CN111580041B - 一种基于参考信号的微弱目标双通道单脉冲测角方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于参考信号的微弱目标双通道单脉冲测角方法，相比于传统三通道单脉冲测角算法，本发明将方位差通道和俯仰差通道合成一路差通道，与和通道构成双通道进行信号处理得到俯仰角和方位角的测量值；也就是说，本发明是基于通道合并的双通道单脉冲测角方法，减少了接收机通道数，从而降低了体积、质量、功耗等硬件资源，更适用于小型一体化平台；进一步地，本发明通过引入参考信号，与和、差通道信号进行匹配滤波，解决了收发分置小型一体化平台非相参工作体制下，接收信号中脉冲间存在随机相位和非相参频率差带来的测角难题，使得不同脉冲间能够进行相参积累，大大提高了微弱目标的测角性能。
Description
技术领域
本发明属于雷达测量技术领域，尤其涉及一种基于参考信号的微弱目标双通道单脉冲测角方法。
背景技术
对于微弱目标角度测量，传统的单脉冲测角技术可以通过增加辅助通道和相参积累来达到提高测角精度的目的。
在IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems第39卷第2期第550-567页，A.Sinha等人发表的“Radar Measurement Extraction in the Presence ofSea-Surface Multipath”一文中，提出了一种可克服多径效应中的镜面反射和漫反射带来的测角误差，从而提高测角精度的算法。在IEEE Antennas and Wireless PropagationLetters第16卷第2889-2893页，Yi Zhang等人发表的“Amplitude Angle MonopulseEstimation for the Four-channel Hybrid Polarimetric Radar System”一文中，提出了一种通过增加一路差分通道来进一步提高测角精度的方法。然而，上述算法的共同缺陷是在低信噪比条件下，无法获得较好的测角性能，同时算法运算复杂度较高。
另一方面，在IEEE Transactions on Signal Processing第62卷第4期第939-953页，Xiaolong Chen等人发表的“Maneuvering Target Detection via Radon-FractionalFourier Transform-Based Long-Time Coherent Integration”一文中，提出了一种新的相参积累方法，即Radon分数域傅里叶变换，该方法可避免对微弱目标的长时间积累过程中距离走动的影响。在2011年International Symposium on Photoelectric Detection andImaging，Junhai Su等人发表的“Coherent Accumulation Technology for Space TargetExploration”一文中，提出了利用Keystone变换校正距离走动，从而实现相参积累的方法。
然而，针对发射源共用的小型一体化平台，采用收发分置的非相参工作体制，接收回波脉冲间存在非相参频差和随机初始相位的情况下，上述单脉冲测角技术存在测角精度低且无法实现相参积累的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于参考信号的微弱目标双通道单脉冲测角方法，将方位差通道和俯仰差通道合成一路差通道，能够减少接收机通道数，降低体积、质量、功耗等硬件资源，更适用于小型一体化平台。
一种基于参考信号的微弱目标双通道单脉冲测角方法，包括以下步骤：
S1：接收机接收由发射机发送的参考信号与多个回波脉冲，其中，回波脉冲包括和信号、俯仰差信号以及方位差信号，然后分别对各回波脉冲执行以下步骤：
S11：将俯仰差信号进行
移相，并将移相后的俯仰差信号与方位差信号进行正交合成，得到合成差信号；
S12：分别对参考信号、和信号以及合成差信号进行预处理，得到预处理后的参考信号、和信号以及合成差信号，其中，所述预处理包括正交下变频和低通滤波；
S13：将预处理后的参考信号作为匹配滤波器，分别对预处理后的和信号与合成差信号进行匹配滤波，得到匹配滤波后的和信号与合成差信号；
S2：分别将各回波脉冲对应的匹配滤波后的和信号、合成差信号进行脉冲间相参积累，得到相参积累后的和信号与合成差信号；
S3：判断相参积累后的和信号的最大峰值是否超过设定门限，若超过，则将和信号的最大峰值与最大峰值所在位置对应的合成差信号值计算第一中间变量θ的估计值
具体的：
其中，
为和信号的最大峰值，
为和信号的最大峰值的模平方，
为与和信号的最大峰值所在位置对应的合成差信号值，
与和信号的最大峰值所在位置对应的合成差信号值的模平方，μ为接收机天线的差斜率；
S4：根据和信号的最大峰值
与对应的合成差信号值
计算第二中间变量
的估计值
具体的：
其中，
为和信号的最大峰值
的实部，
为
的实部，
为和信号的最大峰值
的虚部，
为的
虚部；
S5：由第一中间变量的估计值
和第二中间变量的估计值
计算方位角α与俯仰角β的估计值：
其中，
为方位角α的估计值，
为俯仰角β的估计值。
有益效果：
本发明提供一种基于参考信号的微弱目标双通道单脉冲测角方法，相比于传统三通道单脉冲测角算法，本发明将方位差通道和俯仰差通道合成一路差通道，与和通道构成双通道进行信号处理得到俯仰角和方位角的测量值；也就是说，本发明是基于通道合并的双通道单脉冲测角方法，减少了接收机通道数，从而降低了体积、质量、功耗等硬件资源，更适用于小型一体化平台；
进一步地，本发明通过引入参考信号，与和、差通道信号进行匹配滤波，解决了收发分置小型一体化平台非相参工作体制下，接收信号中脉冲间存在随机相位和非相参频率差带来的测角难题，使得不同脉冲间能够进行相参积累，大大提高了微弱目标的测角性能。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于参考信号的微弱目标双通道单脉冲测角方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，为本发明提供的一种基于参考信号的微弱目标双通道单脉冲测角方法的流程图。下面以脉冲调制的单频信号为例，对本发明进行详细说明，具体包括以下步骤：
S1：接收机接收由发射机发送的参考信号与多个回波脉冲，其中，回波脉冲包括和信号UΣ、俯仰差信号Uβ以及方位差信号Uα，然后分别对各回波脉冲执行步骤S11～S13，进一步地，和信号UΣ、方位差信号Uα、俯仰差信号Uβ和参考信号可表示为：
式中，A为接收信号幅度，Ar为参考信号幅度，ω为接收信号角频率，ωr为发射信号角频率，τ为目标回波延迟，φ0k表示第k个脉冲的初始相位，且
φ0k并不一定相等。α和β分别为方位角和俯仰角，μ为天线差斜率，
为以Tp为脉冲宽度的矩形脉冲。
步骤S11～S13具体如下：
S11：将俯仰差信号进行
移相，并将移相后的俯仰差信号与方位差信号进行正交合成，得到合成差信号UΔ；
式中，
由上式可知，目标的方位角α与俯仰角β信息包含在单路合成差信号UΔ的幅度和相位中，因此，可以对UΔ进行信号处理估计出方位角α与俯仰角β信息。
S12：分别对参考信号、和信号以及合成差信号进行预处理，得到预处理后的参考信号、和信号以及合成差信号，其中，所述预处理包括正交下变频和低通滤波；
具体的，对参考信号、和信号以及合成差信号分别进行正交下变频和低通滤波处理，为简化表述，可以将和、差信号和参考信号的I、Q两路合成复信号形式，则第k个回波脉冲对应的参考信号、和信号以及差信号预处理后的结果可表示为：
其中，ωd表示目标的多普勒角频率，Δω表示发射源与接收设备之间的非相参频率差，nr(t)为参考信号通道观测噪声，n∑(t)为和信号通道观测噪声，nΔ(t)为差信号通道观测噪声。
S13：将预处理后的参考信号作为匹配滤波器，分别对预处理后的和信号与合成差信号进行匹配滤波，得到匹配滤波后的和信号与合成差信号；
具体的，利用第k个回波脉冲对应的预处理后的参考信号作为匹配滤波器，对预处理后的和信号和合成差信号进行匹配滤波，可以消除非相参频率以及初始相位变化的影响。匹配滤波处理可以用时域卷积的形式表示，处理结果为：
其中，
表示卷积运算，*表示共轭转置；值得注意的是，由于参考信号中不含多普勒频率信息，因此多普勒频率不会从和差信号中被消除。
S2：分别将各回波脉冲对应的匹配滤波后的和信号、合成差信号进行脉冲间相参积累，得到相参积累后的和信号与合成差信号；
需要说明的是，匹配滤波后，对和、差信号进行脉冲间相参积累以提高信噪比，从而提高测角精度；相参积累可以通过傅里叶变换(FFT)实现，可表示为
其中，
为相参积累后的和信号，
为相参积累后的合成差信号。
S3：判断相参积累后的和信号的最大峰值是否超过设定门限，若超过，则将和信号的最大峰值与最大峰值所在位置对应的合成差信号值计算第一中间变量θ的估计值
具体的：
其中，
为和信号的最大峰值，
为和信号的最大峰值的模平方，
为与和信号的最大峰值所在位置对应的合成差信号值，
与和信号的最大峰值所在位置对应的合成差信号值的模平方，μ为接收机天线的差斜率；
具体的，从积累后的和信号中选出最大值，获得目标对应的回波时间延迟信息和多普勒频移信息，表示为：
假设接收K个回波脉冲，K个回波脉冲作FFT(相参积累)就会得到K个频点，则k m指的是最大值峰值所在的频点；最大峰值处的回波时间延迟tm可转换为目标的距离信息，多普勒频点km则表示目标运动产生的多普勒频率。不同于传统的三通道单脉冲测角方法，由于多普勒分辨率有限(与积累的脉冲数有关)，为消除多普勒频移测量残差造成的相位估计误差，可以利用和信号和差信号消去多普勒频率信息：
其中，G为匹配滤波及相参积累的总增益，
和
为经过上述处理后的I、Q两路噪声信号。
由式(14)选出的相参积累后和信号的最大峰值及其所在位置对应的合成差信号可得到θ的估计值的表达式(13)。
S4：根据和信号的最大峰值
与对应的合成差信号值
计算第二中间变量
的估计值
具体的由公式(15)和(16)，推导出的消除多普勒信息后的I、Q两路信号可得
的估计值
的表达式：
其中，
为和信号的最大峰值
的实部，
为
的实部，
为和信号的最大峰值
的虚部，
为的
虚部；
S5：由第一中间变量的估计值
和第二中间变量的估计值
计算方位角α与俯仰角β的估计值：
其中，
为方位角α的估计值，
为俯仰角β的估计值。
由此可见，本发明的目的是提供一种可应用于发射源与接收设备间频率非相参，且接收脉冲间初始相位不一致情况下的双通道测角方法；该方法包括差信号的正交合成、正交下变频和低通滤波、基于参考信号的匹配滤波及相参积累四个阶段，该方法在小型化平台收发分置的非相参工作体制下，相比于传统三通道测角方案，在通道数减少的前提下，可以实现接收回波脉冲间的相参积累，提高测角精度。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然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 (1)
1.一种基于参考信号的微弱目标双通道单脉冲测角方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：接收机接收由发射机发送的参考信号与多个回波脉冲，其中，回波脉冲包括和信号、俯仰差信号以及方位差信号，然后分别对各回波脉冲执行以下步骤：
S11：将俯仰差信号进行
移相，并将移相后的俯仰差信号与方位差信号进行正交合成，得到合成差信号；
S12：分别对参考信号、和信号以及合成差信号进行预处理，得到预处理后的参考信号、和信号以及合成差信号，其中，所述预处理包括正交下变频和低通滤波；
S13：将预处理后的参考信号作为匹配滤波器，分别对预处理后的和信号与合成差信号进行匹配滤波，得到匹配滤波后的和信号与合成差信号；
S2：分别将各回波脉冲对应的匹配滤波后的和信号、合成差信号进行脉冲间相参积累，得到相参积累后的和信号与合成差信号；
S3：判断相参积累后的和信号的最大峰值是否超过设定门限，若超过，则将和信号的最大峰值与最大峰值所在位置对应的合成差信号值计算第一中间变量θ的估计值
具体的：
其中，
为和信号的最大峰值，
为和信号的最大峰值的模平方，
为与和信号的最大峰值所在位置对应的合成差信号值，
与和信号的最大峰值所在位置对应的合成差信号值的模平方，μ为接收机天线的差斜率；
S4：根据和信号的最大峰值
与对应的合成差信号值
计算第二中间变量
的估计值
具体的：
其中，
为和信号的最大峰值
的实部，
为
的实部，
为和信号的最大峰值
的虚部，
为的
虚部；
S5：由第一中间变量的估计值
和第二中间变量的估计值
计算方位角α与俯仰角β的估计值：
其中，
为方位角α的估计值，
为俯仰角β的估计值。
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