基于信号处理的多通道阵列雷达幅相误差在线检测方法与流程

本发明属于雷达信号处理技术领域，特别涉及一种基于信号处理的多通道阵列雷达幅相误差在线检测方法，适用于对多通道阵列雷达的阵列通道幅度失配和相位失配进行检测和校正。

背景技术：

雷达是利用电磁波发现目标并测定目标具体位置的设备，在军事和生活上都有重要的应用，雷达的性能状态决定了其工作的可信度，雷达的自检系统能够对雷达的性能好坏进行自动检测；当雷达的状态出现问题导致性能下降，该雷达的自检系统就会反馈给雷达的使用者，雷达的使用者会根据自检结果对雷达进行维修，进而保证雷达能够正常工作。

雷达的自检是对整个雷达工作状态的一种测评，且雷达的自检必须可靠、稳定，而且具有全面性；特别是现在的雷达系统都很复杂，自检和校正就都显得尤为重要；而目前雷达的自检方法都很简单，归纳如下：

(1)状态采样法，也称为旁检模式，该状态采样法通过对雷达里面的各个元器件和节点分别进行温度、电压、电流等采样，进而判断雷达是否能够工作正常。

但该状态采样法方法只能检测出雷达能否接收到回波信号，浮于表面，不能检测出回波信号中的相位误差、幅度误差等更深层次的问题；随着雷达技术的不断发展，对雷达探测性能的要求越来越高，使得采用数字波束形成技术的多通道雷达，成为雷达发展的一个重要方向；多通道雷达在接收到回波信号后，形成多通道雷达回波数据，如果出现多通道的相位、幅度不一致，相干处理多通道回波数据就会收到影响，严重影响多通道雷达的性能；为了检测出相位和幅度的误差，需要对回波信号进行信号处理，并对信号处理后的回波信号进行分析，找到误差并校正。

(2)模拟信号法，也称为自检模式，该模拟信号法通过雷达接收机接收模拟雷达回波信号，并对接收到的模拟雷达回波信号进行分析，将分析的结果与接收的模拟雷达回波信号的参数进行比对，获得模拟雷达回波信号中的相位和幅度误差，从而判断雷达是否故障。

该模拟信号法虽然能检测出模拟雷达回波信号中的相位和幅度误差，但不能实时监测雷达的工作状态，不能及时诊断出雷达的故障，也会影响雷达系统的工作。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种基于信号处理的多通道阵列雷达幅相误差在线检测方法，该种基于信号处理的多通道阵列雷达幅相误差在线检测方法能够提高雷达的测向精度。

本发明的主要思路：本发明利用广播式自动相关监视(automaticdependentsurveillance-broadcast，ads-b)向雷达提供已知目标的参数，雷达向该目标发射脉冲并接收回波信号，通过对回波信号进行信号处理得到参数，将得到的参数与已知目标的参数进行比对，进而检测出雷达在幅度和相位上的误差。

为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种基于信号处理的多通道阵列雷达幅相误差在线检测方法，包括以下步骤：

步骤1，确定多通道阵列雷达，所述多通道阵列雷达的检测范围内存在目标，将该目标记为参照目标；多通道阵列雷达向参照目标发射p个脉冲并接收参照目标反射回来的回波信号，记为参照目标反射的回波信号数据；

初始化：令k表示第k个脉冲，k∈{1,2,…,p}，p表示多通道阵列雷达向参照目标发射的脉冲总个数，p为大于0的正整数；

步骤2，将多通道阵列雷达对参照目标发射第k个脉冲并接收参照目标反射回来的回波信号，记为参照目标反射第k个脉冲的回波信号数据sk；

步骤3，令k分别取1至p，重复执行步骤2，进而分别得到参照目标反射第1个脉冲的回波信号数据s1至参照目标反射第p个脉冲的回波信号数据sp，记为参照目标反射p个脉冲的回波信号数据集合s，s＝{s1,s2,…,sp}；然后将k置为1；

步骤4，对参照目标反射第k个脉冲的回波信号数据sk进行数字信号处理，得到数字信号处理后参照目标反射第k个脉冲的回波信号数据xk(θ)，记为第k个脉冲的波束扫描图；

步骤5，令k加1，重复执行步骤4，进而分别得到第1个脉冲的波束扫描图至第p个脉冲的波束扫描图，记为p个脉冲的波束扫描图；然后将k置为1；

步骤6，根据第k个脉冲的波束扫描图，获知第k个脉冲是否正常；其中第k个脉冲正常为第k个脉冲的相位和第k个脉冲的幅值都不存在误差，第k个脉冲不正常为第k个脉冲的相位和第k个脉冲的幅值中至少一个存在误差；

步骤7，令k加1，重复执行步骤6，进而分别获知第1个脉冲是否正常至第p个脉冲是否正常；

分别记p'为正常的脉冲个数，p”为不正常的脉冲个数，0≤p'≤p，0≤p”≤p，p'+p”＝p，p'、p”分别为大于等于0的正整数；

步骤8，根据参照目标反射p个脉冲的回波信号数据集合s对p”个脉冲分别进行幅相误差分析，进而得到基于信号处理的多通道阵列雷达幅相误差在线检测结果。

本发明与现有的技术相比有以下优点：

第一，本发明方法根据广播式自动相关监视(automaticdependentsurveillance-broadcast，ads-b)信息系统共享的特点，合理利用ads-b的数据资源，能够实时监测雷达的幅相误差，实现空中监管的协同能力。

第二，针对多通道阵列雷达中幅相产生误差的问题，利用波束扫描和比对校正，适用阵型广泛，简单可行，能找到其他自检方法检测不到的更深层次的问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的一种基于信号处理的多通道阵列雷达幅相误差在线检测方法实现流程图；

图2是利用仿真条件1对第1个脉冲的波束扫描图；

图3是利用仿真条件1对第3个脉冲的波束扫描图；

图4是利用仿真条件1对第1个脉冲第10个阵元的接收回波示意图；

图5是利用仿真条件1对第3个脉冲第10个阵元的接收回波示意图；

图6是利用仿真条件2对第1个脉冲的波束扫描图；

图7是利用仿真条件2对第3个脉冲的波束扫描图；

图8是利用仿真条件2对第1个脉冲第20个阵元的接收回波示意图；

图9是利用仿真条件2对第3个脉冲第20个阵元的接收回波示意图；

图10是利用实验条件对第49个脉冲的波束扫描图；

图11是利用实验条件对第50个脉冲的波束扫描图；

图12(a)是利用实验条件对第35个阵元分别接收第49个脉冲的幅值对比图；

图12(b)是利用实验条件对第35个阵元分别接收第50个脉冲的幅值对比图；

图12(c)是利用实验条件对第35个阵元分别接收第51个脉冲的幅值对比图；

图13(a)利用实验条件对第36个阵元分别接收第49个脉冲的幅值对比图；

图13(b)利用实验条件对第36个阵元分别接收第50个脉冲的幅值对比图；

图13(c)利用实验条件对第36个阵元分别接收第51个脉冲的幅值对比图；

图14(a)是利用实验条件对第37个阵元分别接收第49个脉冲的幅值对比图；

图14(b)是利用实验条件对第37个阵元分别接收第50个脉冲的幅值对比图；

图14(c)是利用实验条件对第37个阵元分别接收第51个脉冲的幅值对比图。

具体实施方式

参照图1，为本发明的一种基于信号处理的多通道阵列雷达幅相误差在线检测方法实现流程图；其中所述基于信号处理的多通道阵列雷达幅相误差在线检测方法，包括以下步骤：

步骤1，在无杂波区选取合适的大目标，所述合适的大目标为雷达散射截面(radarcrosssection，rcs)在设定范围以上的目标，其中设定范围以上为100m²以上，一般为民航飞机；目前民航飞机基本都装载了广播式自动相关监视(automaticdependentsurveillance-broadcast，ads-b)设备，地面上的雷达也都配备有广播式自动相关监视(automaticdependentsurveillance-broadcast，ads-b)设备。

步骤2，多通道阵列雷达是信号的产生和接收全部采用多通道并行处理的数字化阵列雷达，多通道阵列雷达是由n个阵元组成的等距线阵，任意两个相邻阵元之间的阵元间距d'均相等；多通道阵列雷达能接收到两方面的数据，一是多通道阵列雷达发射脉冲串后接收到的回波数据；二是参照目标通过ads-b数据链向多通道阵列雷达告知其自身的精确位置，多通道阵列雷达即可获得该参照目标的方位、距离、速度、航向信息。

多通道阵列雷达向参照目标发射p个脉冲并接收参照目标反射回来的回波信号，记为参照目标反射的回波信号数据。

初始化：令k表示第k个脉冲，k∈{1,2,…,p}，p表示多通道阵列雷达向参照目标发射的脉冲总个数，p为大于0的正整数。

步骤3，将多通道阵列雷达对参照目标发射第k个脉冲并接收参照目标反射回来的回波信号，记为参照目标反射第k个脉冲的回波信号数据sk，其表达式为：

sk＝akexp(j2πfdk△t)a(θ0)+nk

其中，k∈{1,2,…,p}，a(θ0)表示参照目标反射的回波信号数据的导向矢量，

exp表示指数函数操作，j表示虚数单位，θ0表示参照目标所在方向与多通道阵列雷达法线方向之间的夹角，λ表示参照目标反射的回波信号数据的波长；akexp(j2πfdk△t)表示sk的复包络，sk表示参照目标反射第k个脉冲的回波信号数据，ak表示sk的幅值，fd为sk的多普勒频率，△t为多通道阵列发射脉冲的脉冲间隔，nk表示多通道阵列雷达接收sk时伴有的噪声，nk＝[nk1,nk2,…,nkl,,…,nkn]，nkl,表示多通道阵列雷达接收第k个脉冲时第l个阵元伴有的噪声，l∈{1,2,…,n}，n表示多通道阵列雷达包含的阵元个数，n、p、d'分别为大于0的正整数，exp表示指数函数操作，j表示虚数单位，∈表示属于。

步骤4，令k分别取1至p，重复执行步骤3，进而分别得到参照目标反射第1个脉冲的回波信号数据s1至参照目标反射第p个脉冲的回波信号数据sp，记为参照目标反射p个脉冲的回波信号数据集合s，s＝{s1,s2,…,sp}；然后将k置为1。

步骤5，对参照目标反射第k个脉冲的回波信号数据sk进行数字信号处理，具体为：对参照目标反射第k个脉冲的回波信号数据sk进行数字波束形成(dbf)处理，即对参照目标反射第k个脉冲的回波信号数据sk进行加权求和后形成θ方向的接收波束，θ表示对参照目标反射第k个脉冲的回波信号数据sk进行波束扫描的扫描角度，θ的取值范围为[α1,α2]，α1表示参照目标所在角度范围最小值，α2表示参照目标所在角度范围最大值；进而得到数字信号处理后参照目标反射第k个脉冲的回波信号数据xk(θ)，其表达式为：

xk(θ)＝|w^h(θ)sk|

其中，上标h表示共轭转置操作，||表示求绝对值操作，w(θ)表示对参照目标反射第k个脉冲的回波信号数据sk进行波束扫描的扫描权矢量，λ表示参照目标反射的回波信号数据的波长，d'表示多通道阵列雷达中任意两个相邻阵元之间的阵元间距，sin表示求正弦操作，exp表示指数函数操作，j表示虚数单位，n表示多通道阵列雷达包含的阵元个数。

所述数字信号处理后参照目标反射第k个脉冲的回波信号数据xk(θ)为数字波束形成(dbf)处理后参照目标反射第k个脉冲的回波信号数据，记为第k个脉冲的波束扫描图。

步骤6，令k加1，重复执行步骤5，分别得到第1个脉冲的波束扫描图至第p个脉冲的波束扫描图，记为p个脉冲的波束扫描图，p表示多通道阵列雷达向参照目标发射的脉冲总个数；然后将k置为1。

步骤7，根据第k个脉冲的波束扫描图，获知第k个脉冲是否正常；其中第k个脉冲正常为第k个脉冲的相位和第k个脉冲的幅值都不存在误差，第k个脉冲不正常为第k个脉冲的相位和第k个脉冲的幅值中至少一个存在误差。

具体地，根据第k个脉冲的波束扫描图，分别得到第k个脉冲最大增益时对应的角度第k个脉冲的波束扫描图的主瓣宽度以及第k个脉冲主瓣与第k个脉冲副瓣之比所述第k个脉冲主瓣为第k个脉冲的波束扫描图的第一峰值，主瓣宽度为-3db宽度；所述第k个脉冲副瓣为第k个脉冲的波束扫描图的第二峰值。

(1)将第k个脉冲最大增益时对应的角度与θ0做比较，θ0表示参照目标真实角度，所述参照目标真实角度为参照目标所在方向与多通道阵列雷达法线方向之间的夹角；进而得到第k个脉冲最大增益时对应的角度与参照目标真实角度之间的误差εk，若εk<ε0，ε0为设置的实际情况下最大角度误差值,则第k个脉冲最大增益时对应的角度在正常范围内，所述第k个脉冲最大增益时对应的角度在正常范围内为第k个脉冲的波束扫描图最大增益时对应的角度与参照目标方位一致。

(2)将第k个脉冲的波束扫描图的主瓣宽度与b0作比较，b0为设置的理想情况下自适应波束形成的主瓣宽度，得到第k个脉冲的波束扫描图的主瓣宽度与理想情况下自适应波束形成的主瓣宽度的误差δk，

若δk<δ0，δ0表示设置的实际情况下最大主瓣宽度误差，则第k个脉冲的波束扫描图的主瓣宽度在正常范围内，其中正常范围为δk<δ0。

(3)将第k个脉冲主瓣与第k个脉冲副瓣之比与a0作比较，a0为设置的理想情况下主副瓣比，得到第k个脉冲的主副瓣比与理想情况下主副瓣比的误差σk，其中第k个脉冲的主副瓣比为第k个脉冲主瓣与第k个脉冲副瓣之比若σk<σ0，σ0表示设置的实际情况下最大主副瓣之比误差，则第k个脉冲主瓣与第k个脉冲副瓣之比在正常范围内。

若第k个脉冲最大增益时对应的角度与参照目标方位一致、第k个脉冲的波束扫描图的主瓣宽度在正常范围内，以及第k个脉冲主瓣与第k个脉冲副瓣之比也在正常范围内，则第k个脉冲正常，即第k个脉冲没有幅值和相位的误差；若第k个脉冲最大增益时对应的角度第k个脉冲的波束扫描图的主瓣宽度第k个脉冲主瓣与第k个脉冲副瓣之比至少一个不在正常范围内，则第k个脉冲不正常，所述第k个脉冲不正常为第k个脉冲的相位和第k个脉冲的幅值中至少一个存在误差。

步骤8，令k分别取1至p，重复步骤7，进而分别获知第1个脉冲是否正常至第p个脉冲是否正常。

分别记p'为正常的脉冲个数，p”为不正常的脉冲个数，0≤p'≤p，0≤p”≤p，p'+p”＝p，p'、p”分别为大于等于0的正整数。

步骤9，对方向不一致的脉冲做进一步分析：根据参照目标反射p个脉冲的回波信号数据集合s对p”个脉冲分别进行幅相误差分析，如果p”个脉冲与p'个脉冲的幅值分别相同，则说明p”个脉冲各自的相位分别产生了误差；如果p”个脉冲与p'个脉冲的幅值分别不相同，则说明p”个脉冲各自的相位或p”个脉冲各自幅值或p”个脉冲各自的相位和幅值都产生了误差，记为基于信号处理的多通道阵列雷达幅相误差在线检测结果。

9.1令syl表示p”个不正常的脉冲中第y个脉冲、第l个阵元接收的回波数据，y∈{1,2,…,p”},l∈{1,2,…,n}；令sy'l表示p'个正常的脉冲中第y'个脉冲、第l个阵元接收的回波数据，y'∈{1,2,…,p'},l∈{1,2,…,n}，n表示多通道阵列雷达包含的阵元个数，y和l的初始值分别为1。

9.2获取p”个不正常的脉冲中第y个脉冲、第l个阵元接收的回波数据的误差分析结果，其过程为：

如果p”个不正常的脉冲中第y个脉冲、第l个阵元接收的回波数据幅值与p'个正常的脉冲中第y'个脉冲、第l个阵元接收的回波数据幅值相等，则说明p”个不正常的脉冲中第y个脉冲、第l个阵元接收的回波数据相位产生了误差：如果p”个不正常的脉冲中第y个脉冲、第l个阵元接收的回波数据幅值与p'个正常的脉冲中第y'个脉冲、第l个阵元接收的回波数据幅值不相等，则说明p”个不正常的脉冲中第y个脉冲、第l个阵元接收的回波数据相位和幅值中至少一个产生了误差。

9.3令l分别取1至n，重复9.2，分别得到p”个不正常的脉冲中第y个脉冲、第1个阵元接收的回波数据的误差分析结果至p”个不正常的脉冲中第y个脉冲、第n个阵元接收的回波数据的误差分析结果，记为p”个不正常的脉冲中第y个脉冲的误差分析结果，所述p”个不正常的脉冲中第y个脉冲的误差分析结果包含n个误差，如果n个误差都是相位误差，则p”个不正常的脉冲中第y个脉冲是相位误差；如果n个误差不都是相位误差，则p”个不正常的脉冲中第y个脉冲是相位误差和幅值误差。

9.4令y分别取1至p”，重复9.3，分别得到p”个不正常的脉冲中第1个脉冲的误差分析结果至p”个不正常的脉冲中第p”个脉冲的误差分析结果，记为基于信号处理的多通道阵列雷达幅相误差在线检测结果。

通过以下计算机仿真对本发明效果作进一步验证说明。

(一)仿真条件：

仿真条件1，假设多通道阵列雷达为由50个阵元组成的等距线阵，阵元间距d'等于半波长，参照目标与多通道阵列雷达阵列法线方向的夹角为20°，信噪比为0db，波束扫描的扫描范围为[10°,30°]；多通道阵列雷达向参照目标发射的脉冲总个数为5，每个脉冲有1000个距离单元，其中第3个脉冲的幅值和相位都存在误差。

仿真条件2，假设多通道阵列雷达为由50个阵元组成的等距线阵，阵元间距d'等于半波长，参照目标与多通道阵列雷达阵列法线方向的夹角为20°，信噪比为0db，波束扫描的扫描范围为[10°,30°]；多通道阵列雷达向参照目标发射的脉冲总个数为5，每个脉冲有1000个距离单元，其中第3个脉冲仅相位存在误差。

(二)仿真内容

仿真1，在仿真条件1下，对每个脉冲进行波束扫描，可以得到5个脉冲的波束扫描图，选取第1个脉冲的波束扫描图，如图2所示，图2中横坐标为角度，单位为度，纵坐标为幅度，单位为db。第3个脉冲没有检测到目标，如图3所示，图3中横坐标为角度，单位为度，纵坐标为幅度，单位为db。

将每个阵元接收的第3个回波脉冲幅值与其他脉冲进行对比，第3个脉冲与其他脉冲的幅值不同；选取第1个脉冲第10个阵元的接收回波，如图4所示，图4中横坐标为距离单元，单位为1，纵坐标为幅度，单位为1；选取第3个脉冲第10个阵元的接收回波，如图5所示，图5中横坐标为距离单元，单位为1，纵坐标为幅度，单位为1。

由图2、图3、图4、图5可见，第3个脉冲的相位和幅度产生了误差。

仿真2，在仿真条件2下，对每个脉冲进行波束扫描，可以得到5个脉冲的波束扫描图，选取第1个脉冲的波束扫描图，如图6所示，图6中横坐标为角度，单位为度，纵坐标为幅度，单位为db；第3个脉冲没有检测到目标，如图7所示，图7中横坐标为角度，单位为度，纵坐标为幅度，单位为db。

将每个阵元接收的第3个回波脉冲幅值与其他脉冲进行对比，第3个脉冲与其他脉冲的幅值相同；选取第1个脉冲第20个阵元的接收回波，如图8所示，图8中横坐标为距离单元，单位为1，纵坐标为幅度，单位为1。选取第3个脉冲第20个阵元的接收回波，如图9所示，图9中横坐标为距离单元，单位为1，纵坐标为幅度，单位为1。

由图6、图7、图8、图9可见，第3个脉冲的相位产生了误差。

通过实测数据对本发明效果作进一下验证说明。

(三)实验条件

多通道阵列雷达为圆周阵列，n个阵元均匀分布在半径为a的圆周上，多通道阵列雷达共接收到p个脉冲，每个脉冲分别包含l个距离单元。

(四)实验内容

在实验条件(三)下，对每个脉冲进行波束扫描，可以得到p个脉冲的波束扫描图，选取第49个脉冲的波束扫描图，如图10所示，图10中横坐标为角度，单位为度，纵坐标为幅度，单位为db；第23、第50、第88、第132、第201、第245个脉冲都没有检测到目标。

选取第50个脉冲的波束扫描图，如图11所示，图11中横坐标为角度，单位为度，纵坐标为幅度，单位为db。

将每个阵元接收的第23、第50、第88、第132、第201、第245个脉冲的幅值与其他脉冲进行比较，这6个脉冲在幅值上与其他脉冲相比有较大的误差，选取第49、第50、第51个连续脉冲进行对比，阵元35、第49、第50、第51个脉冲幅值相同，如图12(a)、图12(b)和图12(c)所示，图12(a)、图12(b)和图12(c)中的横坐标分别为距离单元，单位为1，纵坐标分别为幅度，单位为1；阵元36、第49个脉冲幅值大于第50个脉冲，如图13(a)、图13(b)和图13(c)所示，图13(a)、图13(b)和图13(c)中的横坐标分别为距离单元，单位为1，纵坐标分别为幅度，单位为1；阵元37、第49个脉冲匹配滤波后幅值小于第50个脉冲，如图14(a)、图14(b)和图14(c)所示，图14(a)、图14(b)和图14(c)中的横坐标分别为距离单元，单位为1，纵坐标分别为幅度，单位为1。

由图10、图11、图12(a)、图12(b)、图12(c)、图13(a)、图13(b)、图13(c)、图14(a)、图14(b)和图14(c)可见，第50、第88、第132、第201、第245个脉冲的相位和幅值都产生了误差。

综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。