CN114814715A - 一种大步进波束扫描条件下的高精度测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种大步进波束扫描条件下的高精度测向方法，属于阵列信号处理技术领域。本发明首先通过常规波束合成的空域扫描进行信源方位粗测，再利用子阵间和、差波束的幅度和相位关系进行信源方位角的精确解算，从而实现大步进波束扫描条件下的高精度测向。

Description

一种大步进波束扫描条件下的高精度测向方法

技术领域

本发明涉及阵列信号处理技术领域，特别是指一种大步进波束扫描条件下的高精度测向方法。

背景技术

在传统波束合成技术中，测向精度通常与阵列的波束宽度相关及角度扫描步进有关，波束宽度越窄、角度搜索步进越小，测向精度就越高，同时系统的数据处理难度也将随之增加，因此，在常规波束合成技术中，测向精度与系统响应速度难以兼顾；在传统和差波束测角方法中，往往需要先计算鉴角值并与本地保存的鉴角曲线等数据进行拟合，从而得到信源方位与波束指向的偏差角，再由偏差角及波束指向角计算出信源的来波方向，因此本地数据的存储以及后续的拟合计算将占用大量系统资源，且信源方位是由偏差角间接计算得到，更易引入误差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种大步进波束扫描条件下的高精度测向方法，可在无源探测领域中实现宽波束、大扫描步进下的高精度测向。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种大步进波束扫描条件下的高精度测向方法，包括以下步骤：

步骤1：通过对阵列的加权控制，使合成波束在空域上进行扫描，得到信源方位角的粗略值

并将波束指向该粗略值

步骤2：将整个接收阵列分为对阵的两个子阵，将两个子阵在θ角、第k个采样点处得到的接收数据矢量加权和分别计为

和

其中

Δθ在以

为波束中心角的半波宽度内；

步骤3：计算

的傅里叶变换序列，并得到傅里叶变换序列中幅值最大的采样点位置k₀：

其中，i，j∈[1，2，3，...，N]，N为阵列一次处理的采样点数；

步骤4：计算两个子阵在采样点k₀处的波束差值及和值，并求二者的比值：

步骤5：构建以

为自变量的DOA求解函数如下：

式中，λ为信号波长，atan(·)为反正切函数，j为虚数单位，D为两子阵间距；

步骤6：当u(θ)＝0时，取角度θ＝θ_d，则θ_d即为信源方位角的精确估计值。

进一步的，步骤1中合成波束在空域上进行扫描时，角度搜索步进不超过波束宽度。

进一步的，步骤2中，信源与两个子阵的连接线不共线。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明首先通过常规波束合成的空域扫描进行信源方位粗测，再利用子阵间和、差波束的幅度和相位关系进行信源方位角的精确解算，从而实现大步进波束扫描条件下的高精度测向。该方法在宽波束、大扫描步进下仍具有较高的测向精度，能够做到系统处理速度与测向精度的兼顾。

2、本发明无需记录波束扫描粗定位后的指向角。

3、本发明可直接解算出信源方位角，无需先计算偏差角再二次求解信源方位角，减少了误差的引入。

4、本发明无需离线预存鉴角曲线等本地数据，减少了系统因本地数据存储以及处理结果与本地数据拟合计算的资源开销。

附图说明

图1是本发明实施例方法的整体流程图。

图2是波束扫描步进分别为1°时，常规波束合成算法的测向结果。

图3是波束扫描步进分别为1°时，高精度测向算法的测向结果。

图4是波束扫描步进分别为2°时，常规波束合成算法的测向结果。

图5是波束扫描步进分别为2°时，高精度测向算法的测向结果。

图6是波束扫描步进分别为3°时，常规波束合成算法的测向结果。

图7是波束扫描步进分别为3°时，高精度测向算法的测向结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

一种大步进波束扫描条件下的高精度测向方法，参照图1，通过对阵列的加权控制，使合成波束在空域上进行扫描得到信源方位角的初步估计，并将波束中心指向粗测方向，在将阵列拆分为两个对称的子阵进行波束的和、差计算，利用和、差波束间的幅度相位关系进行信源方位角的精确估计。

该方法的过程主要包括：两子阵均指向粗测角后，计算合成阵列接收数据傅里叶变换的幅值，并找到最大幅值对应的采样数据。在该采样点处计算两个子阵波束的矢量差与矢量和并计算二者的比值，构建以波束矢量和差比值为自变量的DOA求解函数，通过寻找求解函数零点实现DOA的精确估计。

具体来说，该方法包括以下步骤：

步骤1：通过对阵列的加权控制，使合成波束在空域上进行扫描，得到信源方位角的粗略值

并将波束指向

波束指向θ在

的邻域内

扫描，Δθ在以

为波束中心角的半波宽度内；

步骤2：将整个接收阵列分为对阵的两个子阵，即子阵1和子阵2，子阵1的阵列指向加权矩阵为：

W₁＝[1，e^{j2πfd sin(θ)/c}，…，e^{j2πf(M-1)d sin(θ)/c}]^T

其中，f为信号载频，M为一个子阵中的阵元数量，d为子阵内相邻阵元的间距，c为光速；

当真实信号方位角为θ₀时，子阵1的信号导向矢量为：

此时，子阵1的阵列接收信号为：

Y₁＝W₁ ^HX₁＝W₁ ^HA₁s(t)

可得子阵1接收信号的复指数形式为：

子阵2接收信号的复指数形式为：

D为子阵1与子阵2的间距；

当采用对称取反加权时，两个子阵的阵列波束权值随扫描角度的变化分别为：

W₁＝[1，e^{j2πfd sin(θ)/c}，…，e^{j2πf(M-1)d sin(θ)/c}]^T

W₂＝W₁·e^{j2πfDsin(θ)/c}

计两个子阵在θ角、第k个采样点处，得到的接收数据矢量加权和分别为

和

则有：

步骤3：计算

的傅里叶变换序列，并得到傅里叶变换序列中幅值最大的采样点位置k₀：

其中，i，j∈[1，2，3，...，N]，N为阵列一次处理的采样点数；

步骤4：计算两个子阵在采样点k₀处波束差值及和值，并求二者的比值：

化简上式可得：

步骤5：令u(θ)×sin(θ₀)-sin(θ)，构建以

为自变量的DOA求解函数如下：

上式中，λ为信号波长，atan(·)为反正切函数，

D为两子阵间距；

步骤6：当u(θ_d)＝0时，有sin(θ₀)-sin(θ_d)＝0，因θ_d在

的邻域内，所以θ_d和

在正弦函数的一个2π周期内，因此取角度θ＝θ_d，则θ_d即为信源方位角的精确估计值。

下面对上述方法进行仿真验证：

仿真条件：子阵阵元数M＝8，阵列由两个子阵组成共2M＝16阵元，布阵间距d为半波长，信号载频为300M，采样点数为1024，信噪比为10dB，令信源的来波方位为51.5°，当波束扫描步进分别为1°、2°、3°时，分别得到常规波束合成算法与本方法的测向结果。

通过图2～图7可以看出，当角度扫描步进逐渐增大，常规波束合成算法得到的空间谱曲线产生畸变，测向误差逐渐增加；而本方法中，即使在步进为3°时，曲线斜率依然稳定，能够通过曲线零点准确定位到信源来波方向，相比于常规波束合成测向技术，有着更高的测向精度及算法稳定性。

Claims (3)

1.一种大步进波束扫描条件下的高精度测向方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过对阵列的加权控制，使合成波束在空域上进行扫描，得到信源方位角的粗略值

并将波束指向该粗略值

步骤2：将整个接收阵列分为对阵的两个子阵，将两个子阵在θ角、第k个采样点处得到的接收数据矢量加权和分别计为

和

其中

Δθ在以

为波束中心角的半波宽度内；

步骤3：计算

的傅里叶变换序列，并得到傅里叶变换序列中幅值最大的采样点位置k₀：

其中，i，j∈[1，2，3，...，N]，N为阵列一次处理的采样点数；

步骤4：计算两个子阵在采样点k₀处的波束差值及和值，并求二者的比值：

步骤5：构建以

为自变量的DOA求解函数如下：

式中，λ为信号波长，atan(·)为反正切函数，j为虚数单位，D为两子阵间距；

步骤6：当u(θ)＝0时，取角度θ＝θ_d，则θ_d即为信源方位角的精确估计值。

2.根据权利要求1所述的一种大步进波束扫描条件下的高精度测向方法，其特征在于，步骤1中合成波束在空域上进行扫描时，角度搜索步进不超过波束宽度。

3.根据权利要求1所述的一种大步进波束扫描条件下的高精度测向方法，其特征在于，步骤2中，信源与两个子阵的连接线不共线。

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