基于机扫米波阵列雷达的估计目标方位角的方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于机扫米波阵列雷达的估计目标方位角的方法，涉及雷达【技术领域】，其步骤为：步骤1，设定机扫米波阵列雷达的天线是由N个阵元组成的等距线阵；步骤2，设定发射第i个脉冲时的基准角；步骤3，求取第k个目标的多普勒频率；步骤4，得到L个脉冲的回波信号；步骤5，得到离散傅里叶变换后的频谱数据；步骤6，得到N行频谱数据的重置数据矩阵，步骤7，得到时域数据矩阵；步骤8，构造L个脉冲的权矢量；步骤9，得到补偿后L个脉冲的权矢量；步骤10，构建以第l个脉冲为参考脉冲的代价函数；步骤11，将目标与第l个脉冲的偏轴角θkl与第l个脉冲的基准角相加，得到目标Uk的方位角Φk；步骤12，重复步骤6至步骤11，得到所有目标的方位角。本发明能够降低噪声对信号的影响，减小测角误差，提高测角精度。
【专利说明】基于机扫米波阵列雷达的估计目标方位角的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达【技术领域】，特别涉及雷达测角方法，尤其涉及一种基于机扫米波 阵列雷达的估计目标方位角的方法。
【背景技术】
[0002] 米波雷达由于信号衰减小，探测距离远，在超视距探测、抗电子干扰等方面具有独 特的优势，但同时由于米波雷达的波长较长，波束较宽，使得其角度分辨率差，测角精度低。 机械扫描雷达由于成本低，实现简单等因素一直被人们广泛应用。机械扫描雷达测角方法 一般采用最大信号法，但这种方法的精度较差，尤其是对于机扫米波雷达。由于其电尺寸较 小，波束较宽，最大信号法测角精度不高。
[0003] 现今社会往往需要雷达具有多功能特性。为了满足这种需求，机扫米波雷达中就 出现了机扫加电扫的方式，即雷达天线的方位维既可以机械扫描又可以电扫描。这时雷达 天线往往采用阵列天线，且为数字波束形成体制。这就是所谓的机扫米波阵列雷达。
[0004] 丁鹭飞教授在"雷达原理[M]，西安电子科技大学出版社，2002" 一书中给出了数 字波束形成技术。数字波束形成技术是指利用阵列天线的孔径，通过数字信号处理在期望 的方向形成接收波束。对采样数据作加权求和，可以通过改变权值，使得波束指向不同的方 向，并实现波束的扫描。对于这种机扫米波阵列雷达常规的测角方法是先由单个脉冲信号 利用数字波束扫描方法测出目标与天线法线方向的偏轴角，再加上此时天线法线方向与正 北方向的夹角，得到单个脉冲测得的目标角度，对所有脉冲测得的角度取平均就是目标角 度。
[0005] 尽管机扫米波阵列雷达是机扫加电扫的方式，满足了雷达多功能的需求，但采用 现有技术的测角方法测角时没有完全利用阵列天线和机械扫描相结合的特点，使得机扫 米波阵列雷达在机械扫描时无法充分利用阵列多通道和机械扫描的资源，造成其测角误差 大，测角精度仍然很低的缺陷。
[0006] 如果在同一波束宽度内存在多个目标的情况下，由于多目标之间存在相互影响， 从而使得现有技术的测角精度降低，特别在两个目标相距较近时，现有技术测角方法无法 分辨目标，达不到对每个目标都准确测角的目的，影响雷达的分辨力和测角准确性。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术中机扫米波阵列雷达测角方法的缺点和问题，本发明提出了一种基 于机扫米波阵列雷达的估计目标方位角的方法，实现对一个波束宽度内多个目标的测角， 能够降低噪声对信号的影响，减小测角误差，提高测角精度。
[0008] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0009] -种基于机扫米波阵列雷达的估计目标方位角的方法，其特征在于，包括以下步 骤：
[0010] 步骤1，设定机扫米波阵列雷达的天线是由N个阵元组成的等距线阵，即两个相邻 阵元之间的阵元间距d均相等，且阵元间距d为机扫米波阵列雷达发射信号波长λ的一 半，d = λ /2 ;
[0011] 步骤2,机扫米波阵列雷达以水平面为参考面，机扫米波阵列雷达在天线扫描时， 设定扫描角度为β，每间隔角度△ Θ发射一个脉冲，一个波束宽度内共发射L个脉冲，发 射第i个脉冲时的基准角为的，i = 1，2,...，L ;基准角为天线中心法线与水平参考面的夹 角；
[0012] 步骤3,设定在机扫米波阵列雷达的一个波束宽度内存在运动目标，目标个数表示 为M，Μ个目标依次为屯U2,. . .，Uk，. . .，UM，第k个目标Uk的多普勒频率
【权利要求】
1. 一种基于机扫米波阵列雷达的估计目标方位角的方法，其特征在于，包括以下步 骤： 步骤1，设定机扫米波阵列雷达的天线是由N个阵元组成的等距线阵，即两个相邻阵元 之间的阵元间距d均相等，且阵元间距d为机扫米波阵列雷达发射信号波长λ的一半，d = λ/2 ； 步骤2,机扫米波阵列雷达以水平面为参考面，机扫米波阵列雷达在天线扫描时，设定 扫描角度为β，每间隔角度△ Θ发射一个脉冲，一个波束宽度内共发射L个脉冲，发射第i 个脉冲时的基准角为只，i = 1，2, ...，L ;基准角为天线中心法线与水平参考面的夹角； 步骤3,设定在机扫米波阵列雷达的一个波束宽度内存在运动目标，目标个数表示为 M，Μ个目标依次为屯U2,. . .，Uk，. . .，UM，第k个目标Uk的多普勒频率
其中fQ表 不雷达发射信号的中心频率，c代表光速，Vk表不第k个目标Uk相对于雷达的径向速度，k -1，2，· · ·，Μ ; 步骤4,利用第k个目标Uk的多普勒频率fk构造第i个脉冲的第k个目标Uk的复包 络Ski ;再构建第i个脉冲包含的第k个目标Uk的方向矢量aki ;由第i个脉冲的第k个目 标Uk的复包络Ski和第i个脉冲的第k个目标U k的方向矢量aki，得到第i个脉冲的含Μ 个目标的目标回波信号Qi
;机扫米波阵列雷达接收的第i个脉冲的原始的回 波信号Xi :Xi = Qi+ni叫表示接收的噪声，进而得到L个脉冲的原始的回波信号X为：X = [Xi，X2，…，Xi，…，XL]; 步骤5,对原始的回波信号X进行离散傅里叶变换，得到离散傅里叶变换后的频谱数据 Η ;频谱数据Η为NX L维矩阵； 步骤6,从傅里叶变换后的频谱数据Η中第v行频谱数据hv = [hvl，hv2，…，hvg，…，hvJ τ中，找到第k个目标Uk对应的频谱值hvg，下标g = [fkX t X L] +1，□代表四舍五入取整运 算，fk表示第k个目标Uk的多普勒频率，t表示脉冲重复周期，L为脉冲个数，v = 1，2,…，N ; 在第k个目标Uk对应的频谱值hvg的左右两边选择R个频谱值，1 < R < L，保留所选的R个 频谱值不变，其余的频谱值全部置为〇,得到第v行的重置数据yv ;进而得到N行频谱数据 的重置数据矩阵Y，Y = [yi，y2,…，yv，…，yJT，yv为L维列向量，V = 1，2,…，N ; 步骤7,对重置数据矩阵Y进行逆傅里叶变换，得到时域数据矩阵Z ; 步骤8，构造1^个脉冲对应的1^个权矢量￥(￥1)，￥(￥2)，?，￥(￥山?，￥(￥ 1);11^为 第i个脉冲的搜索角度； 步骤9,以第1个脉冲为参考脉冲，对L个权矢量…， 进行补偿，得到补偿后L个脉冲的权矢量，1 = 1，2,. . .，L ; 步骤10,利用时域数据矩阵Z和补偿后L个脉冲的权矢量构建以第1个脉冲为参考脉 冲的代价函数; 步骤11，构造扫描角度β的权矢量W(0);利用扫描角度β的权矢量￥(β)和代价函 数Ρ(ι^)得到波束扫描函数Ε(β);将波束扫描函数Ε(β)的最大值对应的角度确定为第 k个目标Uk与第1个脉冲的偏轴角Θ kl ;将第k个目标Uk与第1个脉冲的偏轴角Θ kl与第 1个脉冲的基准角约相加，得到第k个目标Uk的方位角Φk，即％ = & +奶； 步骤12,令k从1至M，重复步骤6至步骤11，得到Μ个目标的方位角Φρ Φ2，···，ΦΜ。
2. 根据权利要求1所述的一种基于机扫米波阵列雷达的估计目标方位角的方法，其特 征在于，步骤4具体包括： 4a)将第k个目标Uk的多普勒频率fk代入第i个脉冲的第k个目标Uk的复包络公式： Ski = exp(j2：nfk(i-l)t) ;t表示脉冲重复周期； 4b)构建第i个脉冲的第k个目标Uk的方向矢量为：a = [1，exp (j2 π X Id/ λ sin Θ ki)，· · ·，exp(j2 π X (N-l)d/A sin Θ ki)]T，Θ ki 表示接收第 i 个脉冲时第 k 个目标 Uk与天线法线的夹角，称为偏轴角；exp表示以e为底的指数幂，j代表虚数单位，d代表阵 元间距，λ代表发射信号波长，[] τ表示向量的非共轭转置； 4c)第i个脉冲的原始的回波信号的表达式为A = Qi+rii Α为Ν维列向量；原始的回 波信号X是NX L维矩阵，N为阵元个数，L为脉冲个数；
表示第i个脉冲的含Μ个目标的目标回波信号，i = 1，2，...，L; h表示接收的噪声，其中&是均值为0,方差为1的随机高斯白噪声； 进而得到L个脉冲的原始的回波信号X，表达式为：Χ = [Χρ X2，…，Χρ…，XJ。
3. 根据权利要求1所述的一种基于机扫米波阵列雷达的估计目标方位角的方法，其特 征在于，步骤5具体包括： 对原始的回波信号X的每一行进行L点离散傅里叶变换运算，得到离散傅里叶变换后 的频谱数据H = [h，h2，…，hv，…，hN]T，其中h v为第v个阵元的原始的回波信号的频谱，hv 为L维列向量，v = 1，2,…，N。
4. 根据权利要求1所述的一种基于机扫米波阵列雷达的估计目标方位角的方法，其特 征在于，步骤7具体包括： 对第v行的重置数据yv进行逆离散傅里叶变换运算，得到第v行的逆离散傅里叶变换 后的时域数据zv，zv为L维列向量，v = 1，2,…，N ; 由第v行的逆离散傅里叶变换后的时域数据zv形成时域数据矩阵为Z = [Zl，^，… ，zv，…，zN]T，时域数据矩阵Z是NXL维矩阵，则时域数据矩阵Z表示为行向量的形式，即Z =IX，b2，…，bi,…bj , bi 为 N 维列向量，i = 1，2,…，L。
5. 根据权利要求1所述的一种基于机扫米波阵列雷达的估计目标方位角的方法，其特 征在于，步骤8具体包括： 第 i 个脉冲的权矢量 w( ￥i) = [1，exp (j2 π X ldsin Ψ?/ λ )，· · ·，exp (j2 π X (N-1) dsin ￥i/ λ ) ]T ； 其中，为第i个脉冲的搜索角度，角度范围在第i个脉冲的天线法线方向附近，其宽 度大于半功率波束宽度，j代表虚数单位，d代表阵元间距，λ代表发射信号波长，N为阵元 个数； 按照第i个脉冲的权矢量w( 的构造方法，得到L个脉冲的权矢量 界(11^)，W(￥2)，···，￥( Ψ?)，···，￥(￥!)。
6. 根据权利要求1所述的一种基于机扫米波阵列雷达的估计目标方位角的方法，其特 征在于，步骤9具体包括： 以第1个脉冲为参考脉冲，对L个脉冲的权矢量
进行补偿，将L个脉冲的权矢量均补偿为第1个脉冲的搜索角度&的函数矢量，相 邻两个脉冲的权矢量所补偿的值相差间隔角度△ Θ，则补偿后第i个脉冲的权矢量 为
得到补偿后L个脉冲的权矢量为
7. 根据权利要求9所述的一种基于机扫米波阵列雷达的估计目标方位角的方法，其特 征在于，步骤10具体包括： 以第1个脉冲为参考脉冲，根据时域数据矩阵Z和补偿后L个脉冲的权矢 量》(11^+(1-1) Δ Θ )，（￥!+(2-1) Δ Θ )，...，Θ )，...， Λ Θ)，建立一个关于第1个脉冲的搜索角度Ψι的代价函数Ρ(Ψι)，
，其中Zi为第i个脉冲逆傅里叶变换后的时域数据，i = 1，2,…，L， w(Vl+(i_l) Λ Θ )为第i个脉冲补偿后的权矢量，| |表示取模值。
8. 根据权利要求1所述的一种基于机扫米波阵列雷达的估计目标方位角的方法，其特 征在于，步骤11具体包括： 构造扫描角度β的权矢量为w(P) = [l，exp(j2：nXldsin3/ 入），...，6邓〇2 11\(^1)(1以1^/入）]1;其中，3为扫描角度，」代表虚数单位，(1代表阵 元间距，λ代表发射信号波长，N为阵元个数； 代价函数Ρ(ι^)与扫描角度β的权矢量w(0)相乘，得到波束扫描函数Ε(β)= w(^ )ΗΧΡ(ψχ)； 确定波束扫描函数Ε(β)的最大值对应的角度，Ε(β)最大值对应的角度为目标Uk与 第1个脉冲的偏轴角Θ kl ; 将目标Uk与第1个脉冲的偏轴角Θ kl与第1个脉冲的基准角约相加，得到目标Uk的方 位角Φ,，即
【文档编号】G01S7/41GK104155647SQ201410416038
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月22日 优先权日:2014年8月22日
【发明者】赵永波, 高炎, 刘宏伟, 水鹏朗, 靳晓焕 申请人:西安电子科技大学