CN111537992A - 基于分块并行smi算法抗主副瓣干扰的和差跟踪测角方法 - Google Patents
基于分块并行smi算法抗主副瓣干扰的和差跟踪测角方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于分块并行SMI算法抗主副瓣干扰的和差跟踪测角方法,包括:步骤1:获取阵列接收数据,利用分块并行SMI算法得到全阵的自适应抗干扰权值;步骤2:以自适应抗干扰权值作为和波束权值,对自适应抗干扰权值按照阵列中心位置对称取反,得到差波束权值;步骤3:对阵列接收的所有快拍数据,分别按照和波束权值和差波束权值加权,得到和通道和差通道输出数据;步骤4:计算和、差通道输出数据在频域上的差和比;步骤5:根据差和比和鉴角曲线斜率得到目标偏角,实现对目标的跟踪测角。本发明提供的和差跟踪测角方法因为采用分块并行SMI算法进行自适应和差波束形成,可保证精确测角的同时,减少运算量,大大缩短测角跟踪时间。
Description
技术领域
本发明属于信号处理技术领域,具体涉及一种基于分块并行SMI算法抗主副瓣干扰的和差跟踪测角方法。
背景技术
随着干扰与反干扰技术的进步,雷达在实际使用中面临的电磁环境日益复杂,除了自然界中的电磁和噪声干扰,更要面临人为的复杂干扰,这些问题增加了信号处理过程的复杂度和困难性。雷达的最基本和最主要的任务就是对目标进行有效的检测同时,还要实现对目标的测角和跟踪。
目前,相控阵雷达由于具有快速的扫描能力、天线波束形成捷变能力以及多波束形成能力,使得相控阵雷达广泛用于测角和跟踪,其主要运用常规的和差跟踪测角或常规SMI算法得到的自适应抗干扰权值进行和差测角。与高分辨技术相比,相控阵单脉冲技术具有运算量小的特点,适用于工程上对信号处理高实时性的要求。
然而,在面临干扰,尤其是干扰在主瓣内时,常规的和差跟踪测角或采用常规SMI算法得到的自适应抗干扰权值用于和差测角,性能都会受到干扰的严重影响,甚至于失效。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供了一种基于分块并行SMI算法抗主副瓣干扰的和差跟踪测角方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现:
一种基于分块并行SMI算法抗主副瓣干扰的和差跟踪测角方法,包括:
步骤1:获取阵列接收数据,并利用分块并行SMI算法进行处理得到全阵的自适应抗干扰权值;
步骤2:以所述自适应抗干扰权值作为和波束权值,并对对自适应抗干扰权值按照阵列中心位置对称取反,得到差波束权值;
步骤3:对阵列接收的所有快拍数据,分别按照所述和波束权值和所述差波束权值加权,实现对主副瓣内存在的干扰的抑制,得到和通道输出数据和差通道输出数据;
步骤4:对所述和通道输出数据和所述差通道输出数据进行FFT计算,找到频域上和通道最大幅值对应的频点,并计算两通道该频点处幅值的差和比;
步骤5:根据差和比和鉴角曲线斜率得到实际目标方向与波束指向之间的偏角,实现对目标的跟踪测角。
在本发明的一个实施例中,步骤1包括:
(1a)对所述接收数据进行分块得到若干子数据块;
(1b)计算每一个所述子数据块的协方差矩阵;
(1c)对阵列导向矢量进行分块,得到所述子数据块对应的子导向矢量;
(1d)根据每一个所述子数据块的协方差矩阵和所述子导向矢量计算每一个所述子数据块对应的自适应抗干扰权值;
(1e)对每一个所述子数据块对应的自适应抗干扰权值进行组合得到全阵自适应抗干扰权值。
在本发明的一个实施例中,步骤2包括:
(2a)将所述全阵自适应抗干扰权值wopt作为和波束权值,表示为wopt_Σ;
(2b)将所述全阵自适应抗干扰权值wopt按照阵列中心位置对称取反得到差波束权值,表示为wopt_Δ。
在本发明的一个实施例中,步骤3包括:
(3a)对L个快拍接收数据分别按照所述和波束权值wopt_Σ进行加权,得到和波束输出yΣ(t),并根据所述和波束输出yΣ(t)得到矩阵大小为1×L的和通道输出数据yΣ;其中yΣ(t)表示为:
yΣ(t)=wopt_Σx(t);
x(t)表示接收数据;
(3b)对所述L个快拍接收数据分别按照所述差波束权值wopt_Δ进行加权,得到差波束输出yΔ(t),并根据所述差波束输出yΔ(t)得到矩阵大小为1×L的差通道输出数据yΔ;其中yΔ(t)表示为:
yΔ(t)=wopt_Δx(t)。
在本发明的一个实施例中,步骤4包括:
(4a)分别对所述和通道输出数据和所述yΣ和所述差通道输出数据yΔ进行FFT计算,找到和通道输出数据在频域的最大幅值yf_Σ,并在所述差通道频域输出数据中找到与所述和通道最大幅值相同频点位置对应的幅值yf_Δ。
在本发明的一个实施例中,步骤5包括:
(5a)根据鉴角曲线斜率和所述和通道和差通道的差和比计算目标偏角;
(5b)根据所述目标偏角得到目标的准确角度。
在本发明的一个实施例中,所述目标偏角的计算公式为:
在本发明的一个实施例中,所述目标的准确角度的计算公式为:
θ=θ0+Δθ。
本发明的有益效果:
1、本发明提供的基于分块并行SMI算法抗主副瓣干扰的和差跟踪测角方法在主瓣外存在干扰的情况下,可实现精确测角;对于主瓣内的干扰角度和目标角度较为接近时,相较于其他和差跟踪测角方法,也有更好测角精度;对只存在主瓣内干扰时,在一定波束指向范围内,有良好的测角精度;
2、本发明提供的基于分块并行SMI算法抗主副瓣干扰的和差跟踪测角方法对于相控阵抗主瓣干扰,不用构造阻塞矩阵,即可实现对主瓣干扰对测角性能的影响,降低了运算量;
3、本发明提供的基于分块并行SMI算法抗主副瓣干扰的和差跟踪测角方法不需要进行全空域搜索,即可实现对目标的测向,减少运算量,大大缩短测角时间。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于分块并行SMI算法抗主副瓣干扰的和差跟踪测角方法流程示意图;
图2是本发明实施例提供的仿真实验1的实验结果对比图;
图3是本发明实施例提供的三种和差跟踪测角方法在实际目标方向与波束指向误差固定、波束在不同指向情况下测角误差的对比图;
图4是本发明实施例提供的常规SMI算法和分块并行SMI算法权值用于和差跟踪测角的测角误差对比图;
图5是本发明实施例提供的三种和差跟踪测角方法在主瓣内存在干扰时、波束指向固定实际目标方向在半功率波束宽度内变化时的测角误差对比图;
图6是本发明实施例提供的三种和差跟踪测角方法在主瓣内存在干扰时、不同波束指向情况下测角误差对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1,图1是本发明实施例提供的一种基于分块并行SMI算法抗主副瓣干扰的和差跟踪测角方法流程示意图,包括:
步骤1:获取阵列接收数据,并利用分块并行SMI算法进行处理得到全阵自适应抗干扰权值。
在本实施例中,相控阵雷达获取阵列接收的数据,结合目标的估计角度,使用分块并行SMI算法得到自适应抗干扰权值。
进一步地,步骤1包括:
(1a)对所述接收数据进行分块得到若干子数据块;
具体地,对接收数据x(t),t=1,2,…,L,阵元个数为N,L为快拍数,接收数据的规模为N×L,采用均匀分块的方式对接收数据x(t)进行分块,得到多个阵元接收的数据组成子数据块,假设分块个数为P,可以表示为:
x(t)=[x1(t),x2(t),…,xP(t)]
其中,xp(t)是第p个子数据块,p=1,2,…,P,包含的M×L数据,M是每个子数据块对应的阵元个数,有M×P=N。
(1b)计算每一个所述子数据块的协方差矩阵;
具体地,对每个子数据块按照下式求协方差矩阵,
(1c)对阵列导向矢量进行分块,得到所述子数据块对应的子导向矢量;
具体地,对阵列导向矢量按照(1a)同样的方式进行分块,得到P个子数据块对应的子导向矢量:
a(θ0)=[a1(θ0),a2(θ0),…,aP(θ0)]
其中,ap(θ0)表示第p个子数据块对应的子导向矢量,p=1,2,…,P,θ0为目标估计的角度或上一时刻目标角度。
(1d)根据每一个所述子数据块的协方差矩阵和所述子导向矢量计算每一个所述子数据块对应的自适应抗干扰权值;
具体地,当子数据块的协方差矩阵的逆矩阵及其对应的子导向矢量确定后,通过下式可以计算得到每一个数据块对应阵元的自适应抗干扰权值:
其中,p=1,2,…,P,μp是任意非零常数。
(1e)对每一个所述子数据块对应的自适应抗干扰权值进行组合得到全阵自适应抗干扰权值。
具体地,每个子数据块对应的自适应抗干扰权值计算完成后,将结果按照步骤(1c)分块的顺序组合,合成全阵自适应抗干扰权值,全阵自适应抗干扰权值如下式所示:
其中wpm表示第p个子数据块得到的自适应抗干扰权值的第m个权系数,m=1,2,…,M。
步骤2:以所述自适应抗干扰权值作为和波束权值,并对所述自适应抗干扰权值按照阵列中心位置对称取反,得到差波束权值;
进一步地,步骤2包括:
(2a)将所述全阵自适应抗干扰权值wopt作为和波束权值,表示为wopt_Σ;
(2b)将所述全阵自适应抗干扰权值wopt按照阵列中心位置对称取反得到差波束权值,表示为wopt_Δ。
步骤3:对阵列接收的所有快拍数据,分别按照所述和波束权值和所述差波束权值加权,实现对主副瓣内存在的干扰的抑制,得到和通道输出数据和差通道输出数据;
进一步地,步骤3包括:
(3a)对L个快拍接收数据分别按照和波束权值wopt_Σ进行加权,得到和波束输出yΣ(t),并根据所述和波束输出yΣ(t)得到矩阵大小为1×L的和通道输出数据yΣ,yΣ(t)公式表示为:
yΣ(t)=wopt_Σx(t);
其中,x(t)表示接收数据;
(3b)对L个快拍接收数据分别按照差波束权值wopt_Δ进行加权,得到差波束输出yΔ(t),并根据所述差波束输出yΔ(t)得到矩阵大小为1×L的差通道输出数据yΔ,yΔ(t)公式表示为:
yΔ(t)=wopt_Δx(t)。
步骤4:对所述和通道输出数据和所述差通道输出数据进行FFT计算后,找到频域上和通道最大幅值对应的频点,并计算两通道在该频点处幅值的差和比;
在本实施例中,步骤4包括:
(4a)分别对yΣ、yΔ进行FFT计算,找到和通道输出数据在频域的最大幅值yf_Σ,并在差通道频域输出数据中找到与和通道最大幅值相同频点位置对应的幅值yf_Δ。
具体地,对N个阵元的接收数据N×L分别加和波束权值wΣ和差波束权值wΔ,得到1×L个和通道输出数据YΣ和1×L个差通道输出数据YΔ;
步骤5:根据差和比和鉴角曲线斜率得到实际目标方向与波束指向之间的偏角,实现对目标的跟踪测角。
在本实施例中,结合鉴角曲线斜率以及差和比,采用和差测角公式求得目标实际角度相对于估计角度的偏角,进而求得目标的准确角度,实现对目标的跟踪测角。
进一步地,步骤5包括:
(5a)根据鉴角曲线斜率和所述和通道和差通道的差和比计算目标偏角;
具体地,根据鉴角曲线斜率和和通道和差通道的差和比,可以由下式得到目标的偏角Δθ,表示下一时刻目标角度与上一时刻目标角度的差值或目标实际角度与估计角度的差值,目标偏角由下式求得:
(5b)根据所述目标偏角得到目标的准确角度,实现对目标的和差跟踪测角。
具体地,阵列接收数据中的目标的准确角度θ最终可以通过下式得到:
θ=θ0+Δθ。
本实施例提供的一种抗主副瓣干扰的和差跟踪测角的方法用于相控阵雷达抗主副瓣干扰,实现对目标的测角和跟踪;其中,相控阵雷达含有一个主瓣干扰多个旁瓣干扰。本实施例通过采用分块并行SMI算法得到的自适应抗干扰权值作为和差跟踪测角的和波束权值,将自适应抗干扰权值按照对称取反的方法得到差波束权值,通过和差波束权值对应的角度图的比值,得到鉴角曲线,和差波束权值对接收数据加权可以实现对干扰的有效抑制,结合鉴角曲线斜率以及经过加权后的输出数据得到的差和比,可以实现对目标的精确测向,运算量相对较少,工程上也可以得到很好的应用。
实施例二
下面通过仿真实验对本发明的效果做进一步描述。
仿真实验条件:
实验采用64个全向阵元等距放置的线阵,阵元间隔为λ/2,目标信号信噪比0dB,两个干扰信号干噪比均为30dB,目标信号和干扰信号相互独立。分块并行SMI算法分块数目为8,快拍数为500。经计算,实验仿真采用的阵列模型对应的半功率波束宽度为1.6°。
一、首先进行干扰在主瓣外的仿真实验。
仿真实验1:
本实验用于验证实际目标方向与波束指向间隔在半功率波束宽度内时,不同间隔大小下,分块并行SMI算法权值用于和差跟踪测角的性能,并与普通波束形成权值和常规SMI算法用于和差跟踪测角的性能进行对比。经计算,实验仿真采用的阵列模型对应的半功率波束宽度为1.6°,本实验将波束指向固定在10°,实际目标方向在半功率波束宽度内变化,以0.1°作为步长改变,计算测得的目标方向与实际目标方向的角度差,每个实际目标方向进行200次Monte-Carlo实验,取平均值作为不同实际目标方向对应的测角误差。
仿真实验1结果:
请参见图2,图2是本发明实施例提供的仿真实验1的实验结果对比图,从图2可以看出三种方法的误差结果都是“M”形,即实际目标在波束的中心或边缘位置时,测角误差最小,并且在这两个位置处,常规SMI算法权值用于和差跟踪测角的误差大于另外两种方法;远离这两个位置时,测角误差会逐渐增大,三种方法误差比较接近。整体上,当干扰在主瓣外时,三种和差跟踪测角方法都有良好性能,误差都小于0.06°。
仿真实验2:
本实验用于对比不同波束指向下,不同波束指向情况下,三种和差跟踪测角方法的性能。
将波束指向与实际目标方向的误差设定为0.6°,波束指向在-60°~60°范围内,以1°作为步长改变,计算测得的目标角度与实际目标角度的角度差,每个波束指向进行200次Monte-Carlo实验,取平均值作为对应波束指向的测角误差。仿真实验2结果:
请参见图3和图4,图3是三种和差跟踪测角方法在实际目标方向与波束指向的间隔固定、波束在不同指向情况下测角误差的对比图,从图3中可以看出,普通权用于和差跟踪测角时,波束指向在干扰方向(40°,-30°)附近时,会有较大测角误差,在波束指向与干扰方向间隔大于20°时,测角误差较小,有良好的测角性能;另外两种方法只在波束指向和干扰方向相同时,有较大测角误差。图4是本发明实施例提供的常规SMI算法和分块并行SMI算法权值用于和差跟踪测角的测角误差对比图;从图4中可以看出,两种和差跟踪测角方法都有小于0.07°的测角误差,使用分块并行SMI算法权值对应的测角误差整体上小于常规SMI算法权值。
二、下面进行干扰在主瓣内的仿真实验。
仿真实验3:
本实验用于验证波束主瓣内存在干扰时,实际目标方向与波束指向间隔在半功率波束宽度内,不同间隔大小下,三种和差跟踪测角方法的性能。经计算,实验仿真采用的阵列模型对应的半功率波束宽度为1.6°,本实验将波束指向固定在10°,一个干扰在主瓣内,方向为9.4°,另外一个干扰在主瓣外,方向为-30°,实际目标方向在半功率波束宽度内,以0.1°作为步长改变,计算测得的目标方向与实际目标方向的角度差,每个实际目标方向进行200次Monte-Carlo实验,取平均值作为不同实际目标方向对应的测角误差。
仿真实验3结果:
请参见图5,图5是三种和差跟踪测角方法,在主瓣内存在干扰时,波束指向固定,实际目标方向在半功率波束宽度内变化时的测角误差对比图,从图中可以看出当干扰在主瓣内时,使用普通权测得的角度会固定在干扰方向,不随实际目标方向的变化而变化,和差跟踪测角的性能不理想;对于常规SMI算法权值当实际目标方向与干扰方向相同或相近时,会有较大测角误差,性能受到严重影响,在实际目标方向与干扰方向间隔大于0.3°时,测角误差会减小,但仍大于1°,和差跟踪测角的性能同样不理想;对于分块并行SMI算法权值当实际目标方向与干扰方向间隔小于0.3°时,测角误差会大于0.1°,间隔大于0.3°之后,测角误差小于0.1°,有良好的和差跟踪测角性能。
仿真实验4:
本实验用于验证波束主瓣内存在干扰时,不同波束指向情况下,三种和差跟踪测角方法的性能。
将波束指向与实际目标方向的误差设定为0.6°,主瓣内干扰方向与波束指向间隔-0.6°,波束指向在-60°~60°范围内,以1°作为步长改变,计算测得的目标角度与实际目标角度的角度差,每个波束指向进行200次Monte-Carlo实验,取平均值作为对应波束指向的测角误差。仿真实验4结果:
请参见图6,图6是三种和差跟踪测角方法,在主瓣内存在干扰时,不同波束指向情况下,测角误差对比图,从图中可以看出当干扰在主瓣内时,对于普通权测角误差始终为1.2°,不随波束指向的改变而变化,和差跟踪测角效果不理想;对于常规SMI算法权值,波束指向在主瓣外干扰-30°方向时出现较大误差,此外,误差的整体趋势为法线方向最小,随着波束指向远离法线方向而增大,波束指向在-40°~40°范围内,测角误差小于普通权的测角误差,但最小误差大于0.7°,和差跟踪测角效果同样不理想;对于分块并行SMI算法权值当波束指向在-18°~45°远离另外一个主瓣外干扰时,有良好的测角性能,测角误差小于0.1°,当波束指向主瓣外干扰方向间隔小于12°或波束指向与阵列法线方向间隔大于45°时,测角误差大于1°,测角性能受到较大影响。
通过上述各仿真结果表明,本发明分块并行SMI算法得到的抗干扰权值用于和差跟踪测角,在面临主瓣和副瓣干扰的情况下,跟踪测角性能整体上明显好于普通权用于和差跟踪测角和常规SMI算法权值用于和差跟踪侧测角,与另外两种和差跟踪测角方法相比较:第一,对于只存在主瓣外干扰时,本发明可以实现对干扰有效抑制,目标与波束指向偏角在小于一个半功率波束宽度内时,在不同波束指向都有较好的测角性能;第二,当干扰在主瓣内时,波束指向在-45°~45°范围内,目标与主瓣内干扰方向间隔大于个波束宽度时,也可实现和差跟踪测角,并且有良好的性能;第三,在存在干扰信号时,相较于常规SMI算法权值用于和差跟踪测角,本方法在求抗干扰权值时,计算协方差矩阵用到的接收信号可以包含目标信号,不需要阻塞目标信号或大快拍数来构造理想协方差矩阵;第四,本方法在干扰强度较大时,仍有良好的测角性能,对于存在主副瓣干扰时,在工程上完全可以使用本发明通过加抗干扰权值实现干扰抑制,之后完成对目标的跟踪测角。通过以上仿真实验,验证了本发明的有效性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于分块并行SMI算法抗主副瓣干扰的和差跟踪测角方法,其特征在于,包括:
步骤1:获取阵列接收数据,并利用分块并行SMI算法进行处理得到全阵的自适应抗干扰权值;
步骤2:以所述自适应抗干扰权值作为和波束权值,并对所述自适应抗干扰权值按照阵列中心位置对称取反,得到差波束权值;
步骤3:对阵列接收的所有快拍数据,分别按照所述和波束权值和所述差波束权值加权,实现对主副瓣内存在的干扰的抑制,得到和通道输出数据和差通道输出数据;
步骤4:对所述和通道输出数据和所述差通道输出数据进行FFT计算,找到频域上和通道最大幅值对应的频点,并计算两通道该频点处幅值的差和比;
步骤5:根据所述差和比和鉴角曲线斜率得到实际目标方向与波束指向之间的偏角,实现对目标的跟踪测角。
2.根据权利要求1所述的和差跟踪测角方法,其特征在于,步骤1包括:
(1a)对所述接收数据进行分块得到若干子数据块;
(1b)计算每一个所述子数据块的协方差矩阵;
(1c)对阵列导向矢量进行分块,得到所述子数据块对应的子导向矢量;
(1d)根据每一个所述子数据块的协方差矩阵和所述子导向矢量计算每一个所述子数据块对应的自适应抗干扰权值;
(1e)对每一个所述子数据块对应的自适应抗干扰权值进行组合得到全阵自适应抗干扰权值。
3.根据权利要求1所述的和差跟踪测角方法,其特征在于,步骤2包括:
(2a)将所述全阵自适应抗干扰权值wopt作为和波束权值,表示为wopt_Σ;
(2b)将所述全阵自适应抗干扰权值wopt按照阵列中心位置对称取反得到差波束权值,表示为wopt_Δ。
4.根据权利要求3所述的和差跟踪测角方法,其特征在于,步骤3包括:
(3a)对L个快拍接收数据分别按照所述和波束权值wopt_Σ进行加权,得到和波束输出yΣ(t),并根据所述和波束输出yΣ(t)得到矩阵大小为1×L的和通道输出数据yΣ;其中yΣ(t)表示为:
yΣ(t)=wopt_Σx(t);
x(t)表示接收数据;
(3b)对所述L个快拍接收数据分别按照所述差波束权值wopt_Δ进行加权,得到差波束输出yΔ(t),并根据所述差波束输出yΔ(t)得到矩阵大小为1×L的差通道输出数据yΔ;其中yΔ(t)表示为:
yΔ(t)=wopt_Δx(t)。
6.根据权利要求5所述的和差跟踪测角方法,其特征在于,步骤5包括:
(5a)根据鉴角曲线斜率和所述和通道和差通道的差和比计算目标偏角;
(5b)根据所述目标偏角得到目标的准确角度。
8.根据权利要求7所述的和差跟踪测角方法,其特征在于,所述目标的准确角度的计算公式为:
θ=θ0+Δθ。
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