CN113885019B - 基于和差天线体制雷达空时自适应处理的测角方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于和差天线体制雷达空时自适应处理的测角方法。其方案是：获得雷达的回波数据，估计其杂波的协方差矩阵；计算主瓣指向的空时导向矢量；根据杂波协方差矩阵和空时导向矢量求出权值；将权值作用于回波数据进行杂波抑制，得到杂波抑制后和、方位差、俯仰差三个通道的输出；根据杂波抑制后和通道的输出，得到目标距离门、多普勒通道以及幅值；根据目标距离门和多普勒通道，得到方位差通道、俯仰差通道在目标处的幅值；计算方位差、俯仰差通道分别与和通道的比值，计算方位维与俯仰维鉴角曲线的斜率，并根据斜率和比值计算目标的方位角和俯仰角。本发明空间自由度少，实时性高，测角能力强，可用于杂波背景下雷达对运动目标的估计。
Description
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，特别涉及一种基于和差天线体制雷达空时自适应处理的测角方法，可用于杂波背景下雷达对运动目标的参数估计。
背景技术
机载/弹载雷达是现代战场最重要的传感器之一，由于其架设在高空飞行的飞机上，因而其优越性是地基雷达所无法比拟的，不过，它也面临着一些问题。由于雷达处于下视工作，其杂波分布范围广、强度大，同时由于载机运动，致使杂波谱大大扩展，导致目标常淹没在杂波中，因此导致雷达的参数估计能力受到严重影响。所以如何解决杂波背景下的角度估计问题也是需要考虑的问题。
北京遥感设备研究所在其CN 109599674 A专利中提出了“一种基于解耦的相控阵天线稳定角跟踪方法”。该方法包括：解耦中断周期性产生第一时刻弹体姿态数据，得到惯性直角坐标系到弹体直角坐标系的转换矩阵；惯性坐标到天线阵面直角坐标的坐标转换；由天线阵面坐标计算波束指向方位角、俯仰角，控制天线波束指向；将测角中断周期性产生单脉冲测角角误差补偿到天线阵面方向余弦坐标；补偿后的天线阵面方向余弦坐标完成坐标逆变换得到惯性坐标；解耦中断产生n>1时刻的弹体姿态数据，得到惯性直角坐标到弹体直角坐标的转换矩阵和逆旋转矩阵；计算波束指向方位角、俯仰角，控制天线波束指向。但是该方法存在的不足之处是，没有对杂波进行抑制，会导致目标被淹没在杂波中，测角能力严重受到影响。
西安电子科技大学在其CN 106443663 A专利中提出了“一种用于相控阵雷达降维四通道和差波束测角的方法”。该方法是要确定相控阵雷达，对相控阵雷达包含的N个阵元进行子阵划分，得到M个子阵以及每个子阵包含的阵元个数；计算相控阵雷达优化后的子阵级和加权、相控阵雷达优化后的子阵级俯仰差加权、相控阵雷达优化后的子阵级方位差加权、相控阵雷达优化后的子阵级双差加权、相控阵雷达优化后的子阵阵元级加权和相控阵雷达的最优降维矩阵；分别计算相控阵雷达和波束的方向性函数、相控阵雷达方位差波束的方向性函数、相控阵雷达俯仰差波束的方向性函数和相控阵雷达双差波束的方向性函数；分别计算相控阵雷达目标的最终俯仰方向角度估计和相控阵雷达目标的最终方位方向角度估计。该方法虽然能够较好的对目标进行角度估计，但由于其只适应于相控阵，因而无法对于和差天线体制的雷达进行测角。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于和差天线体制雷达空时自适应处理的测角方法，以提高和差天线体制雷达与相控阵体制雷达在杂波背景下的测角能力。
实现本发明目的的技术方案是：通过和差空时二维自适应处理进行杂波抑制，进而得到目标在和通道与差通道的输出，最后利用和差测角方法获得目标角度，其实现步骤包括如下：
(1)获得回波数据N×K,L，其中，N表示机载/弹载雷达接收天线的和差通道个数，K表示每个脉冲重复周期的相干脉冲数，L表示采样数据的距离门样本数；
(2)对回波数据进行杂波抑制：
(2a)估计出杂波的采样协方差矩阵
(2b)根据理想情况下差波束天线方向图在主瓣指向上响应为零，空域导向矢量中的差支路分量均为零的特性，设置和差天线体制下和通道空域导向矢量asΣ、方位差通道空域导向矢量俯仰差通道空域导向矢量/>分别为：
asΣ＝[1,0,0]T，
其中，上标T表示转置操作，相控阵体制下可用和差差波束天线方向图在主瓣指向处的输出作为空域导向矢量的取值；
(2c)根据(2b)的结果，计算和通道空时二维导向矢量aΣ、方位差通道空时二维导向矢量俯仰差通道空时二维导向矢量/>
其中，表示克罗内克积操作，at表示雷达接收天线主瓣指向的时域导向矢量；
(2d)根据(2a)和(2c)的结果，计算和通道最优自适应权矢量wΣ、方位差通道最优自适应权矢量俯仰差通道最优自适应权矢量/>
其中，μ为一标量常数，上标-1表示求逆操作；
(2e)根据(2d)的结果，得到杂波抑制后的输出：
yΣ＝[y1Σ,y2Σ,…,ylΣ，…,yLΣ]，l＝1,2,…,L
其中，yΣ表示杂波抑制后和通道的输出，ylΣ表示采样回波数据块中第l个距离门杂波抑制后和通道的输出，表示方位差通道的输出，/>表示采样回波数据块中第l个距离门杂波抑制后方位差通道的输出，/>表示俯仰差通道的输出，/>表示采样回波数据块中第l个距离门杂波抑制后俯仰差通道的输出；
(3)根据杂波抑制后的输出结果，获得目标方位角和俯仰角：
(3a)根据杂波抑制后和通道的输出yΣ，得到目标的距离门lt、多普勒通道mt以及幅值ySΣ；
(3b)根据目标的距离门lt和多普勒通道mt，从方位差通道的输出得到目标在方位差通道的幅值yθ，从俯仰差通道的输出/>得到目标在俯仰差通道的幅值/>
(3c)根据目标在和通道的幅值yΣ、目标在方位差通道的幅值yθ以及目标在俯仰差通道的幅值计算出目标处方位差通道与和通道的比值qθ以及俯仰差通道与和通道的比值/>
(3d)根据和差天线体制下天线的参数，计算出方位维鉴角曲线的斜率kθ和俯仰维鉴角曲线的斜率
(3e)根据方位差通道与和通道的比值qθ以及方位维鉴角曲线的斜率kθ，计算出目标的方位角θ，根据仰差通道与和通道的比值以及俯仰维鉴角曲线的斜率/>计算出目标的俯仰角/>完成对目标方位角和俯仰角的估计。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明由于对和差天线体制雷达的和通道及差通道均进行了自适应杂波抑制，改善了和差通道输出信杂噪比，提高了杂波背景下雷达的测角能力。
第二，本发明由于和差天线体制雷达的回波数据与相控阵体制雷达经过数字和差波束形成后得到的数据形式相同，所以本发明也适用于相控阵体制雷达。
第三，本发明由于采用和差体制天线，因而空间自由度少，实时性高。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是本发明杂波抑制后的输出仿真图；
图3是本发明的鉴角曲线图；
图4是本发明的均方误差曲线图；
图5是本发明的平均输出信杂噪比曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例和效果做进一步的详细描述。
参照图1，对本实例的实现步骤如下：
步骤1，获得回波数据。
根据对目标反射回来的回波进行下变频和匹配滤波操作，获得回波数据N×K,L，其中，N表示机载/弹载雷达接收天线的和差通道个数，K表示每个脉冲重复周期的相干脉冲数，L表示采样数据的距离门样本数。
步骤2，对回波数据进行杂波抑制。
(2.1)利用回波数据块中的回波矢量采用如下最大似然公式估计杂波协方差矩阵
其中，xl表示采样回波数据块中第l个距离门对应的回波矢量，H表示共轭转置操作；
(2.2)设置空域导向矢量：
空域导向矢量是由和波束天线方向图，方位差波束天线方向图，俯仰差波束天线方向图构成的，根据对和波束天线方向图归一化后其在主瓣指向上的响应为1，理想情况下差波束天线方向图在主瓣指向上的响应为0，空域导向矢量中的差支路分量均为0的特性，设置和差天线体制下和通道空域导向矢量asΣ、方位差通道空域导向矢量俯仰差通道空域导向矢量/>
asΣ＝[1,0,0]T，
其中，上标T表示转置操作，由于相控阵体制雷达在数字波束形成后得到的回波数据形式与和差天线体制雷达相同，因此其空域导向矢量的取值可由和波束天线方向图、方位差波束天线方向图、俯仰差波束天线方向图在主瓣指向处的输出得到；
(2.3)计算空时二维导向矢量：
根据和通道空域导向矢量asΣ、方位差通道空域导向矢量俯仰差通道空域导向矢量/>计算和通道空时二维导向矢量aΣ、方位差通道空时二维导向矢量/>俯仰差通道空时二维导向矢量/>
其中，表示克罗内克积操作，at表示雷达接收天线主瓣指向的时域导向矢量；at的具体表达式如下：
其中，j表示虚数单位符号，fd表示多普勒频率，上标T表示转置操作；
(2.4)计算自适应权矢量：
根据杂波协方差矩阵与和通道空时二维导向矢量aΣ、方位差通道空时二维导向矢量/>俯仰差通道空时二维导向矢量/>计算和通道最优自适应权矢量wΣ、方位差通道最优自适应权矢量/>俯仰差通道最优自适应权矢量/>
其中，μ为一标量常数，上标-1表示求逆操作；
(2.5)对回波数据进行杂波抑制，得到杂波抑制后的输出；
根据和通道最优自适应权矢量wΣ、方位差通道最优自适应权矢量俯仰差通道最优自适应权矢量/>对回波数据进行杂波抑制，得到杂波抑制后和通道的输出yΣ，方位差通道的输出/>俯仰差通道的输出/>
yΣ＝[y1Σ,y2Σ,...,ylΣ，...,yLΣ]，l＝1,2,…,L
其中，ylΣ表示采样回波数据块中第l个距离门杂波抑制后和通道的输出，表示采样回波数据块中第l个距离门杂波抑制后方位差通道的输出，/>表示采样回波数据块中第l个距离门杂波抑制后俯仰差通道的输出，ylΣ，/>的具体表达式如下：
其中，xl表示采样回波数据块中第l个距离门对应的回波矢量，上标H表示共轭转置操作。
步骤3，根据杂波抑制后的输出，获得方位角和俯仰角。
(3.1)根据杂波抑制后的输出获得目标在和通道的距离门、多普勒通道以及幅值：
对杂波抑制后的输出进行仿真，结果如图2，其中：
图2(a)表示杂波抑制后和通道的输出三维仿真图，X坐标轴为和通道输出的多普勒通道，Y坐标轴为和通道输出的距离门，Z坐标轴为和通道输出的幅值；
图2(b)表示杂波抑制后方位差通道的输出三维仿真图，X坐标轴为差通道输出的多普勒通道，Y坐标轴为差通道输出的距离门，Z坐标轴为差通道输出的幅值；
图2(c)表示杂波抑制后俯仰差通道的输出三维仿真图，X坐标轴为俯仰差通道输出的多普勒通道，Y坐标轴为俯仰差通道输出的距离门，Z坐标轴为俯仰差通道输出的幅值；
从杂波抑制后和通道的输出仿真图中，得到目标的距离门lt、多普勒通道mt以及幅值ySΣ，即从图2(a)中方框处的坐标值，得到目标的距离门lt为339，多普勒通道mt为188，幅值ySΣ为0.0005181。
(3.2)获得目标在方位差通道的幅值yθ以及目标在俯仰差通道的幅值
通过MATLAB软件搜索杂波抑制后方位差通道的输出矩阵在点(lt,mt)对应的值，得到目标在方位差通道的幅值yθ，通过MATLAB软件搜索杂波抑制后俯仰差通道的输出矩阵/>在点(lt,mt)对应的值得到目标在俯仰差通道的幅值/>
(3.3)计算目标处方位差通道与和通道的比值qθ以及俯仰差通道与和通道的比值
根据目标在和通道的幅值ySΣ、目标在方位差通道的幅值yθ以及目标在俯仰差通道的幅值计算出目标处方位差通道与和通道的比值qθ以及俯仰差通道与和通道的比值
其中，ySΣ表示和通道在目标处的幅值，yθ表示方位差通道在目标处的幅值，表示俯仰差通道在目标处的幅值；
(3.4)计算鉴角曲线斜率：
所述鉴角曲线如图3所示，其中3(a)为方位维鉴角曲线二维图，X坐标轴为方位角，单位为度，Y坐标轴为方位维鉴角曲线的幅值；图3(b)表示俯仰维鉴角曲线二维图，X坐标轴为俯仰角，单位为度，Y坐标轴为俯仰维鉴角曲线的幅值；
根据和差天线体制下天线的参数，分别计算出方位维鉴角曲线的斜率kθ和如图俯仰维鉴角曲线的斜率
其中，j表示虚数单位符号，Lc表示天线的长度，Lr表示天线的高度，θ0表示雷达接收天线主瓣指向的方位角，表示雷达接收天线主瓣指向的俯仰角，λ表示波长；
(3.5)计算目标的方位角θ以及俯仰角
根据方位差通道与和通道的比值qθ以及方位维鉴角曲线的斜率kθ，计算出目标的方位角θ：
根据仰差通道与和通道的比值以及俯仰维鉴角曲线的斜率/>计算出目标的俯仰角/>
其中，θ0表示雷达接收天线主瓣指向的方位角，qθ表示目标处方位差通道与和通道的比值，kθ表示方位维鉴角曲线的斜率，表示雷达接收天线主瓣指向的俯仰角，/>表示目标处俯仰差通道与和通道的比值，/>表示方位维鉴角曲线的斜率。
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：
1.仿真实验条件：
本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel(R)Core(TM)i7-10700 CPU，主频为2.90GHz，内存16GB。
本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 10操作系统和MATLAB R2020b。
本发明仿真实验的参数设置为：采用16×16半波长等距面阵，雷达工作波长λ＝0.24m，阵元间距d＝0.12m，每个脉冲重复周期的相干脉冲数K＝16，载机飞行高度H＝8Km，载机的运动速度V＝120m/s，脉冲重复频率fprf＝2000Hz，采样率fs＝5MHz，杂噪比CNR＝30dB，主波束宽度为20°。
2.仿真内容及其结果分析：
仿真1，利用上述仿真条件，在[-20dB,10dB]范围内选择多个输入信噪比点，对本发明每一个信噪比点进行100次的Monte-Carlo实验，取其对应的角度误差值进行平均，得到每一个信噪比点对应的角度均方误差值，再对这些值进行连接得到本发明的均方误差曲线，如图4所示。图4中的横轴表示输入信噪比，单位是dB，纵轴表示均方误差，单位是度，菱形符号标示的曲线表示俯仰角的均方误差随输入信噪比变化的曲线，圆圈符号标示的曲线表示方位角的均方误差随输入信噪比变化的曲线。
仿真2，利用上述仿真条件，在[-20dB,10dB]范围内选择多个输入信噪比点，对本发明每一个信噪比点对应的信号输出功率与杂波噪声输出功率的比值进行连接，得到本发明的输出信杂噪比曲线，如图5所示。图5中的横轴表示输入信噪比，单位是dB，纵轴表示输出信杂噪比，单位是dB，以菱形符号标示的曲线表示和通道的输出信杂噪比随输入信噪比变化的曲线，以圆圈符号标示的曲线表示方位差通道的输出信杂噪比随输入信噪比变化的曲线，以点符号标示的曲线表示俯仰差通道的输出信杂噪比随输入信噪比变化的曲线。
由图4的仿真图结果可见，输入信噪比为-13dB，对应图5和通道的输出信杂噪比为8dB，此时本发明的测角精度达1/10波束宽度；输入信噪比为-8dB，对应图5和通道的输出信杂噪比为12dB，此时本发明的测角精度达1/20波束宽度。
上述仿真结果表明，本发明可以解决杂波背景下的运动目标检测与测角问题，验证了本发明的正确性、有效性和可靠性。
Claims (10)
1.一种基于和差天线体制雷达空时自适应处理的测角方法，其特征在于，包括：
(1)获得回波数据N×K,L，其中，N表示机载/弹载雷达接收天线的和差通道个数，K表示每个脉冲重复周期的相干脉冲数，L表示采样数据的距离门样本数；
(2)对回波数据进行杂波抑制：
(2a)估计出杂波的采样协方差矩阵
(2b)根据理想情况下差波束天线方向图在主瓣指向上响应为零，空域导向矢量中的差支路分量均为零的特性，设置和差天线体制下和通道空域导向矢量asΣ、方位差通道空域导向矢量俯仰差通道空域导向矢量/>分别为：
asΣ＝[1,0,0]T，
其中，上标T表示转置操作，相控阵体制下用和差差波束天线方向图在主瓣指向处的输出作为空域导向矢量的取值；
(2c)根据(2b)的结果，计算和通道空时二维导向矢量aΣ、方位差通道空时二维导向矢量俯仰差通道空时二维导向矢量/>
其中，表示克罗内克积操作，at表示雷达接收天线主瓣指向的时域导向矢量；
(2d)根据(2a)和(2c)的结果，计算和通道最优自适应权矢量wΣ、方位差通道最优自适应权矢量俯仰差通道最优自适应权矢量/>
其中，μ为一标量常数，上标-1表示求逆操作；
(2e)根据(2d)的结果，得到杂波抑制后的输出：
yΣ＝[y1Σ,y2Σ,…,ylΣ，…,yLΣ]，l＝1,2,…,L
其中，yΣ表示杂波抑制后和通道的输出，ylΣ表示采样回波数据块中第l个距离门杂波抑制后和通道的输出，表示方位差通道的输出，/>表示采样回波数据块中第l个距离门杂波抑制后方位差通道的输出，/>表示俯仰差通道的输出，/>表示采样回波数据块中第l个距离门杂波抑制后俯仰差通道的输出；
(3)根据杂波抑制后的输出，获得目标方位角和俯仰角：
(3a)根据杂波抑制后和通道的输出yΣ，得到目标的距离门lt、多普勒通道mt以及幅值ySΣ；
(3b)根据目标的距离门lt和多普勒通道mt，从方位差通道的输出得到目标在方位差通道的幅值yθ，从俯仰差通道的输出/>得到目标在俯仰差通道的幅值/>
(3c)根据目标在和通道的幅值yΣ、目标在方位差通道的幅值yθ以及目标在俯仰差通道的幅值计算出目标处方位差通道与和通道的比值qθ以及俯仰差通道与和通道的比值
(3d)根据和差天线体制下天线的参数，计算出方位维鉴角曲线的斜率kθ和俯仰维鉴角曲线的斜率
(3e)根据方位差通道与和通道的比值qθ以及方位维鉴角曲线的斜率kθ，计算出目标的方位角θ，根据俯仰差通道与和通道的比值以及俯仰维鉴角曲线的斜率/>计算出目标的俯仰角/>完成对目标方位角和俯仰角的估计。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(2a)中估计杂波协方差矩阵采用如下最大似然公式进行：
其中，xl表示采样回波数据块中第l个距离门对应的回波矢量，上标H表示共轭转置操作。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(2c)中雷达接收天线主瓣指向的时域导向矢量的at，表达式如下：
其中，j表示虚数单位符号，fd表示多普勒频率，上标T表示转置操作。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(2e)中采样回波数据块中第l个距离门杂波抑制后和通道的输出ylΣ，采样回波数据块中第l个距离门杂波抑制后方位差通道的输出采样回波数据块中第l个距离门杂波抑制后俯仰差通道的输出/>表达式如下：
其中，xl表示采样回波数据块中第l个距离门对应的回波矢量，上标H表示共轭转置操作。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(3a)中获得的目标的距离门lt、多普勒通道mt以及幅值yΣ，是通过对杂波抑制后和通道的输出ylΣ进行仿真，从仿真图中目标处显示的坐标得到。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(3b)中获得的目标在方位差通道的幅值是通过MATLAB软件搜索方位差通道的输出矩阵/>在点(lt,mt)对应的值得到。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(3b)中获得的目标在俯仰差通道的幅值是通过MATLAB软件搜索俯仰差通道的输出矩阵/>在点(lt,mt)对应的值得到。
8.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于，(3c)中计算目标处方位差通道与和通道的比值qθ和目标处俯仰差通道与和通道的比值公式如下：
其中，yΣ表示和通道在目标处的幅值，表示方位差通道在目标处的幅值，表示/>俯仰差通道在目标处的幅值。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(3d)中计算方位维鉴角曲线的斜率kθ和俯仰维鉴角曲线的斜率公式如下：
其中，j表示虚数单位符号，Lc表示天线的长度，Lr表示天线的高度，θ0表示雷达接收天线主瓣指向的方位角，表示雷达接收天线主瓣指向的俯仰角，λ表示波长。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(3e)中计算方位角θ和俯仰角公式如下：
其中，θ0表示雷达接收天线主瓣指向的方位角，qθ表示目标处方位差通道与和通道的比值，kθ表示方位维鉴角曲线的斜率，表示雷达接收天线主瓣指向的俯仰角，/>表示目标处俯仰差通道与和通道的比值，/>表示方位维鉴角曲线的斜率。
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