一种基于补偿天线方向图误差的宽零陷波束形成方法与流程

本发明涉及舰载高频地波雷达信号处理领域，可用于在天线方向图误差背景舰载地波雷达的海杂波抑制。

背景技术：

舰载高频地波雷达是一种新体制雷达，工作频段为3mhz-30mhz，与常规雷达例如微波雷达相比，拥有超视距探测地平线以下目标、反隐身、预警时间长、抗反辐射导弹、设备稳定、抗干扰能力强等优点，目前在世界各国的军事领域均起到重要的作用。

对于舰载高频地波雷达，舰船平台移动会导致一阶海杂波谱展宽，这会使得速度较慢的舰船目标受到展宽谱的影响，淹没于海杂波之中，导致无法对目标的信息作准确的估计。由于一阶海杂波谱与舰船的运动速度有关，相对而言，即可通过舰船的运动速度，推断海杂波的方位，从而可以将问题转化为对已知方位的杂波进行抑制的问题。针对此问题，国内学者展开了广泛研究，谢俊好.舰载高频地波雷达目标检测与估值研究[d].哈尔滨工业大学,2001.中引入了正交加权方法(orthogonalweighting,ow)，从而对一阶海杂波进行抑制；sunm,xiej,haoz,etal.targetdetectionandestimationforshipbornehfswrbasedonobliqueprojection[c]//201211thinternationalconferenceonsignalprocessing(icsp2012).0.中随后针对正交加权方法的不足，引入了斜投影算法(obliqueprojection,op)，在对固定方位杂波进行抑制的同时，更大程度上保留了目标信号的信息。

对于传统的舰载高频地波雷达，由于天线摆放位置及实际环境的限制，会出现天线方向图误差的干扰，此误差会造成天线方向图发生畸变，无法正常完成工作。传统的杂波抑制算法例如正交加权方法与斜投影算法，在存在天线方向图误差背景下效果会恶化，无法充分抑制淹没舰船的展宽海杂波。此外，由于天线及通道幅度相位特性随使用时间增长发生缓慢变换，天线阵列的实际误差可能偏离最初的误差测量值，因此对天线的方向图误差的校正进一步增大了难度。

当天线阵沿船舷两侧布置为均匀线阵，且天线未受方向图误差的影响时，天线阵列所合成的方向图(包含零陷)关于天线阵列对称。此时雷达阵列可是实现对来自于天线阵两侧的海杂波的同时抑制。而当天线方向图误差存在时，天线阵所合成的方向图不再关于天线阵对称。传统的零点形成算法，只能抑制天线某一侧的杂波来源，而另一侧的杂波则进入天线，影响检测。

阵列误差对于阵列天线的性能有着不可忽略的影响。而目前，各国学者研究的重点为对阵列位置误差与互耦误差进行校正与分析，而对于实际工程中，最为常见的天线方向图误差的校正则研究较少，因此，需要一种对天线方向图误差进行校正的方法，能够对舰载高频地波雷达中的展宽一阶海杂波进行抑制处理。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决在天线方向图误差背景下，传统的杂波抑制算法无法对因舰船运动而展宽的海杂波进行抑制的问题，而提供一种基于补偿天线方向图误差的宽零陷波束形成方法。

一种基于补偿天线方向图误差的宽零陷波束形成方法具体过程为：

步骤一：通过有源校正得到受误差影响天线对应的各个角度的天线方向图误差数据，记为r(θ)；

步骤二：对舰载高频地波雷达的回波数据进行脉冲压缩与相参积累处理，得到通道×多普勒×距离三维谱数据，记为cdr；

步骤三：基于步骤一获得的误差数据r(θ)，对原有的阵列导向矢量(没有误差的阵列导向矢量)进行修正，得到受干扰的投影矩阵基于受干扰的投影矩阵得到归一化的修正正交加权方法权系数具体过程为：

步骤三一：由bragg谐振散射原理与深水色散原理推得一阶bragg频率为：

其中，fb为bragg频率，bragg频率为布拉格频率，f0为雷达工作频率，其单位为mhz；

步骤三二：通过步骤二所获三维谱数据cdr，找到多普勒单元对应的多普勒频率fd，得到fd对应的海杂波的方位θi：

其中，vp为舰载平台的移动速度，θi∈[0,2π]；

步骤三三：方位θi海杂波对应的阵列导向矢量a(θi)为：

步骤三四：利用步骤一得到的方位为θi的天线方向图误差数据r(θi)，构造修正后的阵列导向矢量

其中，ο代表hadamard积；r(θi)为受误差影响天线对应的海杂波的方位θi的天线方向图误差数据；

步骤三五：利用修正后的阵列导向矢量构造受干扰的投影矩阵

其中，im是阶数为阵元数m的单位阵，上角标h代表共轭转置；

步骤三六：利用受干扰的投影矩阵得到方位为θi海杂波对应的归一化的修正正交加权方法权系数

其中，s(θ)为扫描循环矢量，通过遍历θ(0°-360°)从而起到对所有角度进行扫描的作用；

步骤三七：通过遍历θi，得到所有海杂波对应的归一化的修正正交加权方法权系数

步骤四：设置宽零陷的宽度为δθ，在杂波方位θi附近δθ内重构k个零陷，并将重构后零陷对应的修正的导向矢量代替步骤三中修正的导向矢量并按照步骤三中的方法，得到宽零陷波束形成方法权系数w；具体过程为：

步骤四一：找到步骤三二中对应的海杂波方位θi，设置宽零陷的宽度为δθ，改进后重构的零陷个数为k，构造改进后的零陷对应的角度：

其中，θk为改进后第k个零陷对应的角度；

步骤四二：利用步骤四一得到的k个角度，构造对应的理想阵列导向矢量：

步骤四三:构造修正后的阵列导向矢量

其中，r(θk)为受误差影响天线对应的第θk角度的天线方向图误差数据；

步骤四四：利用修正后的阵列导向矢量构造宽零陷波束形成方法对应的投影矩阵j：

其中，为修正后的阵列导向矢量矩阵，

步骤四五：利用宽零陷方法对应的投影矩阵j，得到方位为θj海杂波对应的宽零陷波束形成方法权系数w：

通过遍历θ(0°-360°)从而起到对所有角度进行扫描的作用；

步骤四六：通过遍历θi，得到所有海杂波对应的宽零陷波束形成方法权系数w；

步骤五：利用步骤四得到的宽零陷波束形成方法权系数w对步骤二中得到的三维谱数据cdr进行处理，得到抑制海杂波之后的角度×多普勒×距离三维谱数据。

本发明的有益效果为：

本发明所述的一种基于补偿天线方向图误差的宽零陷波束形成方法，为受天线方向图误差影响的舰载高频地波雷达对展宽海杂波进行抑制处理提供了一种有效的解决方法。通过有源校正的方式，获取到天线方向图误差的数据，从而对原有的阵列导向矢量进行修正，充分考虑了受误差影响后的阵列对于海杂波信息的影响，利用了误差信息，改进了原有的正交加权方法；又根据实际环境中，误差获取精度不高的问题，提出宽零陷的波束形成方法，并首次应用于舰载高频地波雷达在天线方向图误差环境下的杂波抑制。利用本发明中所提出的基于补偿天线方向图误差的宽零陷波束形成方法对舰载高频地波雷达回波数据进行处理，解决了在天线方向图误差条件下，传统杂波抑制算法无法对展宽的一阶海杂波进行抑制的问题。

由图9与表3，抑制前海杂波平均功率为47.16db，目标峰值功率为61.15db，信杂噪比为9.48db；传统正交加权方法得到的海杂波平均功率为41.50db，目标峰值功率为60.13db，信杂噪比为9.1db；本发明宽零陷波束形成方法得到的海杂波平均功率为23.51db，目标峰值功率为55.02db，信杂噪比为34.49db；可知在误差环境下，传统正交加权方法与未抑制前效果相当，而本发明方法，在对目标峰值功率影响较小的情况下，大幅度改善了海杂波平均功率与信杂噪比两项指标，以此证明的本发明方法的有效性。利用本发明中提出的基于补偿天线方向图误差的宽零陷波束形成方法对舰载高频地波雷达回波数据进行处理，解决了在误差条件下，传统正交加权方法无法对展宽海杂波进行抑制的问题。

附图说明

图1是发明的总体流程图；

图2是舰载高频地波雷达的接收阵列示意图；

图3a是实测天线阵元1幅度误差图；

图3b是实测天线阵元2幅度误差图；

图3c是实测天线阵元3幅度误差图；

图3d是实测天线阵元4幅度误差图；

图3e是实测天线阵元5幅度误差图；

图3f是实测天线阵元6幅度误差图；

图3g是实测天线阵元7幅度误差图；

图3h是实测天线阵元8幅度误差图；

图4a是实测天线阵元1相位误差图；

图4b是实测天线阵元2相位误差图；

图4c是实测天线阵元3相位误差图；

图4d是实测天线阵元4相位误差图；

图4e是实测天线阵元5相位误差图；

图4f是实测天线阵元6相位误差图；

图4g是实测天线阵元7相位误差图；

图4h是实测天线阵元8相位误差图；

图5是修正后的权系数与传统正交加权方法在误差环境下对应的天线方向图对比图；

图6是本发明方法与传统正交加权方法在误差环境下对应的天线方向图对比图；

图7a是传统正交加权方法在误差环境下距离多普勒谱截面图；

图7b是本发明方法在误差环境下距离多普勒谱截面图；

图8a是本发明方法与传统正交加权方法在误差环境下角度多普勒截面对比图；

图8b是本发明方法与传统正交加权方法在误差环境下角度多普勒截面对比图；

图9是本发明方法与传统正交加权方法在误差环境下对应目标多普勒截面图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式一种基于补偿天线方向图误差的宽零陷波束形成方法具体过程为：

步骤一：通过有源校正得到受误差影响天线对应的各个角度的天线方向图误差数据，记为r(θ)；

步骤二：对舰载高频地波雷达的回波数据进行脉冲压缩与相参积累处理，得到通道×多普勒×距离三维谱数据，记为cdr；

步骤三：基于步骤一获得的误差数据r(θ)，对原有的阵列导向矢量(没有误差的阵列导向矢量)进行修正，得到受干扰的投影矩阵基于受干扰的投影矩阵得到归一化的修正正交加权方法权系数具体过程为：

步骤三一：由bragg谐振散射原理与深水色散原理推得一阶bragg频率为：

其中，fb为bragg频率，bragg频率为布拉格频率，f0为雷达工作频率，其单位为mhz；

步骤三二：通过步骤二所获三维谱数据cdr，找到多普勒单元对应的多普勒频率fd，得到fd对应的海杂波的方位θi：

其中，vp为舰载平台的移动速度，θi∈[0,2π]；

步骤三三：方位θi海杂波对应的阵列导向矢量a(θi)为：

步骤三四：利用步骤一得到的方位为θi的天线方向图误差数据r(θi)，构造修正后的阵列导向矢量

其中，ο代表hadamard积；r(θi)为受误差影响天线对应的海杂波的方位θi的天线方向图误差数据；

步骤三五：利用修正后的阵列导向矢量构造受干扰的投影矩阵

其中，im是阶数为阵元数m的单位阵，上角标h代表共轭转置；

步骤三六：利用受干扰的投影矩阵得到方位为θi海杂波对应的归一化的修正正交加权方法权系数

其中，s(θ)为扫描循环矢量，通过遍历θ(0°-360°)从而起到对所有角度进行扫描的作用；

步骤三七：通过遍历θi，得到所有海杂波对应的归一化的修正正交加权方法权系数

步骤四：设置宽零陷的宽度为δθ，在杂波方位θi附近δθ内重构k个零陷，并将重构后零陷对应的修正的导向矢量代替步骤三中修正的导向矢量并按照步骤三中的方法，得到宽零陷波束形成方法权系数w；具体过程为：

步骤四一：找到步骤三二中对应的海杂波方位θi，设置宽零陷的宽度为δθ，改进后重构的零陷个数为k，构造改进后的零陷对应的角度：

其中，θk为改进后第k个零陷对应的角度；

步骤四二：利用步骤四一得到的k个角度，构造对应的理想阵列导向矢量：

步骤四三：构造修正后的阵列导向矢量

其中，r(θk)为受误差影响天线对应的第θk角度的天线方向图误差数据；

步骤四四：利用修正后的阵列导向矢量构造宽零陷波束形成方法对应的投影矩阵j：

其中，为修正后的阵列导向矢量矩阵，

步骤四五：利用宽零陷方法对应的投影矩阵j，得到方位为θj海杂波对应的宽零陷波束形成方法权系数w：

通过遍历θ(0°-360°)从而起到对所有角度进行扫描的作用；

步骤四六：通过遍历θi，得到所有海杂波对应的宽零陷波束形成方法权系数w；

步骤五：利用步骤四得到的宽零陷波束形成方法权系数w对步骤二中得到的三维谱数据cdr进行处理，得到抑制海杂波之后的角度×多普勒×距离三维谱数据。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述所述步骤一中通过有源校正得到受误差影响天线对应的各个角度的天线方向图误差数据，记为r(θ)；具体过程为：

步骤一一：舰载高频地波雷达的接收阵列采用均匀线阵见图2，设阵元个数为m，阵元间距为d，雷达波长为λ＝c/f0，c为光速，f0为雷达工作载频，在与雷达阵列摆放夹角为θ的方位设立目标；

步骤一二：阵列接收目标的回波数据，以第一个阵元得到的数据幅度为基础，将其他阵元得到的数据幅度分别与第一个阵元的数据幅度作差，得到的差值记为该θ方向的幅度扰动ρm(θ),m＝1,2,...,m，

其中，m代表第m个阵元，θ代表目标与雷达阵列摆放夹角；

以第一个阵元得到的数据相位为基础，将其他阵元得到的数据相位分别与第一个阵元得到的数据相位作差值，再减去各阵元之间原有的相位差d/λ·(m-1)·cosθ，记为该θ方向的相位扰动

步骤一三：对得到的幅度扰动与相位扰动进行处理，得到方向为θ的天线方向图误差数据上角标t代表转置，j为虚数单位，j²＝-1；

对目标放置角度进行0°-360°旋转，进行间隔为1°的角度扫描，得到各个角度的天线方向图误差数据。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中对舰载高频地波雷达的回波数据进行脉冲压缩与相参积累处理，得到通道×多普勒×距离三维谱数据，记为cdr；具体过程为：

步骤二一：对阵列接收到的目标的回波数据进行脉冲压缩，并做适当的n-1段截断处理，得到n个距离单元；

步骤二二：对每个距离单元的全部积累回波作fft处理，再进行相参积累，得到l个多普勒单元，最终得到通道(阵元个数)×多普勒×距离三维谱数据，记为cdr；

所述fft为快速傅里叶变换。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三六中扫描循环矢量s(θ)＝[s1θ(θ),...,smθ(θ),...,smθ(θ)]^t，其大小为m×1，smθ(θ)为扫描循环矢量中第m个元素，smθ(θ)＝e^{j·2π·(m-1)·d·cosθ/λ}，m＝1,2,...,m，上角标t代表转置。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤五中利用步骤四得到的宽零陷波束形成方法权系数w对步骤二中得到的三维谱数据cdr进行处理，得到抑制海杂波之后的角度×多普勒×距离三维谱数据；具体过程为：

步骤五一：选择步骤二中获取到的cdr数据，选择某一距离多普勒单元，根据多普勒对应单元找到海杂波所在方位，利用步骤四得到的宽零陷波束形成方法权系数w对某一距离多普勒单元数据进行处理，得到滤除一个距离多普勒单元杂波后的角度谱；

步骤五二：遍历的距离多普勒单元，得到抑制海杂波之后的角度×多普勒×距离三维谱数据。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种基于补偿天线方向图误差的宽零陷波束形成方法具体是按照以下步骤实施的：

仿真参数如下表所示：

表1舰载hfswr系统参数设置

表2仿真目标参数设置

步骤一：通过有源校正的方式，对阵列的天线方向图进行测量，得到天线的每个角度的天线方向图误差数据r(θ)。得到的实测天线幅度误差与相位误差如图3a、3b、3c、3d、3e、3f、3g、3h和图4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h所示。

步骤二：对舰载高频地波雷达的回波数据进行脉冲压缩与相参积累处理，得到通道×多普勒×距离三维谱数据，记为cdr，其大小为8×512×120。

步骤三：通过获取到的误差数据r(θ)，对原有的阵列导向矢量进行修正，得到受干扰的投影矩阵进而得到归一化的修正正交加权方法权系数修正后的权系数与传统正交加权方法在误差环境下对应的天线方向图对比如图5所示。

步骤四：在杂波形成的方位附近，宽零陷的宽度为δθ＝2°，改进后重构的零陷个数为k＝3，并将重构后的阵列导向矢量代替步骤三中原有的阵列导向矢量，得到宽零陷波束形成方法权系数w。宽零陷波束形成方法权与传统正交加权方法在误差环境下对应的天线方向图对比如图6所示。

步骤五：利用得到的宽零陷波束形成方法的权系数对cdr数据进行处理，得到宽零陷的波束形成方法对舰载高频地波雷达回波数据处理结果，本发明方法与传统正交加权方法rd谱截面对比如图7a、7b所示，ad谱截面对比如图8a、8b所示，对应目标多普勒截面对比如图9所示。

仿真结果证明：

观察图5可知，假设目标方位为120°，雷达正面对应海杂波的方位为60°，背面对应的海杂波方位为300°。由图可知，传统正交加权方法在误差条件下，天线方向图发生畸变，无法在杂波对应方位形成零陷；而修正后的正交加权方法在对目标信号120°的方位进行有效估计的同时，对两个海杂波方位60°与300°处形成了零陷，可以对杂波形成有效的过滤。

观察图6可知，假设目标方位为120°，雷达正面对应海杂波的方位为60°，背面对应的海杂波方位为300°。由图可知，宽零陷波束形成方法相较于常规正交加权方法其零陷更宽；在受到天线方向图误差影响时，传统正交加权方法失效，而宽零陷的波束形成方法依旧可以在对应杂波方位形成宽零陷，从而达到抑制杂波的目的。

观察图7a、7b与图8a、8b。由图可知，传统的正交加权方法在天线方向图误差环境下，无法对展宽的海杂波进行抑制，目标淹没于海杂波中；本发明所提方法则可对误差条件下的海杂波进行抑制，目标明显显露出来。

观察图9，经计算，两种方法的抑制结果如表3所示。由图9与表3可知，在误差环境下，传统正交加权方法与未抑制前效果相当，而本发明方法，在对目标峰值功率影响较小的情况下，大幅度改善了海杂波平均功率与信杂噪比两项指标，以此证明的本发明的有效性。利用本发明中提出的基于补偿天线方向图误差的宽零陷波束形成方法对舰载高频地波雷达回波数据进行处理，解决了在误差条件下，传统正交加权方法无法对展宽海杂波进行抑制的问题。

表3方法抑制结果

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。