CN111090094B - 脉冲多普勒雷达的双波束角度测量方法、系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种脉冲多普勒雷达的双波束角度测量方法，包括：雷达发射机发射射频信号，接收机接收射频信号并进行数字下变频，获得实测回波信号；将所获得的回波信号合成第一方位波束和第一俯仰波束、第二方位波束和第二俯仰波束；分别对第一方位波束和第二方波波束公共角度部分进行线性加权得到方位测角角度‑幅度曲线，第一俯仰波束和第二俯仰波束公共角度部分进行线性加权得到俯仰测角角度‑幅度曲线；根据计算所得方位测角角度‑幅度曲线和俯仰测角角度‑幅度曲线分别拟合得到方位角和俯仰角测角斜率；根据测角斜率与实测得到的方位幅度与俯仰幅度计算得到对应的方位角与俯仰角。本发明实现了探测目标方位角与俯仰角的目的。
Description
技术领域
本发明属雷达技术领域，特别涉及一种脉冲多普勒雷达的双波束角度测量方法、系统及存储介质。
背景技术
脉冲多普勒雷达，是一种利用多普勒效应来探测运动目标的位置和相对运动速度的雷达。随着高科技技术的不断发展，脉冲多普勒雷达的应用越来越广泛。具体应用中，为了确定目标的空间位置，雷达在大多数应用情况下，不仅要测定目标的距离，而且还要测定目标的方向，即测定目标的角坐标，其中包括目标的方位角与俯仰角(高低角)。在一般的工程应用中，方位角与俯仰角测量一般基于和波束、方位差波束、俯仰差波束基于幅相法完成测角。但是，基于幅相的测角方法存在一个较大的缺陷，即雷达的相位容易受到硬件或测试环境等外界条件的扰动，从而导致最终的测角精度较差。
因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新的提出一种有效的脉冲多普勒雷达的双波束角度测量方法，旨在提高测量的精度和鲁棒性，克服现有技术的缺陷，满足实际应用中的更多需求。
发明内容
本申请实施例的目的是提出一种脉冲多普勒雷达的双波束角度测量方法，旨在基于雷达回波数据，通过数字波束合成技术合成方位双波束、俯仰双波束，并基于双波束幅度信息实现探测目标方位角与俯仰角，提高测量的精度和鲁棒性。
为解决上述技术问题，本申请实施例是这样实现的：
根据本申请实施例的第一方面，提出了一种脉冲多普勒雷达的双波束角度测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
雷达发射机发射射频信号，接收机接收射频信号并进行数字下变频，获得实测回波信号；
用数字波束合成技术将所获得的回波信号合成第一方位波束和第一俯仰波束、第二方位波束和第二俯仰波束；
分别对第一方位波束和第二方位波束公共角度部分进行线性加权得到方位测角角度-幅度曲线，第一俯仰波束和第二俯仰波束公共角度部分进行线性加权得到俯仰测角角度-幅度曲线；
根据计算所得方位测角角度-幅度曲线和俯仰测角角度-幅度曲线分别拟合得到方位角和俯仰角测角斜率；
根据测角斜率与实测得到的方位幅度与俯仰幅度计算得到对应的方位角与俯仰角。
在本申请的一些实施例中，所述方法在基于雷达阵面，按某一高度飞行某型号飞行器时实现。
在本申请的一些实施例中，所述射频信号为具有远距离传输能力的高频电磁波。
在本申请的一些实施例中，所述射频信号的频率为16GHZ，其中HZ为频率单位。
在本申请的一些实施例中，所述的数字下变频为一种混频技术，通过混频操作得到比原始信号频率低的一种技术手段。
在本申请的一些实施例中，所述雷达阵面类型包括一维线阵、二维面阵和圆阵。
在本申请的一些实施例中，所述接收机接收射频信号进行数字下变频后得到基带信号，基带信号为信号频率从0附近起始的信号。
在本申请的一些实施例中，所述分别对第一方位波束和第二方波波束进行线性加权得到方位测角角度-幅度曲线，第一俯仰波束和第二俯仰波束公共角度部分进行线性加权得到俯仰测角角度-幅度曲线，包括以下子步骤：
基于第一方位波束和第二方波波束进行线性加权得到方位测角角度-幅度曲线；
基于第一俯仰波束和第二俯仰波束公共角度部分进行线性加权得到俯仰测角角度-幅度曲线。
根据本申请实施例的第二方面，提供了一种脉冲多普勒雷达的双波束角度测量系统，所述系统包括：
获取模块，用于雷达发射机发射射频信号，接收机接收射频信号并进行数字下变频，获得实测回波信号；
合成模块，用于用数字波束合成技术将所获得的回波信号合成第一方位波束和第一俯仰波束、第二方位波束和第二俯仰波束；
处理模块，用于分别对第一方位波束和第二方波波束进行线性加权得到方位测角角度-幅度曲线，第一俯仰波束和第二俯仰波束公共角度部分进行线性加权得到俯仰测角角度-幅度曲线；
拟合模块，用于根据计算所得方位测角角度-幅度曲线和俯仰测角角度-幅度曲线分别拟合得到方位角和俯仰角测角斜率；
计算模块，用于根据测角斜率与实测得到的方位幅度与俯仰幅度计算得到对应的方位角与俯仰角。
根据本申请实施例的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面中任一项所述的脉冲多普勒雷达的双波束角度测量方法的步骤。
通过本申请实施例中的技术方案，基于雷达回波数据，通过数字波束合成技术合成方位双波束、俯仰双波束，并基于双波束幅度信息实现探测目标方位角与俯仰角的目的。
附图说明
图1示出了根据本申请的一些实施例提供的脉冲多普勒雷达的双波束角度测量方法的流程示意图；
图2示出了根据本申请的一些实施例提供的脉冲多普勒雷达的双波束角度测量方法的实现流程示意图；
图3示出了根据本申请的一些实施例提供的以俯仰角测角为例给出俯仰波束1；
图4示出了根据本申请的一些实施例提供的以俯仰角测角为例给出俯仰波束2；
图5示出了根据本申请的一些实施例提供的为俯仰双波束合成以后的角度-幅度曲线；
图6示出了根据本申请的一些实施例提供的位以固定飞行器按高度300m飞行时，以双波束角度测量方法得到的角度测量值；
图7示出了根据本申请的一些实施例提供的脉冲多普勒雷达的双波束角度测量系统的结构示意框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。
图1示出了根据本申请一些实施例提供的脉冲多普勒雷达的双波束角度测量方法示意图，结合图1对示例实施例中的脉冲多普勒雷达的双波束角度测量方法进行详细的说明。
在步骤S1中，雷达发射机发射射频信号，接收机接收射频信号，并进行数字下变频，获得实测回波信号。
进一步介绍的，所述方法在基于雷达阵面，按某一高度飞行某型号飞行器时实现。
具体实现中，基于由N·M二维子阵组成的分布式雷达阵面，按某一高度飞行某型号飞行器，雷达发射机发射波束宽度为Bw的射频信号sout、接收机接收射频信号并进行数字下变频后可获得不同角度A的N·M路子阵实测回波信号sA×N×M；所述的角度包含方位角与俯仰角，表示为
其中
表示方位角，Aθ表示俯仰角。
在本发明中，所述的射频信号为具有远距离传输能力的高频电磁波，本实例选用但不限于信号频率为16GHz的射频信号，其中Hz为频率单位。
在本发明中，所述的数字下变频为一种混频技术，通过混频操作得到比原始信号频率低的一种技术手段。接收机接收射频信号进行数字下变频后得到基带信号，其中基带信号指信号频率从0附近起始的信号。
在本发明中，所述的雷达阵面类型包含：一维线阵、二维面阵、圆阵等，本实例选用但不限于二维面阵。
在步骤S2中，用数字波束合成技术将所获得的回波信号合成第一方位波束和第一俯仰波束、第二方位波束和第二俯仰波束；
在具体的实现中分为：基于步骤S1得到的回波信号sA×N×M利用数字波束合成技术(DBF)将不同角度A的N·M个子阵回波分别合成方位波束1与俯仰波束1；和基于步骤1得到的回波信号sA×N×M利用数字波束合成技术(DBF)将N·M个子阵回波分别合成方位波束2与俯仰波束2。结合图2示出了的本申请的一些实施例提供的脉冲多普勒雷达的双波束角度测量方法的实现流程示意图。
基于步骤S1得到的回波信号sA×N×M利用数字波束合成技术(DBF)将不同角度A的N·M个子阵回波分别合成方位波束1与俯仰波束1。方位波束1表示为
方位波束1相对于N·M个子阵信号矢量和波束∑sA×N×M偏左
俯仰波束1表示为θD，俯仰波束1相对于N·M个子阵信号矢量和波束∑sA×N×M偏下Δθ，其中，
基于回波信号利用数字波束合成技术得到方位波束1与俯仰波束1主要包含以下步骤：
2a)由射频频率fc与射频信号速度c结合下式计算得到射频信号波长λ
λ＝fc×c
2b)由步骤2a)得到的波长雷达波长λ，及阵元个数M·N、阵元间距d、结合下式得到中间变量k1，k2，
2c)基于步骤2a)与2b)结合下式得到二维导向矢量Va
本实例选用但不限于阵元间距d＝0.76m，M＝N＝2，
Δθ＝2°，基于上式得到方位波束1二维导向矢量
基于步骤2得到的sA×N×M与
结合下式可得到方位波束
俯仰波束1二维导向矢量
基于步骤2得到的sA×N×M与
结合下式可得到俯仰波束1θD
进一步的，基于步骤S1得到的回波信号sA×N×M利用数字波束合成技术(DBF)将N·M个子阵回波分别合成方位波束2与俯仰波束2。方位波束2表示为
方位波束2相对于N·M个子阵信号矢量和波束∑sA×N×M偏右
俯仰波束2表示为θU，俯仰波束2相对于N·M个子阵信号矢量和波束∑sA×N×M偏上Δθ；
基于回波信号利用数字波束合成技术得到方位波束2与俯仰波束2主要包含以下步骤：
基于步骤2a)，2b)，2c)得到方位波束2二维导向矢量
俯仰波束2二维导向矢量
基于步骤2得到的sA×N×M与
结合下式可得到方位波束
基于步骤2得到的sA×N×M与
结合下式可得到俯仰波束2θU
在步骤S3，分别对第一方位波束和第二方位波束公共角度部分进行线性加权得到方位测角角度-幅度曲线，对第一俯仰波束和第二俯仰波束公共角度部分进行线性加权得到俯仰测角角度-幅度曲线；
基于上述步骤得到的方位波束1与方位波束2重叠部分，分别对方位波束1与方位波束2进行线性加权得到方位测角角度-幅度数据，对俯仰波束1与俯仰波束2公共角度部分进行线性加权得到俯仰测角角度-幅度数据；
4a)基于上述步骤得到的方位波束1与方位波束2结合下式得到方位测角角度-幅度数据
4b)基于上述步骤得到的俯仰波束1与俯仰波束2结合下式得到俯仰测角角度-幅度数据θAmp-angle
具体可参照图3示出的俯仰波束1，及图4示出的以俯仰角为例给出的俯仰波束2。
在步骤S4中，根据计算所得方位测角角度-幅度曲线和俯仰测角角度-幅度曲线分别拟合得到方位角和俯仰角测角斜率；
上述步骤得到的方位角、俯仰角角度-幅度曲线分别拟合得到方位角与俯仰角测角斜率
；
5a)由步骤4得到的方位角角度-幅度曲线结合下式获得方位角测角斜率
5b)由步骤4得到的俯仰角角度-幅度曲线结合下式获得俯仰角测角斜率kθ：
具体实现中，参照图5示出了俯仰双波束合成以后的角度-幅度曲线，图6示出了以固定飞行器按高度300m飞行时，以双波束角度测量方法得到的角度测量值。
在步骤S5中，根据测角斜率与实测得到的方位幅度与俯仰幅度，计算得到对应的方位角与俯仰角。
由上述步骤得到的测角斜率与实测得到的方位幅度
与俯仰幅度sθ，可计算得到对应的方位角
与俯仰角
在本申请的示例实施例中，还提供了一种脉冲多普勒雷达的双波束角度测量系统。参照图7所示，该脉冲多普勒雷达的双波束角度测量系统300包括：
获取模块301，用于雷达发射机发射射频信号，接收机接收射频信号并进行数字下变频，获得实测回波信号；
合成模块302，用于用数字波束合成技术将所获得的回波信号合成第一方位波束和第一俯仰波束、第二方位波束和第二俯仰波束；
处理模块303，用于分别对第一方位波束和第二方位波束公共角度部分进行线性加权得到方位测角角度-幅度曲线，第一俯仰波束和第二俯仰波束公共角度部分进行线性加权得到俯仰测角角度-幅度曲线；
拟合模块304，用于根据计算所得方位测角角度-幅度曲线和俯仰测角角度-幅度曲线分别拟合得到方位角和俯仰角测角斜率；
计算模块305，用于根据测角斜率与实测得到的方位幅度与俯仰幅度计算得到对应的方位角与俯仰角。
本申请实施例提供的脉冲多普勒雷达的双波束角度测量系统能够实现前述方法实施例中的各个过程，并达到相同的功能和效果，这里不再重复。
此外，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，一种具体的实施例中，该存储介质可以为U盘、光盘、硬盘等，该存储介质存储的计算机程序被处理器执行时可以实现本申请方法实施例中的步骤。
对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种脉冲多普勒雷达的双波束角度测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
雷达发射机发射射频信号，接收机接收射频信号并进行数字下变频，获得实测回波信号；
用数字波束合成技术将所获得的回波信号合成第一方位波束和第一俯仰波束、第二方位波束和第二俯仰波束；
基于由N·M二维子阵组成的分布式雷达阵面，按某一高度飞行某型号飞行器，雷达发射机发射波束宽度为Bw的射频信号sout、接收机接收射频信号并进行数字下变频后获得不同角度A的N·M路子阵实测回波信号sA×N×M；所述的角度包含方位角与俯仰角，表示为
其中
表示方位角，Aθ表示俯仰角；
所述实测回波信号sA×N×M利用数字波束合成技术DBF将不同角度A的N·M个子阵回波分别合成第一方位波束与第一俯仰波束；
第一方位波束表示为
所述第一方位波束相对于N·M个子阵信号矢量和波束∑sA×N×M偏左
第一俯仰波束表示为θD，第一俯仰波束相对于N·M个子阵信号矢量和波束∑sA×N×M偏下Δθ，其中，
所述实测回波信号sA×N×M利用数字波束合成技术DBF将N·M个子阵回波分别合成第二方位波束与第二俯仰波束；
第二方位波束表示为
第二方位波束相对于N·M个子阵信号矢量和波束∑sA×N×M偏右
第二仰波束表示为θU，第二俯仰波束相对于N·M个子阵信号矢量和波束∑sA×N×M偏上Δθ；
分别对第一方位波束和第二方位波束公共角度部分进行线性加权得到方位测角角度-幅度曲线，对第一俯仰波束和第二俯仰波束公共角度部分进行线性加权得到俯仰测角角度-幅度曲线；包括以下步骤：
基于第一方位波束和第二方位波束公共角度部分进行线性加权得到的方位测角角度-幅度数据
基于第一俯仰波束和第二俯仰波束公共角度部分进行线性加权得到俯仰测角角度-幅度数据θAmp-angle：
根据计算所得方位测角角度-幅度曲线和俯仰测角角度-幅度曲线分别拟合得到方位角和俯仰角测角斜率；
所述方位角测角斜率
所述俯仰角测角斜率kθ：
其中，
表示方位角，Aθ表示俯仰角；方位波束
方位波束2表示为
俯仰波束2表示为θU，俯仰波束1θD；
根据测角斜率与实测得到的方位幅度
与俯仰幅度sθ，计算得到对应的方位角：
俯仰角
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射频信号为具有远距离传输能力的高频电磁波。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述射频信号的频率为16GHz。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述雷达阵面类型包括一维线阵、二维面阵和圆阵。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述接收机接收射频信号进行数字下变频后得到基带信号，基带信号为信号频率从0附近起始的信号。
6.一种脉冲多普勒雷达的双波束角度测量系统，所述系统执行实现权利要求1-5任一项所述的脉冲多普勒雷达的双波束角度测量方法，其特征在于，所述系统包括：
获取模块，用于雷达发射机发射射频信号，接收机接收射频信号并进行数字下变频，获得实测回波信号；
合成模块，用于用数字波束合成技术将所获得的回波信号合成第一方位波束和第一俯仰波束、第二方位波束和第二俯仰波束；
处理模块，用于分别对第一方位波束和第二方位波束公共角度部分进行线性加权得到方位测角角度-幅度曲线，第一俯仰波束和第二俯仰波束公共角度部分进行线性加权得到俯仰测角角度-幅度曲线；
拟合模块，用于根据计算所得方位测角角度-幅度曲线和俯仰测角角度-幅度曲线分别拟合得到方位角和俯仰角测角斜率；
计算模块，用于根据测角斜率与实测得到的方位幅度与俯仰幅度计算得到对应的方位角与俯仰角。
7.一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1-5任一项所述的脉冲多普勒雷达的双波束角度测量方法的步骤。
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| CN111090094A (zh) | 2020-05-01 |
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