CN111239677B - 基于数字阵列的多波束被动单脉冲测角方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字阵列的多波束被动单脉冲测角方法，以提高传统多波束比幅测向方法的稳健性。具体步骤包括：步骤1，电子侦察设备将多阵元数据进行数字同时多波束处理，完成指定空域的信号截获；步骤2，对上述多个波束的数据进行门限检测，确定目标对应的波束序号和时刻序号；步骤3，采用被动自适应单脉冲方法对存在目标的数据进行处理，得到目标的角度值。本发明提高了传统多波束比幅测向方法的精度和稳健性，提升了电子侦察设备的测向能力。

Description

基于数字阵列的多波束被动单脉冲测角方法

技术领域

本发明涉及电子侦察无源测向技术，具体涉及一种基于数字阵列的多波束被动单脉冲测角方法。

背景技术

无源测向技术是一种不需自主地发射电磁波，完全依靠被动接收辐射源的电磁波，测量出目标方位的技术。无源测向技术因为不自主地发射电磁波，所以隐身性能较好，同时还具有探测距离远、安全性能高、隐蔽接收电磁波等优点，是现代防空预警体系的重要组成部分。尤其是在现代隐身技术、超低空突防技术、反辐射导弹技术和电子干扰技术等高速发展的情况下，更加突显出被动测向技术的优势，在航空航海、侦察预警、测量测绘等方面得到了广泛的应用。

传统的无源测向方法包括比幅测向法，相位干涉仪测向法、空间谱估计测向法等。比幅测向法为全方向振幅单脉冲测向技术，其测向原理是通过比较两个或多个独立的方向性天线所接收的来自远场的电磁波信号强弱来估计获取目标的方位信息，然而该方法易受通道幅度特性不一致的影响，导致比幅测向法的测向精度不高。相位干涉仪测向法是通过阵列天线接收来自远场同一信号的相位差确定辐射源的入射方向，然而该方法对通道相位特性敏感，且缺乏同时多信号测量能力。空间谱估计测向法是利用阵元在天线中的不同位置来获得所接收到信号的各种参数，结合相应的数学运算，对来波信号进行估计，从而得到辐射源的位置信息。然而该方法计算量高，且易受阵列非理想因素影响，导致空间谱估计在电子战中的实用化还面临着诸多难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数字阵列的多波束被动单脉冲测角方法，以提高传统多波束比幅测向方法的稳健性，进而提升电子侦察设备的测向能力。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于数字阵列的多波束被动单脉冲测角方法，步骤如下：

步骤1，电子侦察设备将多阵元数据进行数字同时多波束处理，完成指定空域的信号截获，转入步骤2；

步骤2，对上述多个波束的数据进行门限检测，确定目标对应的波束序号和时刻序号，转入步骤3；

步骤3，采用被动自适应单脉冲方法对存在目标的数据进行处理，得到目标的角度值。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明基于数字阵列，采用数字同时多波束的方法，相比于传统多波束比幅测向方法提高了空域覆盖范围。

(2)本发明通过被动单脉冲方法精测量目标角度，相比于传统多波束比幅测向方法需要事先存储鉴角曲线参数的问题，本方法自适应程度较高。

附图说明

图1为本发明基于数字阵列的多波束被动单脉冲测角方法的流程图。

图2为实施例中角度估计均方根误差随目标输入信噪比变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，本发明所述的一种基于数字阵列的多波束被动单脉冲测角方法，包括以下步骤：

步骤1，电子侦察设备将多阵元数据进行数字同时多波束处理，完成指定空域的信号截获，具体如下：

1a)电子侦察设备对N元线阵的接收回波采样，得到回波数据矢量x_k，其中x_k为N×1维的矢量，下标k表示采样时刻，k＝1,…,K，K为时间段内总的采样点；

1b)在侦察系统要求的空域覆盖范围内均匀采样M点，得到一组波束指向点集[θ₁,…,θ_M]；

1c)利用波束指向点集，计算波束指向权矢量w_m

其中，n为阵元序号，m为波束序号，d为阵元间距，λ为信号波长，T表示矩阵的转置；

1d)对接收回波数据进行数字同时多波束处理，则第m个波束在k时刻的数据y_m,k为

其中，H表示矩阵的共轭转置。

转入步骤2。

步骤2，对上述多个波束的数据进行门限检测，确定目标对应的波束序号和时刻序号，具体如下：

2a)计算每一个接收波束数据的输出功率值，即

p_m,k＝(y_m,k)²

其中，p_m,k为第m个波束在k时刻的接收数据功率值；

2b)将上述计算的输出功率值与预设的门限值η进行比较，即

其中，η为设定的门限值，H₁表示检测统计量大于门限值，H₀表示检测统计量小于门限值；

2c)通过上述检测，假定有Q个数据的功率值超过门限，这些数据对应的波束序号与时刻序号集为{(m_q,k_q)}_q＝1,…Q。

转入步骤3。

步骤3，采用被动自适应单脉冲方法对存在目标的数据进行处理，得到目标的角度值，具体如下：

3a)令q＝1，得到对应的波束序号与时间序号为(m_q1,k_q1)，根据波束序号与波束指向的对应关系，得到相应的波束指向与时间序号为(θ_q1,k_q1)；

3b)根据(θ_q1,k_q1)，取出对应的数据矢量计算波束指向θ_q1时对应的阵列和、差导向矢量，即

其中，s_Σ为阵列和导向矢量，f_q1＝sinθ_q1为空间频率，s_Δ为阵列差导向矢量，N为阵元数，j为虚数符号，diag()表示将矢量对角化，linspace(a,b,c)表示在范围(a,b)内均匀采样c点；

3c)计算和波束权矢量w_Σ和差波束权矢量w_Δ

3d)得到权矢量后，利用下式估计角度

其中，f_q1,t为目标实际的空间频率值，F_aa为主波束中心角度对应的斜率，F_a为主波束中心角度处的自适应差和比输出，Δu为目标相对于天线主波束的偏差，自适应差和比输出和斜率的具体形式为

其中Real()表示取复数的实部，μ_a为偏差校准系数；

3e)得到目标的空间频率值后，计算目标的实际角度估计值θ_q1,t

θ_q1,t＝asin(f_q1,t)

其中asin()表示求取反正弦值；

3f)令q＝2,…,Q，重复执行之步骤3a～3e，得到所有的目标角度估计值[θ_q1,t,…,θ_qQ,t]。

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步说明。

实验中接收阵列为等距线阵，阵元数为10，阵元间距为0.1m。目标信号波长为0.2m，目标方位角为1.5°，目标信噪比SNR从5dB变化到20dB。阵元幅度误差为5％，服从高斯分布。实验中将传统多波束比幅测向与数字阵列多波束被动单脉冲测向方法进行对比分析。实验中以均方根误差为准则衡量两种方法性能。采用蒙特卡罗实验计算均方根误差，实验次数为100次。

实验结果如图2所示。由图2可以看出数字阵列多波束被动单脉冲测向方法和传统多波束比幅测向方法的均方根误差均随目标信噪比的增大而减小，且数字阵列多波束被动单脉冲测向方法性能优于传统多波束比幅测向方法。

Claims (3)

1.一种基于数字阵列的多波束被动单脉冲测角方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，电子侦察设备将多阵元数据进行数字同时多波束处理，完成指定空域的信号截获，转入步骤2；

步骤2，对上述多个波束的数据进行门限检测，确定目标对应的波束序号和时刻序号，转入步骤3；

步骤3，采用被动自适应单脉冲方法对存在目标的数据进行处理，得到目标的角度值，具体如下：

3a)令q＝1，得到对应的波束序号与时间序号为(m_q1,k_q1)，根据波束序号与波束指向的对应关系，得到相应的波束指向与时间序号为(θ_q1,k_q1)；

3b)根据(θ_q1,k_q1)，取出对应的数据矢量计算波束指向θ_q1时对应的阵列和、差导向矢量，即

其中，s_Σ为阵列和导向矢量，f_q1＝sinθ_q1为空间频率，s_Δ为阵列差导向矢量，λ为信号波长，d为阵元间距，N为阵元数，j为虚数符号，diag()表示将矢量对角化，linspace(a,b,c)表示在范围(a,b)内均匀采样c点；

3c)计算和波束权矢量w_Σ和差波束权矢量w_Δ

3d)得到权矢量后，利用下式估计角度

其中，f_q1,t为目标实际的空间频率值，F_aa为主波束中心角度对应的斜率，F_a为主波束中心角度处的自适应差和比输出，Δu为目标相对于天线主波束的偏差，自适应差和比输出和斜率的具体形式为

其中Real()表示取复数的实部，μ_a为偏差校准系数；

3e)得到目标的空间频率值后，计算目标的实际角度估计值θ_q1,t

θ_q1,t＝asin(f_q1,t)

其中asin()表示求取反正弦值；

3f)令q＝2,…,Q，重复执行之步骤3a)～3e)，得到所有的目标角度估计值[θ_q1,t,…,θ_qQ,t]。

2.根据权利要求1所述的基于数字阵列的多波束被动单脉冲测角方法，其特征在于，所述步骤1，电子侦察设备将多阵元数据进行数字同时多波束处理，完成指定空域的信号截获，具体如下：

1a)电子侦察设备对N元线阵的接收回波采样，得到回波数据矢量x_k，其中x_k为N×1维的矢量，下标k表示采样时刻，k＝1,…,K，K为时间段内总的采样点；

1b)在系统要求的空域覆盖范围内均匀采样M点，得到一组波束指向点集[θ₁,…,θ_M]；

1c)利用波束指向点集，计算波束指向权矢量w_m

其中，n为阵元序号，m为波束序号，d为阵元间距，λ为信号波长，T表示矩阵的转置；

1d)进行数字同时多波束处理，则第m个波束在k时刻的数据y_m,k为

其中，H表示矩阵的共轭转置。

3.根据权利要求2所述的基于数字阵列的多波束被动单脉冲测角方法，其特征在于，所述步骤2，对上述多个波束的数据进行门限检测，确定目标对应的波束序号和时刻序号，具体如下：

2a)计算每一个接收波束数据的输出功率值，即

p_m,k＝(y_m,k)²

其中，p_m,k为第m个波束在k时刻的接收数据功率值；

2b)将上述计算的输出功率值与预设的门限值η进行比较，即

其中，η为设定的门限值，H₁表示检测统计量大于门限值，H₀表示检测统计量小于门限值；

2c)通过上述检测，假定有Q个数据的功率值超过门限，这些数据对应的波束序号与时刻序号集为{(m_q,k_q)}_q＝1,…Q。