专利名称：雷达低仰角目标的波达方向估计方法
技术领域：
本发明属于雷达技术领域，具体的说是一种用于雷达对低仰角目标的波达方向 估计方法。
背景技术：
目标定位是雷达的一项基本功能。当探测低仰角目标时，雷达波束打地，使得 目标的直达波和地(海)面反射的多径反射波在天线波束主瓣内叠加，且它们的多普勒频 率及回波时延近似相等，这组强相关的信号同时被雷达天线接收，使得雷达角度估计系 统不能正确的估计出目标的波达方向，给目标定位带来了困难。为了解决这个问题，现 有技术有以下三种方法1.吴向东等人在“一种基于线性预处理的米波雷达低仰角处理算法，电子学 报，2006，34(9) 1668-1671”文章中，提出先对接收数据进行差分预处理，再通过多 重信号分类MUSIC算法估计目标的波达方向。2.赵光辉等人在“基于交替投影的DOA估计方法及其在米波雷达中的应用，电 子与信息学报，2008，30(1) 224-227”文章中，提出利用广义MUSIC算法估计低仰角 目标的波达方向。3.赵永波等人在“雷达低角跟踪环境下的最大似然波达方向估计方法，电子学 报，2004，32(9) 1520-1523”的文章中，提出了一种时空级联最大似然算法，即先进 行多普勒频率估计和滤波，然后再利用最大似然算法估计目标的波达方向。上述方法1和方法2都是基于数据协方差矩阵的方法，由于没有充分利用雷达可 获取的信息，因而对信噪比要求比较高，且不能用于单样本数情况下的波达方向估计。方法3虽然具有低信噪比门限和所需快拍数少的优点，但是当阵元较多和搜索 角度间隔较小时，角度搜索的运算量将会很大，这给波达方向估计系统的工程实现带来 了困难。
发明内容
本发明的主要目的在于克服已有方法的缺点，提供一种无需进行角度搜索的雷 达低仰角目标的波达方向估计方法，以在保证波达方向估计精度的情况下，减小运算 量，便于波达方向估计系统的工程实现。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是充分利用脉冲雷达回波信号时域 和频域的信息对雷达回波数据进行积累，然后利用均勻线阵的结构特点构造矩阵束，最 后直接得到目标波达方向的解析解，不需要角度搜索，具体实现步骤包括如下1.雷达发射一组带宽不超过载波频率的窄带相参脉冲信号；2.通过均勻线阵天线接收雷达回波数据，并将其混频到基带进行离散采样；3.对离散采样后的雷达回波数据进行波束形成，波束指向0° ；4.根据波束形成后的数据，测量出目标所在的距离采样单元和多普勒通道；
5.根据测量得到的目标所在的距离采样单元和多普勒通道，对离散采样后的雷 达回波数据重新进行积累，使每个接收阵元只获得一个样本数；6.利用重新积累后的数据，构造矩阵束，
Z1 Z2 L ZL
_ZL+1 zL L Z2.
Z2 Z3 L ZL+l 其中，Y为一个任意复数，I
ι fb
IiM-LYL
Jib
jI
K rL_x L ζ;
(广表示矩阵共轭，7 _F T,T (广表
^k Vlk ^k+λ L ^M-L+k-l I
0 _「κΗ ‘2s0Kh 2n _
A2{M-Ly<L^ L j^+1lM-L+K-i J(M-L)xl
示矩阵转置，qk为第k个阵元对离散采样后的雷达回波数据重新进行积累的输出值，k = 1，2，K，L+l, L为自由参数，L取值为M/3 M/2间的整数，M是接收雷达回波数 据所采用的均勻线阵天线的阵元个数；7.采用广义特征值分解的总体最小二乘法对构造的矩阵束求解目标的波达方 向(7a)将奇异值分解为U2
jib L
J 2其中，()H表示矩阵共轭转置，Σ 为·^3中两个最大的奇异值所组成的对角阵， Σ2 为Jf中其他奇异值组成的对角阵，U2s由Jf中两个最大的大奇异值所对应的左奇异向 量组成，V2s由/f中两个最大的奇异值所对应的右奇异向量组成，U2n由/f中其他奇异值 所对应的左奇异向量组成，V2n由/f中其他奇异值所对应的右奇异向量组成；(7b)将矩阵斤先左乘仏？，再右乘V2s，得到新的矩阵束Σι -YUlJy2s ；(7c)令少^时/；^广^斤^时斤乙广厶为广义特征值矩阵，O"表示
矩阵求逆，对该广义特征值矩阵Φ进行特征值分解，得到特征值Y1G = I, 2)；(7d)根据特征值Y1,计算目标的波达方向和多径反射波的波达方向的角度值
^.=arcsin^-^arg(r!)j, λ为发射信号载波波长，d为接收雷达回波数据所采用的均勻
线阵的阵元间距，arg()表示取相位，arcsinO表示取反正弦；(7e)将计算出的Q1G = 1，2)中的正角度值作为目标的波达方向。本发明与现有技术相比具有以下优点1.本发明充分利用脉冲雷达可获取的目标距离信息和多普勒信息，通过从雷达 回波数据中提取目标回波信号，进行脉冲压缩和多普勒滤波，以提高信噪比。2.本发明不通过构造空间谱函数进行角度搜索获得目标的波达方向，而是针对 均勻线阵的阵元等间隔分布的结构特点，通过构造矩阵束和求解矩阵束的广义特征值， 进而得到目标波达方向的解析解，免去了角度搜索带来的巨大运算量。3.本发明将2 (M-L) X L维的矩阵束/f -/Jf变换为2 X 2维的新的矩阵束 Σι -ruijy2s，使一个大维数矩阵的特征值求解的问题转化为一个小维数矩阵的特征值求 解的问题，然后通过广义特征值得到目标的波达方向，大大降低了求解目标波达方向解 析解所需的运算量。理论分析和仿真结果表明，本发明与现有技术相比，在保证波达方向估计精度的情况下运算量小。
图1是本发明使用的雷达低仰角目标回波的多径几何模型；图2是本发明的实施流程图；图3是用本发明方法与现有时空级联最大似然算法仿真得到的目标波达方向估 计精度随信噪比变化图。
具体实施例方式参照图1，本发明使用的雷达低仰角目标回波的多径几何模型，包括一个垂直放 置的均勻线列天线和一个高度为ht的目标，其中，均勻线阵天线作为雷达的接收天线， 天线的阵元数为M，阵元的间距为d，天线的中心高度为ha，目标与雷达的直线距离为 Rd,目标回波经过地(海)面反射后到达雷达的距离为Rs，目标的波达方向和多径反射波 的波达方向分别为Qc^n es，假设水平方向以上的波达方向为角度的正方向。参照图2，本发明结合图1的多径几何模型进行雷达低仰角目标的波达方向估 计，具体步骤如下步骤1，雷达发射一组带宽不超过载波频率的窄带相参脉冲信号。雷达以1；为脉冲重复周期，连续发射Nd个带宽不超过载波频率1 %的相参脉冲
信号s(t) = rect(t) · g(t) · exp(j2Jifot),式中忽略了相参脉冲信号的初相，t表示时 τ T
间，
权利要求
1. 一种雷达低仰角目标的波达方向估计方法，包括如下步骤1)雷达发射一组带宽不超过载波频率的窄带相参脉冲信号；2)通过均勻线阵天线接收雷达回波数据，并将其混频到基带进行离散采样；3)对离散采样后的雷达回波数据进行波束形成，波束指向0°；4)根据波束形成后的数据，测量出目标所在的距离采样单元和多普勒通道；5)根据测量得到的目标所在的距离采样单元和多普勒通道，对离散采样后的雷达回 波数据重新进行积累，使每个接收阵元只获得一个样本数；6)利用重新积累后的数据，构造矩阵束 其中，Y为一个任意复数
2.根据权利要求1所述的雷达低仰角目标的波达方向估计方法，其特征在于，步骤 4)所述的根据波束形成后的数据，测量出目标所在的距离采样单元和多普勒通道，按如 下步骤进行(2.1)对波束形成后的数据进行脉冲压缩；(2.2)对脉冲压缩后的数据进行相参积累；(2.3)对相参积累后的数据采用恒虚警检测方法获得目标所在的距离采样单元和多普勒通道。
3.根据权利要求1所述的雷达低仰角目标的波达方向估计方法，其特征在于，步骤 5)所述的根据测量得到的目标距离和多普勒信息对离散采样后的回波数据重新进行积 累，按如下步骤进行(3.1)每个阵元从离散采样后的雷达回波数据中，根据已测得的目标所在距离采样单 元提取目标回波信号；(3.2)对提取的目标回波信号进行脉冲压缩；(3.3)在每个脉冲重复周期内，从脉冲压缩后的数据中取一个幅度最大的值；(3.4)利用每个阵元处理在所有脉冲重复周期内提取的幅度最大的值，根据已测得的 目标所在的多普勒通道，进行多普勒滤波，完成对离散采样后的雷达回波数据的重新积累ο
全文摘要
本发明公开了一种雷达低仰角目标的波达方向估计方法，主要解决现有技术低仰角目标波达方向估计运算量大的问题，其实现步骤是(1)发射一组带宽不超过载波频率1％的窄带相参脉冲信号；(2)采用均匀线阵接收雷达回波数据；(3)对雷达回波数据进行波束形成，波束指向0°；(4)测量出目标所在的距离采样单元和多普勒通道；(5)根据已获得的所在的距离采样单元和多普勒通道重新对接收到的雷达回波数据进行积累；(6)利用重新积累后的数据构造矩阵束；(7)采用广义特征值分解的总体最小二乘法对构造的矩阵束求解目标的波达方向。本发明与同类方法相比，在保证波达方向估计精度的情况下，不需要角度搜索，运算量小，易于工程实现。
文档编号G01S13/06GK102012505SQ201010509968
公开日2011年4月13日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者刘俊, 刘峥, 孙慧霞, 谢荣, 赵伟 申请人:西安电子科技大学