CN114200390B - 基于空间谱估计的被动雷达导引头二维测向方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于空间谱估计的被动雷达导引头二维测向方法及装置，属于电子对抗技术领域，方法包括：将被动雷达导引头对应的天线阵在俯仰面和/或方位面上转动；设定辐射源数量N；采用空间谱估计方法，估计辐射源相对于天线阵坐标系的空间谱；利用俯仰面和方位面上的转动角，计算旋转矩阵；计算各辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标系的空间谱；采用Kalman滤波，生成时间T内辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标的空间谱；若所有两两俯仰角的差值和两两方位角的差值分别均大于俯仰角分辨角和方位角分辨角，则N为估计的辐射源数量，否则N减1。本发明可以解决基于信息论的辐射源数估计方法繁琐且在复杂电磁环境中准确度不高的问题。

Description

基于空间谱估计的被动雷达导引头二维测向方法及装置

技术领域

本发明属于电子对抗技术领域，更具体地，涉及一种基于空间谱估计的被动雷达导引头二维测向方法及装置。

背景技术

被动雷达导引头是以辐射源辐射的电磁信号为制导信息，将攻击武器（如反辐射导弹、反辐射无人机等）导引至精确末制导作用距离内，或直接导引机体命中辐射源。

现代被动雷达导引头为了能快速搜索到目标信号并测向，一般采用宽波束的圆极化天线进行干涉仪测向，因此分辨角比较大。而在辐射源附近设置诱饵系统，利用了被动雷达导引头宽波束、角分辨力低的固有缺点，使导引头分辨不出目标和诱饵信号，导致诱偏反辐射武器，使反辐射武器失效。因此，为提高反辐射武器抗诱偏能力，需要提高被动雷达导引头的角分辨力，使其能分辨雷达和诱饵。

为提高角分辨力，空间谱技术成为了研究的热点。因为空间谱估计技术具有超高的空间信号分辨能力，能突破“瑞利限”；对于非相干诱饵，空间谱估计技术中经典算法已较为成熟；对于相干诱饵，若采用空间谱估计测向，需要解相干；特别是导引头需要提供目标俯仰角和方位角信息，即要实现二维测向，需要使用平面阵列，典型的是均匀圆阵。而均匀圆阵相干信源的二维空间谱估计面临诸多挑战。

现有文献“均匀圆阵相干信源二维波达方向估计”中的双圆阵并不适合被动雷达导引头安装空间的要求；现有文献“基于均匀圆阵的信源数估计和测向算法研究”通过虚拟阵列平移技术，实现了在不牺牲孔径的前提下实现均匀圆阵的信号解相干，但仅适用于没有噪声情况下的虚拟平移，当存在噪声时估计误差较大。

另外，空间谱估计算法需要在已知辐射源数的情况下估计，一旦辐射源数估计不准确，就无法得到正确的信号或噪声子空间，导致来波方向估计错误；传统的基于信息论的方法能解决高斯白噪声情况下的辐射源数估计，对于有色噪声的情况，陆续研究出了改进算法。现有文献“相干信源波达方向估计中的若干问题”提出了一种无需辐射源数先验信息的相干来波方向估计算法，但需要用到四阶累积量矩阵，比较繁琐。

综上所述，现有技术的瓶颈在于两点：一是相干信源二维波达方向估计的解相干，二是辐射源数未知时的波达方向估计。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于空间谱估计的被动雷达导引头二维测向方法及装置，旨在解决现有的被动雷达导引头采用空间谱估计进行测向时，需要在已知辐射源数的情况下估计，一旦辐射源数估计不准确时，无法得到正确的信号或噪声子空间，导致来波方向估计错误，进而无法对被动雷达导引头进行准确地二维测向的问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种基于空间谱估计的被动雷达导引头二维测向方法，包括以下步骤：

（1）将被动雷达导引头对应的天线阵在俯仰面和/或方位面上转动，不仅可以扩大搜索视场，还可以辅助解信号相干；

（2）获取时间T内天线阵中各天线阵元接收到的辐射信号数据，且设定辐射源数量N；其中，所述辐射信号由所述辐射源产生；

（3）根据所述辐射源数量和时间T内两时刻各天线阵元接收到的辐射信号数据，采用空间谱估计方法，估计两时刻各辐射源相对于天线阵坐标系的空间谱；

（4）利用天线阵相对被动雷达导引头机体在俯仰面和方位面上的转动角，计算天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵；

（5）根据两时刻各辐射源相对于天线阵坐标系的空间谱，结合天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵，计算两时刻各辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标系的空间谱；

（6）根据所述两时刻各辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标系的空间谱，采用Kalman滤波，生成时间T内辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标的空间谱；这里需指出，由两个不同时刻的空间谱推测生成包含两时刻的一段时间的空间谱；

（7）将所述时间T内辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标的空间谱中各俯仰角和各方位角两两比较，若所有两两俯仰角的差值均大于俯仰角分辨角，且所有两两方位角的差值均大于方位角分辨角，则N为估计的辐射源数量，否则，N减1，转至步骤（3）；其中，N为大于等于2的整数。

俯仰角分辨角和方位角分辨角取决于被动雷达导引头性能指标，需要提前进行测试标定。

进一步优选地，所述空间谱估计为MUSIC或ESPRIT方法。

进一步优选地，所述天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵为：

其中，

为所述天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵；α和β为天线阵相对被动雷达导引头机体在俯仰面和方位面上的转动角。

另一方面，本发明提供了一种基于空间谱估计的被动雷达导引头二维测向装置，包括：

天线阵随动系统，用于将被动雷达导引头对应的天线阵在俯仰面和/或方位面上持续转动，不仅可以扩大搜索视场，还可以辅助解信号相干；

数据采集设置系统，用于获取时间T内天线阵中各天线阵元接收到的辐射信号数据，且设定辐射源数量N；其中，辐射信号由辐射源产生；

空间谱估计系统，用于根据辐射源数量和时间T内两时刻各天线阵元接收到的辐射信号数据，采用空间谱估计方法，估计两时刻各辐射源相对于天线阵坐标系的空间谱；

旋转矩阵计算系统，用于利用天线阵相对被动雷达导引头机体在俯仰面和方位面上的转动角，计算天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵；

空间谱转换系统，用于根据两时刻各辐射源相对于天线阵坐标系的空间谱，结合天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵，计算两时刻各辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标系的空间谱；

时间段空间谱生成系统，用于根据两时刻各辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标系的空间谱，采用Kalman滤波，生成时间T内辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标的空间谱；这里需指出，由两个不同时刻的空间谱推测生成包含两时刻的一段时间的空间谱；

二维测向参数的判定系统，用于将时间T内辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标的空间谱中各俯仰角和各方位角两两比较，若所有两两俯仰角的差值均大于俯仰角分辨角，且所有两两方位角的差值均大于方位角分辨角，则N为估计的辐射源数量；所述时间T内辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标的空间谱中各俯仰角和各方位角为测向参数；否则，N减1，驱动所述空间谱估计系统执行。

俯仰角分辨角和方位角分辨角取决于被动雷达导引头性能指标，需要提前进行测试标定。

进一步优选地，所述空间谱估计为MUSIC或ESPRIT方法。

进一步优选地，所述天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵为：

其中，

为所述天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵；α和β为天线阵相对被动雷达导引头机体在俯仰面和方位面上的转动角。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供的基于空间谱估计的被动雷达导引头二维测向方法及装置，其中，被动雷达导引头对应的天线阵在俯仰面和/或方位面上持续转动，使雷达导引头到达天线的路径不断改变，会导致雷达和天线端相位差不断改变，即各辐射源信号到达天线端的相位差没有固定的关系，等效为非相干信号，从而达到解相干目的；在此基础上，针对辐射源数量未知的情形，采用从多到少假定辐射源数量、逐次逼近的方法，可以解决基于信息论的辐射源数估计方法繁琐且在复杂电磁环境中准确度不高的问题。

附图说明

图1（a）是本发明实施例提供的被动雷达导引头天线阵在俯仰面转动的示意图；

图1（b）是本发明实施例提供的被动雷达导引头天线阵在方位面转动的示意图；

图2是本发明实施例提供的基于空间谱的被动雷达导引头二维测向方法流程图；

图3是本发明实施例提供的辐射源数N取5时，各辐射源相对于机体坐标系的空间谱；

图4是本发明实施例提供的辐射源数N取4时，各辐射源相对于机体坐标系的空间谱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的整体思路为：对于相干信号的处理，虽然雷达和诱饵信号的初始相位差是固定的，但若构造出被动雷达导引头不断调整跟踪方向，使雷达和诱饵到达导引头天线的路径不断改变，会直接导致雷达和诱饵信号到达天线端的相位差不断改变，即各辐射源信号到达导引头天线端的相位差没有固定的关系，等效为非相干信号，从而达到解相干目的；对辐射源数未知的情形，采用从多到少假定辐射源数，逐次逼近的方法进行估计；需指出，雷达和诱饵构成“各辐射源”；

图1（a）和图1（b）是被动雷达导引头天线阵二维转动示意图；天线阵与机体通过二维转台连接，二维转台可带动天线阵在俯仰面或方位面上转动；其中，机体坐标系为O_m-X_mY_mZ_m，天线阵坐标系为O_p-X_pY_pZ_p；图1（a）为俯仰面转动，转动角为α；图1（b）为方位面转动，转动角为β；

本发明中二维转台为天线阵随动系统；

一方面，本发明提供了如图2所示的基于空间谱估计的被动雷达导引头二维测向方法的流程图，具体包括以下步骤：

步骤一：导引头开机接收信号，将天线阵随动系统带动天线阵进行二维转动；

步骤二：在时间T内连续快拍，存储各天线阵元接收到辐射信号的数据；

考虑到反辐射无人机飞行速度较慢，且T取值较小，可以认为在时间T内辐射源相对于反辐射无人机的空间谱没有变化；

步骤三：由于辐射源数量未知，可假定辐射源数量为N；其中，N的取值小于天线阵元数M；按照从多到少假定信源数，逐次逼近的思路，初始假定的N应尽量大；

步骤四：在时间T内存储的数据中，提取T₁时刻各天线阵元接收的数据A₁、A₂、A₃，…，A_M，为空间谱估计提供数据保证；

步骤五：基于步骤三的辐射源数N和步骤四的接收数据A₁~ A_M，采用空间谱估计经典的MUSIC或ESPRIT算法，可估计出T₁时刻各辐射源相对于天线阵坐标系的空间谱；

步骤六：通过二维转台测角装置记录该时刻天线阵随动系统相对于机体坐标系原点的转动角度α₁和β ₁，为坐标变换做准备；

步骤七：将天线阵坐标到机体的坐标变换；根据图1，可以得出天线阵坐标系X_pY_pZ_p到机体坐标系X_mY_mZ_m之间的旋转矩阵为：

步骤八：基于步骤五得到的T₁时刻各辐射源相对于天线阵坐标的空间谱以及步骤七得到的坐标变换旋转矩阵，可以计算出T₁时刻各辐射源相对于机体坐标系的空间谱；

由于在时间T内天线阵随动系统一直转动，接收信号的波程差不断改变，故信号不相干，若得到时间T内各辐射源相对于机体坐标系的空间谱就实现了解相干；

现已得到T₁时刻的空间谱，还需T₂等时刻的空间，即可以通过Kalman滤波估计出时间T内各辐射源相对于机体坐标系的空间谱；因此，重复步骤四到步骤八，得到T₂等时刻的空间谱；

步骤九：由步骤八得到的T₁、T₂等时刻辐射源相对于机体坐标的空间谱，通过Kalman滤波，生成时间T内辐射源相对于机体坐标的空间谱：（φ ₁，θ ₁）、（φ ₂，θ ₂）……（φ _N ，θ _N ）；其中，φ为俯仰角，θ为方位角；

以上是基于步骤三假定的辐射源数量N推导出的结果，但N的假定不一定准确，导致生成的空间谱图存在伪峰；故采用从多到少假定辐射源数，逐次逼近的方法进行估计；

步骤十：将步骤九得到的各俯仰角φ和各方位角θ分别进行两两比较，若差值分别小于俯仰角分辨角φ _res 和方位角分辨角θ _res ，则说明辐射源数量N的假定不正确，将数量N减小一个，跳转到步骤三继续空间谱估计，直到各俯仰角φ和各方位角θ两两比较的差值大于分辨角，此时的N即为最终估计的辐射源数量，并得到最终估计的各辐射源相对于机体坐标系的空间谱；

另一方面，本发明提供了一种基于空间谱估计的被动雷达导引头二维测向装置，包括：

天线阵随动系统，用于将被动雷达导引头对应的天线阵在俯仰面和/或方位面上持续转动，不仅可以扩大搜索视场，还可以辅助解信号相干；

数据采集设置系统，用于获取时间T内天线阵中各天线阵元接收到的辐射信号数据，且设定辐射源数量N；其中，辐射信号由辐射源产生；

空间谱估计系统，用于根据辐射源数量和时间T内两时刻各天线阵元接收到的辐射信号数据，采用空间谱估计方法，估计两时刻各辐射源相对于天线阵坐标系的空间谱；

旋转矩阵计算系统，用于利用天线阵相对被动雷达导引头机体在俯仰面和方位面上的转动角，计算天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵；

空间谱转换系统，用于根据两时刻各辐射源相对于天线阵坐标系的空间谱，结合天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵，计算两时刻各辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标系的空间谱；

时间段空间谱生成系统，用于根据两时刻各辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标系的空间谱，采用Kalman滤波，生成时间T内辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标的空间谱；这里需指出，由两个不同时刻的空间谱推测生成包含两时刻的一段时间的空间谱；

二维测向参数的判定系统，用于将时间T内辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标的空间谱中各俯仰角和各方位角两两比较，若所有两两俯仰角的差值均大于俯仰角分辨角，且所有两两方位角的差值均大于方位角分辨角，则N为估计的辐射源数量；时间T内辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标的空间谱中各俯仰角和各方位角为测向参数；否则，N减1，驱动空间谱估计系统执行。

俯仰角分辨角和方位角分辨角取决于被动雷达导引头性能指标，需要提前进行测试标定。

进一步优选地，空间谱估计为MUSIC或ESPRIT方法。

进一步优选地，天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵为：

其中，

为天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵；α和β为天线阵相对被动雷达导引头机体在俯仰面和方位面上的转动角。

实施例

被动雷达导引头天线阵为10元均匀圆阵布置，圆阵的半径为15cm；远场设置4个相同载频、不同调频和不同来波方向的辐射源信号；来波方向相对于机体坐标系的到达角分别为（55°，50°）、（28°，10°）、（62°，-10°）、（43°，-40°）；辐射线性调频信号载频为1GHz；调频系数分别为5、15、25、35；信噪比均为20dB；测向系统采样率为10GHz，数据快拍数为1000；

步骤二：时间T取0.1s；

步骤三：假定辐射源数量N取5；

步骤四：T₁时刻取20ms；

步骤八：T₂时刻取70ms；

步骤九：生成时间T内辐射源相对于机体坐标系的空间谱如图3所示；搜索到空间谱各峰值坐标如表1所示，依次为（55°,50°）、（62°,-10°）、（43°,-40°）、（62°,-11°）、（28°,10°）；

表1

步骤十：两两比较各俯仰角φ和各方位角θ；一般而言，对于10元均匀圆阵，圆阵半径为15cm，其方位或俯仰可分辨角度不小于3°，即φ _res 和θ _res 均大于3°；显然，（φ ₂，θ ₂）和（φ ₄，θ ₄）的差值小于可分辨角度；故使辐射源数量N减小一个，跳转到步骤三；

步骤三：假定辐射源数量N取4；重复步骤四到八；

步骤九：生成时间T内辐射源相对于机体坐标的空间谱如图4所示；搜索到空间谱各峰值坐标如表2所示，依次为（43°,-40°）、（62°,-10°）、（55°,50°）、（28°,10°）；

步骤十：两两比较各俯仰角φ和各方位角θ，差值均大于可分辨角度，故最终估计的辐射源数量为4，并得到最终估计的各辐射源相对于机体坐标的空间谱如图4所示，谱峰值如表2所示；

表2

本发明与现有技术相比，存在以下优势：

本发明提供的被动雷达导引头对应的天线阵在俯仰面和/或方位面上持续转动，使雷达导引头到达天线的路径不断改变，会导致雷达和天线端相位差不断改变，即各辐射源信号到达天线端的相位差没有固定的关系，等效为非相干信号，从而达到解相干目的；在此基础上，针对辐射源数量未知的情形，采用从多到少假定辐射源数量、逐次逼近的方法，可以解决基于信息论的辐射源数估计方法繁琐且在复杂电磁环境中准确度不高的问题。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于空间谱估计的被动雷达导引头二维测向方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将被动雷达导引头对应的天线阵在俯仰面和/或方位面上转动；

（2）获取时间T内天线阵中各天线阵元接收到的辐射信号数据，且设定辐射源数量N；其中，所述辐射信号由所述辐射源产生；

（3）根据所述辐射源数量和时间T内两时刻各天线阵元接收到的辐射信号数据，采用空间谱估计方法，估计两时刻各辐射源相对于天线阵坐标系的空间谱；

（4）利用天线阵相对被动雷达导引头机体在俯仰面和方位面上的转动角，计算天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵；

（5）根据两时刻各辐射源相对于天线阵坐标系的空间谱，结合天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵，计算两时刻各辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标系的空间谱；

（6）根据所述两时刻各辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标系的空间谱，采用Kalman滤波，生成时间T内辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标的空间谱；

（7）将所述时间T内辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标的空间谱中各俯仰角和各方位角两两比较，若所有两两俯仰角的差值均大于俯仰角分辨角，且所有两两方位角的差值均大于方位角分辨角，则N为估计的辐射源数量，否则，N减1，转至步骤（3）；其中，N为大于等于2的整数。

2.根据权利要求1所述的被动雷达导引头二维测向方法，其特征在于，所述空间谱估计为MUSIC或ESPRIT方法。

3.根据权利要求1或2所述的被动雷达导引头二维测向方法，其特征在于，所述天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵为：

其中，

为所述天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵；α和β为天线阵相对被动雷达导引头机体在俯仰面和方位面上的转动角。

4.一种基于空间谱估计的被动雷达导引头二维测向装置，其特征在于，包括：

天线阵随动系统，用于将被动雷达导引头对应的天线阵在俯仰面和/或方位面上持续转动；

数据采集设置系统，用于获取时间T内天线阵中各天线阵元接收到的辐射信号数据，且设定辐射源数量；其中，辐射信号由辐射源产生；

空间谱估计系统，用于根据辐射源数量和时间T内两时刻各天线阵元接收到的辐射信号数据，采用空间谱估计方法，估计两时刻各辐射源相对于天线阵坐标系的空间谱；

旋转矩阵计算系统，用于利用天线阵相对被动雷达导引头机体在俯仰面和方位面上的转动角，计算天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵；

空间谱转换系统，用于根据两时刻各辐射源相对于天线阵坐标系的空间谱，结合天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵，计算两时刻各辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标系的空间谱；

时间段空间谱生成系统，用于根据两时刻各辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标系的空间谱，采用Kalman滤波，生成时间T内辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标的空间谱；

二维测向参数的判定系统，用于将时间T内辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标的空间谱中各俯仰角和各方位角两两比较，若所有两两俯仰角的差值均大于俯仰角分辨角，且所有两两方位角的差值均大于方位角分辨角，则N为估计的辐射源数量；所述时间T内辐射源相对于被动雷达导引头机体坐标的空间谱中各俯仰角和各方位角为测向参数；否则，N减1，驱动所述空间谱估计系统执行。

5.根据权利要求4所述的被动雷达导引头二维测向装置，其特征在于，所述空间谱估计为MUSIC或ESPRIT方法。

6.根据权利要求4或5所述的被动雷达导引头二维测向装置，其特征在于，所述天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵为：

其中，

为所述天线阵坐标系到被动雷达导引头机体坐标系之间的旋转矩阵；α和β为天线阵相对被动雷达导引头机体在俯仰面和方位面上的转动角。

7.根据权利要求4所述的被动雷达导引头二维测向装置，其特征在于，俯仰角分辨角和方位角分辨角根据被动雷达导引头的性能指标确定。

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