一种圆周与简谐复合扫描被动雷达测向方法与流程

本发明涉及目标测向技术领域，更具体的说是涉及一种圆周与简谐复合扫描被动雷达测向方法。

背景技术：

目标测向是雷达探测的一个重要内容。其中，被动雷达测向是雷达探测中一种重要的方法。

目前，被动雷达测向一般采用圆形扫描形式，由于其信号处理结果呈现零阶贝塞尔函数收敛形式，所以其理论峰值旁瓣比为-7.9db。由于其副瓣较高，在测向过程会导致相邻目标之间存在严重干扰，甚至出现弱目标主瓣被相邻强目标副瓣淹没的情况。为了降低旁瓣，已有科研人员提出双接收机复合扫描测向方法。但是相比于单接收机测向系统，双接收机复合扫描测向的系统成本和复杂度都有提升。

因此，如何提供一种低旁瓣、低成本的被动雷达测向方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种圆周与简谐复合扫描被动雷达测向方法，能够有效降低旁瓣，相对于双接收机测向系统成本大大降低。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种圆周与简谐复合扫描被动雷达测向方法，包括：

步骤s1：建立圆周与简谐复合扫描被动雷达测向系统：

杆oa的a端绕着o端做匀速圆周运动，角速度为ω1，接收机在杆oa的ab之间做角频率为ω2，振幅为l的简谐运动，其中，b为杆oa上的一点，ab的长度为2l，ab的中点到o点距离为r，且r≥l；接收机的运动表现为圆周运动和简谐运动的复合运动；以o为坐标原点、0时刻杆oa为x轴正向建立二维直角坐标系，则在t时刻，接收机到坐标原点距离为r+lsin(ω2t+β0)，其中β0为简谐运动的初始相位，接收机的方位角为ω1t，则接收机的坐标为((r+lsin(ω2t+β0))cos(ω1t),(r+lsin(ω2t+β0))sin(ω1t))；

设复合运动中简谐运动振幅与圆周运动半径比为l＝l/r，其中l的定义域为(0,1]；复合运动中简谐运动角频率与圆周运动角速度之比m＝ω2/ω1＝p/h，其中p和h之间不可约，且p和h均为正整数，则在一个接收周期内，杆oa绕o端转了h周，而接收机在杆oa的ab区间做了p个周期的简谐运动；

步骤s2：计算外辐射源到散射点的距离以及t时刻散射点到接收机的距离；

设外辐射源的坐标为(xt,yt)，目标区域一散射点的极坐标为(r0,θ)，则外辐射源到该散射点的距离为：

其中，r0为散射点到坐标原点的距离，θ为散射点的方位角；

由于r0＞＞r和r0＞＞l，则t时刻散射点到接收机的距离为：

rr(t)≈r0-rcos(ω1t-θ)[1+lsin(ω2t+β0)]；

其中，l为复合运动中简谐运动振幅与圆周运动半径比；

步骤s3：确定回波信号；

接收机接收到的回波信号为：

其中σ为散射点的散射强度系数，c为光速；

设在一个接收周期中采样次数为k，则接收机在一个接收周期中接收到的离散化的回波信号为：

k＝1,2,…,k；

步骤s4：构造搜索矩阵；

根据回波信号形式，搜索矩阵为：

k＝1,2,…,k；n＝1,2,…,n；

其中δθ为方位角搜索步长，n为搜索次数；

步骤s5：对回波信号与搜索矩阵进行如下运算：

当n＝δθ/θ时，s(n)出现峰值k|σ|，根据峰值位置判断散射点的方向。

具体的，根据搜索步长δθ和s(n)的峰值位置n，可知其峰值位置的方位角度为θ，也即峰值位置所指示的方位角即散射点的方位角。因此，可以根据峰值位置判断散射点的方向。

优选的，p和h中的较大值大于10。

优选的，m＞1。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种圆周与简谐复合扫描被动雷达测向方法，采用双圆周复合扫描接收系统，接收机运动轨迹比已有的接收机旋转测向技术的圆形运动轨迹变得复杂。通过此复合扫描，使得接收机的有效接收区域从半径为r的圆周变为内径为r-l外径为r+l的环形区域，因而，本发明中的接收机有效数据接收区域变大，接收的有效回波数据更为丰富。因此，本发明提供的圆周与简谐复合扫描被动雷达测向方法可以降低测向结果的旁瓣高度。而且，在系统中只需要一个接收机，系统复杂度和成本都比较低。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的圆周与简谐复合扫描被动雷达测向系统的示意图；

图2为本发明提供的一个转动周期内接收机的运动轨迹的示意图；

图3为本发明提供的不同测向方法对应的15个随机目标的测向结果对比图。

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。

参见附图1，为了解决现有技术中被动雷达测向存在较高旁瓣的问题，本发明实施例公开了一种圆周与简谐复合扫描被动雷达测向方法，包括：

步骤s1：建立圆周与简谐复合扫描被动雷达测向系统：

杆oa的a端绕着o端做匀速圆周运动，角速度为ω1，接收机在杆oa的ab之间做角频率为ω2，振幅为l的简谐运动，其中，b为杆oa上的一点，ab的长度为2l，ab的中点到o点距离为r，且r≥l；接收机的运动表现为圆周运动和简谐运动的复合运动；以o为坐标原点、0时刻杆oa为x轴正向建立二维直角坐标系，则在t时刻，接收机到坐标原点距离为r+lsin(ω2t+β0)，其中β0为简谐运动的初始相位，接收机的方位角为ω1t，则接收机的坐标为((r+lsin(ω2t+β0))cos(ω1t),(r+lsin(ω2t+β0))sin(ω1t))；

设复合运动中简谐运动振幅与圆周运动半径比为l＝l/r，其中l的定义域为(0,1]；如果l＝0，则系统褪化为单圆周扫描的测向模型。

复合运动中简谐运动角频率与圆周运动角速度之比m＝ω2/ω1＝p/h，其中p和h之间不可约，且p和h均为正整数，则在一个接收周期内，杆oa绕o端转了h周，而接收机在杆oa的ab区间做了p个周期的简谐运动；考虑到实际情况，一般情况下简谐运动的角频率应该大于圆周运动的角速度，即ω2＞ω1，也即m＞1或p＞h。

步骤s2：计算外辐射源到散射点的距离以及t时刻散射点到接收机的距离；

设外辐射源的坐标为(xt,yt)，目标区域一散射点的极坐标为(r0,θ)，则外辐射源到该散射点的距离为：

其中，r0为散射点到坐标原点的距离，θ为散射点的方位角；从上式可以看出，在接收机转动过程中rt保持不变。

t时刻散射点到接收机的距离为：

rr(t)≈r0-rcos(ω1t-θ)[1+lsin(ω2t+β0)]；

其中，l为复合运动中简谐运动振幅与圆周运动半径比；上式中的近似处理应用了r0＞＞r和r0＞＞l的客观条件。

步骤s3：确定回波信号；

常见民用信号(比如调频广播信号)一般为窄带连续波信号，如果忽略其带宽，可表示为：

s(t)＝exp{j2πft}

其中f为信号频率。

接收机接收到的回波信号为：

其中σ为散射点的散射强度系数，c为光速；

设在一个接收周期中采样次数为k，则接收机在一个接收周期中接收到的离散化的回波信号为：

k＝1,2,…,k；

步骤s4：构造搜索矩阵；

根据回波信号形式，搜索矩阵为：

k＝1,2,…,k；n＝1,2,…,n；

其中δθ为方位角搜索步长，n为搜索次数；

步骤s5：对回波信号与搜索矩阵进行如下运算：

从上式可以看出，当n＝δθ/θ时，s(n)出现峰值k|σ|，因此，可以根据峰值位置判断散射点的方向。

从上述处理过程可以看出，由于本发明采用了圆周与简谐复合扫描接收系统，使得s(n)的表达式中出现lsin(kδβ+β0)项，所以s(n)并不是以贝塞尔函数形式收敛的，其旁瓣得到了抑制。

从物理层面上来看，lsin(kδβ+β0)项是接收机在杆oa上的简谐运动造成的，该运动使得接收机的有效接收机位置从一个圆周变为一个环状网格，有效接收信号变得丰富，进而提升了测向效果。从数学层面上来看，如果没有该项，则测向结果按照零阶贝塞尔函数形式收敛，该项的出现使得收敛方式发生变化，通过参数选取，可以达到降低副瓣的效果。

在大量计算及实验基础上研究发现，本发明的测向效果受两个圆周运动的角速度之比m和两个圆周运动的半径之比l两个因素制约。m会影响接收机的运动轨迹。大量实验表明，一般当p、h不可约且其中最大值大于10时，接收机运动轨迹可以看做是均匀致密的网格，其测向性能达到最佳。当接收机运动轨迹可以看做是均匀致密的网格时，l取不同值时测向结果如表1所示：

表1：不同l值情况下系统的测向性能

需要指出的是，在l取值在[0.49,0.67]之间时，离主瓣最近的第一旁瓣已经不再是最大旁瓣，表1中的最大旁瓣均是指最高旁瓣。从测向效果来看，第一旁瓣低会降低相邻目标点的干扰，更有利于测向。

下面结合仿真数据对本发明所提供的技术方案做进一步验证和说明。不失一般性，在仿真中散射点散射强度均取1。

实验1：当r＝10m，l＝0.6，h＝4，p＝17时，一个转动周期内接收机的运动轨迹如图2所示。

从图2可以看出，因为本发明提供的技术方案采用双圆周复合扫描接收系统，接收机运动轨迹比已有的接收机旋转测向技术的圆形运动轨迹变得复杂。通过此复合扫描，使得接收机的有效接收区域从半径为r的圆周变为内径为r-l外径为r+l的环形区域，因而本发明的接收机有效数据接收区域变大，接收的有效回波数据更为丰富，正因如此，本发明可以降低测向结果的旁瓣高度。

实验2：外辐射源坐标为(12000m,9000m)，频率为200mhz，r＝20m，h＝3，p＝28，一散射点位于(10000m，0.5πrad)，令l逐渐变大，所得测向结果如表2所示。

表2l为不同长度时的测向结果

从表2可以看出，实验2的测向结果与表1相符。由于采用了圆周与简谐复合扫描接收系统，本发明所提供的方法有效抑制了测向结果的旁瓣。当r不变时，随着l的增加，本发明测向结果的分辨率减小，但是变化的幅度并不大，相比较而言，其旁瓣高度变化较为剧烈，经历了先降低后升高的过程。在应用本发明时，应该综合考虑l长度对旁瓣、分辨率以及系统造价的影响。

实验3：外辐射源坐标为(16000m,12000m)，频率为150mhz，r＝10m，l＝6.7m，点目标位于(20000m，0.5πrad)，当h和p取不同值时的测向结果如表3所示。

表3h、p不同时的测向结果

实验3中，l＝0.67。查询表1可知l＝0.67时测向结果的最大旁瓣应该为-20.5db，其分辨率应该为0.106λ/rπrad＝0.0212πrad。从表3可以看出，在实验3中出现3次h、p可约的情况：1)h＝5、p＝5；2)h＝5、p＝10；3)h＝7、p＝28。这3次可约情况下的测向结果均出现了恶化，其中情况2)和情况3)分别等价于h＝1、p＝2和h＝1、p＝4，其测向结果也完全相同。另外，当p较小时，测向效果会不稳定，比如分辨率较差或者旁瓣较高。反之，当p较大时，比如p＝34，误差允许范围内可以认为其测向效果与表1中的理论值吻合。为了取得较好的测向效果，p应该比较大(比如大于30)，另外还应该注意p和h不可约。

实验4：外辐射源坐标为(16000m,12000m)，频率为150mhz，一散射点位于(20000m，0.5πrad)，h＝3，p＝32，r和l分别取不同值时的测向结果如表4所示。

表4r和l分别取不同值时的测向结果

从表4可以看出，测向结果与表1一致。当l相同时，在误差允许范围内测向结果的最高旁瓣相同，而其分辨率与r成反比。

实验五：外辐射源坐标为(8000m,10000m)，一散射点位于(8000m，0.5πrad)，h＝4，p＝15，不同频率下当r和l分别取不同值时的测向结果如表5所示。

表5不同频率时的测向结果

实验五中的三组实验的l值分别为0.5、0.6、0.32，查表1可知，其最高旁瓣分别为-17.8db、-17.9db、-11.6db，其分辨率分别为0.110λ/rπrad、0.107λ/rπrad、0.112λ/rπrad，与表5中测向结果相符。从表5中可以看出，当l、m保持不变且p较大时，测向分辨率与辐射源信号频率成反比。

实验六：外辐射源坐标为(20000m,10000m)，频率为200mhz，15个点目标随机分布，距坐标原点6000m～9000m，r＝20m，l＝0.67，p＝33，h＝5。分别采用本发明提供的方法、半径为r圆形扫描、半径为r+l圆形扫描三种方式测向，其测向结果如图3所示，图中“o”表示目标的方位角位置。三种扫描方式的测向结果最小主瓣分别为0.835、0.441、0.710，最大旁瓣分别为0.202、0.62、0.68，所有点目标最大旁瓣的平均幅值分别为0.1342、0.1915、0.2177。得益于本发明测向方法的优良的旁瓣抑制效果，在上述数据中本文所提供的方法的最小主瓣最高、最大旁瓣最低、平均幅值最小，因此其测向结果目标测向清晰，可读性很强。从图3可以看出，半径为r圆形扫描测向结果中出现了某些目标点的旁瓣高过另外目标主瓣的而导致目标丢失的情况，另外两种方式都成功实现对这15个点目标测向，但是很明显本发明所提供的方法测向结果的旁瓣整体要比另两种测向方法低，这就使得本发明所提供的方法的最终结果不容易出现旁瓣淹没主瓣的情况。

本发明实施例不仅提供了一种圆周运动与简谐运动复合扫描测向方法，并研究了影响测向结果的两个重要因素，给出了不同l值时的测向性能表。当接收机运动轨迹较为致密均匀时(比如p＝34，h＝5)，l取值在区间[0.61,0.71]时，则测向角度分辨率与外辐射源频率和r的乘积成反比，而最大旁瓣为-18～-20.5db，可以较好的兼顾测向精度和最大旁瓣，取得较好的测向效果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。