本发明涉及无源雷达测向领域，特别是涉及一种基于双接收机垂直交叉扫描的无源雷达测向方法及系统。
背景技术：
目前的固定目标雷达测向方法主要分主动雷达测向和无源雷达测向两种。主动测向雷达包括实孔径雷达或者阵列天线测向，其方位分辨率均为，其中为信号波长，而为雷达孔径或者阵列天线长度。为了提升测向精度，主动测向雷达系统一般采用大孔径天线或者长阵列天线，所以系统造价高昂，且占地面积较大。另外由于主动进行电磁照射，在战场上其生存能力堪忧。无源雷达测向方法方法中，以一种基于民用窄带外辐射源信号、接收机围着其转动中心做匀速圆周运动的雷达测向方法为代表，该方法的方位分辨率为，其中为接收机转动半径。该测向系统的结构简单，系统分辨能力较好。但是该系统测向结果的最大旁瓣高达-7.9db，会出现对多目标测向时强旁瓣可能淹没弱主瓣而导致目标丢失的情况。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于双接收机垂直交叉扫描的无源雷达测向方法及系统，提升了目标测向的分辨性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于双接收机垂直交叉扫描的无源雷达测向方法，所述无源雷达测向方法包括：
获取第一接收机的第一回波信号；
获取第二接收机的第二回波信号，所述第二接收机和所述第一接收机围绕同一中心作椭圆运动，所述第一接收机的运动轨迹所在平面与所述第二接收机的运动轨迹所在平面互相垂直，所述第一接收机的运动轨迹的长轴与所述第二接收机的运动轨迹的短轴的方向相同；
根据所述第一接收机的运动轨迹函数构建第一信号识别矩阵；
根据所述第一回波信号和所述第一信号识别矩阵确定第一测向预处理向量；
根据所述第二接收机的运动轨迹函数构建第二信号识别矩阵；
根据所述第二回波信号和所述第二信号识别矩阵确定第二测向预处理向量；
根据所述第一测向预处理向量和所述第二测向预处理向量确定待测目标的方向。
可选的，所述根据所述第一接收机的运动轨迹函数构建第一信号识别矩阵，具体包括：
根据所述第一接收机的运动轨迹确定待测目标相对所述第一接收机的第一斜距历程；
根据所述第一斜距历程得到第一离散回波信号矩阵；
根据所述第一离散回波信号矩阵构造第一信号识别矩阵。
可选的，所述根据所述第二接收机的运动轨迹函数构建第二信号识别矩阵，具体包括：
根据所述第二接收机的运动轨迹确定待测目标相对所述第二接收机的第二斜距历程；
根据所述第二斜距历程得到第二离散回波信号矩阵；
根据所述第二离散回波信号矩阵构造第二信号识别矩阵。
可选的，所述第一信号识别矩阵的形式为:
其中，g1(m1,n)为第一信号识别矩阵，m1＝1,2,…,m1，m1为第一接收机在成像过程中的采样次数，n＝1,2,…,n，n为遍历次数，a1为所述第一接收机运动轨迹的长半轴，b1为所述第一接收机运动轨迹的短半轴，λ是系统所采用外辐射源信号波长，θ1(m1)为第一接收机在椭圆转动轨迹上的角度位置，δα为遍历步长，n＝2π/δα，exp{j……}为复数的指数形式。
可选的，所述第二信号识别矩阵的形式为:
其中，g2(m2,n)为第二信号识别矩阵，m2＝1,2,…,m2，m2为第二接收机在成像过程中的采样次数，a2为所述第二接收机运动轨迹的长半轴，b2为所述第二接收机运动轨迹的短半轴，λ是系统所采用外辐射源信号波长，θ2(m2)为第二接收机在椭圆转动轨迹上的角度位置。
可选的，所述根据所述第一离散回波信号矩阵和所述第一信号识别矩阵确定第一测向预处理向量，具体包括：
根据公式
其中，f1(n)为第一测向预处理向量，g1(m1)为第一离散回波信号矩阵，g1(m1,n)为第一信号识别矩阵，m1＝1,2,…,m1，m1为第一接收机在成像过程中的采样次数，n＝1,2,…,n，n为遍历次数。
可选的，所述根据所述第二离散回波信号矩阵和所述第二信号识别矩阵确定第二测向预处理向量，具体包括：
根据公式
其中，f2(n)为第二测向预处理向量，g2(m2)为第二离散回波信号矩阵，g2(m2,n)为第二信号识别矩阵，m2＝1,2,…,m2，m2为第二接收机在成像过程中的采样次数。
可选的，所述根据所述第一测向预处理向量和所述第二测向预处理向量确定待测目标的方向，具体包括：
根据公式f(n)＝f1(n)*f2(n)计算待测目标的位置函数；其中，f(n)为待测目标的位置函数，f1(n)为第一测向预处理向量，f2(n)为第二测向预处理向量，*为schur积，n＝1,2,…,n，n为遍历次数。
确定所述位置函数的峰值；
根据所述位置函数的峰值对应的n值，确定待测目标的方位角为nδα，其中，δα为遍历步长。
可选的，a1＝b2，a2＝b1，b1＝0.63a1，其中，a1为所述第一接收机运动轨迹的长半轴，a2为所述第二接收机运动轨迹的长半轴，b1为所述第一接收机运动轨迹的短半轴，b2为所述第二接收机运动轨迹的短半轴。
一种基于双接收机垂直交叉扫描的无源雷达测向系统，所述无源雷达测向系统包括：
第一回波信号获取模块，用于获取第一接收机的第一回波信号；
第二回波信号获取模块，用于获取第二接收机的第二回波信号，所述第二接收机和所述第一接收机围绕同一中心作椭圆运动，所述第一接收机的运动轨迹所在平面与所述第二接收机的运动轨迹所在平面互相垂直，所述第一接收机的运动轨迹的长轴与所述第二接收机的运动轨迹的短轴的方向相同；
第一信号识别矩阵构建模块，用于根据所述第一接收机的运动轨迹函数构建第一信号识别矩阵；
第一测向预处理向量确定模块，用于根据所述第一回波信号和所述第一信号识别矩阵确定第一测向预处理向量；
第二信号识别矩阵构建模块，用于根据所述第二接收机的运动轨迹函数构建第二信号识别矩阵；
第二测向预处理向量确定模块，用于根据所述第二回波信号和所述第二信号识别矩阵确定第二测向预处理向量；
待测目标的方向确定模块，用于根据所述第一测向预处理向量和所述第二测向预处理向量确定待测目标的方向。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明首次提出一种双接收机椭圆垂直交叉扫描的无源雷达测向方法，通过双接收机椭圆扫描能够减小系统占地面积，对旁瓣进行有效抑制，并且优化了系统分辨率，提升了系统的测向性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于双接收机垂直交叉扫描的无源雷达测向方法的流程图；
图2为本发明测向系统模型示意图；
图3为各方位3db分辨率；
图4为本发明对15个随机目标的测向结果；
图5为圆形扫描对15个随机目标的测向结果；
图6为不同频率外辐射源对测向结果的影响；
图7为a取不同值时的测向结果；
图8为本发明基于双接收机垂直交叉扫描的无源雷达测向系统的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于双接收机垂直交叉扫描的无源雷达测向方法及系统，提升了目标测向的分辨性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明基于双接收机垂直交叉扫描的无源雷达测向方法的流程图，如图1所示，所述无源雷达测向方法包括：
步骤101：获取第一接收机的第一回波信号。
步骤102：获取第二接收机的第二回波信号，所述第二接收机和所述第一接收机围绕同一中心作椭圆运动，所述第一接收机的运动轨迹所在平面与所述第二接收机的运动轨迹所在平面互相垂直，所述第一接收机的运动轨迹的长轴与所述第二接收机的运动轨迹的短轴的方向相同；a1＝b2，a2＝b1，b1＝0.63a1，其中，a1为所述第一接收机运动轨迹的长半轴，a2为所述第二接收机运动轨迹的长半轴，b1为所述第一接收机运动轨迹的短半轴，b2为所述第二接收机运动轨迹的短半轴。
步骤103：根据所述第一接收机的运动轨迹函数构建第一信号识别矩阵；具体包括：
步骤1031：根据所述第一接收机的运动轨迹确定待测目标相对所述第一接收机的第一斜距历程。
步骤1032：根据所述第一斜距历程得到第一离散回波信号矩阵。
步骤1033：根据所述第一离散回波信号矩阵构造第一信号识别矩阵。所述第一信号识别矩阵的形式为:
其中，g1(m1,n)为第一信号识别矩阵，m1＝1,2,…,m1，m1为第一接收机在成像过程中的采样次数，n＝1,2,…,n，n为遍历次数，a1为所述第一接收机运动轨迹的长半轴，b1为所述第一接收机运动轨迹的短半轴，λ是系统所采用外辐射源信号波长，θ1(m1)为第一接收机在椭圆转动轨迹上的角度位置，δα为遍历步长，n＝2π/δα，exp{j……}为复数的指数形式。
步骤104：根据所述第一回波信号和所述第一信号识别矩阵确定第一测向预处理向量；具体包括：
根据公式
其中，f1(n)为第一测向预处理向量，g1(m1)为第一离散回波信号矩阵，g1(m1,n)为第一信号识别矩阵，m1＝1,2,…,m1，m1为第一接收机在成像过程中的采样次数，n＝1,2,…,n，n为遍历次数。
步骤105：根据所述第二接收机的运动轨迹函数构建第二信号识别矩阵；具体包括：
步骤1051：根据所述第二接收机的运动轨迹确定待测目标相对所述第二接收机的第一斜距历程。
步骤1052：根据所述第二斜距历程得到第二离散回波信号矩阵。
步骤1053：根据所述第二离散回波信号矩阵构造第二信号识别矩阵。所述第二信号识别矩阵的形式为:
其中，g2(m2,n)为第二信号识别矩阵，m2＝1,2,…,m2，m2为第二接收机在成像过程中的采样次数，a2为所述第二接收机运动轨迹的长半轴，b2为所述第二接收机运动轨迹的短半轴，λ是系统所采用外辐射源信号波长，θ2(m2)为第二接收机在椭圆转动轨迹上的角度位置。
步骤106：根据所述第二回波信号和所述第二信号识别矩阵确定第二测向预处理向量，具体包括：
根据公式
其中，f2(n)为第二测向预处理向量，g2(m2)为第二离散回波信号矩阵，g2(m2,n)为第二信号识别矩阵，m2＝1,2,…,m2，m2为第二接收机在成像过程中的采样次数。
步骤107：根据所述第一测向预处理向量和所述第二测向预处理向量确定待测目标的方向，具体包括：
步骤1071：根据公式f(n)＝f1(n)*f2(n)计算待测目标的位置函数；其中，f(n)为待测目标的位置函数，f1(n)为第一测向预处理向量，f2(n)为第二测向预处理向量，*为schur积，n＝1,2,…,n，n为遍历次数。
步骤1072：确定所述位置函数的峰值；
步骤1073：根据所述位置函数的峰值对应的n值，确定待测目标的方位角为nδα，其中，δα为遍历步长。
本发明首次提出一种双接收机椭圆垂直交叉扫描的无源雷达测向方法，通过双椭圆扫描模式，减小了所需占地面积，极大降低了系统旁瓣，并降低了系统分辨率，使得系统测向性能有了显著提升。
以下是本发明的理论推理过程：
步骤1：建立测向系统模型。
图2为本发明测向系统模型示意图。本测向系统为无源测向系统，在接收端采用了双接收机模式，两个接收机均绕着同一转动中心转动，其转动轨迹均为椭圆。其中接收机1的长半轴为a，短半轴为b，且有b＝0.63a。以接收机1的长轴方向为x轴，以短轴方向为y轴，以转动中心为坐标原点建立直角坐标系。接收机2的长半轴与短半轴与接收机1相同，但是接收机2的椭圆轨迹与接收机1的椭圆轨迹垂直交叉，也即将接收机1的运动轨迹整体逆时针转动90°，即可得到接收机2的运动轨迹，所以接收机2的长轴在上述直角坐标系的y轴上，而短轴在x轴上。在t时刻有两接收机的椭圆角度参数为θi(t)＝ωit+θi0,i＝1,2，其中ωi为转动角速度，θi0为初始角度参数，下标i＝1时表示接收机1，i＝2时表示接收机2，下面也采用此标记方法。在t时刻有两接收机的位置为(xir(t),yir(t))，则有：
其中，a1＝a，b1＝b，a2＝b，b2＝a。
步骤2：推导监测区域内固定目标相对于两个接收机的斜距历程：
ri(t)＝rt+r0-aicosαcos(ωit+θi0)-bisinαsin(ωit+θi0)；
其中，rt是目标与发射机之间的距离，r0是目标到坐标原点之间的距离，α是在监测区域内所选任一固定目标的方位角。
斜距历程推导过程为如下：
假设发射机位于(xt,yt)，在观测区域存在一固定目标，其直角坐标和极坐标分别为(x0,y0)和(r0,α)，则有：
上式中的近似处理基于目标到转动中心的距离远大于接收机转动尺寸而展开。
步骤3：推导解调后回波信号的离散采样形式：
其中，σ是该固定目标散射系数，λ是系统所采用外辐射源信号波长，θi(mi)＝ωimiδti+θi0，δti是接收机采样的时间步长，接收机在成像过程中的采样次数mi，
所用民用信号一般为窄带信号，假设其为：f(t)＝exp{j2πft}。
则目标回波信号为：
其中，c指光速。所以解调并离散采样后，其回波信号为：
其中，σ是该固定目标散射系数，λ是系统所采用外辐射源信号波长，θi(mi)＝ωimiδti+θi0，δti是接收机采样的时间步长，接收机在成像过程中的采样次数mi，
步骤4：根据回波信号形式构造信号识别矩阵：
其中，δα为遍历步长，共遍历n次，n＝2π/δα。为了便于后续处理，两个接收机的信号识别矩阵中的δα和n要一致。
步骤5：求测向预处理向量：
其中，
fi(n)的推导过程为：
其中，
在3db波束内，
由上式可知，当nδα＝α，也即n＝α/δα时，fi(n)出现峰值mi|σ|，可以根据该峰值确定目标方向。由贝塞尔函数的性质可知，其分辨率为0.36λ/bi(α)rad。由于bi(α)是α的函数，所以两个接收机对目标的分辨率与目标所在方位有关。当目标位于0.5πrad或者1.5πrad(也即目标位于y轴正向或者负向上)时，接收机1处理结果的分辨性能最好，分辨率为0.36λ/arad，而接收机2处理结果的分辨性能最差，分辨率为0.36λ/brad。当目标位于πrad或者2πrad(也即目标位于x轴正向或者负向上)时，接收机2处理结果的分辨性能最好，分辨率为0.36λ/arad，而接收机1处理结果的分辨性能最差，分辨率为0.36λ/brad。
通过求解f1(n)和f2(n)的schur积得到f(n)。由于fi(n)为零阶贝塞尔函数，根据贝塞尔函数性质可得，fi(n)的第一零点和第一旁瓣与主瓣之间角度差分别为0.383λ/bi(α)rad和0.61λ/bi(α)rad。因此只要满足a2＝0.63a1，在0.5πrad或1.5πrad附近就能够使接收机2处理结果的第一零点位置与接收机1第一旁瓣的位置相同，则通过求f1(n)和f2(n)的schur积可以使f(n)在此处出现零点。同理，满足b1＝0.63b2，则在πrad或2πrad附近就能够使接收机1处理结果的第一零点位置与接收机2第一旁瓣的位置相同，f1(n)和f2(n)的schur积f(n)在此处出现零点。所以在建立系统模型时系统参数有a1＝b2＝a，b1＝a2＝b＝0.63a。分析表明，f(n)的分辨率在整个遍历区间(0rad,2πrad]上基本为常数0.309λ/arad，波动很小，图3是根据步骤5和步骤6作出的各方位3db分辨率，可以看出，虽然目标位于不同方位角时其分辨率会有波动，但是其波动非常小，基本可以忽略不计。当目标方位角位于0.25πrad、0.75πrad、1.25πrad、1.75πrad时，其最大旁瓣为-15.8db，而目标方位角位于0.5πrad、πrad、1.5πrad、2πrad时，其最大旁瓣为-19.43db，其余位置f(n)的最大旁瓣介于-15.8db和-19.43db之间。
本发明的效果通过以下仿真实验进一步说明。
仿真条件
外辐射源坐标为(20000m，15000m)，转动过程中接收机1采样2000次，椭圆角度参数的采样步长为0.001πrad，接收机2采样1000次，椭圆角度参数的采样步长为0.002πrad。接收机1和接收机2的角度参数初始值分别为0.125πrad和0.1πrad，不失一般性，仿真中目标散射系数均为1。
仿真内容
仿真1：在上述仿真条件基础上，接收机转动参数a＝20m，采用频率为300mhz的民用信号，监测区域存在有15个随机目标，分别用本发明所提方法和圆形扫描(接收机转动半径为20m)进行测向，测向结果如图4和图5所示，其中“*”表示目标的真实方位角。从仿真结果可以看出，本发明的测向结果明显要比圆形扫描测向结果的旁瓣要低，而且其分辨率也更好，所以本发明的测向结果更为干净，其分辨效果更优。
仿真2：接收机转动参数a＝20m，外辐射源频率分别为20mhz、40mhz、90mhz时，对位于(5000m,πrad)固定目标测向，其仿真结果如图6所示。从图6可以看出，系统的方位分辨性能会随着外辐射源信号频率的提高而提升。
仿真3：当外辐射源频率为50mhz时，接收机转动参数a分别取10m、20m、30m时对位于(5000m,πrad)固定目标测向，其仿真结果如图7所示。从图7可以看出，分辨性能会随着长半轴的增长而提升。
图8为本发明基于双接收机垂直交叉扫描的无源雷达测向系统的结构图。如图8所示，所述无源雷达测向系统包括：
第一回波信号获取模块801，用于获取第一接收机的第一回波信号；
第二回波信号获取模块802，用于获取第二接收机的第二回波信号，所述第二接收机和所述第一接收机围绕同一中心作椭圆运动，所述第一接收机的运动轨迹所在平面与所述第二接收机的运动轨迹所在平面互相垂直，所述第一接收机的运动轨迹的长轴与所述第二接收机的运动轨迹的短轴的方向相同；
第一信号识别矩阵构建模块803，用于根据所述第一接收机的运动轨迹函数构建第一信号识别矩阵；
第一测向预处理向量确定模块804，用于根据所述第一回波信号和所述第一信号识别矩阵确定第一测向预处理向量；
第二信号识别矩阵构建模块805，用于根据所述第二接收机的运动轨迹函数构建第二信号识别矩阵；
第二测向预处理向量确定模块806，用于根据所述第二回波信号和所述第二信号识别矩阵确定第二测向预处理向量；
待测目标的方向确定模块807，用于根据所述第一测向预处理向量和所述第二测向预处理向量确定待测目标的方向。
对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。