CN114280532B - 一种基于带内共轭点乘的雷达目标角度估计方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于带内共轭点乘的雷达目标角度估计方法系统，其中估计方法通过角度与带内不同频率的相位关系，经带内共轭点乘提取角度信息，首先由模拟雷达接收天线的回波信号，匹配滤波后得到回波信号的频域采样信号；提取出雷达目标多个散射点的相位差，通过带内共轭点乘得出粗估计相位差值；将粗估计相位差作为初始值，利用频率估计结果对相位差进行解模糊，从而得到无模糊的相位差值，最终得到无模糊的目标角度估计结果。本发明由于使用带内共轭点乘的后信号的相位估计值作为比相法估计的初始值进行二次估计，有效地降低了信噪比门限值，提高了雷达目标角度估计的角度无模糊范围。
Description
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其是一种基于带内共轭点乘的雷达目标角度估计方法及系统。
背景技术
雷达在获取目标的位置信息时，不仅要测定目标的径向距离，而且要测定目标的方向，即获取目标的方位角信息和俯仰角信息。在雷达目标跟踪的应用中，高精度的目标角度估计对于确定目标的空间位置而言非常重要。
在宽带雷达中，由于发射信号带宽的增大，雷达距离分辨率也相应提高。由于目标在径向距离维扩展，因此目标的能量在回波信号中产生扩散。如果在宽带雷达系统应用中仍然采用传统的角度估计方法，并只利用强散射中心来估计目标的角度，而不能累积距离扩展目标分散的能量，则可能导致角度估计性能的降低。对于单脉冲宽带雷达而言，需要两个雷达同时发射脉冲，通过两个回波信息来求得角度。由于同时发射脉冲涉及时间同步问题，微小的时间误差都会对结果造成很大的影响。传统的雷达目标测角多采用比相法，由于雷达信号的载频较高，导致无模糊角度小，并且不能在低信噪比条件下以高精度估计出雷达目标的角度。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，本发明的目的在于：提供一种基于带内共轭点乘的雷达目标角度估计方法及系统，通过带内互相关实现雷达角度的估计，能够在低信噪比情况下有效地实现高精度雷达目标角度的估计。
为实现上述目的，本发明方法采用的技术方案是：基于带内共轭点乘的雷达目标角度估计方法，包括以下步骤：
S1、对雷达接收天线的回波信号进行采样得到离散信号，再进行匹配滤波得到离散频域信号：
其中，Xk为经过频率搬移之后的有效频谱，k为离散频域信号的频点序号且k＝-K,...,K，RG为脉冲对应的波门距离，A为信号幅值，B为信号带宽，Tc为信号脉冲宽度，fc为中心频率，c为光速，/>为噪声项，τ为信号脉冲对应目标的往返时延；
S2、将雷达接收天线的回波信号上的第i个天线的第k个频点的离散频域信号表达为：
其中，B为信号带宽，Tc为信号脉冲宽度，fc为中心频率，c为光速，ri为目标散射点与第i个雷达接收天线之间的距离；
S3、将与步骤S2获得的第k个频点的离散频域信号Yi,k相邻半个带宽的频点的共轭信号表达为：
S4、对步骤S2获得的第k个频点的离散频域信号Y1,k和步骤S3获得的共轭信号Y2,k+B/2Δf做互相关处理，得到互相关信号；累积带宽内共轭相乘后的信号，得到累积信号；对累积信号求相位，然后求得第一雷达接收天线与第二雷达接收天线两天线之间的波程差；
S5、将波程差作为初始值代入比相法，利用频率估计结果对相位差进行解模糊，得到无模糊的相位差值，最终得到无模糊的目标角度估计结果。
此外，本发明系统采用的技术方案如下：基于带内共轭点乘的雷达目标角度估计系统，包括以下模块：
匹配滤波模块，用于对雷达接收天线的回波信号进行采样得到离散信号，再进行匹配滤波得到离散频域信号：
其中，Xk为经过频率搬移之后的有效频谱，k为离散频域信号的频点序号且k＝-K,...,K，RG为脉冲对应的波门距离，A为信号幅值，B为信号带宽，Tc为信号脉冲宽度，fc为中心频率，c为光速，/>为噪声项，τ为信号脉冲对应目标的往返时延；
离散频域信号求取模块，用于将雷达接收天线的回波信号上的第i个天线的第k个频点的离散频域信号表达为：
其中，B为信号带宽，Tc为信号脉冲宽度，fc为中心频率，c为光速，ri为目标散射点与第i个雷达接收天线之间的距离；
共轭信号求取模块，用于将与第k个频点的离散频域信号Yi,k相邻半个带宽的频点的共轭信号表达为：
互相关处理模块，用于对第k个频点的离散频域信号Y1,k和所述共轭信号Y2,k+B/2Δf做互相关处理，得到互相关信号；累积带宽内共轭相乘后的信号，得到累积信号；对累积信号求相位，然后求得第一雷达接收天线与第二雷达接收天线两天线之间的波程差；
相位差求解模块，用于将波程差作为初始值代入比相法，利用频率估计结果对相位差进行解模糊，得到无模糊的相位差值，最终得到无模糊的目标角度估计结果。
从以上技术方案可知，本发明对雷达接收天线的回波信号，匹配滤波后得到回波信号的频域采样信号，提取出雷达目标多个散射点的相位差，再通过带内共轭点乘得出粗估计相位差值；将粗估计相位差作为初始值，利用频率估计结果对相位差进行解模糊，从而得到无模糊的相位差值，最终得到无模糊的目标角度估计结果。与传统的比相法测角相比，本发明的信噪比门限值比现有雷达角度估计方法更低，并且角度无模糊范围较大。
附图说明
图1是本发明实施例中雷达目标角度估计方法的流程图；
图2是本发明实施例中雷达目标角度估计方法的仿真结果对比图。
具体实施方式
下面将结合实施例和附图对本发明的实施方式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1
如图1所示，本实施例中基于带内共轭点乘的雷达目标角度估计方法，具体包括如下步骤：
步骤1、对雷达接收天线的回波信号进行采样得到离散信号，再进行匹配滤波得到离散频域信号：
其中，Xk为经过频率搬移之后的有效频谱，k为离散频域信号的频点序号且k＝-K,...,K，RG为脉冲对应的波门距离，A为信号幅值，B为信号带宽，Tc为信号脉冲宽度，fc为中心频率，c为光速，/>为噪声项，τ为信号脉冲对应目标的往返时延。
步骤2、雷达接收天线的回波信号上的第i个天线的第k个频点的离散频域信号可以表达为：
其中，B为信号带宽，Tc为信号脉冲宽度，fc为中心频率，c为光速，ri为目标散射点与第i个雷达接收天线之间的距离。
步骤3、与上述步骤2获得的第k个频点的离散频域信号Yi,k相邻半个带宽的频点的共轭信号可以表达为：
步骤4、对步骤2获得的第k个频点的离散频域信号Y1,k和步骤3获得的共轭信号Y2,k+B/2Δf做互相关处理，得到互相关信号：
互相关后信号的相位与频率位置无关，即共轭相乘后信号的相位在带宽内是恒定的。累积带宽内的信号，可以得到累积信号：
其中L＝B/2Δf是共轭乘法的频域间隔数，Δr为第一雷达接收天线与第二雷达接收天线之间的波程差，r1为目标散射点与第一雷达接收天线之间的距离，r2为目标散射点与第二雷达接收天线之间的距离。对求相位，然后由/>得出第一雷达接收天线与第二雷达接收天线两天线之间的波程差Δr。
步骤5、将波程差Δr作为初始值代入比相法，利用频率估计结果对相位差进行解模糊，从而得到无模糊的相位差值，最终得到无模糊的目标角度估计结果。得出的结果即为本方法要获得的雷达目标角度高精度估计值。
也就是说，本发明首先提取出雷达目标多个散射点的相位差，通过带内共轭点乘得出粗估计相位差值；将粗估计相位差作为初始值，利用频率估计结果对相位差进行解模糊。其中，解模糊使用“无模糊的粗估计相位差”来求解本发明估计得到的“有模糊的精估计相位差”，最后将精估计相位差解到无模糊相位差范围内即可。
为详尽本发明的技术方案，以下将列举一实施例说明。
假设用于雷达估计角度的模拟信号的载波频率为10GHz，模拟对象为包含17个散射点的目标。
取两个天线上的回波信号为s0(t)和s1(t)。对s0(t)和s1(t)分别加上方差为1、均值为0的随机高斯白噪声，得到时域信号y1和y2；对时域信号y1和y2分别作匹配滤波，得到频域信号Y1和Y2。将频域信号Y1和Y2的前半部分信号与后半部分信号共轭相乘，得到和将/>和/>按频点序号在带宽内累积，得到/>对/>求相位，然后由公式/>得出两天线之间的波程差Δr。
实验采用2GHz的带宽和5m的天线间距，分别对从-15dB到0dB的每个SNR进行了1000次蒙特卡洛仿真。将本发明方法与传统比相法的雷达目标角度估计结果进行了对比。由图2可以观察到，使用本实施例方法可以获得高精度的角度估计，并且其信噪比的阈值比传统的比相法低约4dB。
实施例2
与实施例1基于相同的发明构思，本实施例提供基于带内共轭点乘的雷达目标角度估计系统，包括以下模块：
基于带内共轭点乘的雷达目标角度估计系统，其特征在于，包括以下模块：
匹配滤波模块，用于对雷达接收天线的回波信号进行采样得到离散信号，再进行匹配滤波得到离散频域信号：
其中，Xk为经过频率搬移之后的有效频谱，k为离散频域信号的频点序号且k＝-K,...,K，RG为脉冲对应的波门距离，A为信号幅值，B为信号带宽，Tc为信号脉冲宽度，fc为中心频率，c为光速，/>为噪声项，τ为信号脉冲对应目标的往返时延；
离散频域信号求取模块，用于将雷达接收天线的回波信号上的第i个天线的第k个频点的离散频域信号表达为：
其中，B为信号带宽，Tc为信号脉冲宽度，fc为中心频率，c为光速，ri为目标散射点与第i个雷达接收天线之间的距离；
共轭信号求取模块，用于将与第k个频点的离散频域信号Yi,k相邻半个带宽的频点的共轭信号表达为：
互相关处理模块，用于对第k个频点的离散频域信号Y1,k和所述共轭信号Y2,k+B/2Δf做互相关处理，得到互相关信号；累积带宽内共轭相乘后的信号，得到累积信号；对累积信号求相位，然后求得第一雷达接收天线与第二雷达接收天线两天线之间的波程差；
相位差求解模块，用于将波程差作为初始值代入比相法，利用频率估计结果对相位差进行解模糊，得到无模糊的相位差值，最终得到无模糊的目标角度估计结果。
以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种基于带内共轭点乘的雷达目标角度估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对雷达接收天线的回波信号进行采样得到离散信号，再进行匹配滤波得到离散频域信号：
其中，Xk为经过频率搬移之后的有效频谱，k为离散频域信号的频点序号且k＝-K,...,K，RG为脉冲对应的波门距离，A为信号幅值，N＝[B*Tc]，B为信号带宽，Tc为信号脉冲宽度，fc为中心频率，c为光速，/>为噪声项，τ为信号脉冲对应目标的往返时延；
S2、将雷达接收天线的回波信号上的第i个天线的第k个频点的离散频域信号表达为：
其中，N＝[B*Tc]，B为信号带宽，Tc为信号脉冲宽度，fc为中心频率，c为光速，ri为目标散射点与第i个雷达接收天线之间的距离；
S3、将与步骤S2获得的第k个频点的离散频域信号Yi,k相邻半个带宽的频点的共轭信号表达为：
S4、对步骤S2获得的第k个频点的离散频域信号Y1,k和步骤S3获得的共轭信号Y2,k+B/2Δf做互相关处理，得到互相关信号；累积带宽内共轭相乘后的信号，得到累积信号；对累积信号求相位，然后求得第一雷达接收天线与第二雷达接收天线两天线之间的波程差；
S5、将波程差作为初始值代入比相法，利用频率估计结果对相位差进行解模糊，得到无模糊的相位差值，最终得到无模糊的目标角度估计结果。
2.根据权利要求1所述的雷达目标角度估计方法，其特征在于，步骤S4的互相关信号为：
互相关后信号的相位与频率位置无关，即共轭相乘后信号的相位在带宽内是恒定的。
3.根据权利要求1所述的雷达目标角度估计方法，其特征在于，步骤S4的累积信号为：
其中L＝B/2Δf是共轭乘法的频域间隔数，Δr为第一雷达接收天线与第二雷达接收天线之间的波程差，r1为目标散射点与第一雷达接收天线之间的距离，r2为目标散射点与第二雷达接收天线之间的距离。
4.根据权利要求3所述的雷达目标角度估计方法，其特征在于，步骤S4由得出第一雷达接收天线与第二雷达接收天线两天线之间的波程差Δr。
5.一种基于带内共轭点乘的雷达目标角度估计系统，其特征在于，包括以下模块：
匹配滤波模块，用于对雷达接收天线的回波信号进行采样得到离散信号，再进行匹配滤波得到离散频域信号：
其中，Xk为经过频率搬移之后的有效频谱，k为离散频域信号的频点序号且k＝-K,...,K，RG为脉冲对应的波门距离，A为信号幅值，N＝[B*Tc]，B为信号带宽，Tc为信号脉冲宽度，fc为中心频率，c为光速，/>为噪声项，τ为信号脉冲对应目标的往返时延；
离散频域信号求取模块，用于将雷达接收天线的回波信号上的第i个天线的第k个频点的离散频域信号表达为：
其中，N＝[B*Tc]，B为信号带宽，Tc为信号脉冲宽度，fc为中心频率，c为光速，ri为目标散射点与第i个雷达接收天线之间的距离；
共轭信号求取模块，用于将与第k个频点的离散频域信号Yi,k相邻半个带宽的频点的共轭信号表达为：
互相关处理模块，用于对第k个频点的离散频域信号Y1,k和所述共轭信号Y2,k+B/2Δf做互相关处理，得到互相关信号；累积带宽内共轭相乘后的信号，得到累积信号；对累积信号求相位，然后求得第一雷达接收天线与第二雷达接收天线两天线之间的波程差；
相位差求解模块，用于将波程差作为初始值代入比相法，利用频率估计结果对相位差进行解模糊，得到无模糊的相位差值，最终得到无模糊的目标角度估计结果。
6.根据权利要求5所述的雷达目标角度估计系统，其特征在于，互相关处理模块获得的互相关信号为：
互相关后信号的相位与频率位置无关，即共轭相乘后信号的相位在带宽内是恒定的。
7.根据权利要求5所述的雷达目标角度估计系统，其特征在于，互相关处理模块求取的累积信号为：
其中L＝B/2Δf是共轭乘法的频域间隔数，Δr为第一雷达接收天线与第二雷达接收天线之间的波程差，r1为目标散射点与第一雷达接收天线之间的距离，r2为目标散射点与第二雷达接收天线之间的距离。
8.根据权利要求5所述的雷达目标角度估计系统，其特征在于，由得出第一雷达接收天线与第二雷达接收天线两天线之间的波程差Δr。
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