基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法
【专利摘要】本发明属于分布式米波平面阵列雷达目标方位角度测量【技术领域】，特别涉及基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法。该方法主要包括以下步骤：计算出每个子阵列在俯仰和方位维的3分贝波束宽度By和Bz内包含的搜索间隔数My和Mz；给定包含目标信息的两子阵列的一次快拍接收数据X1和X2；利用接收数据X1，估计出目标仰角计算虚拟天线架高H1s和H2s；得到虚拟天线架高H1s同架高H1间的高度差ΔH1及虚拟天线架高H2s同架高H2间的高度差ΔH2；构造分布式平面阵列两个子阵在俯仰维的波束形成矢量wz1和wz2；利用高度差ΔH1和ΔH2及目标仰角估计值对wz1和wz2进行相位补偿，得到相位补偿后的波束形成矢量及利用及对接收数据X1和X2进行波束形成，进而得到目标方位角估计值
【专利说明】基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于分布式米波平面阵列雷达目标方位角测量【技术领域】，特别涉及基于相 位补偿的分布式米波平面阵列雷达目标方位角度测量方法，利用相位补偿解决多径信号对 分布式米波雷达目标方位角度测量的影响，W提高分布式米波雷达目标方位角度测角性能 的方法。
【背景技术】
[0002] 米波雷达在超视距探测、抗电子干扰等方面具有独特的优势，近年来受到普遍重 视。但是由于米波体制的雷达发射信号波长较长，根据天线理论，天线波束宽度和天线的物 理孔径成正比，在相同的天线孔径下，米波体制雷达的波束宽度相对于微波体制雷达的波 束宽度大大增加，使得在低仰角下雷达波束打地。在低仰角波束打地时，信号反射的直达波 信号和地（海）面反射的多径信号在雷达波束主瓣内叠加，由于直达波信号和多径信号的 多普勒频率及时延近似相等，两信号为一组强相干性信号，该给目标角度估计带来困难。同 时由于米波体制雷达的波束宽度较宽，导致米波体制雷达具有角分辨率差的固有缺陷，分 布式雷达的概念在一定程度上解决了该一矛盾，其通过将天线子阵分开放置在不同的空间 位置来增大天线的"物理孔径"，从而在一定程度上提高米波体制雷达的测角性能，但是天 线的分布式放置导致天线方向图具有很高的旁瓣，在低信噪比下容易导致测角模糊。另外， 多径信号和分布式阵列天线的高旁瓣对目标角度测量的影响不是独立的，两个因素相互作 用，对目标角度测量的影响更加严重。
[0003] 目前，关于多径信号对米波雷达测角性能影响的研究主要集中在多径信号对仰角 测量的影响上，而认为多径信号对方位角的测量影响不大。但是，在研究中发现在某些入射 仰角下，多径信号对方位角的测量也有很大的影响。线性阵列是进行方位角测量中经常采 用的一种天线形式，其具有天线结构简单、系统灵活、信号处理简单等优点，但是由于线性 阵列具有的自由度较少，其对信号的增益较低，使得接收信号信噪比较低时，雷达的测角性 能严重下降。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提出基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达目标方位角度 测量方法，W降低多径信号对目标角度测量的影响，提高角度测量精度。
[0005] 实现本发明的技术方案是；通过角度补偿，调整两阵列天线接收多径信号的相位， 使其尽量接近于直达波信号的相位，降低多径信号对目标方位角度测量的影响，实现对目 标方位角度的高精度测量，本发明包括W下步骤：
[0006] 基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达目标方位角度测量方法包括W下步 骤：
[0007] 步骤1，所述分布式米波平面阵列雷达包括第一子平面阵列和第二子平面阵列，第 一子平面阵列和第二子平面阵列位于同一竖直平面内；每个子平面阵列在水平方向上的阵 元数为Ny，每个子平面阵列中任意两个水平相邻的阵元的间距为dy ;每个子平面阵列在竖 直方向上的阵元数为N,，每个子平面阵列中任意两个竖直相邻的阵元的间距为屯；分布式 米波平面阵列雷达发射信号波长为A ;
[0008] 确定每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度By、W及每个子平面阵列在俯仰 维的3分贝波束宽度B,;根据分布式米波平面阵列雷达在方位维的搜索间隔A户、分布式米 波平面阵列雷达在俯仰维的角度搜索间隔A 0，得出每个子平面阵列在方位维的3分贝波 束宽度By内包含的搜索间隔数My和每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度B,内包含 的搜索间隔数M,;
[0009] 步骤2,分布式米波平面阵列雷达的接收机在一次快拍的条件下，通过每个子平面 阵列接收目标的回波数据，第一子平面阵列接收的目标的回波数据表示为Xi,第二子平面 阵列接收的目标的回波数据表示为X,;
[0010] 步骤3,利用第一个子阵的接收数据Xi,得出目标仰角的估计值各；
[0011] 步骤4,得出第一子平面阵列的虚拟天线架高Hk和第二子平面阵列的虚拟天线架 高第一子平面阵列的虚拟天线架高Hk和第二子平面阵列的虚拟天线架高定义为： 当第一子平面阵列相对于水平面的架高为Hk且第二子平面阵列相对于水平面的架高为&S 时，分布式米波平面阵列雷达接收的多径信号和直达波信号同相；
[0012] 步骤5,计算得出第一子平面阵列的虚拟天线架高Hk和第一子平面阵列相对于水 平面的架高Hi之间的高度差AHi, AHi = Hi-Hk;计算得出第二子平面阵列的虚拟天线架高 和第二子平面阵列相对于水平面的架高&的高度差AH2, A& = ;
[0013] 步骤6,根据目标仰角估计值§，构造第一子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢 量和第二个子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量;
[0014] 步骤7,对第一子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量Wd进行相位补偿，得出 第一子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量W^i，对第二子平面阵列在俯仰维的 第二波束形成矢量进行相位补偿，得出第二子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形 成矢量W;_2 ;
[0015] 步骤8,利用第一子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量对第一子 平面阵列接收的目标的回波数据Xi进行波束形成，得出第一子平面阵列在俯仰维的第二波 束形成矢量Zi ;利用第二子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量对第二子平 面阵列接收的目标的回波数据X2进行波束形成，得出第二子平面阵列在俯仰维的第二波束 形成矢量Z2 ;构造分布式米波平面阵列雷达的俯仰维波束形成输出矢量Z，Z = [Zi，Z2];
[0016] 步骤9,由分布式平面阵列雷达的俯仰维波束形成输出矢量Z，得出目标方位角估 计值^。
[0017] 本发明的有益效果为；1)本发明利用多径信号和直达波信号之间相位差同天线 高度差的关系，通过目标仰角的粗估计值对多径信号和直达波信号间的相位差进行补偿， 降低了多径信号对目标方位角度测量的影响，提高了目标方位角度测量精度；2)本发明利 用分布式平面阵列，通过对接收数据在俯仰维和方位维分别进行波束形成，提高了方位角 度测量时信号的信噪比，在一定程度上缓解了分布式米波雷达的测角模糊问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1为本发明的基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达目标方位角度测量方 法的流程图；
[0019] 图2为本发明的分布式米波平面阵列雷达的阵列结构示意图；
[0020] 图3为仿真实验1中采用本发明和传统方法得出的方位角测量均方根误差曲线示 意图；
[0021] 图4为仿真实验2中采用本发明和传统方法得出的方位角测量均方根误差曲线示 意图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0023] 参照图1，为本发明的基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法 的流程图。该基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法包括W下步骤：
[0024] 步骤1，参照图2,为本发明的分布式米波平面阵列雷达的阵列结构示意图。上述 分布式米波平面阵列雷达包括阵元分布完全相同的第一子平面阵列和第二子平面阵列。分 布式米波平面阵列的基线长度D = kA，k为任意正数，A为分布式米波平面阵列雷达发射 信号波长，第一子平面阵列和第二子平面阵列位于同一竖直平面内；每个子平面阵列在水 平方向上的阵元数为Ny,每个子平面阵列中任意两个水平相邻的阵元的间距为dy ;每个子 平面阵列在竖直方向上的阵元数为N,，每个子平面阵列中任意两个竖直相邻的阵元的间距 为屯。
[0025] 确定每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度By、W及每个子平面阵列在俯仰 维的3分贝波束宽度B,;根据分布式米波平面阵列雷达在方位维的搜索间隔、分布式米 波平面阵列雷达在俯仰维的角度搜索间隔A 0，得出每个子平面阵列在方位维的3分贝波 束宽度By内包含的搜索间隔数My和每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度B,内包含 的搜索间隔数M,。
[0026] 其具体子步骤为：
[0027] (1. 1)结合图2,上述分布式米波数字平面阵列雷达包括阵元分布完全相同的第 一子平面阵列和第二子平面阵列。分布式米波数字平面阵列的基线长度D = kA，k为任意 正数，A为分布式米波数字平面阵列雷达发射信号波长，第一子平面阵列和第二子平面阵 列位于同一竖直平面内，第一子平面阵列相对于水平面的架高为Hi,第二子平面阵列相对 于水平面的架高为每个子平面阵列在水平方向上的阵元数为Ny,每个子平面阵列中任 意两个水平相邻的阵元的间距为dy ;每个子平面阵列在竖直方向上的阵元数为N,，每个子 平面阵列中任意两个竖直相邻的阵元的间距为屯。本发明实施例中，第一子平面阵列和第 二子平面阵列并没有限定顺序，仅方便区分，结合图2,第一子平面阵列为子阵1，第二子平 面阵列为子阵2。
[002引得出每个子平面阵列在方位维的有效物理孔径Dy, Dy = (Ny-l)dy，得出每个子平面 阵列在俯仰维的有效物理孔径Dz = (Nz-I) dz。
[002引 （1.。得出每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度By, By = 50. 1 A /Dy ;得出 每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度与，B, = 50. 1 A /町。
[0030] (1. 3)设定分布式米波平面阵列雷达在方位维的角度测量精度为a y，分布式米波 平面阵列雷达在俯仰维的角度测量精度为a ,，确定分布式平面阵列分布式米波平面阵列 雷达在方位维的角度搜索间隔，确定分布式平面阵列分布式米波平面阵列雷达在俯仰 维的角度搜索间隔A 0，<气.，A 0《a,。
[0031] (1. 4)得出每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度By内包含的搜索间隔数 My, My =6/^^;得出每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度B,内心含的搜索间隔数 Mz，Mz = Bz/A 0。
[0032] 步骤2,当分布式米波平面阵列雷达检测到目标后，分布式米波平面阵列雷达的接 收机在一次快拍的条件下，通过每个子平面阵列接收目标的回波数据，第一子平面阵列接 收的目标回波数据表示为Xi, Xi为N^XNy维的矩阵；第二子平面阵列接收的目标回波数据 表示为X2, X2为NzXNy维的矩阵。
[0033] 步骤3,根据雷达工作参数、分布式数字平面阵列的结构参数W及地（海）面的多 径反射系数，利用第一个子阵的接收数据Xi,估计出目标所在仰角各。
[0034] 其具体子步骤为：
[00巧](3. 1)构造第一子平面阵列在方位维的第一波束形成权矢量W::
【权利要求】
1.基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法，其特征在于，包括以下 步骤： 步骤1，所述分布式米波平面阵列雷达包括第一子平面阵列和第二子平面阵列，第一子 平面阵列和第二子平面阵列位于同一坚直平面内；每个子平面阵列在水平方向上的阵元数 为Ny，每个子平面阵列中任意两个水平相邻的阵元的间距为dy;每个子平面阵列在坚直方 向上的阵元数为Nz，每个子平面阵列中任意两个坚直相邻的阵元的间距为dz ;分布式米波 平面阵列雷达发射信号波长为λ; 确定每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度By、以及每个子平面阵列在俯仰维的 3分贝波束宽度Bz ;根据分布式米波平面阵列雷达在方位维的搜索间隔Δρ、分布式米波平 面阵列雷达在俯仰维的角度搜索间隔△Θ，得出每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽 度By内包含的搜索间隔数My和每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度Bz内包含的搜 索间隔数Mz ; 步骤2,分布式米波平面阵列雷达在一次快拍的条件下，通过每个子平面阵列接收目标 的回波数据，第一子平面阵列接收的目标的回波数据表示为X1，第二子平面阵列接收的目 标的回波数据表示为X2; 步骤3,利用第一个子阵的接收数据X1，得出目标仰角的估计值 步骤4,得出第一子平面阵列的虚拟天线架高Hls和第二子平面阵列的虚拟天线架高H2s ;第一子平面阵列的虚拟天线架高Hls和第二子平面阵列的虚拟天线架高H2s定义为：当 第一子平面阵列相对于水平面的架高为Hls且第二子平面阵列相对于水平面的架高为H2s 时，分布式米波平面阵列雷达接收的多径信号和直达波信号同相； 步骤5,计算得出第一子平面阵列的虚拟天线架高Hls和第一子平面阵列相对于水平面 的架高H1之间的高度差AH1,AH1 =H1-Hls ;计算得出第二子平面阵列的虚拟天线架高H2s 和第二子平面阵列相对于水平面的架高H2的高度差ΛH2,AH2 =H2-H2s,; 步骤6,根据目标仰角估计值g，构造第一子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量 Wzl和第二个子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量Wz2 ; 步骤7,对第一子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量Wzl进行相位补偿，得出第一 子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量，对第二子平面阵列在俯仰维的第二 波束形成矢量wz2进行相位补偿，得出第二子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢 量<- 2 ; 步骤8,利用第一子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量对第一子平面 阵列接收的目标的回波数据X1进行波束形成，得出第一子平面阵列在俯仰维的第二波束形 成矢量Z1 ;利用第二子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量对第二子平面阵 列接收的目标的回波数据X2进行波束形成，得出第二子平面阵列在俯仰维的第二波束形成 矢量Z2 ;构造分布式米波平面阵列雷达的俯仰维波束形成输出矢量Z，Z= [Zl，Z2]; 步骤9,由分布式平面阵列雷达的俯仰维波束形成输出矢量z，得出目标方位角估计值 φ〇
2. 如权利要求1所述的基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法，其 特征在于，所述步骤1的具体子步骤为： (I. 1)得出每个子平面阵列在方位维的有效物理孔径Dy，Dy = (Ny-Ddy，得出每个子平 面阵列在俯仰维的有效物理孔径Dz = (Nz-Ddz ; (1. 2)得出每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度By，By = 50. 1λ/Dy ;得出每个 子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度Bz，Bz = 50. 1λ/Dz ; (1.3) 设定分布式米波平面阵列雷达在方位维的角度测量精度为Ciy，分布式米波平面 阵列雷达在俯仰维的角度测量精度为αζ，确定分布式平面阵列分布式米波平面阵列雷达 在方位维的角度搜索间隔Δ供，确定分布式平面阵列分布式米波平面阵列雷达在俯仰维的 角度搜索间隔Λθ，Sα」.，Λθ彡αζ ; (1.4) 得出每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度By内包含的搜索间隔数My， /V^. = 得出每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度Bz内包含的搜索间隔数 Mz，Mz = Bz/ Λ Θ。
3. 如权利要求1所述的基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法，其 特征在于，所述步骤3的具体子步骤为： (3. 1)构造第一子平面阵列在方位维的第一波束形成权矢量W；；··
其中，j为虚数单位，λ为分布式米波数字平面阵列雷达发射信号波长，％为当前时刻 分布式米波平面阵列雷达在方位向的波束指向，Θ^为当前时刻分布式米波平面阵列雷达 在俯仰向的波束指向； (3. 2)利用第一子平面阵列在方位维的第一波束形成权矢量对第一子平面阵列接 收的目标的回波数据X1在方位维进行波束形成，得到第一子平面阵列在方位维的第一波束 形成输出矢量yf，yf= ，其中，（·）Η表示共轭转置操作，（·）τ表示转置操作； (3. 3)令俯仰维搜索间隔计数器m= 1，2,...，当m= 1时，执行子步骤（3. 4); (3. 4)构造第一俯仰维权矢量Wml和第二俯仰维权矢量Wm2 :
其中，ΛΘ为分布式米波平面阵列雷达在俯仰维的角度搜索间隔，（·）τ表示转置操 作； (3.5)得出第一子平面阵列在俯仰维的第一波束形成权矢量wf,为：
其中，P为地面多径反射系数或海面的多径反射系数，H1为第一子平面阵列相对于水 平面的架高； (3. 6)令m的值自增1，并判断m是否大于Mz，如果是，则得到第一子平面阵列在俯仰维 的波束扫描矩阵wK，Wii ，然后执行子步骤（3.7);否则执行子步骤 (3. 4)； (3. 7)利用第一子平面阵列在俯仰维的波束扫描矩阵Wk对第一子平面阵列在方位维的 第一波束形成输出矢量；yf进行波束形成，得到第一子平面阵列在俯仰维的第一波束形成 矢量<，zf=(\T)〃(yff，其中，（·）H表示共轭转置操作，（·，表示转置操作； (3. 8)找出第一子平面阵列在俯仰维的第一波束形成矢量zf中幅度最大的元素对应 的序列标号1，/ =ai*gmax 其中，I·I表示取模值操作； (3.9)由序列标号1得到目标仰角估计值= -1)八6> + % - %，其中，ΛΘ为 分布式米波平面阵列雷达在俯仰维的角度搜索间隔，Θ^为当前时刻分布式米波平面阵列 雷达在俯仰向的波束指向，Bz为每个子平面阵列在俯仰维的3分贝波束宽度。
4.如权利要求1所述的基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法，其 特征在于，所述步骤4的具体子步骤为：根据分布式米波平面阵列雷达接收信号的特点，得 出以下关于第一子平面阵列的虚拟天线架高Hls和第二子平面阵列的虚拟天线架高H2s的方 程鉬，
其中，λ为分布式米波平面阵列雷达发射信号波长，g为目标仰角估计值； 求解上述关于第一子平面阵列的虚拟天线架高Hls和第二子平面阵列的虚拟天线架高H2s的方程组，可得：
5. 如权利要求1所述的基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法，其 特征在于，在所述步骤7中，第一子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量Wl1为：
第二子平面阵列在俯仰维的相位补偿后波束形成矢量为：
6. 如权利要求1所述的基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法，其 特征在于，在所述步骤8中，第一子平面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量Z1和第二子平 面阵列在俯仰维的第二波束形成矢量Z2分别为：
7. 如权利要求1所述的基于相位补偿的分布式米波平面阵列雷达方位角测量方法，其 特征在于，所述步骤9的具体子步骤为： (9. 1)令方位维搜索间隔计数器η= 1，2,...，当η= 1时，执行子步骤（9. 2); (9. 2)构造第一方位维权矢量Wnl和第二方位维权矢量Wn2 :
其中，上标T表示矩阵或向量的转置，Δρ为分布式米波数字平面阵列雷达在方位维的 搜索间隔； (9. 3)构造分布式米波平面阵列雷达在方位维的波束形成矢量Wn :
(9. 4)令η的值自增1，并判断η是否大于My，如果是，则得到分布式米波平面阵列雷达 在方位维波束扫描矩阵W，W= ^VpW2，…，WmJ，然后执行子步骤（9.5);否则执行子步 骤（9. 2); (9. 5)由分布式米波平面阵列雷达在方位维波束扫描矩阵W对分布式米波平面阵列雷 达的俯仰维波束形成输出矢量ζ在方位维进行波束形成，得出分布式米波平面阵列雷达在 方位维波束形成输出矢量P，P=WhZt ; (9.6)找出分布式米波数字平面阵列雷达在方位维波束形成输出矢量ρ中幅度最大的 元素对应的序列标号I，1 = >"1'其中，I·I表示取模值操作； (9.7)由序列标号I得到目标方位角估计值$，$ =丨/ -ΟΔρ+ % -，其中， Δρ为分布式米波平面阵列雷达在方位维的搜索间隔，外为当前时刻分布式米波平面阵列 雷达在方位向的波束指向，By为每个子平面阵列在方位维的3分贝波束宽度。
【文档编号】G01S7/40GK104237844SQ201410468836
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】赵永波, 程增飞, 荣盛磊, 刘宏伟, 水鹏朗, 何学辉 申请人:西安电子科技大学