基于机扫米波雷达的改进质量中心测角方法与流程

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种基于机扫米波雷达的改进质量中心测角方法，可用于机械扫描雷达中天线中心法线没有对准目标时对目标进行质量中心法测角。

背景技术：

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。机扫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。其电尺寸较小，波束较宽，最大信号法测角精度不高。而传统的质量中心法虽然比最大信号法测角精度高一些，但是依然不能满足我们的对精度的需求，尤其当天线中心法线没有对准目标时，传统质量中心法测角精度会更低。

传统质量中心法对系统要求简单，只需一个信号通道以及一个扫描波束，而且这种测角方法的运算量少，成本低，从这些方面看，质量中心法是一种很重要的方法。

质心法的角度测量方法，是振幅法测角的一种，其基本原理同最大信号法的基本原理大体相同，不同之处在于确定目标方向时不再将单独的幅度最大的点对应的天线波束指向作为目标方向，而是通过确定各回波脉冲信号的质心确定出目标角度。

但受机扫米波雷达波束较宽、中心波束对不准目标等缺点的影响，质量中心法测角精度受中心波束是否对准目标的影响很大，从而影响 雷达的分辨力和探测、跟踪目标的准确性，精度需要进一步提高。

技术实现要素：

针对上述已有技术的不足，本发明的实施例提供一种基于机扫米波雷达的改进质量中心测角方法，以降低质量中心法对天线波束是否对准目标的敏感性，减小测角误差，提高测角精度。

本发明的技术方案为：机扫阵列雷达对接收的回波信号，进行相位调整，对处理后得到的数据取最大幅值，并找到对应的角度值，在该角度的左右均取(L-1)/2个角度值(L为波束方向图 3dB带宽包含的脉冲个数)，并找出对应的幅值，使用质心法进行角度估计，得到一个角度估计值θ_e。再在θ_e的左右均取(L-1)/2个角度值，并找出对应的幅值，再使用质心法进行角度估计，又得到一个角度估计值，然后继续重复以上的操作，进行多次质量中心法迭代处理。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种基于机扫米波雷达的改进质量中心测角方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，设定机扫米波雷达的天线为由N个阵元组成的等距线阵，其中，N为大于或者等于4的偶数；

步骤2，机扫米波雷达发射K个脉冲，相邻脉冲之间间隔固定预设角；并确定第i个脉冲的基准角i＝1,2,...,K；其中，基准角为天线中心法线与水平参考面的夹角；

步骤3，机扫米波雷达通过天线阵接收K个脉冲的回波信号X，确定第i个脉冲的目标偏轴角，i＝1,2,...,K，并对回波信号X进行相位调整，得到相位调整后的回波信号Y，获取相位调整后的回波信号Y中最大幅值对应的脉冲，以及该脉冲对应的目标偏轴角，记为第一目标偏轴角；目标偏轴角为目标与天线中心法线之间的夹角；

步骤4，在第一目标偏轴角左右两侧各取(L-1)/2个角度值，并从相位调整后的回波信号Y中获取每个角度值对应的幅度值，组成新的回波数据；L为在3dB波束宽度内包含的脉冲个数；

步骤5，对所述新的回波数据使用质量中心测角方法进行目标角度估计，得到目标的第一角度估计值θ_e；

步骤6，将所述目标的第一角度估计值θ_e赋值给步骤3中的第一目标偏轴角；

步骤7，依次重复执行步骤4至步骤6，直到目标的角度估计值满足预设的误差条件，并将最后一次得到的角度估计值确定为目标的最终角度。

本发明与现有技术相比有以下优点：本发明对接收数据进行多次质量中心法，将质量中心法的优点多次迭代，从而将传统质量中心法对天线中心是否对准目标十分敏感的缺点弱化了，从而提高了质量中心法的测角精度。

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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例提供的一种基于机扫米波雷达的改进质量中心测角方法的实现流程示意图；

图2为是采用本发明方法与传统幅质量中心法对一个目标进行测角的均方根误差对比曲线示意图。

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。

一种基于机扫米波雷达的改进质量中心测角方法，参照图1，所述方法包括如下步骤：

步骤1，设定机扫米波雷达的天线为由N个阵元组成的等距线阵，其中，N为大于或者等于4的偶数。

将机扫米波雷达的天线等效为由阵元组成的阵列天线。将机扫雷达的天线等效成由N个阵元组成的等距线阵，即任意两个相邻阵元之间的阵元间距d均相等，且为米波雷达发射信号的波长λ的一半，d＝λ/2。

步骤2，机扫米波雷达发射K个脉冲，相邻脉冲之间间隔固定预设角；并确定第i个脉冲的基准角i＝1,2,...,K；其中，基准角为天线中心法线与水平参考面的夹角。

具体的，机扫雷达以水平面为参考角度0°，机扫雷达在天线扫描工作时，每间隔固定预设角发射一个脉冲，在3dB波束宽度内有L个脉冲，测角时，发射天线发射K个脉冲，K个脉冲中包含了L个脉冲，将发射第i个脉冲时，天线中心法线与水平参考面的夹角作为基准角i＝1,2,...,K。

步骤2中，机扫米波雷达发射K个脉冲，相邻脉冲之间间隔固定预设角具体为：机扫米波雷达在天线扫描工作时，每间隔固定预设角△Φ发射一个脉冲，且在3dB波束宽度内包含L个脉冲；其中，△Φ＝360*tT，t为脉冲重复周期，T为机扫米波雷达的转速。

由于机械雷达时刻在转动，所以天线中心法线是变化的。

步骤3，机扫米波雷达通过天线阵接收K个脉冲的回波信号X， 确定第i个脉冲的目标偏轴角，i＝1,2,...,K，并对回波信号X进行相位调整，得到相位调整后的回波信号Y，获取相位调整后的回波信号Y中最大幅值对应的脉冲，以及该脉冲对应的目标偏轴角，记为第一目标偏轴角；目标偏轴角为目标与天线中心法线之间的夹角。

步骤3具体为：

(3a)机扫米波雷达通过天线阵接收K个脉冲的回波信号X＝AS+n，其中，A＝[a(θ₁),...a(θ_i)...,a(θ_K)]表示回波信号包含的目标相位信息，a(θ_i)＝[1,exp(j2πd/λsinθ_i),...,exp(j2π(N-1)d/λsinθ_i)]^T为第i个脉冲的目标偏轴角矢量，i＝1,2,...,K；d为阵元间隔，λ为信号波长，表示向量的转置；

S＝[S₁,...S_i...,S_K]^T表示回波信号的复包络，S_i表示第i个脉冲的复包络信息，其中f_d表示目标的多普勒频率，f_d＝2Vf₀/c，V表示目标相对机扫米波雷达的径向速度，f₀表示雷达发射信号的中心频率，c代表光速，t为脉冲重复周期；n代表均值为0、方差为1的N×K阶高斯白噪声矩阵；exp表示以e为底的指数幂，j代表虚数单位。

(3b)对回波信号X进行相位调整，得到相位调整后的回波信号Y＝a(θ₀)·X，假设，目标的实际角度为θ₀，a(θ₀)＝[1,exp(j2πd/λsin(θ₀)),…,exp(j2π(N-1)d/λsin(θ₀))]^T；

需要说明的是，本实施例中所述的目标的实际角度为提前根据先验信息预估的目标的角度，属于粗估计的范畴，本发明是对目标的角度进行精确估计。

(3c)获取相位调整后的回波信号Y中最大幅值对应的脉冲，以及该脉冲对应的第一目标偏轴角θ_max。

步骤4，在第一目标偏轴角左右两侧各取(L-1)/2个角度值，并从相位调整后的回波信号Y中获取每个角度值对应的幅度值，组成新的回波数据；L为在3dB波束宽度内包含的脉冲个数。

步骤5，对所述新的回波数据使用质量中心测角方法进行目标角度估计，得到目标的第一角度估计值θ_e。

步骤5具体为：

(5a)将在第一目标偏轴角左侧取的(L-1)/2个角度值、在第一目标偏轴角右侧取的(L-1)/2个角度值以及第一目标偏轴角记为θ_l，l＝1,…,L，并将其对应的幅度值记为a_l，l＝1,…,L，从而得到新的回波数据；

(5b)对所述新的回波数据使用质量中心测角方法进行目标角度估计，得到目标的第一角度估计值θ_e：

${\mathrm{\θ}}_e=\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}{\mathrm{\θ}}_l{a}_l/\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}{a}_l.$

步骤6，将所述目标的第一角度估计值θ_e赋值给步骤3中的第一目标偏轴角。

步骤7，依次重复执行步骤4至步骤6，直到目标的角度估计值满足预设的误差条件，并将最后一次得到的角度估计值确定为目标的最终角度。

步骤7中直到目标的角度估计值满足预设的误差条件具体为：直到目标的角度估计值的均方根误差降为原来的1/5。原来的均方根误差是指未进行本发明技术方案之前根据先验信息得到的目标的粗略角度，根据粗略角度计算的均方根误差。

本发明的效果可以通过以下计算机仿真进行验证：

一、仿真条件

仿真条件：假设天线是由10个阵元组成的天线面，天线的波束宽度约为20°，天线以10s/r的速度进行旋转扫描，雷达每隔5ms发射一个频率为300MHz的脉冲，天线每次接收到55个脉冲信号，天线中心法线没有对准目标，天线中心偏离目标4个脉冲；假设存在一个目标，目标的 真实角度为10°，信噪比取-10dB到10dB，这里的信噪比是指单个阵元、单个脉冲的。

二、仿真内容

利用仿真条件1对只有一个目标时，分别采用传统质量中心法和本发明方法进行测角，得到两种方法随信噪比变化的均方根误差曲线，如图2所示，图2中横坐标为信噪比，纵坐标为均方根误差。

由图2可见，本发明方法比传统质量中心法精度要高，特别是在信噪比低时，效果非常明显，本发明方法可以降低噪声的影响，提高测角精度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。