CN110196414A - 一种基于补偿天线方向图误差的天线波束指向方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于补偿天线方向图误差的天线波束指向方法，本发明涉及天线波束指向方法。本发明的目的是为了解决现有方法在天线方向图误差背景下，经典的数字波束形成技术无法对目标的角度进行有效的估计的问题。过程为：一：通过有源校正的方式，对阵列的天线方向图进行测量，得到天线的每个角度的天线方向图误差数据；二：得到通道×多普勒×距离三维谱数据；三：对每个阵元的距离多普勒谱进行检测，遍历所有的距离多普勒单元，得到目标，并对目标的距离与速度进行估计；四：得到修正后的权系数；五：利用修正后的权系数对得到的目标进行处理，得到目标的方位估计。本发明用于舰载高频地波雷达信号处理领域。
Description
技术领域
本发明涉及天线波束指向方法，可用于在天线方向图误差背景下雷达的目标方位估计。
背景技术
随着海洋环境监测与国防需求的进一步提升，新体制雷达技术在世界各国均发展迅速。作为新体制雷达技术之一的舰载高频地波雷达，对海上远距离目标的探测有着自身独特的优势。舰载高频地波雷达相较于岸基高频地波雷达，具有更好的灵活性，是一种安装于运动平台上的新体制雷达，能够对远距离的海面舰船目标与超低空飞行的飞机目标进行探测。因此发展舰载高频地波雷达对提高我国的国防能力，保护我国海洋领土权益具有重要意义。
对于舰载高频地波雷达，阵列误差是影响整体天线性能的关键因素之一。在舰船上，受制于舰船可放置天线位置的面积、海况等因素而产生的多径效应、阵列之间的通道幅相误差、互耦误差、位置误差以及方向图误差等等，均会导致原有的天线阵列方向图发生畸变，从而造成性能的大幅度衰减甚至失效。
阵列误差一般可分为四类，一般包括阵列放置所导致的位置误差，阵元之间所导致的互耦误差，各阵元自身产生的通道幅相误差以及阵列方向图误差。Friedlander,B.Asensitivity analysis of the MUSIC algorithm[J].IEEE Transactions onAcoustics,Speech and Signal Processing,1990,38(10):1740-1751.中最早分析了阵列误差对类似MUSIC的超分辨算法的影响，提出超分辨算法对于阵列误差具有较大的灵敏度。Swindlehurst A L,Kailath T.A performance analysis of subspace-based methodsin the presence of model errors.I:The MUSIC algorithm[J].IEEE Transactions onSignal Processing,1992,40(7):1758-1774.与Swindlehurst A,Kailath T.APerformance Analysis of Subspace-Based Methods in the Presence of ModelErrors-Part II:Multidimensional Algorithms[J].Signal Processing IEEETransactions on,1992,41(9):2882-2890.分析了当信号与噪声子空间发生扰动，即受到误差影响时，对超分辨算法的影响，得到了估计误差的理论表达式，给予了克拉美罗界。这些为较早时期对阵列误差进行分析的研究。
对阵列误差的校正，通常根据误差的类型，进行相应的分析。现有的校正算法大致分为自校正与有源校正。有源校正算法在工程中应用较为常见，其大致的测量方法是在已知的位置放置精确的信号源，从而对阵列的天线方向图进行测量，进而得到准确的阵列导向矢量。Weiss A J.Array manifold interpolation for diversely polarized arrays[C]//Conference on Signals,Systems&Computers.IEEE,1992.中设定特定的代价函数，利用对相邻方向导向矢量插值代替掉原有存储一定阵列导向矢量的方式从而实现对阵列误差校正，精度提高的同时，计算量相应提升。但早期的方法对测量精度要求高，且需要预先存储数据，给测量阵列误差带来一定的困难。随着研究的深入，众多研究者将阵列误差的校正问题转化为参数估计问题，即自校正算法。Paulraj A,Kailath T.Direction ofarrival estimation by eigenstructure methods with unknown sensor gain andphase[C]//IEEE International Conference on Acoustics,Speech,&SignalProcessing.IEEE,1985.提出了一种方向通过特征结构方法估计具有未知传感器增益和相位的阵列的波达方位，此方法不需要校准具有已知方向的源。
阵列误差对于阵列天线的性能有着不可忽略的影响。而目前，各国学者研究的重点为对阵列位置误差与互耦误差进行校正与分析，而对于实际工程中，最为常见的天线方向图误差的校正则研究较少，因此，需要一种对天线方向图误差进行校正的方法，对目标的方位进行准确的估计。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有方法在天线方向图误差背景下，经典的数字波束形成技术无法对目标的角度进行有效的估计的问题，而提出一种基于补偿天线方向图误差的天线波束指向方法。
一种基于补偿天线方向图误差的天线波束指向方法具体过程为：
步骤一：通过有源校正的方式，对阵列的天线方向图进行测量，得到天线的每个角度的天线方向图误差数据r(θ)；
步骤二：对舰载高频地波雷达的回波数据进行二维快速傅里叶变换，进行截断处理，得到通道×多普勒×距离三维谱数据，记为CDR；
步骤三：对每个阵元的距离多普勒谱进行检测，遍历所有的距离多普勒单元，得到目标，并对目标的距离与速度进行估计；
步骤四：利用步骤一中获取的误差数据，对原有的数字波束形成方法权系数W进行修正，得到修正后的权系数具体过程为：
步骤四一：构造原有的数字波束形成方法权系数W：
W(θ)＝[w1,…,wm,...,wM]T
其中m＝1,2,...,M，wm＝ej2π·(m-1)·d/λ·cosθ，wm为原有的数字波束形成方法权系数W中第m个元素；
步骤四二：构造修正后的权系数
其中代表Hadamard积，r(θ)为步骤一三中方向为θ的天线方向图误差数据，为修正后的权系数中第m个元素；
步骤五：利用修正后的权系数对步骤三中得到的目标进行处理，得到目标的方位估计；具体过程为：
步骤五一：找到步骤三三得到的目标所在的距离多普勒单元，各距离多普勒单元内的数据为其中 为阵列的接收信号中第m个元素；
步骤五二：基于步骤四二中得到的修正后的权系数和得到最终的输出结果
其中的上角标H代表共轭转置；
步骤五三：遍历所有的角度θ，找到的最大值，得到目标的方位估计。
本发明的有益效果为：
本发明所述的一种基于补偿天线方向图误差的天线波束指向方法，为受天线方向图误差影响的舰载高频地波雷达目标方位估计提供了一种有效的估计方法。通过有源校正的方式，获取到天线方向图误差的数据，从而对原有的阵列导向矢量进行修正，充分利用了误差信息，使得天线方向图得以指向目标方向，降低原有方向图旁瓣，减轻了天线方向图的畸变程度，并首次应用于舰载高频地波雷达对于海上目标的定位。利用本发明中所提出的基于补偿天线方向图误差的天线波束指向方法对舰载高频地波雷达回波数据进行处理，解决了在天线方向图误差条件下，传统数字波束形成方法无法对目标的角度进行有效的估计的问题。
观察图10，传统的数字波束形成方法，其误差值多集中于1.5到3；采用本发明提出的方法，其误差之集中与0到1.5。经计算，传统方法的误差均值为3.38，方差为13.36；补偿后的数字波束形成方法的误差均值为2.38，方差为8.12，两者均优于传统方法，以此证明了本发明方法的有效性。利用本发明中提出的基于补偿天线方向图误差的天线波束指向方法对舰载高频地波雷达回波数据进行处理，解决了在误差条件下，传统数字波束形成方法无法进行目标方位估计的问题。
附图说明
图1是发明的总体流程图
图2是舰载高频地波雷达的接收阵列示意图
图3是某一通道第一次检测结果
图4是某一通道第二次检测结果
图5a是5.6MHz实测天线阵元1幅度误差图；
图5b是5.6MHz实测天线阵元2幅度误差图；
图5c是5.6MHz实测天线阵元3幅度误差图；
图5d是5.6MHz实测天线阵元4幅度误差图；
图5e是5.6MHz实测天线阵元5幅度误差图；
图5f是5.6MHz实测天线阵元6幅度误差图；
图5g是5.6MHz实测天线阵元7幅度误差图；
图5h是5.6MHz实测天线阵元8幅度误差图；
图6a是5.6MHz实测天线阵元1相位误差图；
图6b是5.6MHz实测天线阵元2相位误差图；
图6c是5.6MHz实测天线阵元3相位误差图；
图6d是5.6MHz实测天线阵元4相位误差图；
图6e是5.6MHz实测天线阵元5相位误差图；
图6f是5.6MHz实测天线阵元6相位误差图；
图6g是5.6MHz实测天线阵元7相位误差图；
图6h是5.6MHz实测天线阵元8相位误差图；
图7是本发明方法与传统数字波束形成方法对应的天线方向图对比图；
图8是本发明方法对目标1的角度估计图；
图9是本发明方法对目标2的角度估计图；
图10是本发明方法与传统数字波束形成方法的误差对比图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式一种基于补偿天线方向图误差的天线波束指向方法具体过程为：
步骤一：通过有源校正的方式，对阵列的天线方向图进行测量，得到天线的每个角度的天线方向图误差数据r(θ)；
步骤二：对舰载高频地波雷达的回波数据进行二维快速傅里叶变换(FFT)，进行适当的截断处理，得到通道×多普勒×距离三维谱数据，记为CDR；
步骤三：对每个阵元的距离多普勒谱进行检测，遍历所有的距离多普勒单元，得到目标，并对目标的距离与速度进行精确估计；
步骤四：利用步骤一中获取的误差数据，对原有的数字波束形成方法权系数W进行修正，得到修正后的权系数具体过程为：
步骤四一：构造原有的数字波束形成方法权系数W：
W(θ)＝[w1,…,wm,…,wM]T
其中m＝1,2,...,M，wm＝ej2π·(m-1)·d/λ·cosθ，wm为原有的数字波束形成方法权系数W中第m个元素；
步骤四二：构造修正后的权系数
其中代表Hadamard积，r(θ)为步骤一三中方向为θ的天线方向图误差数据，为修正后的权系数中第m个元素；
步骤五：利用修正后的权系数对步骤三中得到的目标进行处理，得到目标的方位估计；具体过程为：
步骤五一：找到步骤三三得到的目标所在的距离多普勒单元，各距离多普勒单元内的数据为其中 为阵列的接收信号中第m个元素；
步骤五二：基于步骤四二中得到的修正后的权系数和得到最终的输出结果
其中的上角标H代表共轭转置；
步骤五三：遍历所有的角度θ，找到的最大值，得到目标的方位估计。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一中通过有源校正的方式，对阵列的天线方向图进行测量，得到天线的每个角度的天线方向图误差数据r(θ)；具体过程为：
步骤一一：舰载高频地波雷达的接收阵列采用均匀线阵见图2，设阵元个数为M，阵元间距为d，雷达波长为λ＝c/f0，c为光速，f0为载频，在相对阵列合适的位置，与雷达阵列摆放夹角为θ的方位设立目标；
步骤一二：阵列接收目标的回波数据，以第一个阵元得到的数据幅度为基础，将其他阵元得到的数据幅度分别与第一个阵元的数据幅度作差，得到的差值记为该θ方向的幅度扰动ρm(θ),m＝1,2,...,M，
其中，m代表第m个阵元，θ代表目标与雷达阵列摆放夹角；
以第一个阵元得到的数据相位为基础，将其他阵元得到的数据相位分别与第一个阵元得到的数据相位作差值，再减去各阵元之间原有的相位差d/λ·(m-1)·cosθ，记为该θ方向的相位扰动
步骤一三：对得到的幅度扰动与相位扰动进行处理，得到方向θ为的天线方向图误差数据上角标T代表转置，j为虚数单位，j2＝-1；
对目标放置角度进行0°-360°旋转，进行间隔为1°的角度扫描，得到各个角度的天线方向图误差数据。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤二中对舰载高频地波雷达的回波数据进行二维快速傅里叶变换(FFT)，进行适当的截断处理，得到通道×多普勒×距离三维谱数据，记为CDR；具体过程为：
步骤二一：对阵列接收到的目标的回波数据进行脉冲压缩，并进行N-1段的截断处理，得到N个距离单元；
步骤二二：对每个距离单元的全部积累回波作FFT处理，再进行相参积累，得到L个多普勒单元，最终得到通道(阵元个数)×多普勒×距离三维谱数据，记为CDR；
所述FFT为快速傅里叶变换。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤三中对每个阵元的距离多普勒谱进行检测，遍历所有的距离多普勒单元，得到目标，并对目标的距离与速度进行精确估计；具体过程为：
步骤三一：采用CFAR算法对每个阵元对应的距离多普勒单元进行检测，得到目标的距离与速度估计值，记为第一次检测的结果见图3；
步骤三二：对步骤三一检测到的目标的进行插值处理，得到目标的距离与速度准确值，记为第二次检测的结果见图4。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种基于补偿天线方向图误差的天线波束指向方法具体是按照以下步骤实施的：
仿真参数如下表所示：
表1舰载HFSWR系统参数设置
步骤一：通过有源校正的方式，对阵列的天线方向图进行测量，得到天线的每个角度的天线方向图误差数据r(θ)。得到的5.6M实测天线幅度误差与5.6M实测天线相位误差如图5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h和图6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h所示。
步骤二：对舰载高频地波雷达的回波数据进行二维快速傅里叶变换(FFT)，进行适当的截断处理，运用前文介绍的方法，得到通道×多普勒×距离三维谱数据，记为CDR，其大小为8×512×120。
步骤三：对每个阵元的距离多普勒谱进行检测，遍历所有的距离多普勒单元，得到目标，并对其距离与速度进行精确估计。其最终的检测结果如图4所示。
步骤四：利用步骤三中获取的误差数据，对原有的常规数字波束形成方法权系数W进行修正，使之变换为修正后的权系数修正后的权系数与传统数字波束形成方法对应的天线方向图对比如图7所示。
步骤五：利用修正后的权系数对步骤二中得到的目标进行处理，得到目标的方位估计。最终的方位估计目标的结果如图8和图9所示。选取适当的数据，选出92个舰船数据进行统计，将两种方法的对目标的估计角度与AIS提供的数据作差取绝对值，认定其为角度估计的误差值。本发明提出的方法与传统数字波束形成方法的误差对比图如图10所示。
仿真结果证明：
观察图7可知，当受到天线方向图误差影响时，传统的数字波束形成方法对方位的估计发生偏移，且天线方向图发生畸变；采用本发明提出的方法，能够将方位指向对准，且天线方向图畸变减小，旁瓣有较大幅度下降。
观察图8与图9。图8中AIS数据返回角度为24.27°，传统的数字波束形成方法所得角度为26.65°，本发明提出的方法所得角度为24.87°。图9中AIS数据返回角度为0.71°，传统的数字波束形成方法所得角度为1.65°，本发明提出的方法所得角度为0.37°。由数据可知，本发明中所提出的基于补偿天线方向图误差的天线波束指向方法，可以在天线方向图误差环境下，对目标的方位进行更有效的估计。
观察图10，传统的数字波束形成方法，其误差值多集中于1.5到3；采用本发明提出的方法，其误差之集中与0到1.5。经计算，传统方法的误差均值为3.38，方差为13.36；补偿后的数字波束形成方法的误差均值为2.38，方差为8.12，两者均优于传统方法，以此证明了本发明的有效性。利用本发明中提出的基于补偿天线方向图误差的天线波束指向方法对舰载高频地波雷达回波数据进行处理，解决了在误差条件下，传统数字波束形成方法无法进行目标方位估计的问题。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于补偿天线方向图误差的天线波束指向方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤一：通过有源校正的方式，对阵列的天线方向图进行测量，得到天线的每个角度的天线方向图误差数据r(θ)；
步骤二：对舰载高频地波雷达的回波数据进行二维快速傅里叶变换，进行截断处理，得到通道×多普勒×距离三维谱数据，记为CDR；
步骤三：对每个阵元的距离多普勒谱进行检测，遍历所有的距离多普勒单元，得到目标，并对目标的距离与速度进行估计；
步骤四：利用步骤一中获取的误差数据，对原有的数字波束形成方法权系数W进行修正，得到修正后的权系数具体过程为：
步骤四一：构造原有的数字波束形成方法权系数W：
W(θ)＝[w1,…,wm,…,wM]T
其中m＝1,2,...,M，wm＝ej2π·(m-1)·d/λ·cosθ，wm为原有的数字波束形成方法权系数W中第m个元素；
步骤四二：构造修正后的权系数
其中代表Hadamard积，r(θ)为步骤一三中方向为θ的天线方向图误差数据，为修正后的权系数中第m个元素；
步骤五：利用修正后的权系数对步骤三中得到的目标进行处理，得到目标的方位估计；具体过程为：
步骤五一：找到步骤三三得到的目标所在的距离多普勒单元，各距离多普勒单元内的数据为其中 为阵列的接收信号中第m个元素；
步骤五二：基于步骤四二中得到的修正后的权系数和得到最终的输出结果
其中的上角标H代表共轭转置；
步骤五三：遍历所有的角度θ，找到的最大值，得到目标的方位估计。
2.根据权利要求1所述的一种基于补偿天线方向图误差的天线波束指向方法，其特征是：所述步骤一中通过有源校正的方式，对阵列的天线方向图进行测量，得到天线的每个角度的天线方向图误差数据r(θ)；具体过程为：
步骤一一：舰载高频地波雷达的接收阵列采用均匀线阵，设阵元个数为M，阵元间距为d，雷达波长为λ＝c/f0，c为光速，f0为载频，与雷达阵列摆放夹角为θ的方位设立目标；
步骤一二：阵列接收目标的回波数据，以第一个阵元得到的数据幅度为基础，将其他阵元得到的数据幅度分别与第一个阵元的数据幅度作差，得到的差值记为该θ方向的幅度扰动ρm(θ),m＝1,2,…,M，
其中，m代表第m个阵元，θ代表目标与雷达阵列摆放夹角；
以第一个阵元得到的数据相位为基础，将其他阵元得到的数据相位分别与第一个阵元得到的数据相位作差值，再减去各阵元之间原有的相位差d/λ·(m-1)·cosθ，记为该θ方向的相位扰动
步骤一三：对得到的幅度扰动与相位扰动进行处理，得到方向θ为的天线方向图误差数据上角标T代表转置，j为虚数单位，j2＝-1；
对目标放置角度进行0°-360°旋转，进行间隔为1°的角度扫描，得到各个角度的天线方向图误差数据。
3.根据权利要求2所述的一种基于补偿天线方向图误差的天线波束指向方法，其特征是：所述步骤二中对舰载高频地波雷达的回波数据进行二维快速傅里叶变换，进行截断处理，得到通道×多普勒×距离三维谱数据，记为CDR；具体过程为：
步骤二一：对阵列接收到的目标的回波数据进行脉冲压缩，并进行N-1段的截断处理，得到N个距离单元；
步骤二二：对每个距离单元的全部积累回波作FFT处理，再进行相参积累，得到L个多普勒单元，最终得到通道×多普勒×距离三维谱数据，记为CDR；
所述FFT为快速傅里叶变换。
4.根据权利要求3所述的一种基于补偿天线方向图误差的天线波束指向方法，其特征是：所述步骤三中对每个阵元的距离多普勒谱进行检测，遍历所有的距离多普勒单元，得到目标，并对目标的距离与速度进行估计；具体过程为：
步骤三一：采用CFAR算法对每个阵元对应的距离多普勒单元进行检测，得到目标的距离与速度估计值；
步骤三二：对步骤三一检测到的目标的进行插值处理，得到目标的距离与速度。
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