CN116047462A - 端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法与装置 - Google Patents
端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法与装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法，包括，步骤1：计算不同阵元数目和阵元间距情况下的端射阵天线增益，据此构造机载雷达杂波噪声回波数据；步骤2：采用空时自适应处理对步骤1构造的数据进行杂波抑制处理；步骤3：将步骤2处理后的杂波剩余功率与目标功率进行比较，得到恒虚警检测结果；步骤4：利用步骤3的检测结果得到每组重频下的距离‑速度二维盲区图；步骤5：对步骤4的盲区图进行多重频检测，在固定的清晰区占比下计算雷达探测距离；步骤6：根据步骤5中的最远探测距离，确定最优阵元数目和阵元间距。本发明还提供了相应的端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取装置。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法与装置。
背景技术
端射阵天线是指最大辐射方向指向阵列排布轴向的一类天线，因其具有增益高、定向性好、易于实现与载机共形等特点，近年来在机载预警雷达远距离探测领域受到广泛关注。机载预警雷达天线通常采用平衡木或三面阵结构，这将导致载机的气动性能受到影响，而端射阵天线可布置在两侧机翼或机身上，提供与载机外形相一致的空气动力外形，同时还可在平衡木结构的机载预警雷达中实现补盲的效果。
通过增大端射天线的阵元间距可以获得高增益，但是会引入栅瓣和高副瓣电平。此时不仅降低天线的方向性系数，背向的栅瓣还会引入背瓣杂波回波，并且背瓣杂波来自方位和俯仰维的主瓣方向，采用传统的空时自适应处理方法无法抑制。因此通过改变阵元间距使方向图背瓣功率尽可能低，从而降低端射阵天线接收的背瓣杂波；同时在机翼尺寸固定的情况下合理设置阵元数目，提高机载预警雷达的探测距离具有十分重要的意义。
因此，急需发明一种有效的端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法，以提高端射阵机载雷达的探测距离。
发明内容
为此，本发明提供一种端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法，用以克服现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法，包括如下步骤，
步骤1：计算不同阵元数目和阵元间距情况下的端射阵天线增益，据此构造机载雷达杂波噪声回波数据；
步骤2：采用空时自适应处理对步骤1构造的数据进行杂波抑制处理；
步骤3：将步骤2处理后的杂波剩余功率与目标功率进行比较，得到恒虚警检测结果；
步骤4：利用步骤3的检测结果得到每组重频下的距离-速度二维盲区图；
步骤5：对步骤4的盲区图进行多重频检测，在固定的清晰区占比下计算雷达探测距离；
步骤6：根据步骤5中的最远探测距离，确定最优阵元数目和阵元间距。
进一步地，设定所述端射阵机载雷达阵元数目为M，阵元间距为d，采用的组重频为，所述步骤1中的杂波回波信号与阵元数目和间距之间的关系为
(1)
其中和分别表示第个杂波块的回波幅度和空时导向矢量，表示杂波块的数目；
(2)
其中表示峰值发射功率，表示第个杂波块的RCS，和分别为信号带宽和时宽，表示第个杂波块对应的距离，表示系统损耗，和分别表示方位角和俯仰角分别为和时的发射天线增益和接收子阵增益，其表达式分别为
(3)
(4)
其中表示阵元数目和间距分别为M和d时的方向性系数，表示参考方向性系数，分别表示为
(5)
(6)
其中，和为参考阵元数目和间距；表示在阵元数目和间距分别为M和d时的最大天线增益，和分别表示发射和接收的归一化天线方向图，和分别表示为
(7)
(8)
其中为方向的单位矢量，和分别为主瓣指向的方位角和俯仰角，和分别为第n和m个阵元的位置矢量，为单个阵元的幅度方向图，λ为雷达工作波长；
因此，端射阵机载雷达接收的杂波噪声回波数据表示为
(9)
其中表示噪声信号。
进一步地，在所述步骤2中，采用空时自适应处理对步骤1中的杂波进行抑制，第个距离单元第个多普勒通道的STAP权值为
(10)
其中为第个多普勒通道的空时导向矢量，和分别表示预设的目标时域导向矢量和空域导向矢量，其表达式分别为
(11)
(12)
表示相参脉冲数的个数，表示空间频率；表示利用训练样本估计的杂波噪声协方差矩阵，为第个距离单元的杂波噪声数据，表示训练样本数目；
经过STAP处理后的输出结果为
(13)。
进一步地，在所述步骤3中，首先计算不同距离上的目标回波信号功率
(14)
其中和分别表示雷达主瓣方向的发射天线增益和接收子阵增益，表示目标的RCS，表示第个距离单元对应的距离；在虚警概率和检测概率一定的情况下，确定目标的检测门限，然后对每个距离-多普勒单元进行检测，对应的判决准则为
(15)
上式表示对第个距离单元的目标和剩余杂波功率进行比较，其中表示该距离-多普勒单元目标能被检测的假设，即该单元为清晰单元；表示目标不能被检测的假设，即该单元为不清晰单元，最终得到重频下的距离速度二维盲区。
进一步地，在所述步骤4中，考虑所有重频情况下的距离速度二维盲区，基于准则，，在同一波位发射组重频的相参脉冲串，对于某一距离速度单元，若至少在组重频下都为清晰单元，则该单元在二维盲区图上是清晰的，进而得到多重频解模糊后的二维盲区图。
进一步地，在所述步骤5中，设定清晰区占比，在距离维依次搜索，统计初始距离到搜索距离区域内的清晰单元占比，当该占比等于时，该距离即为阵元数目和阵元间距情况下的雷达探测距离。
进一步地，在所述步骤6中，比较不同阵元数目和阵元间距情况下的探测距离，其中最大探测距离对应的和即为最优阵元数目和阵元间距。
按照本发明的另一方面，还提供了一种端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取装置，包括至少一个处理器和存储器，所述至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，所述存储器存储能被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被所述处理器执行后，用于完成所述的端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过提供一种端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法，首先构造不同阵元数目和阵元间距情况下的端射阵机载雷达回波数据；其次对构造的数据进行杂波抑制处理数据进行和恒虚警检测；再次利用多重频数据的检测结果得到解模糊后的距离-速度二维盲区图；最后在固定的清晰区占比下计算二维盲区图的雷达探测距离，比较不同阵元数目和阵元间距情况下的最大探测距离，确定最优阵元数目和阵元间距。
进一步地，本发明通过选取最优阵元数目和阵元间距，可实现端射阵方向图背瓣杂波功率最小化；
进一步地，本发明通过选取最优阵元数目和阵元间距，可实现端射阵机载雷达在固定布阵尺寸下的探测距离最大化。
附图说明
图1为本发明所述端射阵机载雷达几何配置图；
图2为本发明所述端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1所示，本发明提供的机载雷达端射阵天线布置在两侧机翼上，其在X轴方向的阵元数目为N,Y轴的阵元数目为M;本发明方法的流程图如图2所示，本发明提供一种端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法，包括如下步骤：
步骤1：计算不同阵元数目和阵元间距情况下的端射阵天线增益，据此构造机载雷达杂波噪声回波数据；
设定所述端射阵机载雷达阵元数目为M，阵元间距为d，采用的组重频为，所述步骤1中的杂波回波信号与阵元数目和间距之间的关系为
(1)
其中和分别表示第个杂波块的回波幅度和空时导向矢量，表示杂波块的数目；
(2)
其中表示峰值发射功率，表示第个杂波块的RCS，和分别为信号带宽和时宽，表示第个杂波块对应的距离，表示系统损耗，和分别表示方位角和俯仰角分别为和时的发射天线增益和接收子阵增益，其表达式分别为
(3)
(4)
其中表示阵元数目和间距分别为M和d时的方向性系数，表示参考方向性系数，分别表示为
(5)
(6)
其中，和为参考阵元数目和间距；表示在阵元数目和间距分别为M和d时的最大天线增益，和分别表示发射和接收的归一化天线方向图，和分别表示为
(7)
(8)
其中为方向的单位矢量，和分别为主瓣指向的方位角和俯仰角，和分别为第n和m个阵元的位置矢量，为单个阵元的幅度方向图，λ为雷达工作波长；
因此，端射阵机载雷达接收的杂波噪声回波数据表示为
(9)
其中表示噪声信号。
步骤2：采用空时自适应处理对步骤1构造的数据进行杂波抑制处理；
具体地，采用空时自适应处理（STAP，Space Time Adaptive Processing）对步骤1中的杂波进行抑制，第个距离单元第个多普勒通道的STAP权值为
(10)
其中为第个多普勒通道的空时导向矢量，和分别表示预设的目标时域导向矢量和空域导向矢量，其表达式分别为
(11)
(12)
表示相参脉冲数的个数，表示空间频率；表示利用训练样本估计的杂波噪声协方差矩阵，为第个距离单元的杂波噪声数据，表示训练样本数目；
经过STAP处理后的输出结果为
(13)。
步骤3：将步骤2处理后的杂波剩余功率与目标功率进行比较，得到恒虚警检测结果；
在所述步骤3中，首先计算不同距离上的目标回波信号功率
(14)
其中和分别表示雷达主瓣方向的发射天线增益和接收子阵增益，表示目标的RCS，表示第个距离单元对应的距离；在虚警概率和检测概率一定的情况下，确定目标的检测门限，然后对每个距离-多普勒单元进行检测，对应的判决准则为
(15)
上式表示对第个距离单元的目标和剩余杂波功率进行比较，其中表示该距离-多普勒单元目标能被检测的假设，即该单元为清晰单元；表示目标不能被检测的假设，即该单元为不清晰单元，最终得到重频下的距离速度二维盲区。
步骤4：利用步骤3的检测结果得到每组重频下的距离-速度二维盲区图；
在所述步骤4中，考虑所有重频情况下的距离速度二维盲区，基于准则，，在同一波位发射组重频的相参脉冲串，对于某一距离速度单元，若至少在组重频下都为清晰单元，则该单元在二维盲区图上是清晰的，进而得到多重频解模糊后的二维盲区图。
步骤5：对步骤4的盲区图进行多重频检测，在固定的清晰区占比下计算雷达探测距离；
在所述步骤5中，设定清晰区占比，在距离维依次搜索，统计初始距离到搜索距离区域内的清晰单元占比，当该占比等于时，该距离即为阵元数目和阵元间距情况下的雷达探测距离。
步骤6：根据步骤5中的最远探测距离，确定最优阵元数目和阵元间距。
在所述步骤6中，比较不同阵元数目和阵元间距情况下的探测距离，其中最大探测距离对应的和即为最优阵元数目和阵元间距。
进一步地，本发明还提供了一种端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取装置，包括至少一个处理器和存储器，所述至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，所述存储器存储能被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被所述处理器执行后，用于完成所述的端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：计算不同阵元数目和阵元间距情况下的端射阵天线增益，据此构造机载雷达杂波噪声回波数据；
步骤2：采用空时自适应处理对步骤1构造的数据进行杂波抑制处理；
步骤3：将步骤2处理后的杂波剩余功率与目标功率进行比较，得到恒虚警检测结果；
步骤4：利用步骤3的检测结果得到每组重频下的距离-速度二维盲区图；
步骤5：对步骤4的盲区图进行多重频检测，在固定的清晰区占比下计算雷达探测距离；
步骤6：根据步骤5中的最远探测距离，确定最优阵元数目和阵元间距。
2.根据权利要求1所述的端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法，其特征在于，设定所述端射阵机载雷达阵元数目为M，阵元间距为d，采用的组重频为，所述步骤1中的杂波回波信号与阵元数目和间距之间的关系为
(1)
其中和分别表示第个杂波块的回波幅度和空时导向矢量，表示杂波块的数目；
(2)
其中表示峰值发射功率，表示第个杂波块的RCS，和分别为信号带宽和时宽，表示第个杂波块对应的距离，表示系统损耗，和分别表示方位角和俯仰角分别为和时的发射天线增益和接收子阵增益，其表达式分别为
(3)
(4)
其中表示阵元数目和间距分别为M和d时的方向性系数，表示参考方向性系数，分别表示为
(5)
(6)
其中，和为参考阵元数目和间距；表示在阵元数目和间距分别为M和d时的最大天线增益，和分别表示发射和接收的归一化天线方向图，和分别表示为
(7)
(8)
其中为方向的单位矢量，和分别为主瓣指向的方位角和俯仰角，和分别为第n和m个阵元的位置矢量，为单个阵元的幅度方向图，λ为雷达工作波长；
因此，端射阵机载雷达接收的杂波噪声回波数据表示为
(9)
其中表示噪声信号。
3.根据权利要求1所述的端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法，其特征在于，在所述步骤2中，采用空时自适应处理对步骤1中的杂波进行抑制，第个距离单元第个多普勒通道的STAP权值为
(10)
其中为第个多普勒通道的空时导向矢量，和分别表示预设的目标时域导向矢量和空域导向矢量，其表达式分别为
(11)
(12)
表示相参脉冲数的个数，表示空间频率；表示利用训练样本估计的杂波噪声协方差矩阵，为第个距离单元的杂波噪声数据，表示训练样本数目；
经过STAP处理后的输出结果为
(13)。
4.根据权利要求1所述的端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法，其特征在于，在所述步骤3中，首先计算不同距离上的目标回波信号功率
(14)
其中和分别表示雷达主瓣方向的发射天线增益和接收子阵增益，表示目标的RCS，表示第个距离单元对应的距离；在虚警概率和检测概率一定的情况下，确定目标的检测门限，然后对每个距离-多普勒单元进行检测，对应的判决准则为
(15)
上式表示对第个距离单元的目标和剩余杂波功率进行比较，其中表示该距离-多普勒单元目标能被检测的假设，即该单元为清晰单元；表示目标不能被检测的假设，即该单元为不清晰单元，最终得到重频下的距离速度二维盲区。
5.根据权利要求1所述的端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法，其特征在于，在所述步骤4中，考虑所有重频情况下的距离速度二维盲区，基于准则，，在同一波位发射组重频的相参脉冲串，对于某一距离速度单元，若至少在组重频下都为清晰单元，则该单元在二维盲区图上是清晰的，进而得到多重频解模糊后的二维盲区图。
6.根据权利要求1所述的端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法，其特征在于，在所述步骤5中，设定清晰区占比，在距离维依次搜索，统计初始距离到搜索距离区域内的清晰单元占比，当该占比等于时，该距离即为阵元数目和阵元间距情况下的雷达探测距离。
7.根据权利要求1所述的端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法，其特征在于，在所述步骤6中，比较不同阵元数目和阵元间距情况下的探测距离，其中最大探测距离对应的和即为最优阵元数目和阵元间距。
8.一种端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取装置，其特征在于：
包括至少一个处理器和存储器，所述至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，所述存储器存储能被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被所述处理器执行后，用于完成权利要求1-7中任一项所述的端射阵机载雷达最优阵元数目和阵元间距选取方法。
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