CN110940955A

CN110940955A - 一种雷达极化自适应识别方法及系统

Info

Publication number: CN110940955A
Application number: CN201911019624.7A
Authority: CN
Inventors: 李雷; 成诚; 李锋
Original assignee: HUBEI SANJIANG SPACE XIANFENG ELECTRONIC INFORMATION CO Ltd
Current assignee: HUBEI SANJIANG SPACE XIANFENG ELECTRONIC INFORMATION CO Ltd
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2020-03-31
Anticipated expiration: 2039-10-24
Also published as: CN110940955B

Abstract

本发明公开了一种雷达极化自适应识别方法及系统，其利用特定的天线阵接收待识别雷达信号，对接收信号依次进行正交移相和相位补偿；解析补偿后的接收信号以得到第一天线信号与中心天线信号的相位差、第二天线信号与中心天线信号的相位差和第三天线与中心天线的相位差，依据上述三个相位差计算得到天线阵的极化角，依据天线阵的极化角判断待识别雷达信号是否为45°斜极化、135°斜极化、垂直极化或水平极化；解析补偿后的接收信号以得到第一天线信号幅度和中心天线信号幅度，依据获取的第一天线信号和中心天线信号的幅度比，判断待识别雷达信号是否为左旋圆极化或右旋圆极化，从而提高待识别雷达信号的极化方式判别的准确度，以实现在宽频段、高信噪比，极化实时变换的条件下高精度测向。

Description

一种雷达极化自适应识别方法及系统

技术领域

本发明属于雷达极化识别领域，具体涉及一种雷达极化自适应识别方法及系统。

背景技术

现代战场电磁环境变得日益复杂，对雷达侦察设备侦察能力的要求也越来越高。传统电子战接收机体制已不能满足高密度复杂电磁环境的要求。因此，各种新体制电子战接收机备受关注。雷达目标识别、分类技术已经成为现代电子战的关键性课题。幅度、相位及波形等时域信息和频域信息是雷达信号的重要参量，极化信息也是雷达信号的一种重要表现形式，在雷达目标检测、识别、滤波增强方面有着很多的优势，若能正确提取出目标雷达的极化信息，将会极大提高目标雷达的检测、识别。

反辐射导弹(ARM)具有高速、宽工作频带、高灵敏度等优点，是击毁敌方雷达设施和有源电子干扰设施的强有力武器，对雷达的生存构成了致命的威胁。被动雷达是反辐射导弹(ARM)的关键部件，被誉为ARM的“眼睛”，主要功能是完成对辐射源的分选、截获和跟踪，其技术性能将直接影响反辐射导弹的作战性能。被动导引头具有作用距离远、体积小、智能化高、抗干扰能力强等优点，为了进一步提高测角精度，目前国内外的被动雷达导引头大都采用相位干涉仪进行测向，但是由于受客观条件限制，均未进行极化测量功能设计，在目标雷达极化已知的情况下，能对目标雷达进行准确测向，若目标雷达极化实时进行变换，可能导致导引头测向急剧恶化，测向精度变差，无法满足导引头作战要求。但随着极化域重要性的逐渐显现和现代电子对抗的需要，被动雷达目标极化方式识别必将成为一个研究重点。

现有技术主要以双极化天线和幅度识别法来进行雷达极化识别，结构简单，易于工程实现，但由于双极化天线在工程上难以做到幅度完全一致，因此现有技术在信噪低时无法无效根据幅度来判断雷达极化方式，为满足在宽频段、高信噪比，极化实时变换的条件下高精度测向，有必要进行新的雷达极化识别方法研究。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种雷达极化自适应识别方法及系统，其利用特定的天线阵接收待识别雷达信号，对接收信号依次进行正交移相和相位补偿，解析补偿后的接收信号计算得到天线阵的极化角，依据天线阵的极化角判断待识别雷达信号的极化方式，还通过依据获取的第一天线信号和中心天线信号的幅度比，判断待识别雷达信号是否为左旋圆极化或右旋圆极化，从而提高待识别雷达信号的极化方式判别的准确度，以实现在宽频段、高信噪比，极化实时变换的条件下高精度测向。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种雷达极化自适应识别方法，包括如下步骤：

利用天线阵接收待识别雷达信号，对接收信号依次进行正交移相和相位补偿，其中，天线阵包括中心天线、第一天线、第二天线和第三天线，第一天线、第二天线和第三天线与中心天线的角度差依次为45°、180°和270°，第二天线与中心天线的距离和第三天线与中心天线的距离相同，第一天线与中心天线的距离为第二天线与中心天线的距离的

倍，第二天线、第三天线和中心天线为极化方向相同的圆极化天线，第一天线为与中心天线极化方向相反的圆极化天线；

解析补偿后的接收信号以得到第一天线信号与中心天线信号的相位差、第二天线信号与中心天线信号的相位差和第三天线与中心天线的相位差，依据上述三个相位差计算得到天线阵的极化角，依据所述天线阵的极化角判断待识别雷达信号是否为45°斜极化、135°斜极化、垂直极化或水平极化；

解析补偿后的接收信号以得到第一天线信号幅度和中心天线信号幅度，依据获取的天第一天线信号和中心天线信号的幅度比，判断待识别雷达信号是否为左旋圆极化或右旋圆极化。

作为本发明的进一步改进，天线阵还包括第四天线和第五天线，其中，第四天线和第五天线与中心天线的角度差分别为0°和90°，第四天线与中心天线的距离和第五天线与中心天线的距离相同，第四天线和第五天线为与中心天线的极化方向相同的圆极化天线。

作为本发明的进一步改进，第四天线与中心天线的距离大于第二天线与中心天线的距离，第二天线与中心天线的距离为30～45mm，第四天线与中心天线的距离为43～64mm。

作为本发明的进一步改进，第一天线、第二天线和第三天线与中心天线的角度差依次替换为45°、0°和90°。

作为本发明的进一步改进，对接收信号进行正交移相和相位补偿具体为：对各个通道天线的输入信号进行FFT计算，得到相应的IQ信号和频率值；以中心天线输入信号为参考信号，得到其他输入信号与中心天线输入信号的相位差值；并将FFT所得到的频率值作为查找相位的基地址，设置频率步进值，对步进后的频率重复FFT计算，更新相位差值；迭代至终止频率时，输出的相位差值即各个通道天线的相位补偿值。

作为本发明的进一步改进，天线阵的极化角为0°±10°，判断待识别雷达信号为垂直极化；天线阵的极化角为90°±10°，判断待识别雷达信号为45°斜极化；天线阵的极化角为-90°±10°，判断待识别雷达信号为135°斜极化；天线阵的极化角为180°±10°，判断待识别雷达信号为水平极化。

作为本发明的进一步改进，判断待识别雷达信号是否为左旋圆极化或右旋圆极化具体为：

解析补偿后的接收信号以得到第一天线信号幅度A₁和中心天线信号幅度A₀，获取第一天线信号和中心天线信号的幅度比c＝10log(A₁/A₀)，选择判别阈值η，当|c|＞η且c＞0，则待识别雷达信号为左旋圆极化；当|c|＞η且c＜0，则待识别雷达信号为右旋圆极化。

作为本发明的进一步改进，该方法还包括如下步骤：利用双极化天线获取待识别雷达信号的水平分量和垂直分量，利用最小幅度识别法判断待识别雷达信号是左旋椭圆极化和右旋椭圆极化。

作为本发明的进一步改进，将最小幅度识别法识别结果作为验证，如两次判断结果不同则重新进行所述方法的计算识别。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了种雷达极化自适应识别系统，其包括天线阵、至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，天线阵包括中心天线、第一天线、第二天线和第三天线，第一天线、第二天线和第三天线与中心天线的角度差依次为45°、180°和270°，第二天线与中心天线的距离和第三天线与中心天线的距离相同，第一天线与中心天线的距离为第二天线与中心天线的距离的

倍，第二天线、第三天线和中心天线为极化方向相同的圆极化天线，第一天线为与中心天线极化方向相反的圆极化天线，上述存储单元存储有计算机程序，当上述程序被上述处理单元执行时，使得上述处理单元执行上述方法的步骤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的一种雷达极化自适应识别方法及系统，其利用特定的天线阵接收待识别雷达信号，对接收信号依次进行正交移相和相位补偿，解析补偿后的接收信号计算得到天线阵的极化角，依据天线阵的极化角判断待识别雷达信号的极化方式，还通过依据获取的第一天线信号和中心天线信号的幅度比，判断待识别雷达信号是否为左旋圆极化或右旋圆极化，借助天线阵对极化具有较好敏感特性，进行极化识别，该结果具有较高的准确度，从而提高待识别雷达信号的极化方式判别的准确度，以实现在宽频段、高信噪比，极化实时变换的条件下高精度测向。

本发明的一种雷达极化自适应识别方法及系统，其通过特定的相位补偿方式，即对来天线信号进行FFT计算得到IQ信号，分别计算任意角度对应的正弦和余弦，然后在FPGA中对IQ信号进行计算，最后进行IFFT计算，最终得到任意角度移相后的时域波形，从而实现对实时可变的相位做出快速补偿。

本发明的一种雷达极化自适应识别方法及系统，其通过依靠最小幅度判别法可以基本分辨各种形式的雷达极化作为验证依据，利用天线阵的识别结果与最小幅度识别法的结果相互补充，可大大提高了识别的置信度。

附图说明

图1是本发明实施例的一种雷达极化自适应识别方法的流程示意图；

图2是本发明实施例的天线阵的结构示意图；

图3是本发明实施例的相位补偿的示意图；

图4是本发明实施例的最小幅值识别法的示意图。

具体实施方式

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

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

图1是本发明实施例的一种雷达极化自适应识别方法的流程示意图。如图1所示，一种雷达极化自适应识别方法，其包括如下步骤：

作为一个示例，各天线与中心天线信号的相位差可依据下述公式进行推导：

其中，m为某天线在x方向上与中心天线的距离，n为某天线在y方向上与中心天线的距离，λ为雷达信号入射波的波长，φ为雷达信号入射方向在x、y平面投影与x方向的夹角，θ定义为雷达信号入射方向与天线阵垂直法向的夹角。

因此，第一天线信号与中心天线信号的相位差

第二天线信号与中心天线信号的相位差

和第三天线与中心天线的相位差

可分别表示为：

由于，第一天线与中心天线夹角为45°，第一天线与中心天线的距离为第二天线与中心天线的距离的

倍，即R₁cosα＝R₁cosα＝R₂，因此

以上分析均为理论分析，而天线1为左旋天线，实际相位差存在一个极化角的偏差，其他天线则不存在极化角偏差。则实际相位差与理论相位差存在如下关系：

可推出天线阵的极化角

由此可知，该天线阵对雷达极化方式在相位上有较好的敏感度和线性度。

作为一个优选的实施例，图2是本发明实施例的天线阵的结构示意图。如图2所示，作为一个优选的实施例，该天线阵还包括第四天线和第五天线，其中，第四天线和第五天线与中心天线的角度差分别为0°和90°，第四天线与中心天线的距离和第五天线与中心天线的距离相同，第四天线和第五天线为与中心天线的极化方向相同的圆极化天线。作为一个示例，第四天线与中心天线的距离大于第二天线与中心天线的距离，第二天线与中心天线的距离为30～45mm，优选值为40mm，第四天线与中心天线的距离为43～64mm，优选值为55mm。其中，可通过第四天线、第五天线和中心天线测量来波方向。

作为一个另外的实施例，第一天线、第二天线和第三天线与中心天线的角度差还可以依次为45°、0°和90°，该天线阵还包括第四天线和第五天线，其中，第四天线和第五天线与中心天线的角度差分别为180°和270°，第四天线与中心天线的距离和第五天线与中心天线的距离相同，第四天线与中心天线的距离大于第二天线与中心天线的距离，可依据上次推导过程进行类似推导，得到天线阵的极化角的表达方式，在此，不做累述。

图3是本发明实施例的相位补偿的示意图。如图3所示，作为一个优选的实施例，对接收信号进行正交移相和相位补偿具体为，对各个通道天线的输入信号进行FFT计算，得到相应的IQ信号和频率值；以中心天线输入信号为参考信号，得到其他输入信号与中心天线输入信号的相位差值；将相位差值保存在雷达信号处理板的flash中，并将FFT所得到的频率值作为查找相位的基地址；设置频率步进值，对步进后的频率重复FFT计算，更新flash中存储的相位差值；迭代至终止频率，flash中的所存储的相位差值即各个通道天线的相位补偿值。

假设某一路接收信号的时域信号波形为V₀，初始相位为φ，移相φ₀后的时域信号波形为V₁，信号V₀和V₁经过FFT变换后为：

V₀＝Re[V₀]+j*Im[V₀]、V₁＝Re[V₁]+j*Im[V₁]

同时，傅立叶变换后为：

V₀＝A*e^jφ＝A(cosφ+j*sinφ)、

从上述公式可知

Re[V₀]＝A cosφ、Im[V₀]＝A sinφ；

Re[V₁]＝A cos(φ+φ₀)＝A(cosφcosφ₀-sinφsinφ₀)；

Im[V₁]＝A sin(φ+φ₀)＝A(sinφcosφ₀-cosφsinφ₀)；

其中A为信号幅度，将Re[V₀]和Im[V₀]代入可得：

Re[V₁]＝Re[V₀]cosφ₀-Im[V₀]sinφ₀

Im[V₁]＝Im[V₀]cosφ₀+Re[V₀]sinφ₀

从上述推导可以看出在信号V₀已知的情况下，可以得到等幅平移后的信号V₁傅立叶变换的结果，把序列大于奈奎斯特频率的所有部分置为零，然后进行傅立叶反变换就实现了信号的移相，且相移角度为任意角度。

具体地，以6路雷达信号输入为示例，通道相位补偿的步骤为：

1.在保证6路雷达信号硬件输入一致的情况，按照频率步进模拟输入相同相位的某一个起始频率雷达信号，在FPGA中对6路信号进行FFT计算，得到雷达频域IQ信息和频率值并保存；选定天线5作为基准；

2.通过IQ信号离线计算天线0，1，2，3，4，5的相位XW0～XW5，并分别与天线0的相位做减法计算得到五个相位差XW1_0、XW2_0、XW3_0、XW4_0、XW5_0，将5组相位差保存在雷达信号处理板的flash中，并将FFT所得到的频率值作为查找该5个相位的基地址；

3.频率步进设置为100M，返回步骤1)，对第二个频率重复FFT计算，相位计算及保存到flash的操作，直到终止频率，则flash中的所存储的相位差值即各个通道的相位补偿值；

在实际运行环境下，对于任意空间来波，在FPGA中对6路信号进行FFT计算，得到频率及6路IQ信号，每一路信号通过频率在flash中查询到所对应的相位差值，计算相位差值的正弦和余弦，对IQ信号(I对应虚部，Q对应实部)进行计算，最后进行IFFT计算，最终得到6路补偿后的时域波形。任意角度相移与通道补偿的步骤类似，可描述为：在实际环境下，对于任意空间来波，在FPGA中对来天线信号进行FFT计算，得到IQ信号，分别计算任意角度对应的正弦和余弦，然后在FPGA对IQ信号进行计算，最后进行IFFT计算，最终得到任意角度移相后的时域波形。

解析补偿后的接收信号以得到第一天线信号与中心天线信号的相位差

第二天线信号与中心天线信号的相位差

和第三天线与中心天线的相位差

依据上述三个相位差计算得到天线阵的极化角，作为一个示例，

依据获取的天线阵的极化角判断待识别雷达信号是否为45°斜极化、135°斜极化、垂直极化或水平极化；

具体地，作为一个优选，当σ＝0°±10°，判断待识别雷达信号为垂直极化；当σ＝90°±10°，判断待识别雷达信号为45°斜极化；当σ＝-90°±10°，判断待识别雷达信号为135°斜极化；当σ＝180°±10°，判断待识别雷达信号为水平极化；当然，以上阈值设定仅为一个优选的示例，σ的阈值范围可依据测试精度的需求进行相应的调整。

解析补偿后的接收信号以得到第一天线信号幅度A₁和中心天线信号幅度A₀，获取第一天线信号和中心天线信号的幅度比c＝10log(A₁/A₀)，依据获取的第一天线信号和中心天线信号的幅度比判断待识别雷达信号是否为左旋圆极化或右旋圆极化。由于天线1为左旋天线，中心天线0为右旋天线，因此两种天线对不同旋向的圆极化信号非常敏感，0号天线对右旋圆极化信号能够准确接收，但对左旋圆极化信号则完全抑制，反之1号天线对左旋圆极化信号具备完全接收能力，对右旋圆极化则完全抑制，因此可以通过判断1、0路的幅度特性来识别左旋圆极化和右旋圆极化。

作为一个示例，选择判别阈值η，当|c|＞η且c＞0，则待识别雷达信号为左旋圆极化；当|c|＞η且c＜0，则待识别雷达信号为右旋圆极化。

通过上述天线阵接收雷达信号，借助上述天线阵对极化具有较好敏感特性，进行极化识别，该结果具有较高的准确度，但是无法识别左/右旋椭圆极化，且计算速度较慢，与最小幅度识别法的结果相互补充可大大提高了识别的置信度。

作为一个优选的实施例，该方法还包括如下步骤：利用双极化天线获取待识别雷达信号的水平分量和垂直分量，利用最小幅度识别法判断待识别雷达信号是左旋椭圆极化和右旋椭圆极化；作为一个示例，将最小幅度识别法识别结果作为验证，如两次判断结果不同，则重新计算识别。左右旋椭圆极化识别结果则完全依据最小幅度识别法。单纯依靠最小幅度识别法可以基本分辨各种形式的雷达极化，且于只使用两路雷达信号，信号处理简单且易于实现，但由于天线制造工艺方面的偏差，使得双极化天线输出的H和V路幅度响应并不一致，且幅度受信噪比影响较大，当信噪比较低时，容易出现多个幅度接近的最小值，导致判别错误，而相位特性受幅度和信噪比影响较低。

图4是本发明实施例的最小幅值识别法的示意图。如图4所示，最小幅值识别方法具体为，

1)通过正交双极化天线，接收固定极化方式的雷达辐射信号得到H和V，H和V均为正(余)弦信号；

2)分别求出H、V、H+jV、H-jV、H+V、H-V、H+jV_a、H-jV_a信号，其中jV表示将V信号相位移动90°后的信号，jV_a表示将V的相位移动任意a角度的信号，其中0°＜a＜180°，a≠90°，以θ(0°＜θ＜20°)为步进计算(180-2θ)/θ个H+jV_a，(180-2θ)/θ个H-jV_a及H、V、H+V、H-V、H+jV、H-jV一共

个信号组(以步进值来决定有多少组，作为一个示例，采用10度一个步进，所以一共38组)；

3)求出信号组中每一个信号的幅度，求信号幅度的方法为：对信号每一个采样点先求平方，然后每8个点滑动求取均值，然后将滑动均值通过一个低通滤波器可得到稳定的幅度信息；

4)在38个幅度信号中寻找最小值，当V最小时判断雷达辐射信号为水平极化，当H为最小时，判断雷达辐射极化为垂直极化，当H+V最小时为135°斜极化，当H-V最小是判断为45度斜极化，H+jV最小时为左旋圆极化，当H-jV最小时为右旋圆极化，当H+jV_a为最小且a≠90°时，判断左旋椭圆极化，当H-jV_a为最小且a≠90°时，判断右旋椭圆极化。

一种雷达极化自适应识别系统，其包括天线阵、至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，天线阵包括中心天线、第一天线、第二天线和第三天线，第一天线、第二天线和第三天线与中心天线的角度差依次为45°、180°和270°，第二天线与中心天线的距离和第三天线与中心天线的距离相同，第一天线与中心天线的距离为第二天线与中心天线的距离的

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种雷达极化自适应识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

利用天线阵接收待识别雷达信号，对接收信号依次进行正交移相和相位补偿，其中，所述天线阵包括中心天线、第一天线、第二天线和第三天线，第一天线、第二天线和第三天线与中心天线的角度差依次为45°、180°和270°，第二天线与中心天线的距离和第三天线与中心天线的距离相同，第一天线与中心天线的距离为第二天线与中心天线的距离的

解析补偿后的接收信号以得到第一天线信号幅度和中心天线信号幅度，依据获取的第一天线信号和中心天线信号的幅度比，判断待识别雷达信号是否为左旋圆极化或右旋圆极化。

2.根据权利要求1所述的一种雷达极化自适应识别方法，其特征在于，所述天线阵还包括第四天线和第五天线，其中，第四天线和第五天线与中心天线的角度差分别为0°和90°，第四天线与中心天线的距离和第五天线与中心天线的距离相同，第四天线和第五天线为与中心天线的极化方向相同的圆极化天线。

3.根据权利要求2所述的一种雷达极化自适应识别方法，其特征在于，第四天线与中心天线的距离大于第二天线与中心天线的距离，第二天线与中心天线的距离为30～45mm，第四天线与中心天线的距离为43～64mm。

4.根据权利要求1所述的一种雷达极化自适应识别方法，其特征在于，所述第一天线、第二天线和第三天线与中心天线的角度差依次替换为45°、0°和90°。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种雷达极化自适应识别方法，其特征在于，对接收信号进行正交移相和相位补偿具体为：对各个通道天线的输入信号进行FFT计算，得到相应的IQ信号和频率值；以中心天线输入信号为参考信号，得到其他输入信号与中心天线输入信号的相位差值；并将FFT所得到的频率值作为查找相位的基地址，设置频率步进值，对步进后的频率重复FFT计算，更新相位差值；迭代至终止频率时，输出的相位差值即各个通道天线的相位补偿值。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种雷达极化自适应识别方法，其特征在于，所述天线阵的极化角为0°±10°，判断待识别雷达信号为垂直极化；所述天线阵的极化角为90°±10°，判断待识别雷达信号为45°斜极化；所述天线阵的极化角为-90°±10°，判断待识别雷达信号为135°斜极化；所述天线阵的极化角为180°±10°，判断待识别雷达信号为水平极化。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的一种雷达极化自适应识别方法，其特征在于，判断待识别雷达信号是否为左旋圆极化或右旋圆极化具体为：

解析补偿后的接收信号以得到第一天线信号幅度A₁和中心天线信号幅度A₀，获取第一天线信号和中心天线信号的幅度比c＝10log(A₁/A₀),选择判别阈值η，当|c|>η且c>0，则待识别雷达信号为左旋圆极化；当|c|>η且c＜0，则待识别雷达信号为右旋圆极化。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的一种雷达极化自适应识别方法，其特征在于，该方法还包括如下步骤：利用双极化天线获取待识别雷达信号的水平分量和垂直分量，利用最小幅度识别法判断待识别雷达信号是左旋椭圆极化和右旋椭圆极化。

9.根据权利要求8的一种雷达极化自适应识别方法，其特征在于，将最小幅度识别法识别结果作为验证，如两次判断结果不同则重新进行所述方法的计算识别。

10.一种雷达极化自适应识别系统，其特征在于，其包括天线阵、至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，所述天线阵包括中心天线、第一天线、第二天线和第三天线，第一天线、第二天线和第三天线与中心天线的角度差依次为45°、180°和270°，第二天线与中心天线的距离和第三天线与中心天线的距离相同，第一天线与中心天线的距离为第二天线与中心天线的距离的

倍，第二天线、第三天线和中心天线为极化方向相同的圆极化天线，第一天线为与中心天线极化方向相反的圆极化天线，所述存储单元存储有计算机程序，当所述程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元执行权利要求1～9任一权利要求所述方法的步骤。