米波雷达有多径反射时对高仰角目标的仰角测量方法与流程

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及雷达技术领域中的一种米波雷达有多径反射时对高仰角目标的仰角测量方法。本发明可用于改善米波雷达对高仰角目标测仰角过程中，由于存在地面或海面引起的多径反射回波所导致的目标仰角估计精度下降的问题。

背景技术：

米波雷达由于波束宽，在对低仰角目标定位时，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，这两个信号强相关，这组强相关的信号同时被雷达天线接收，使得雷达不能正确的估计出目标的仰角,在对高仰角目标进行仰角测量时，由于天线波束旁瓣内存在多径反射信号，仰角测量精度低，在对仰角测量精度要求高的雷达系统中，多径反射信号的干扰仍然不可忽略，值得重视。

张光义院士在其发表的论著《相控阵雷达原理[M]》(国防工业出版社，1994北京)中公开了一种单脉冲测角方法。该单脉冲测角方法是利用单个脉冲的回波信号测出目标真实位置的测角方法。传统的单脉冲测角方法中的比幅单脉冲测角方法是利用在观测方向上形成的两个指向不同的接收波束，比较这两个接收波束的幅度差异，查表可知每个目标的估计仰角。传统的单脉冲测角方法忽略了米波雷达的天线方向图内的多径反射信号的干扰，因此用传统单脉冲测角方法在米波雷达在存在多径反射信号时对高仰角目标进行仰角测量存在测量精度低的问题。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术存在的不足，提出一种米波雷达有多径反射时对高仰角目标的仰角测量方法。本发明提出一种计算左、右波束(左波束即下波束，右波束即上波束)指向方向图的加权值的方法，通过直接抑制米波雷达的多径反射信号的干扰，以解决现有技术在米波雷达存在多径反射信号时对高仰角目标的仰角测量精度低的问题。

本发明的基本思路是：确定仰角测量的左、右波束指向和中心指向，确定凹口区间，计算特征值对应的特征矢量，构成信号子空间，确定加权值，建立鉴角曲线，确定接收信号内目标的仰角值。

实现本发明目的的具体步骤如下：

(1)确定仰角测量的左、右波束指向：

(1a)在有多径反射时，米波雷达发射脉冲中任意选定两个相互交叠的波束；

(1b)将左边的波束作为仰角测量的左波束，右边的波束作为仰角测量的右波束，将仰角测量的左波束的指向作为仰角测量的左波束指向，仰角测量的右波束的指向作为仰角测量的右波束指向；

(2)确定仰角测量的中心指向：

将仰角测量的左波束与右波束交叠位置的指向作为仰角测量的中心指向；

(3)确定凹口区间：

按照下式，确定仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间：

其中，D表示仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间，θ_L表示仰角测量的左波束指向,θ_R表示仰角测量的右波束指向，Δ表示仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间大小的二分之一；

(4)计算特征值对应的特征矢量：

(4a)按照导向矢量公式，计算仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量中的任意一个导向矢量；

(4b)按照自相关矩阵公式，计算仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量的自相关矩阵；

(4c)按照特征矢量公式，计算仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量的自相关矩阵的特征值及该特征值对应的特征矢量；

(5)构成信号子空间：

将仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量的自相关矩阵的所有特征值从大到小排序，选取排序后的特征值中的前m个特征值所对应的特征矢量，m的取值取决于雷达的工作环境，将所选取特征矢量组成信号子空间；

(6)确定加权值：

按照下式，计算仰角测量的左、右波束指向方向图的加权值：

w₁＝[I-G*(G^H*G)^-1*G^H]*w₃

w₂＝[I-G*(G^H*G)^-1*G^H]*w₄

其中,w₁、w₂分别表示仰角测量的左、右波束指向方向图的加权值，I表示单位矩阵，G表示信号子空间,*表示矩阵相乘操作，H表示共轭转置操作，(·)^-1表示矩阵求逆操作，w₃、w₄分别表示采用传统比幅单脉冲测角方法确定的仰角测量的左、右波束指向方向图的加权值；

(7)建立鉴角曲线：

(7a)在有多径反射时，米波雷达发射脉冲中任意选定两个相互交叠的波束，将该交叠位置的指向作为仰角测量的中心指向，取一段以仰角测量的中心指向为中心的区间作为鉴角曲线上仰角测量区间；

(7b)按照导向矢量公式，计算鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的任意一个导向矢量；

(7c)按照加权求和公式，计算鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的任意一个导向矢量的左、右加权求和值；

(7d)按照下式，计算鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的任意一个导向矢量的比值：

其中，f_k表示鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的第k个导向矢量的比值，p_k1、p_k2分别表示鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的第k个导向矢量的左、右加权求和值；

(7e)连接鉴角曲线上仰角测量区间内上所有的导向矢量的比值，得到鉴角曲线；

(8)确定接收信号内目标的仰角值：

(8a)按照加权求和公式，计算在有多径反射时，米波雷达接收信号的左、右加权求和值；

(8b)按照下式，计算接收信号内目标的比值：

其中，g表示接收信号内目标的比值，q₁、q₂分别表示在有多径反射时，米波雷达接收信号的左、右加权求和值；

(8c)按照下式，计算鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的任意一个导向矢量的比值与接收信号内目标的比值的差值：

c_k＝|f_k-g|

其中，c_k表示鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的第k个导向矢量的比值与接收信号内目标的比值的差值，|·|表示取绝对值操作，f_k表示鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的第k个导向矢量的比值，g表示接收信号内目标的比值；

(8d)取鉴角曲线上仰角测量区间上所有的导向矢量的比值与接收信号内目标的比值的差值中最小的差值，将该差值对应的导向矢量的仰角值作为在有多径反射时，米波雷达接收信号内目标的仰角值。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明在仰角测量的左、右波束指向方向图上确定了凹口区间，使得米波雷达能够抑制仰角测量的左、右波束指向方向图的旁瓣内的多径反射信号的干扰，克服了现有技术忽略方向图内的多径反射信号的干扰，在对高仰角目标仰角测量时精度低的问题，使得本发明具有对高仰角目标仰角测量精度高的优点。

第二，由于本发明采用了由仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量的自相关矩阵的选取的特定的特征矢量构成的信号子空间，减少了计算量，使得本发明具有利于工程实现的优点。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的米波雷达多径反射信号示意图；

图3为本发明的仿真实验中左、右波束指向方向图；

图4为本发明的仿真实验中鉴角曲线示意图；

图5为本发明的仿真实验中仰角测量精度图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参照附图1，本发明的具体步骤如下：

步骤1，确定仰角测量的左、右波束指向。

在有多径反射时，米波雷达发射脉冲中任意选定两个相互交叠的波束。

将左边的波束作为仰角测量的左波束，右边的波束作为仰角测量的右波束，将仰角测量的左波束的指向作为仰角测量的左波束指向，仰角测量的右波束的指向作为仰角测量的右波束指向。

步骤2，确定仰角测量的中心指向。

将仰角测量的左波束与右波束交叠位置的指向作为仰角测量的中心指向。

步骤3，确定凹口区间。

按照下式，确定仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间：

其中，D表示仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间，θ_L表示仰角测量的左波束指向,θ_R表示仰角测量的右波束指向，Δ表示仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间大小的二分之一。

步骤4，计算特征值对应的特征矢量。

按照导向矢量公式，计算仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量中的任意一个导向矢量：

其中，a(θ_i)表示仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量中的第i个导向矢量，θ_i表示仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量中的第i个导向矢量的仰角值，e表示指数符号，j表示虚数，π表示圆周率，d表示在有多径反射时，米波雷达天线的阵元间距，N表示在有多径反射时，米波雷达天线的阵元总数，sin表示正弦操作，λ表示在有多径反射时，米波雷达天线的发射信号的波长,T表示转置操作。

按照自相关矩阵公式，计算仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量的自相关矩阵：

R＝a*a^H

其中，R表示仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量的自相关矩阵，a表示仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量，*表示矩阵相乘操作，H表示共轭转置操作。

a的表达式如下：

a＝[a(θ₁),a(θ₂)..........a(θ_n)]

其中，a(θ₁)，a(θ₂)，a(θ_n)分别表示仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量中的第1个，第2个，第n个导向矢量，θ₁，θ₂，θ_n分别表示仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量中的第1个，第2个，第n个导向矢量的仰角值。

按照特征矢量公式，计算仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量的自相关矩阵的特征值及该特征值对应的特征矢量：

R*V_i＝λ_iV_i

其中,R表示仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量的自相关矩阵，*表示矩阵相乘操作，V_i表示仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量的自相关矩阵的第i个特征值对应的特征矢量，λ_i表示仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量的自相关矩阵的第i个特征值。

步骤5，构成信号子空间。

将仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量的自相关矩阵的所有特征值从大到小排序，选取排序后的特征值中的前m个特征值所对应的特征矢量，m的取值取决于雷达的工作环境，将所选取特征矢量组成信号子空间。

步骤6，确定加权值。

按照下式，计算仰角测量的左、右波束指向方向图的加权值：

w₁＝[I-G*(G^H*G)^-1*G^H]*w₃

w₂＝[I-G*(G^H*G)^-1*G^H]*w₄

其中,w₁、w₂分别表示仰角测量的左、右波束指向方向图的加权值，I表示单位矩阵，G表示信号子空间,*表示矩阵相乘操作，H表示共轭转置操作，(·)^-1表示矩阵求逆操作，w₃、w₄分别表示采用传统比幅单脉冲测角方法确定的仰角测量的左、右波束指向方向图的加权值。

G的表达式如下：

G＝[V₁,V₂,..,V_m-1,V_m]

其中，G表示信号子空间，V₁,V₂,..,V_m-1,V_m分别表示仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量的自相关矩阵的选定的m个特征值所对应的m个特征矢量。

w₃、w₄的表达式分别如下：

w₃、w₄分别表示采用传统比幅单脉冲测角方法确定的仰角测量的左、右波束指向方向图的加权值，e表示指数符号，j表示虚数，π表示圆周率，d表示在有多径反射时，米波雷达天线的阵元间距，N表示在有多径反射时，米波雷达天线的阵元总数，sin表示正弦操作，θ_L表示仰角测量的左波束指向,θ_R表示仰角测量的右波束指向，λ表示在有多径反射时，米波雷达天线的发射信号的波长,T表示转置操作。

步骤7，建立鉴角曲线。

在有多径反射时，米波雷达发射脉冲中任意选定两个相互交叠的波束，将该交叠位置的指向作为仰角测量的中心指向，取一段以仰角测量的中心指向为中心的区间作为鉴角曲线上仰角测量区间。

按照导向矢量公式，计算鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的任意一个导向矢量：

其中，b(θ_k)表示仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量中的第k个导向矢量，θ_k表示仰角测量的左、右波束指向方向图的凹口区间上的导向矢量中的第k个导向矢量的仰角值，e表示指数符号，j表示虚数，π表示圆周率，d表示在有多径反射时，米波雷达天线的阵元间距，N表示在有多径反射时，米波雷达天线的阵元总数，sin表示正弦操作，λ表示在有多径反射时，米波雷达天线的发射信号的波长,T表示转置操作。

按照加权求和公式，计算鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的任意一个导向矢量的左、右加权求和值：

p_k1＝|w₁^H*b(θ_k)|

p_k2＝|w₂^H*b(θ_k)|

其中，p_k1、p_k2分别表示鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的第k个导向矢量的左、右加权求和值，|·|表示取绝对值操作，w₁、w₂分别表示仰角测量的左、右波束指向方向图的加权值，H表示共轭转置操作，*表示矩阵相乘操作，b(θ_k)表示鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的第k个导向矢量，θ_k表示鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的第k个导向矢量的仰角值。

按照下式，计算鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的任意一个导向矢量的比值：

其中，f_k表示鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的第k个导向矢量的比值，p_k1、p_k2分别表示鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的第k个导向矢量的左、右加权求和值。

连接鉴角曲线上仰角测量区间内上所有的导向矢量的比值，得到鉴角曲线。

步骤8，确定接收信号内目标的仰角值。

按照加权求和公式，计算在有多径反射时，米波雷达接收信号的左、右加权求和值：

q₁＝|w₁^H*X|

q₂＝|w₂^H*X|

其中，q₁、q₂分别表示在有多径反射时，米波雷达接收信号的左、右加权求和值，|·|表示取绝对值操作，w₁、w₂分别表示仰角测量的左、右波束指向方向图的加权值，H表示共轭转置操作，*表示矩阵相乘操作，X表示米波雷达接收的信号矩阵。

按照下式，计算接收信号内目标的比值：

其中，g表示接收信号内目标的比值，q₁、q₂分别表示在有多径反射时，米波雷达接收信号的左、右加权求和值。

按照下式，计算鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的任意一个导向矢量的比值与接收信号内目标的比值的差值：

c_k＝|f_k-g|

其中，c_k表示鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的第k个导向矢量的比值与接收信号内目标的比值的差值，|·|表示取绝对值操作，f_k表示鉴角曲线上仰角测量区间上的导向矢量中的第k个导向矢量的比值，g表示接收信号内目标的比值。

取鉴角曲线上仰角测量区间上所有的导向矢量的比值与接收信号内目标的比值的差值中最小的差值，将该差值对应的导向矢量的仰角值作为在有多径反射时，米波雷达接收信号内目标的仰角值。

下面结合仿真图对本发明的效果做进一步的描述。

1.仿真条件：

本发明的仿真是在MATLAB R2010a的软件环境下进行的。#

2.仿真内容：

本发明的仿真实验所使用的天线为垂直放置的均匀线阵，阵元数为10，阵元间距为米1.6，天线中心高度为25米,波长为3.2米。多径反射系数为0.95。双波束指向中心为12°，波束1指向为9°，波束2指向为15°。凹口置零区间为-17°到-8°。鉴角曲线仰角测量区间为8.5°到16.5°。实际搜索目标的仰角区间为10°到14°，目标距离为100千米，目标信噪比为21dB，进行500次蒙特卡洛实验。

3.仿真效果分析：

图2为本发明的米波雷达多径反射信号示意图。图2中的h_r表示米波雷达天线的架高，R_d表示目标与米波雷达的距离，θ₁表示目标的仰角，θ₂表示多径反射信号的反射角。

从图2中可以看出米波雷达既能接收到目标的信号，也能接收到多径反射信号。

图3(a)为本发明的仿真实验中左波束指向方向图。图3(a)是左波束指向方向图。图3(a)中的横坐标表示仰角范围，纵坐标表示幅值。图3(b)为本发明的仿真实验中右波束指向方向图。图3(b)是右波束指向方向图。图3(b)中的横坐标表示仰角范围，纵坐标表示幅值。

从图3(a)、图3(b)中可以看出左、右波束指向方向图均在各自波束指向处有最大的幅值，同时均在-17°到-8°仰角范围内形成凹口，达到抑制多径反射信号的目的。

图4为本发明的仿真实验得到的鉴角曲线，该鉴角曲线是利用本发明的仿真参数，通过计算仰角测量区间上的导向矢量中的任意一个导向矢量的左、右加权求和值，计算仰角测量区间上的导向矢量中的任意一个导向矢量的比值，连接仰角测量区间内上所有的导向矢量的比值，得到的鉴角曲线。图4中的横坐标表示仰角测量区间内上所有的导向矢量的仰角值，纵坐标表示仰角测量区间内上所有的导向矢量的比值。

从图4中可以看出在鉴角曲线上，纵坐标的每个比值只对应一个仰角值，满足单调性。

图5为本发明的仿真实验得到的仰角测量精度图。该仰角测量精度图是利用本发明的仿真参数，计算本发明方法下的目标仰角值和传统比幅单脉冲测角方法下的目标仰角值，计算各个方法下计算的目标仰角值与目标的真实仰角值的误差值，连接所有的误差值，绘制得到的仰角测量精度图。

图5中的横坐标表示目标的真实仰角，纵坐标表示仰角测量误差值。

从图5中可以看出，本发明的仰角测量误差值低于传统比幅单脉冲测角方法的仰角测量误差值，仰角的测量精度高。