BDA00019874746600001111
(3c)根据得到的线性补偿关系式，可知在波束指向附近两组单脉冲比之间存在线性关系，由该线性关系式，调整波束指向附近的单脉冲查找表，并对第一俯仰差波束
Figure BDA00019874746600001112
及第二方位差波束/>
Figure BDA00019874746600001113
进行线性补偿，补偿后的两个差波束分别表示如下：
Figure BDA00019874746600001114
本发明不仅给出了整体的计算方案，还给出了每一步具体的计算公式，另外，在该过程中，通过得到的线性补偿系数，又分别对单脉冲查找表，第一俯仰差波束
Figure BDA00019874746600001115
及第二方位差波束/>
Figure BDA00019874746600001116
进行线性调整，使自适应输出比与静态单脉冲比相同，并获得很高的测角精度。
本发明通过设计不同的选择矩阵，并结合线性补偿技术，形成和波束及不同的差波束，来抑制不同维度的主瓣干扰并对目标进行角度测量。本发明充分利用了阵列天线的孔径，相对于现有方法，本发明具有更高的测角精度。
实施例5
一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法同实施例1-4，步骤(4a)中所述的俯仰向和差通道输出公式表述如下：
Figure BDA0001987474660000121
/>
Figure BDA0001987474660000122
其中，
Figure BDA0001987474660000123
为俯仰向和通道的输出，/>
Figure BDA0001987474660000124
为俯仰向差通道的输出，yΣ为和通道的输出，/>
Figure BDA0001987474660000125
为线性补偿后的俯仰差波束的输出，/>
Figure BDA0001987474660000126
为自适应处理的辅助信号，/>
Figure BDA0001987474660000127
为形成俯仰向自适应和波束的自适应权，/>
Figure BDA0001987474660000128
形成俯仰向自适应差波束的自适应权，分别用于使
Figure BDA0001987474660000129
及/>
Figure BDA00019874746600001210
的输出功率最小，且/>
Figure BDA00019874746600001211
按如下公式计算：
Figure BDA00019874746600001212
Figure BDA00019874746600001213
其中，
Figure BDA00019874746600001214
Figure BDA00019874746600001215
Figure BDA00019874746600001216
Figure BDA00019874746600001217
均表示波束输出的互相关值。
实施例6
一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法同实施例1-5，步骤(4b)中所述的方位向和差通道输出公式表述如下：
Figure BDA0001987474660000131
Figure BDA0001987474660000132
其中，
Figure BDA0001987474660000133
为俯仰向和通道的输出，/>
Figure BDA0001987474660000134
为俯仰向差通道的输出，yΣ为和通道的输出，/>
Figure BDA0001987474660000135
为线性补偿后的俯仰差波束的输出，/>
Figure BDA0001987474660000136
为自适应处理的辅助信号，/>
Figure BDA0001987474660000137
为形成方位向自适应和波束的自适应权，/>
Figure BDA0001987474660000138
形成方位向自适应差波束的自适应权，分别用于使/>
Figure BDA0001987474660000139
及/>
Figure BDA00019874746600001310
的输出功率最小，且/>
Figure BDA00019874746600001311
按如下公式计算：
Figure BDA00019874746600001312
Figure BDA00019874746600001313
其中，
Figure BDA00019874746600001314
/>
Figure BDA00019874746600001315
Figure BDA00019874746600001316
Figure BDA00019874746600001317
均表示波束输出的互相关值。
实施例7
一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法同实施例1-6，步骤(5)中的角度测量包括有如下步骤：
(5a)利用自适应波束对目标的俯仰角进行测量，按如下公式计算：
Figure BDA00019874746600001318
其中，
Figure BDA00019874746600001319
为俯仰向差通道的输出，/>
Figure BDA00019874746600001320
为俯仰向和通道的输出，通过差和比/>
Figure BDA00019874746600001321
得出一个确定的值，然后根据线形调整后的单脉冲查找表，即可得出目标俯仰向角度的估计值/>
Figure BDA00019874746600001322
(5b)利用自适应波束对目标的方位角进行测量，按如下公式计算：
Figure BDA0001987474660000141
其中，
Figure BDA0001987474660000142
为方位向差通道的输出，/>
Figure BDA0001987474660000143
为方位向和通道的输出，通过差和比/>
Figure BDA0001987474660000144
得出一个确定的值，然后根据线形调整后的单脉冲查找表，即可得出目标方位向角度的估计值/>
Figure BDA0001987474660000145
存在主瓣干扰时，传统的四通道波束形成技术应用于非矩形阵列模型时会导致自适应波束的输出比与静态单脉冲比不再相同，测角不再准确；而现有的线性补偿方法应用于非矩形阵列模型时，通过线性补偿技术使得自适应输出比与静态单脉冲比相同，但会导致静态单脉冲比的曲线斜率下降，因此会损失一定的测角精度；本发明为达到更高的测角精度，设计不同的选择矩阵，充分利用了非矩形阵列模型俯仰向和方位向的阵列孔径，并结合线性补偿技术，形成和波束及不同的差波束，然后进行自适应波束形成来抑制不同维度的主瓣干扰并对目标进行角度测量。因为本发明充分利用了阵列的孔径，所以具有更高的测角精度。
下面给出一个更加完整和详尽的例子，对本发明作进一步说明。
实施例8
一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法同实施例1-7，参见图3包括如下步骤：
(1)数据接收：
参照图1，图1是本发明应用的阵列导引头阵元级模型，设有信号s(t)入射到该阵列导引头非矩形阵面，该信号的方向为(0°,0°)，则阵元级接收数据按如下公式计算：
Figure BDA0001987474660000146
其中，
Figure BDA0001987474660000147
表示该入射信号的方向矢量，且/>
Figure BDA0001987474660000148
θ0,/>
Figure BDA0001987474660000149
分别表示该入射信号的俯仰角和方位角，X(t)表示阵元级接收数据。
首先按矩形阵的规则16子阵划分模型求子阵转换矩阵T0，此时，降维转换矩阵T可按如下公式计算：
Figure BDA0001987474660000151
其中，Tx为方位维的子阵形成矩阵，Tz为俯仰维的子阵形成矩阵，且Tx,Tz分别表示如下：
Figure BDA0001987474660000152
Figure BDA0001987474660000153
令:
Figure BDA0001987474660000154
其中，
Figure BDA0001987474660000155
d表示阵元间距，θ0,/>
Figure BDA0001987474660000156
分别表示期望信号的俯仰角和方位角，并令:
Figure BDA0001987474660000157
由于此时的θ0,
Figure BDA0001987474660000158
均为零，Φ可以表示如下：
Φ＝I576×576
其中，I为单位矩阵，且I∈C576×576，所以，此时的降维转换矩阵T按如下公式计算：
T＝Φ·T0＝T0
参照图2，图2是本发明应用的阵列导引头子阵级模型，设计选择矩阵A，将上述矩形阵的规则16模型的四角部分筛去，可得A表示如下：
Figure BDA0001987474660000161
和通道的接收数据XΣ，俯仰差通道的接收数据
Figure BDA0001987474660000162
方位差通道的接收数据/>
Figure BDA0001987474660000163
及双差通道的接收数据/>
Figure BDA0001987474660000164
分别表示如下：
Figure BDA0001987474660000165
(2)根据非矩形阵列模型进行数据选择及非自适应波束形成：
由和通道的接收数据直接进行波束扫描形成波束指向为(0°,0°)的和波束Σ：
Figure BDA0001987474660000166
其中，WΣ为生成波束指向为(0°,0°)和波束的权值，生成阵元级波束指向为(0°,0°)的和波束时，设阵元级权值为W，易得W∈C432×1，且向量内的值均为1，由形成阵元级和波束的权值W，经过降维矩阵T及选择矩阵A的处理，可得WΣ表示如下：
WΣ＝[36,36,36,36,36,36,36,36,36,36,36,36]T
即WΣ∈C12×1，且向量内的值均为36；
对目标进行俯仰维角度测量时，设计俯仰维选择矩阵A1，俯仰维数据选择矩阵A1表示如下：
Figure BDA0001987474660000171
根据俯仰维选择矩阵A1对俯仰差通道，方位差通道及双差通道的数据选择，进行波束扫描，生成第一俯仰差波束
Figure BDA0001987474660000172
第一方位差波束/>
Figure BDA0001987474660000173
及第一双差波束/>
Figure BDA0001987474660000174
其表示式分别为：
Figure BDA0001987474660000175
Figure BDA0001987474660000176
Figure BDA0001987474660000177
其中，
Figure BDA0001987474660000178
分别为根据和波束Σ的权值WΣ得到的俯仰差波束，方位差波束双差波束的权值，且/>
Figure BDA0001987474660000179
分别用下式表示：
Figure BDA00019874746600001710
Figure BDA00019874746600001711
Figure BDA00019874746600001712
对目标进行方位维角度测量时，设计方位维选择矩阵A2，方位维数据选择矩阵A2表示如下：
Figure BDA0001987474660000181
根据方位维选择矩阵A2对俯仰差通道，方位差通道及双差通道的选择数据，生成第二俯仰差波束
Figure BDA0001987474660000182
第二方位差波束/>
Figure BDA0001987474660000183
及第二双差波束/>
Figure BDA0001987474660000184
其表示式为：
Figure BDA0001987474660000185
(3)构建线性补偿关系式：
参照图2，图2是本发明应用的阵列导引头子阵级模型，整个平面阵可以被视为一个含有12个超元的阵列，每个超元被放置在对应的子阵相位中心，由于12个子阵完全相同，且关于x,z轴对称，用一个函数fsub(u,v)表示子阵的波束方向图，所以该阵列生成的和波束方向图按如下公式计算：
Figure BDA0001987474660000186
其中，U1表示位于整个阵列右上四分之一内选取数据的子阵数，本例中，参见图2，整个阵列右上四分之一内选取数据的子阵数U1＝3；
俯仰维选择矩阵A1选取非矩形阵列模型中间两列的子阵数据进行非自适应波束形成，所以生成的第一方位差波束
Figure BDA0001987474660000187
第一俯仰差波束/>
Figure BDA0001987474660000188
第一双差波束/>
Figure BDA0001987474660000189
用如下公式计算：
Figure BDA0001987474660000191
Figure BDA0001987474660000192
Figure BDA0001987474660000193
其中，U2表示位于整个阵列右上四分之一内选取数据的子阵数，本例中，参见图2，整个阵列右上四分之一内选取数据的子阵数U2＝2；
在波束指向附近，第一俯仰差波束
Figure BDA0001987474660000194
与和波束Σ的比值/>
Figure BDA0001987474660000195
第一双差波束/>
Figure BDA0001987474660000196
与第一方位差波束/>
Figure BDA0001987474660000197
的比值/>
Figure BDA0001987474660000198
分别表示如下：
Figure BDA0001987474660000199
Figure BDA00019874746600001910
方位维选择矩阵A2选取非矩形阵列模型中间两行的子阵数据进行非自适应波束形成，所以生成的第二方位差波束
Figure BDA00019874746600001911
第二俯仰差波束/>
Figure BDA00019874746600001912
第二双差波束/>
Figure BDA00019874746600001913
用如下公式计算：
Figure BDA00019874746600001914
Figure BDA00019874746600001915
Figure BDA00019874746600001916
其中，U3表示位于整个阵列右上四分之一内选取数据的子阵数，本例中，参见图2，整个阵列右上四分之一内选取数据的子阵数U3＝2；
在波束指向附近，第二方位差波束
Figure BDA00019874746600001917
与和波束Σ的比值/>
Figure BDA00019874746600001918
第二双差波束/>
Figure BDA0001987474660000201
与第二俯仰差波束/>
Figure BDA0001987474660000202
的比值/>
Figure BDA0001987474660000203
分别表示如下：
Figure BDA0001987474660000204
Figure BDA0001987474660000205
当目标接近主瓣波束指向时，u趋于u0，v趋于v0，可按如下公式计算：
Figure BDA0001987474660000206
/>
Figure BDA0001987474660000207
Figure BDA0001987474660000208
Figure BDA0001987474660000209
得到在波束指向附近，
Figure BDA00019874746600002010
与/>
Figure BDA00019874746600002011
之间的关系，/>
Figure BDA00019874746600002012
与/>
Figure BDA00019874746600002013
之间的关系，分别表示如下：
Figure BDA00019874746600002014
Figure BDA00019874746600002015
根据得到的线性补偿关系式，分别调整波束指向附近的俯仰维角度测量单脉冲查找表和方位维角度测量单脉冲查找表，并对第一俯仰差波束
Figure BDA00019874746600002016
及第二方位差波束/>
Figure BDA00019874746600002017
进行线性补偿，对于第一俯仰差波束/>
Figure BDA00019874746600002018
线性补偿后的权值/>
Figure BDA00019874746600002019
表示如下：
Figure BDA00019874746600002020
对于第二方位差波束
Figure BDA00019874746600002021
线性补偿后的权值/>
Figure BDA00019874746600002022
表示如下：
Figure BDA00019874746600002023
所以，补偿后的两个差波束分别表示如下：
Figure BDA0001987474660000211
Figure BDA0001987474660000212
其中，
Figure BDA0001987474660000213
为线性补偿后的第一俯仰差波束，/>
Figure BDA0001987474660000214
为线性补偿后的第二方位差波束。
(4)自适应波束形成抑制主瓣干扰：
根据生成的和波束Σ，第一双差波束
Figure BDA0001987474660000215
第一方位差波束/>
Figure BDA0001987474660000216
以及经过线性补偿后的第一俯仰差波束/>
Figure BDA0001987474660000217
进行方位维的主瓣干扰抑制，生成抑制方位向主瓣干扰的波束；
抑制方位维主瓣干扰后，俯仰向和差通道的输出公式表述如下：
Figure BDA0001987474660000218
Figure BDA0001987474660000219
其中，
Figure BDA00019874746600002110
为俯仰向和通道的输出，/>
Figure BDA00019874746600002111
为俯仰向差通道的输出，/>
Figure BDA00019874746600002112
为线性补偿后的俯仰差波束的输出，/>
Figure BDA00019874746600002113
为形成俯仰向自适应和波束的自适应权，/>
Figure BDA00019874746600002114
形成俯仰向自适应差波束的自适应权；
根据生成的和波束Σ，第二双差波束
Figure BDA00019874746600002115
第二俯仰差波束/>
Figure BDA00019874746600002116
以及经过线性补偿后的第二方位差波束/>
Figure BDA00019874746600002117
进行俯仰维的主瓣干扰抑制，生成抑制俯仰向主瓣干扰的波束；
抑制方位维主瓣干扰后，俯仰向和差通道的输出公式表述如下：
Figure BDA00019874746600002118
Figure BDA00019874746600002119
其中，
Figure BDA00019874746600002120
为方位向和通道的输出，/>
Figure BDA00019874746600002121
为方位向差通道的输出，/>
Figure BDA00019874746600002122
为线性补偿后的方位差波束的输出，/>
Figure BDA00019874746600002123
为形成方位向自适应和波束的自适应权，/>
Figure BDA00019874746600002124
形成方位向自适应差波束的自适应权。
(5)角度测量：
利用自适应波束的和差输出比对目标的俯仰角进行测量，其中，和波束的输出
Figure BDA0001987474660000221
表示如下：
Figure BDA0001987474660000222
差波束的输出
Figure BDA0001987474660000223
表示如下：
Figure BDA0001987474660000224
目标俯仰角的测量按如下公式计算：
Figure BDA0001987474660000225
其中，
Figure BDA0001987474660000226
为目标俯仰向角度的估计值；
利用自适应波束的和差输出比对目标的方位角进行测量，其中，和波束的输出
Figure BDA0001987474660000227
表示如下：
Figure BDA0001987474660000228
差波束的输出
Figure BDA0001987474660000229
表示如下：
Figure BDA00019874746600002210
目标方位角的测量按如下公式计算：
Figure BDA00019874746600002211
其中，
Figure BDA00019874746600002212
为目标方位向角度的估计值。
下面通过仿真和数据分析再做说明。
实施例9
一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法同实施例1-8
仿真条件：
雷达导引头的非矩形面阵模型，参照图2，把阵列导引头非矩形阵列模型均匀划分为12个子阵，每个子阵均含有6×6阵元，且阵元间距为半波长，和波束指向为(0°,0°)；含有一个主瓣干扰，干燥比为30dB，其方向为(1°,2°)；一个期望信号，信噪比为20dB，其方向为(0°,0°)。
仿真内容：
仿真1，应用本发明，自适应抑制方位向主瓣干扰，得到的波束方向图的等高线图如图4所示，图4是本发明应用于该阵面生成的可以抑制方位维主瓣干扰的自适应和差波束等高线图，其中图4a)为抑制方位维主瓣干扰的和波束等高线图，图4b)为抑制方位维主瓣干扰的差波束等高线图。
从图4a)，4b)可以看出，应用本发明生成的和波束与差波束均可以在主瓣干扰的方位维方向生成较深的凹陷，本发明可以对该方向的主瓣干扰起到很好的抑制作用。
实施例10
一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法同实施例1-8，仿真条件同实施例9。
仿真内容：
仿真2，应用本发明自适应抑制方位维主瓣干扰后，生成的俯仰维鉴角曲线与同等条件下应用线性补偿法抑制方位维主瓣干扰后生成的俯仰维鉴角曲线对比图如图5所示。
图5中的实线表示本发明应用于阵列导引头非矩形阵列模型时生成的俯仰维鉴角曲线，虚线表示现有的线性补偿方法应用于阵列导引头非矩形阵列模型时生成的俯仰维鉴角曲线。
从图5可以看出，应用本发明生成的俯仰维鉴角曲线斜率要大于同等条件下应用线性补偿法生成的俯仰维鉴角曲线，因此本发明具有更高的测角精度，测角性能优于现有方法。
实施例11
一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法同实施例1-8，仿真条件同实施例9。
仿真内容：
仿真3，改变信噪比，使信噪比由-10dB增加到20dB，且每次增加5dB。本发明应用于该阵面，不同信噪比下俯仰维的测角精度变化曲线如图6所示。
图6中的曲线表示在不同信噪比下，本发明应用于阵列导引头非矩形阵列模型时对目标俯仰角的测量结果与目标真实俯仰角之间的均方误差变化趋势。
从图6可以看出，随着信噪比的增加，应用本发明得到的测角结果随着信噪比的增加，其测角误差逐渐减小，即测角精度不断提高，这和无干扰情况下的单脉冲测角精度一致。以上曲线都只是反映了一个总体趋势，下面通过数据更精确的进行说明本发明的测角结果。目标俯仰角的测量结果如表1所示。
表1：不同信噪比下对目标俯仰角的测量结果
Figure BDA0001987474660000241
从表1的数据中可以看出，相对于目标的真实俯仰角θ0，测角误差基本保持在0.2°以内。当信噪比大于5dB时，测角误差小于0.1°，相对于俯仰方向的主瓣宽度，误差小于20％，表明本发明具有较高的测角精度。
综上，本发明公开的主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法。主要解决了主瓣干扰环境下，现有方法应用于雷达导引头非矩形阵面时无法进行精确测角的问题。实现过程是：1)对阵列天线的接收数据进行降维接收；2)通过设计不同的选择矩阵对差通道的接收数据进行处理，并进行非自适应波束形成生成不同的差波束；3)计算线性补偿系数，线性调整单脉冲查找表，并对差波束进行线性补偿；4)自适应波束形成抗主瓣干扰；5)对目标角度进行测量。本发明通过设计选择矩阵，并通过构建线性补偿关系式，对目标角度的测量精度高，估计性能优于现有方法，且实现简单。本发明可用于主瓣干扰环境下阵列导引头的单脉冲测角。
在主瓣干扰环境下，本发明应用于阵列导引头的非矩形阵列模型，可以在抑制主瓣干扰的同时，对目标进行较精确的角度测量，且测角性能优于现有方法。

Claims (6)

1.一种主瓣干扰下的阵列雷达导引头单脉冲测角方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)数据接收：根据雷达导引头的非矩形阵列模型及其子阵划分模式接收数据，接收到的数据分别为：和通道数据XΣ，俯仰差通道数据
Figure FDA0003949520090000011
方位差通道数据
Figure FDA0003949520090000012
及双差通道数据
Figure FDA0003949520090000013
(2)根据非矩形阵列模型进行数据选择及非自适应波束形成：根据和通道接收数据生成和波束Σ，设计俯仰维数据选择矩阵A1和方位维数据选择矩阵A2，分别对俯仰差通道，方位差通道及双差通道的接收数据进行选择处理；在对目标进行俯仰维角度测量时，选取非矩形阵列模型中间两列的子阵数据进行非自适应波束形成，分别生成第一俯仰差波束
Figure FDA0003949520090000014
第一方位差波束
Figure FDA0003949520090000015
第一双差波束
Figure FDA0003949520090000016
在对目标进行方位维角度测量时，选取非矩形阵列模型中间两行的子阵数据进行非自适应波束形成，分别生成第二俯仰差波束
Figure FDA0003949520090000017
第二方位差波束
Figure FDA0003949520090000018
第二双差波束
Figure FDA0003949520090000019
其中设计的俯仰维数据选择矩阵A1和方位维数据选择矩阵A2分别为：
Figure FDA00039495200900000110
(3)构建线性补偿关系式：根据和差波束，计算得出线性补偿系数，分别对俯仰维角度测量和方位维角度测量的单脉冲查找表进行线性调整，并对第一俯仰差波束
Figure FDA0003949520090000021
及第二方位差波束
Figure FDA0003949520090000022
进行线性补偿，使得在波束指向附近，满足以下关系式：
Figure FDA0003949520090000023
Figure FDA0003949520090000024
其中，
Figure FDA0003949520090000025
为线性补偿后的第一俯仰差波束，
Figure FDA0003949520090000026
为线性补偿后的第二方位差波束；
(4)自适应波束形成：自适应波束形成抗主瓣干扰，包括有如下步骤：
(4a)生成抑制方位向主瓣干扰的波束：根据生成的和波束Σ，第一双差波束
Figure FDA0003949520090000027
第一方位差波束
Figure FDA0003949520090000028
以及经过线性补偿后的第一俯仰差波束
Figure FDA0003949520090000029
由俯仰向和差通道输出公式计算得到抑制方位向主瓣干扰的波束；
(4b)抑制俯仰向的主瓣干扰：根据生成的和波束Σ，第二双差波束
Figure FDA00039495200900000210
第二俯仰差波束
Figure FDA00039495200900000211
以及经过线性补偿后的第二方位差波束
Figure FDA00039495200900000212
由方位向和差通道输出公式计算得到抑制俯仰向主瓣干扰的波束；
(5)角度测量：利用形成的自适应波束分别对目标的俯仰角及方位角进行测量，得到目标的角度估计值。
2.根据权利要求1所述的一种主瓣干扰下阵列雷达导引头的单脉冲测角方法，其特征在于，其中步骤(2)所述的根据非矩形阵列模型进行数据选择及非自适应波束形成，包括有如下步骤：
(2a)根据和通道的接收数据XΣ直接生成和波束Σ；
(2b)根据三个差通道的接收数据，分别设计不同的选择矩阵A1,A2，且俯仰维数据选择矩阵A1及方位维数据选择矩阵A2分别表示如下：
Figure FDA0003949520090000031
(2c)对目标进行俯仰维角度测量时，根据俯仰维选择矩阵A1对俯仰差通道，方位差通道及双差通道的选择数据，生成第一俯仰差波束
Figure FDA0003949520090000032
第一方位差波束
Figure FDA0003949520090000033
及第一双差波束
Figure FDA0003949520090000034
且生成第一俯仰差波束
Figure FDA0003949520090000035
的数据为
Figure FDA0003949520090000036
生成第一方位差波束
Figure FDA0003949520090000037
的数据为
Figure FDA0003949520090000038
生成第一双差波束
Figure FDA0003949520090000039
的数据为
Figure FDA00039495200900000310
(2d)对目标进行方位维角度测量时，根据方位维选择矩阵A2对俯仰差通道，方位差通道及双差通道的选择数据，生成第二俯仰差波束
Figure FDA00039495200900000311
第二方位差波束
Figure FDA00039495200900000312
及第二双差波束
Figure FDA00039495200900000313
且生成第二俯仰差波束
Figure FDA00039495200900000314
的数据为
Figure FDA00039495200900000315
生成第二方位差波束
Figure FDA00039495200900000316
的数据为
Figure FDA00039495200900000317
生成第二双差波束
Figure FDA00039495200900000318
的数据为
Figure FDA00039495200900000319
3.根据权利要求1所述的一种主瓣干扰下阵列雷达导引头的单脉冲测角方法，步骤(3)中所述的构建线性补偿关系式，包括有如下步骤：
(3a)生成的和差波束按如下公式计算：
Figure FDA0003949520090000041
Figure FDA0003949520090000042
Figure FDA0003949520090000043
Figure FDA0003949520090000044
Figure FDA0003949520090000045
Figure FDA0003949520090000046
Figure FDA0003949520090000047
其中，(u0,v0)为波束指向的方向余弦值，ysub(u,v)表示每个子阵共有的和波束方向图，w等于2π/λ，(xk,zk)表示第k个子阵相位中心的坐标，U1、U2、U3分别表示位于整个阵列右上四分之一内选取数据的子阵数，U1＝3,U2＝U3＝2；
(3b)在波束指向附近，第一俯仰差波束
Figure FDA0003949520090000048
与和波束Σ的比值
Figure FDA0003949520090000049
第一双差波束
Figure FDA00039495200900000410
与第一方位差波束
Figure FDA00039495200900000411
的比值
Figure FDA00039495200900000412
第二方位差波束
Figure FDA00039495200900000413
与和波束Σ的比值
Figure FDA00039495200900000414
第二双差波束
Figure FDA00039495200900000415
与第二俯仰差波束
Figure FDA00039495200900000416
的比值
Figure FDA00039495200900000417
分别表示如下：
Figure FDA00039495200900000418
Figure FDA00039495200900000419
Figure FDA0003949520090000051
Figure FDA0003949520090000052
当目标接近主瓣波束指向时，u趋于u0，v趋于v0，按如下公式计算：
Figure FDA0003949520090000053
Figure FDA0003949520090000054
Figure FDA0003949520090000055
Figure FDA0003949520090000056
得到在波束指向附近，
Figure FDA0003949520090000057
与
Figure FDA0003949520090000058
之间的关系，
Figure FDA0003949520090000059
与
Figure FDA00039495200900000510
之间的关系，分别表示如下：
Figure FDA00039495200900000511
Figure FDA00039495200900000512
(3c)根据得到的线性补偿关系式调整单脉冲查找表，并对第一俯仰差波束
Figure FDA00039495200900000513
及第二方位差波束
Figure FDA00039495200900000514
进行线性补偿。
4.根据权利要求1所述的一种主瓣干扰下阵列雷达导引头的单脉冲测角方法，步骤(4a)中所述的俯仰向和差通道输出公式表述如下：
Figure FDA00039495200900000515
Figure FDA00039495200900000516
其中，
Figure FDA00039495200900000517
为俯仰向和通道的输出，
Figure FDA00039495200900000518
为俯仰向差通道的输出，yΣ为和通道的输出，
Figure FDA00039495200900000519
为线性补偿后的俯仰差波束的输出，
Figure FDA00039495200900000520
为自适应处理的辅助信号，
Figure FDA00039495200900000521
为形成俯仰向自适应和波束的自适应权，
Figure FDA00039495200900000522
形成俯仰向自适应差波束的自适应权。
5.根据权利要求1所述的一种主瓣干扰下阵列雷达导引头的单脉冲测角方法，步骤(4b)中所述的方位向和差通道输出公式表述如下：
Figure FDA0003949520090000061
Figure FDA0003949520090000062
其中，
Figure FDA0003949520090000063
为方位向和通道的输出，
Figure FDA0003949520090000064
为方位向差通道的输出，yΣ为和通道的输出，
Figure FDA0003949520090000065
为线性补偿后的俯仰差波束的输出，
Figure FDA0003949520090000066
为自适应处理的辅助信号，
Figure FDA0003949520090000067
为形成方位向自适应和波束的自适应权，
Figure FDA0003949520090000068
形成方位向自适应差波束的自适应权。
6.根据权利要求1所述的一种主瓣干扰下阵列雷达导引头的单脉冲测角方法，步骤(5)中的角度测量，包括有如下步骤：
(5a)利用自适应波束对目标的俯仰角进行测量，按如下公式计算：
Figure FDA0003949520090000069
其中，
Figure FDA00039495200900000610
为俯仰向差通道的输出，
Figure FDA00039495200900000611
为俯仰向和通道的输出，
Figure FDA00039495200900000612
为目标俯仰向角度的估计值；
(5b)利用自适应波束对目标的方位角进行测量，按如下公式计算：
Figure FDA00039495200900000613
其中，
Figure FDA00039495200900000614
为方位向差通道的输出，
Figure FDA00039495200900000615
为方位向和通道的输出，
Figure FDA00039495200900000616
为目标方位向角度的估计值。
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