CN113917389A - 一种相控阵协同探测系统和差波束角度估计方法 - Google Patents

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冷鹏飞
黄镠
周升国
张信民
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    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
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Abstract

本发明提出了一种相控阵协同探测系统和差波束角度估计方法，采用数字波束形成技术同时合成多个接收波束覆盖整个搜索空域，通过对每个搜索波束数据进行数字解调，确定目标协同探测设备所在空域波束，并在该波束中心位置同时形成和差接收波束，进而根据和差波束幅相特性不断调整和差接收波束指向，当和差波束幅相特性满足收敛条件或者测角时间资源消耗殆尽时，返回角度估计值。本发明在每次调整波束指向时形成和差接收波束，充分利用和差波束相位差确定波束指向调整方向，并采用较小步进搜寻鉴角曲线零点以实现角度估计。

Description

一种相控阵协同探测系统和差波束角度估计方法
技术领域
本发明涉及电子对抗技术领域。
背景技术
通过编队协同探测实现跨平台信息交换与情报共享，能够有效提升未来军队的作战效能，利用编队内多相控阵协同设备进行高精度角度估计，将使得整个协同探测系统具备目标定位能力，从而丰富现代战场作战系统整体态势信息。传统的相控阵雷达和差波束测角技术，必须事先在微波暗室内完成天线方向图测试，并存储鉴角曲线先验知识，鉴角曲线与面阵规模、入射波角度以及探测系统工作频率有关，为了具备高精度测角能力，往往需要对鉴角曲线进行精细量化，这使得工程实现时测角精度与存储资源之间存在矛盾。
专利CN104459609B公开了一种基于相控阵雷达的高精度快速实时测向方法，该方案根据和波束粗测向的结果调度一个差波束指向该方位，利用差波束幅度特性分阶段、分步进实时调整差波束指向，使差波束指向与零深方位快速重合完成测向，无需事先存储鉴角曲线，但该方案存在技术问题：(1)仅利用差波束幅度特性进行波束指向判别，导致首次波束指向调整方向随机，且该方案为了保证算法收敛速度，在首次指向调整时采用较大的调整步进，当和波束粗测向结果与目标实际方位偏差较大时，可能在首次指向调整时就致使目标进入差波束天线方向图的副瓣区域，从而输出错误的角度估计值；(2)仅依靠单个波束幅度特性进行角度估计，无法消除接收信号幅度起伏引起的测角误差。
发明内容
本发明提出的一种相控阵协同探测系统和差波束角度估计方法，适于编队内协同探测系统之间的高精度实时角度信息获取，能够提升编队协同探测系统整体态势感知能力。本发明提出了一种相控阵协同探测系统和差波束角度估计方法，在每次调整波束指向时形成和差接收波束，充分利用和差波束相位差确定波束指向调整方向，并采用较小步进搜寻鉴角曲线零点以实现角度估计。
实现本发明的技术解决方案为：采用数字波束形成技术同时合成多个接收波束覆盖整个搜索空域，通过对每个波束数据进行数字解调，确定目标协同探测设备所在空域波束，并在该波束中心位置同时形成和差接收波束，进而根据和差波束幅相特性不断调整和差接收波束指向，当和差波束幅相特性满足收敛条件或者测角时间资源消耗殆尽时，返回角度估计值。
具体步骤为：
步骤1：采用数字波束形成技术同时合成多个接收波束覆盖整个搜索空域；
步骤2：对每个搜索波束进行数字解调，选择接收信号幅度最大的波束作为目标协同探测设备所在空域波束；
步骤3：在目标协同探测设备所在波束中心位置同时形成和差波束，根据和差波束幅相特性不断调整和差接收波束指向，当和差波束幅相特性满足收敛条件或者测角时间资源消耗殆尽时，返回角度估计结果。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)相较于传统和差波束测角技术，本发明无需事先存储大量鉴角曲线，节省硬件存储资源，且整个算法只涉及DBF处理、信号解调处理以及角度估计处理，单块FPGA处理板即可满足处理需求，无需任何软件干预，不存在软硬件异构处理平台之间的数据交互，系统设计更为简易；(2)相较于现有技术，本发明利用和波束对差波束进行归一化处理，可以明确获取角误差信号极性，具有更高的角灵敏度，并且能够基本消除接收信号幅度起伏引起的测角误差，与此同时，本发明在首次迭代更新角度估计值时利用了鉴角曲线先验信息，算法具备快速收敛能力。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为本发明一种相控阵协同探测系统和差波束角度估计方法框图；
图2为本发明一种相控阵协同探测系统和差波束角度估计方法迭代处理流程图；
图3为本发明一种相控阵协同探测系统和差波束角度估计方法实施例效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，但本发明的保护范围不受实施条例的限制。
结合图1说明本发明一种相控阵协同探测系统和差波束角度估计方法。
如图1所示，本发明包括如下步骤：
步骤1：采用数字波束形成技术同时合成多个接收波束覆盖整个搜索空域；
步骤2：对每个搜索波束进行数字解调，选择接收信号幅度最大的波束作为目标协同探测设备所在空域波束；
步骤3：在目标协同探测设备所在波束中心位置同时形成和差接收波束，根据和差波束幅相特性不断调整和差接收波束指向，当和差波束幅相特性满足收敛条件或者测角时间资源消耗殆尽时，返回角度估计结果。
其中，目标角度估计优选迭代处理流程如图2所示，步骤3包括如下步骤：
步骤3-1：初始化角度估计值：将目标协同探测设备所在波束中心位置对应的角度作为初始角度估计值
Figure BDA0003288834340000021
步骤3-2：和差波束形成：在初始角度估计值
Figure BDA0003288834340000031
处同时形成和差接收波束，得到接收信号在和差通道的阵列响应分别为
Figure BDA0003288834340000032
其中n为数字接收机离散采样时间；
步骤3-3：首次迭代：更新角度估计值
Figure BDA0003288834340000033
Figure BDA0003288834340000034
式中，△θ1/4为系统工作在最高探测频点时，最窄搜索波束的1/4波宽，α1为首次迭代时角度估计值的更新方向，取值为1或-1，具体取值取决于差波束口径分布函数形状以及和差通道阵列响应
Figure BDA0003288834340000035
相位之差；
步骤3-4：和差波束形成：在角度估计值
Figure BDA0003288834340000036
处同时形成和差接收波束，得到接收信号在和差通道的阵列响应分别为
Figure BDA0003288834340000037
其中
Figure BDA0003288834340000038
为波束中心位置角度，n为数字接收机离散采样时间，i为第i次迭代周期，取值为正整数；
步骤3-5：后续迭代：根据系统测角误差需求，更新角度估计值
Figure BDA0003288834340000039
Figure BDA00032888343400000310
式中，σθ为系统测角均方根误差需求，αi为第i次迭代时角度估计值的更新方向，取值为1或-1，具体取值取决于差波束口径分布函数形状以及和差通道阵列响应
Figure BDA00032888343400000311
Figure BDA00032888343400000312
相位之差；
步骤3-6：时间判断：判断测角时间资源是否耗尽，若耗尽则输出角度估计值
Figure BDA00032888343400000313
迭代结束，若尚未耗尽则转步骤3-7；
步骤3-7：收敛判断：判断当前角度估计值
Figure BDA00032888343400000314
是否满足收敛条件，若收敛则转步骤3-8，否则转步骤3-4，收敛条件须同时满足式(3)、式(4)：
Figure BDA00032888343400000315
Figure BDA00032888343400000316
式中，N为离散样本点累积点数，△1为和差通道幅度响应收敛阈值，M为当前迭代之前的第M个迭代周期，取值为正整数，△2为相邻迭代角度估计值收敛阈值；
步骤3-8：过域判断：若当前角度估计值
Figure BDA00032888343400000317
过域，则输出角度估计值
Figure BDA00032888343400000318
迭代结束，否则输出角度估计值
Figure BDA0003288834340000041
迭代结束，过域判断须满足式(5)：
Figure BDA0003288834340000042
式中，△3为过域阈值。
本发明提供了一种相控阵协同探测系统和差波束角度估计方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
实施例：
设相控阵协同探测系统面阵为均匀线阵，阵元间距为半波长，阵元数为32，工作频率为10GHz，目标方位角为20°，和波束采用-20dB的Taylor加权实现，差波束采用-20dB的Bayliss加权实现，阵元通道信噪比为15dB，图3为仿真结果，从图中可以看出，算法稳定收敛，经统计：收敛后差和波束增益差达-30dB以下，角度估计均值为19.9995°，均方根误差为0.0155°。

Claims (2)

1.一种相控阵协同探测系统和差波束角度估计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：采用数字波束形成技术同时合成多个接收波束覆盖整个搜索空域；
步骤2：对每个搜索波束进行数字解调，选择接收信号幅度最大的波束作为目标协同探测设备所在空域波束；
步骤3：在目标协同探测设备所在波束中心位置同时形成和差接收波束，根据和差波束幅相特性不断调整和差接收波束指向，当和差波束幅相特性满足收敛条件或者测角时间资源消耗殆尽时，返回角度估计结果。
2.根据权利要求1所述的一种相控阵协同探测系统和差波束角度估计方法，其特征在于：所述步骤3包括：
步骤3-1：初始化角度估计值：将目标协同探测设备所在波束中心位置对应的角度作为初始角度估计值
Figure FDA0003288834330000011
步骤3-2：和差波束形成：在初始角度估计值
Figure FDA0003288834330000012
处同时形成和差接收波束，得到接收信号在和差通道的阵列响应分别为
Figure FDA0003288834330000013
其中n为数字接收机离散采样时间；
步骤3-3：首次迭代：更新角度估计值
Figure FDA0003288834330000014
Figure FDA0003288834330000015
式中，Δθ1/4为系统工作在最高探测频点时，最窄搜索波束的1/4波宽，α1为首次迭代时角度估计值的更新方向，取值为1或-1，具体取值取决于差波束口径分布函数形状以及和差通道阵列响应
Figure FDA0003288834330000016
相位之差；
步骤3-4：和差波束形成：在角度估计值
Figure FDA0003288834330000017
处同时形成和差接收波束，得到接收信号在和差通道的阵列响应分别为
Figure FDA0003288834330000018
其中
Figure FDA0003288834330000019
为波束中心位置角度，n为数字接收机离散采样时间，i为第i次迭代周期，取值为正整数；
步骤3-5：后续迭代：根据系统测角误差需求，更新角度估计值
Figure FDA00032888343300000110
Figure FDA00032888343300000111
式中，σθ为系统测角均方根误差需求，αi为第i次迭代时角度估计值的更新方向，取值为1或-1，具体取值取决于差波束口径分布函数形状以及和差通道阵列响应
Figure FDA00032888343300000112
相位之差；
步骤3-6：时间判断：判断测角时间资源是否耗尽，若耗尽则输出角度估计值
Figure FDA00032888343300000113
迭代结束，若尚未耗尽则转步骤3-7；
步骤3-7：收敛判断：判断当前角度估计值
Figure FDA0003288834330000021
是否满足收敛条件，若收敛则转步骤3-8，否则转步骤3-4，收敛条件须同时满足式(3)、式(4)：
Figure FDA0003288834330000022
Figure FDA0003288834330000023
式中，N为离散样本点累积点数，Δ1为和差通道幅度响应收敛阈值，M为当前迭代之前的第M个迭代周期，取值为正整数，Δ2为相邻迭代角度估计值收敛阈值；
步骤3-8：过域判断：若当前角度估计值
Figure FDA0003288834330000024
过域，则输出角度估计值
Figure FDA0003288834330000025
迭代结束，否则输出角度估计值
Figure FDA0003288834330000026
迭代结束，过域判断须满足式(5)：
Figure FDA0003288834330000027
式中，Δ3为过域阈值。
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