基于干扰抑制的相控阵信号失真实时校正方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于干扰抑制的相控阵信号失真实时校正方法。相控阵接收天线通道间幅相误差可引起实际工程中对未知雷达目标回波导向矢量估计的失真，会导致雷达目标回波输出失真。本发明精确估计雷达目标回波导向矢量，实时得到相控阵输出信号两个相邻权向量更新时刻间的幅度和相位差异，利用该差异实时有效校正，针对两相邻权向量更新中，后一更新时刻对应的信号能量较大时进行二次校正，本发明可在任意基于特征结构方向估计阵列天线上实现，解决了低信噪比下，接收天线通道幅相误差以及变化干扰导致的目标输出信号失真的实时、精确校正。理论分析和实验结果表明，本发明能够获得实时、精确、稳健的校正效果，适用于实际工程实践。
【专利说明】基于干扰抑制的相控阵信号失真实时校正方法
【技术领域】
[0001]本发明属于相控阵雷达【技术领域】，主要涉及一种基于干扰抑制的相控阵信号失真实时校正方法，具体是一种基于干扰抑制的相控阵信号失真实时校正方法，用于相控阵雷达接收信号的失真实时校正。
【背景技术】
[0002]相对于传统机械扫描雷达，可靠性能更高、抗干扰能力更强、抗截获率更低等优势使相控阵雷达得到了广泛应用。然而通道间的幅相误差是相控阵天线中的一个重要问题，实际中通道间幅度相位的轻微扰动便可导致未知的雷达目标回波导向矢量估计存在很大偏差，最终导致输出信号在幅度和相位上的失真。
[0003]在实际应用中，相控阵雷达通常工作在存在干扰的外界环境中，且干扰会不断变化，其中目标的位置和方向通常又不可知。而最小方差(MV)算法在低信噪比条件体现出了良好的抗干扰性能。但是在外界变化的环境中，干扰信号可能出现在任意时刻，故接收信号也会随时间变化，以致接收数据可能在两个短暂的相邻权向量更新时刻之间发生很大变化，因此对输出信号的幅度和相位提供实时估计及校正具有重要的实际意义。
[0004]现存的很多信号估计方法均对幅相误差校正进行研究，其中，有些信号估计方法需要限制特定的相控阵天线阵列形式，这类方法一旦变化了相控阵天线阵列形式，该类方法的性能便不再有效和稳健；有些信号估计方法存在运算量很大的问题，在实际应用上不易实现，或者说没有实际的应用价值；而有些信号估计方法仅考虑了相位差异而忽略了幅度项，当外界存在不断变化的干扰时，此类方法就不能实时有效地对失真信号进行校正，仍然不能完成对目标信号的精确估计。现有的雷达系统急需一种在外界干扰环境变化时对通道幅相误差导致的信号输出失真进行实时精确的校正，从而获得更为准确的目标信号信息的方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种对相控阵接收天线信号输出失真实时校正方法，以提高校正的实时性和精确性，为后续成像工作提供更为精确的目标信号信息；同时本发明不限制相控阵天线阵列形式，可适用于更多类型的阵面结构天线。
[0006]实现本发明目的的技术方案是:
[0007]本发明是一种基于干扰抑制的相控阵信号失真实时校正方法，该校正方法包括有如下步骤:
[0008]步骤I建立相控阵信号接收模型，选取任意几何结构的平面阵列，选取参考阵元，用选取的参考阵元建立XOY直角坐标系，通过相控阵雷达天线获取包含有雷达目标、干扰以及随机噪声的接收数据,并求出接收数据的空间相关矩阵R。
[0009]步骤2对获取的相控阵雷达的包含有雷达目标、干扰以及随机噪声的接收数据采用最小方差算法进行强干扰抑制，得到干扰抑制后的包含有目标信号以及随机噪声的数据，即空间白化数据。
[0010]步骤3对该空间白化数据进行脉冲压缩，在脉冲压缩过程中目标信号会相干积累，压缩结束，得到包含主瓣部分和旁瓣部分的压缩信号，对压缩后信号进行信号截断，得到包含主瓣部分的截断信号，该部分包含有绝大部分目标信号能量。
[0011]步骤4取截断信号的自相关矩阵，进行特征分解得到最大特征值对应的特征矢量，即主特征向量，用接收数据的空间相关矩阵左乘特征矢量，得到雷达目标回波导向矢量的估计矢量，该估计矢量中包含有目标信号的方向信息。
[0012]步骤5为减小干扰环境对导向矢量的影响，取信号能量较小时刻对应的估计矢量作为导向矢量的估计结果，为完成对相控阵天线输出失真信号的实时性校正，用最小方差无失真响应算法对相控阵天线作用于接收数据的权向量进行实时性更新，权向量更新后，对相控阵天线幅相误差导致的目标信号失真进行校正，校正过程分以下两种情况进行: [0013]5a)两相邻权向量更新时刻中，当后一更新时刻对应的信号能量较大时，根据最小方差无失真响应算法，用两时刻之间的幅度比和相位差异更新后一时刻的权向量，得到精确的目标信号输出，两时刻之间的幅度比为后一时刻信号幅度比前一时刻的信号幅度，相位差异为后一时刻信号相位减去前一时刻的信号相位，完成输出失真信号幅相差异的实时精确估计及校正。
[0014]5b)两相邻权向量更新时刻中，当前一更新时刻对应的信号能量较大时，根据最小方差无失真响应算法用两时刻之间的幅度比和相位差异更新后一时刻的权向量，并构造二次校正权向量，得到精确的目标信号输出，完成输出失真信号幅相差异的实时精确估计及校正。
[0015]本发明首先建立相控阵信号接收模型，获取接收数据，然后进行强干扰的有效抑制；对干扰抑制的信号进行脉冲压缩以提高信号信噪比，并对压缩后信号进行截断；对截断信号取自相关矩阵，并通过对自相关矩阵进行特征分解得到目标回波信号导向矢量的估计矢量；利用最小方差无失真相应算法得到相邻两权向量更新时刻之间的幅度和相位差异并校正，本发明可在外界干扰环境变化时对通道幅相误差导致的信号输出失真进行实时精确的校正，获得更为准确的目标信号信息。
[0016]本发明的实现还在于:其中步骤2所述的对接收数据采用最小方差算法进行强干扰抑制，是通过如下公式进行的:
[0017]选取作用于接收数据的权向量
[0018]G1 = [I, O,…，0]T, e2 = [O, I, O,..., 0]τ,..., eN = [0，0，...，0, 1]τ
[0019]作用于接收数据，可得每个阵元对应的空间白化数据矢量
[0020]Zi ⑴=e,〃 R 丨 X⑴，/ -1,...N.[0021]对以上N个数据矢量整理可得到空间白化矩阵；ei表示构造的作用于接收数据的权向量，i = 1，2，...，N ; (.)τ表示矩阵的转置；Zi (t)表示ei作用于t时刻接收数据后的空间白化数据，i = 1，2，...，Ν;(.)Η表示矩阵的共轭转置；R表示接收数据的空间相关矩阵；(.1表示矩阵的求逆；x(t)表示t时刻的接收数据；N表示相控阵天线阵元数目。
[0022]基于最小方差算法可有效抑制强信号的原理，本发明对相控阵天线接收信号数据采用最小方差算法，而相对于干扰信号和随机噪声，接收数据中的目标信号能量很小，故接收信号中的强干扰信号和随机噪声可被有效地抑制，得到只包含有雷达目标信号和部分随机噪声的空间白化数据矢量。
[0023]本发明的实现还在于:其中步骤5所述的用最小方差无失真响应算法对相控阵天线作用于接收数据的权向量进行实时性更新，权向量更新操作按如下公式进行:
[0024]
【权利要求】
1.一种基于干扰抑制的相控阵信号失真实时校正方法，其特征在于包括有如下步骤: 步骤I建立相控阵信号接收模型，选取任意几何结构的平面阵列，选取参考阵元，用选取的参考阵元建立XOY直角坐标系，通过相控阵雷达天线获取包含有雷达目标、干扰以及随机噪声的接收数据,并求出接收数据的空间相关矩阵R ； 步骤2对获取的包含有雷达目标、干扰以及随机噪声的接收数据采用最小方差算法进行强干扰抑制，得到干扰抑制后的包含有目标信号以及随机噪声的数据，即空间白化数据； 步骤3对该数据进行脉冲压缩，在脉冲压缩过程中目标信号会相干积累，压缩结束得到包含主瓣部分和旁瓣部分的压缩信号，对压缩后信号进行信号截断，得到包含主瓣部分的截断信号； 步骤4取截断信号的自相关矩阵，进行特征分解得到最大特征值对应的特征矢量，用接收数据的空间相关矩阵左乘特征矢量，得到雷达目标回波导向矢量的估计矢量； 步骤5取信号能量较小时刻对应的估计矢量作为导向矢量的估计结果，用最小方差无失真响应算法对相控阵天线作用于接收数据的权向量进行实时性更新，权向量更新后，对相控阵天线幅相误差导致的目标信号失真进行校正，校正过程分以下两种情况进行: 5a)两相邻权向量更新时刻中，当后一更新时刻对应的信号能量较大时，根据最小方差无失真响应算法，用两时刻之间的幅度比和相位差异校正后一时刻的权向量，得到精确的目标信号输出，完成输出失真信号幅相差异的实时精确估计及校正； 5b)两相邻权向量更新时刻中，当前一更新时刻对应的信号能量较大时，根据最小方差无失真响应算法用两时刻之间的幅度比和相位差异校正后一时刻的权向量，并构造二次校正权向量，得到精确的目标信号输出，完成输出失真信号幅相差异的实时精确估计及校正。
2.根据权利要求1所述的基于干扰抑制的相控阵信号失真实时校正方法，其特征在于:其中步骤2所述的对接收数据采用最小方差算法进行强干扰抑制，是通过如下公式进行的: 选取作用于接收数据的权向量
作用于接收数据，可得每个阵元对应的空间白化数据矢量 其中，ei表示构造的作用于接收数据的权向量，i = 1，2，...，N ; (.)τ表示矩阵的转置；Zi (t)表示ei作用于t时刻接收数据后的空间白化数据，i = 1，2，...，Ν;(.)Η表示矩阵的共轭转置；R表示接收数据的空间相关矩阵；(.1表示矩阵的求逆；x(t)表示t时刻的接收数据；N表示相控阵天线阵元数目。
3.根据权利要求2所述的基于干扰抑制的相控阵信号失真实时校正方法，其特征在于:其中步骤5所述的用最小方差无失真响应算法对相控阵天线作用于接收数据的权向量进行实时性更新，权向量更新操作按如下公式进行: 其中，W表示更新后的权向量；R表示接收数据的空间相关矩阵；(.)_1表示矩阵的求逆；(.)H表示矩阵的共轭转置；vs表示导向矢量的估计结果。
4.根据权利要求3所述的基于干扰抑制的相控阵信号失真实时校正方法，其特征在于:其中步骤5a)和步骤5b)所述的用两时刻之间的幅度比和相位差异校正后一时刻的权向量，校正操作均按如下公式进行:
5.根据权利要求4所述的基于干扰抑制的相控阵信号失真实时校正方法，其特征在于:其中步骤5b)所述的构造二次校正权向量，构造方法按如下公式进行:
【文档编号】G01S7/40GK103605117SQ201310654362
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年12月5日
【发明者】李亚超, 孟自强, 邓欢, 全英汇, 邢孟道 申请人:西安电子科技大学