专利名称：平面相控阵自适应的和差测角方法
技术领域：
本发明属于阵列信号处理领域，涉及平面阵的和差测角方法，可用于存在主瓣干扰时，实现相控阵自适应抗干扰输出和目标波达方向的准确估计，对目标进行跟踪。
背景技术：
“和差测角”是一种利用差波束与和波束之比得到鉴角曲线，根据鉴角曲线的斜率对目标进行角度估计的方法，被广泛应用于雷达、测控、导航、通信、电子侦察等相控阵系统中，以测量辐射源波达方向。由于电磁环境的日益复杂和敌对人为干扰的日益增多，抗干扰成为信号处理的必备要求之一。在平面相控阵系统中，自适应信号处理可以有效抑制干扰， 根据采样数据自适应调整波束形成权值，使得方向图凹口自动对准干扰的来波方向以实现抗干扰的目的，但不能对目标进行角度估计。然而，将自适应波束形成处理用于传统和差测角方法中，会使方向图出现主瓣畸变和旁瓣抬高，从而导致自适应差波束与和波束之比的斜率与静态差比和的斜率有大的偏差，最终导致和差测角误差增大甚至失效。因此，在有干扰的情况下，利用相控阵实现干扰抑制的同时完成目标波达方向的准确估计成为人们关注白勺^^ ； ^^ ο目前，已有的相控阵自适应和差测角方法主要针对旁瓣干扰，大致可以分为两大类。一类是和差波束预置零陷技术，即根据估计的干扰方向，对和差波束在干扰方向同时置零，这种方法的自适应干扰抑制性能取决于干扰估计方向的准确性，需要预先对干扰的方向进行精确估计；另一类是自适应和差校正技术，利用自适应和差1阶Taylor展开表达式， 得到相控阵自适应差比和的校正公式，根据校正公式计算偏角，得到目标角度。在阵列接收信号存在主瓣干扰时，利用上述这两种方法存在以下缺点(1)由于干扰与信号空域区分度小，导致干扰抑制的同时目标信号产生严重的衰减，信干噪比改善较小，抑制主瓣干扰的效果不明显，不能进一步用于目标角度估计；(2)由于方向图主瓣开裂，和差波束的方向图产生较大的畸变，在主瓣内不再满足线性关系，鉴角曲线严重偏离理想曲线，鉴角曲线的斜率与理想斜率相差较大，导致计算出偏角较大，造成所测目标角度的误差增大，甚至严重偏离真实目标角度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有方法的不足，提出了一种平面相控阵自适应的和差测角方法，以减小目标角度的误差，实现在抑制主瓣干扰的同时，估计出目标的方位。实现本发明目的的技术方案是，首先在方位维采用自适应干扰抑制后，在俯仰维采用普通和差测角技术估计出俯仰偏角，然后在俯仰维采用自适应干扰抑制后，在方位维采用普通和差测角技术估计出方位偏角，最后根据估计出的目标来波方向，采用自适应波束形成方法，增强目标信号，得到抑制主瓣干扰的输出信号。具体步骤包括如下(1)采用子空间投影的SMI自适应处理方法从MXN个阵元平面阵接收的数据中获得M个X方向自适应权矢量，并将该自适应权矢量用于波束形成，得到M个输出信号；
(2)采用对称取反的和差波束形成方法，从M个输出信号中获得和波束Σ ,与差波束，得到差波束与和波束之比，利用差波束与和波束之比估计出目标俯仰偏角
ΑΘ = arcsin
arctan
2Λ
πΜ
，并根据该俯仰偏角计算目标俯仰角θτ= Θβ+Δ Θ，其
y J
中arcSin(·)表示反余弦函数，arctan(·)表示反正切函数，λ为目标信号的载波波长， Dy为阵元在Y方向上的间距，M为平面阵列的行数，θ Β为波束指向的俯仰角；(3)采用子空间投影的SMI自适应处理方法从矩形平面阵的接收数据中获得N个 Y方向自适应权矢量，并将该自适应权矢量用于波束形成，得到N个输出信号；(4)采用对称取反的和差波束形成方法，从N个输出信号中获得和波束Σ ,与差波束Δχ，得到差波束与和波束之比，利用差波束与和波束之比估计出目标方位偏角
(2ΛarcsinarctanχV^NDx)
，并根据该方位偏角计算目标方位角
其中Dx
φτ =φΒ+^φ
为阵元在X方向上的间距，N为平面阵列的列数，％为波束指向的方位角；(5)利用步骤(2)和步骤中估计出的俯仰角方位角件，以及全阵元接收数据的协方差矩阵 ，采用子空间投影SMI算法，获得全阵元自适应权矢量
终，件)，其中(·Γ表示对矩阵求逆，~(氏,件)为子空间投影导向矢量，将该自适应权矢量用于波束形成，得到抑制干扰的输出信号>^) = w^X(i)，x(t)为阵列的接收数据矢量，(· )H表示矩阵共轭转置。本发明与现有技术相比，具有以下优点(1)本发明由于在X方向进行自适应处理，在Y方向进行和差波束形成，保持了 Y 方向的差波束与和波束的比不变，同时由于在Y方向进行自适应处理，在X方向进行和差波束形成，保持了 X方向的差波束与和波束的比不变，提高了测角精度；(2)本发明根据估计出的目标方位角与俯仰角，利用全阵元接收数据进行自适应处理，进一步增强了目标信号，提高了抗主瓣干扰性能。
图1是本发明的流程图；图2是本发明在X方向和Y方向分别进行自适应处理和普通波束形成的示意图；图3是本发明在Y方向和X方向分别进行自适应处理和普通波束形成的示意图；图4是本发明的平面阵坐标系统示意图和阵元排布及子阵划分图；图5是本发明在X方向和Y方向分别进行自适应处理和普通波束形成的仿真图；图6是本发明在Y方向和X方向分别进行自适应处理和普通波束形成的仿真图；图7是本发明的信干噪比改善曲线图。
具体实施例方式参照图1，实现本发明的步骤如下步骤1对各行阵元的接收数据进行自适应波束形成，其输出在Y方向形成等效线阵。
参照图2，本步骤具体实现如下(Ia)将平面阵中各行阵元的接收数据分别记为^^^，其中！^二丨二，…^，先固 Sk= 1，表示对第1行接收数据进行处理，再利用1 次不同时刻的采样值，估计行阵元
的接收数据Xr ka)的协方差矩阵丸
权利要求
1. 一种平面相控阵自适应的和差测角方法，包括如下步骤(1)采用子空间投影的SMI自适应处理方法从MXN个阵元平面阵接收的数据中获得M 个X方向自适应权矢量，并将该自适应权矢量用于波束形成，得到M个输出信号；(2)采用对称取反的和差波束形成方法，从M个输出信号中获得和波束Σy与差波束，得到差波束与和波束之比，利用差波束与和波束之比估计出目标俯仰偏角
2.根据权利要求1所述的平面相控阵自适应的和差测角方法，其中步骤(1)所述的采用子空间投影的SMI自适应处理方法从接收数据中获得M个X方向自适应权矢量，按如下步骤进行(Ia)将平面阵中各行阵元的接收数据分别记为Xot(t)，其中k= 1，2，..^，先固定让 =1，即表示对第1行阵元的接收数据进行操作，利用1 次不同时刻的采样值，估计Xu(t)的协方差矩阵 At (OxMO，其中 K= 128,^,(^),1 = 1，2，···，K表示行
3.根据权利要求1所述的平面相控阵自适应的和差测角方法，其中步骤C3)所述的采用子空间投影的SMI自适应处理方法从矩形平面阵的接收数据中获得N个Y方向自适应权矢量，按如下步骤进行(3a)将平面阵中各列阵元的接收数据分别记为x。k(t)，k= 1，2，...队先固定1^=1， 表示对第1列阵元接收数据进行操作，利用1 次不同时刻的采样值，估计χ。k(t)的协方差矩阵 A t =去 IX ,(Ox". (O，其中 K = 128，XckUi) ,i = 1,2,...，K 表示列阵元在— Λ i=l ---不同时刻的采样值；(3b)对列阵元协方差矩阵 "做特征分解，将其分解为特征值和特征向量的乘累加M形式，并将特征值按从大到小进行排列，即良―^ΣΛ—O，其中Xi。k，i = 1，i=l2，. . .，M为列阵元协方差矩阵^eit的特征值，Vick, i = 1,2,... ,M是与特征值λ i。k，i = 1，2，...，M相对应的特征向量；(3c)列阵元协方差矩阵^^ 个特征值Xi。k，i = 1，2，...，M满足从大到小的排列顺序，即λ10 > λ20 >··> λΜΟ ，用前L个特征值对应的特征向量构成列阵元信号特征向量矩阵Es—。—k = [Vl—。—k…k]M>a，用剩余的M-L个特征值对应的特征向量构成列阵元噪声特征向量矩阵为En—。—k = [ν (L+l)_c_k"* VN_c_kJMX (M-L)；(3d)利用列导向矢量与列阵元信号特征向量矩阵Es。k，获得子空间投影导向矢量t=φΒ)；(3e)利用子空间投影导向矢量ae—与列阵元协方差矩阵良―t，采用SMI方法获得各列自适应权向量wc—_；(3f)令k = k+1，表示对下一列阵元的接收数据进行操作，循环执行上述步骤(3a) (3f)，直到k = N，停止循环，获得N个行阵元自适应权矢量wc_kopt, k = 1,2, ... ,M0
4.根据权利要求1所述的平面相控阵自适应的和差测角方法，其中步骤( 所述的采用子空间投影SMI算法获得全阵元自适应权矢量，按如下步骤进行(5a)利用权利要求1中步骤(1)估计出的俯仰角θ τ和权利要求1中步骤(2)估计出的方位角件，得到全阵导向矢量a(氏,件)如下
全文摘要
本方法公开了一种平面相控阵自适应的和差测角方法，主要解决现有技术在抑制主瓣干扰的同时，无法准确的估计目标角度的问题。其实现过程为对各行阵元的接收数据进行自适应波束形成，其输出在Y方向形成等效线阵，采用对称取反的和差波束形成，估计目标俯仰角θT；对各列阵元的接收数据进行自适应波束形成，其输出在X方向形成等效线阵，采用对称取反的和差波束形成，估计目标方位角利用俯仰角θT和方位角采用子空间投影SMI算法对全阵元接收数据进行自适应波束形成，获得抑制主瓣干扰的输出信号。本发明具有抑制主瓣干扰较好、和差波束测角准确的优点，可用于存在主瓣干扰情况下，估计目标的角度，实现对目标的跟踪。
文档编号G01S13/58GK102565790SQ20121000044
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月2日 优先权日2012年1月2日
发明者何学辉, 周志伟, 孔永飞, 廖桂生, 曾操, 谈维林, 陶海红 申请人:西安电子科技大学