專(zhuān)利名稱(chēng)：雷達(dá)低仰角目標(biāo)的波達(dá)方向估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種用于雷達(dá)對(duì)低仰角目標(biāo)的波達(dá)方向 估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
目標(biāo)定位是雷達(dá)的一項(xiàng)基本功能。當(dāng)探測(cè)低仰角目標(biāo)時(shí)，雷達(dá)波束打地，使得 目標(biāo)的直達(dá)波和地(海)面反射的多徑反射波在天線波束主瓣內(nèi)疊加，且它們的多普勒頻 率及回波時(shí)延近似相等，這組強(qiáng)相關(guān)的信號(hào)同時(shí)被雷達(dá)天線接收，使得雷達(dá)角度估計(jì)系 統(tǒng)不能正確的估計(jì)出目標(biāo)的波達(dá)方向，給目標(biāo)定位帶來(lái)了困難。為了解決這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn) 有技術(shù)有以下三種方法1.吳向東等人在“一種基于線性預(yù)處理的米波雷達(dá)低仰角處理算法，電子學(xué) 報(bào)，2006，34(9) 1668-1671”文章中，提出先對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行差分預(yù)處理，再通過(guò)多 重信號(hào)分類(lèi)MUSIC算法估計(jì)目標(biāo)的波達(dá)方向。2.趙光輝等人在“基于交替投影的DOA估計(jì)方法及其在米波雷達(dá)中的應(yīng)用，電 子與信息學(xué)報(bào)，2008，30(1) 224-227”文章中，提出利用廣義MUSIC算法估計(jì)低仰角 目標(biāo)的波達(dá)方向。3.趙永波等人在“雷達(dá)低角跟蹤環(huán)境下的最大似然波達(dá)方向估計(jì)方法，電子學(xué) 報(bào)，2004，32(9) 1520-1523”的文章中，提出了一種時(shí)空級(jí)聯(lián)最大似然算法，即先進(jìn) 行多普勒頻率估計(jì)和濾波，然后再利用最大似然算法估計(jì)目標(biāo)的波達(dá)方向。上述方法1和方法2都是基于數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣的方法，由于沒(méi)有充分利用雷達(dá)可 獲取的信息，因而對(duì)信噪比要求比較高，且不能用于單樣本數(shù)情況下的波達(dá)方向估計(jì)。方法3雖然具有低信噪比門(mén)限和所需快拍數(shù)少的優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)陣元較多和搜索 角度間隔較小時(shí)，角度搜索的運(yùn)算量將會(huì)很大，這給波達(dá)方向估計(jì)系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)帶來(lái) 了困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服已有方法的缺點(diǎn)，提供一種無(wú)需進(jìn)行角度搜索的雷 達(dá)低仰角目標(biāo)的波達(dá)方向估計(jì)方法，以在保證波達(dá)方向估計(jì)精度的情況下，減小運(yùn)算 量，便于波達(dá)方向估計(jì)系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是充分利用脈沖雷達(dá)回波信號(hào)時(shí)域 和頻域的信息對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行積累，然后利用均勻線陣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)構(gòu)造矩陣束，最 后直接得到目標(biāo)波達(dá)方向的解析解，不需要角度搜索，具體實(shí)現(xiàn)步驟包括如下1.雷達(dá)發(fā)射一組帶寬不超過(guò)載波頻率的窄帶相參脈沖信號(hào)；2.通過(guò)均勻線陣天線接收雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，并將其混頻到基帶進(jìn)行離散采樣；3.對(duì)離散采樣后的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行波束形成，波束指向0° ；4.根據(jù)波束形成后的數(shù)據(jù)，測(cè)量出目標(biāo)所在的距離采樣單元和多普勒通道；
5.根據(jù)測(cè)量得到的目標(biāo)所在的距離采樣單元和多普勒通道，對(duì)離散采樣后的雷 達(dá)回波數(shù)據(jù)重新進(jìn)行積累，使每個(gè)接收陣元只獲得一個(gè)樣本數(shù)；6.利用重新積累后的數(shù)據(jù)，構(gòu)造矩陣束，
Z1 Z2 L ZL
_ZL+1 zL L Z2.
Z2 Z3 L ZL+l 其中，Y為一個(gè)任意復(fù)數(shù)，I
ι fb
IiM-LYL
Jib
jI
K rL_x L ζ;
(廣表示矩陣共軛，7 _F T,T (廣表
^k Vlk ^k+λ L ^M-L+k-l I
0 _「κΗ ‘2s0Kh 2n _
A2{M-Ly<L^ L j^+1lM-L+K-i J(M-L)xl
示矩陣轉(zhuǎn)置，qk為第k個(gè)陣元對(duì)離散采樣后的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)重新進(jìn)行積累的輸出值，k = 1，2，K，L+l, L為自由參數(shù)，L取值為M/3 M/2間的整數(shù)，M是接收雷達(dá)回波數(shù) 據(jù)所采用的均勻線陣天線的陣元個(gè)數(shù)；7.采用廣義特征值分解的總體最小二乘法對(duì)構(gòu)造的矩陣束求解目標(biāo)的波達(dá)方 向(7a)將奇異值分解為U2
jib L
J 2其中，()H表示矩陣共軛轉(zhuǎn)置，Σ 為·^3中兩個(gè)最大的奇異值所組成的對(duì)角陣， Σ2 為Jf中其他奇異值組成的對(duì)角陣，U2s由Jf中兩個(gè)最大的大奇異值所對(duì)應(yīng)的左奇異向 量組成，V2s由/f中兩個(gè)最大的奇異值所對(duì)應(yīng)的右奇異向量組成，U2n由/f中其他奇異值 所對(duì)應(yīng)的左奇異向量組成，V2n由/f中其他奇異值所對(duì)應(yīng)的右奇異向量組成；(7b)將矩陣斤先左乘仏？，再右乘V2s，得到新的矩陣束Σι -YUlJy2s ；(7c)令少^時(shí)/；^廣^斤^時(shí)斤乙廣厶為廣義特征值矩陣，O"表示
矩陣求逆，對(duì)該廣義特征值矩陣Φ進(jìn)行特征值分解，得到特征值Y1G = I, 2)；(7d)根據(jù)特征值Y1,計(jì)算目標(biāo)的波達(dá)方向和多徑反射波的波達(dá)方向的角度值
^.=arcsin^-^arg(r!)j, λ為發(fā)射信號(hào)載波波長(zhǎng)，d為接收雷達(dá)回波數(shù)據(jù)所采用的均勻
線陣的陣元間距，arg()表示取相位，arcsinO表示取反正弦；(7e)將計(jì)算出的Q1G = 1，2)中的正角度值作為目標(biāo)的波達(dá)方向。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明充分利用脈沖雷達(dá)可獲取的目標(biāo)距離信息和多普勒信息，通過(guò)從雷達(dá) 回波數(shù)據(jù)中提取目標(biāo)回波信號(hào)，進(jìn)行脈沖壓縮和多普勒濾波，以提高信噪比。2.本發(fā)明不通過(guò)構(gòu)造空間譜函數(shù)進(jìn)行角度搜索獲得目標(biāo)的波達(dá)方向，而是針對(duì) 均勻線陣的陣元等間隔分布的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)構(gòu)造矩陣束和求解矩陣束的廣義特征值， 進(jìn)而得到目標(biāo)波達(dá)方向的解析解，免去了角度搜索帶來(lái)的巨大運(yùn)算量。3.本發(fā)明將2 (M-L) X L維的矩陣束/f -/Jf變換為2 X 2維的新的矩陣束 Σι -ruijy2s，使一個(gè)大維數(shù)矩陣的特征值求解的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)小維數(shù)矩陣的特征值求 解的問(wèn)題，然后通過(guò)廣義特征值得到目標(biāo)的波達(dá)方向，大大降低了求解目標(biāo)波達(dá)方向解 析解所需的運(yùn)算量。理論分析和仿真結(jié)果表明，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，在保證波達(dá)方向估計(jì)精度的情況下運(yùn)算量小。


圖1是本發(fā)明使用的雷達(dá)低仰角目標(biāo)回波的多徑幾何模型；圖2是本發(fā)明的實(shí)施流程圖；圖3是用本發(fā)明方法與現(xiàn)有時(shí)空級(jí)聯(lián)最大似然算法仿真得到的目標(biāo)波達(dá)方向估 計(jì)精度隨信噪比變化圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，本發(fā)明使用的雷達(dá)低仰角目標(biāo)回波的多徑幾何模型，包括一個(gè)垂直放 置的均勻線列天線和一個(gè)高度為ht的目標(biāo)，其中，均勻線陣天線作為雷達(dá)的接收天線， 天線的陣元數(shù)為M，陣元的間距為d，天線的中心高度為ha，目標(biāo)與雷達(dá)的直線距離為 Rd,目標(biāo)回波經(jīng)過(guò)地(海)面反射后到達(dá)雷達(dá)的距離為Rs，目標(biāo)的波達(dá)方向和多徑反射波 的波達(dá)方向分別為Qc^n es，假設(shè)水平方向以上的波達(dá)方向?yàn)榻嵌鹊恼较?。參照?qǐng)D2，本發(fā)明結(jié)合圖1的多徑幾何模型進(jìn)行雷達(dá)低仰角目標(biāo)的波達(dá)方向估 計(jì)，具體步驟如下步驟1，雷達(dá)發(fā)射一組帶寬不超過(guò)載波頻率的窄帶相參脈沖信號(hào)。雷達(dá)以1；為脈沖重復(fù)周期，連續(xù)發(fā)射N(xiāo)d個(gè)帶寬不超過(guò)載波頻率1 %的相參脈沖
信號(hào)s(t) = rect(t) · g(t) · exp(j2Jifot),式中忽略了相參脈沖信號(hào)的初相，t表示時(shí) τ T
間，
權(quán)利要求
1. 一種雷達(dá)低仰角目標(biāo)的波達(dá)方向估計(jì)方法，包括如下步驟1)雷達(dá)發(fā)射一組帶寬不超過(guò)載波頻率的窄帶相參脈沖信號(hào)；2)通過(guò)均勻線陣天線接收雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，并將其混頻到基帶進(jìn)行離散采樣；3)對(duì)離散采樣后的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行波束形成，波束指向0°；4)根據(jù)波束形成后的數(shù)據(jù)，測(cè)量出目標(biāo)所在的距離采樣單元和多普勒通道；5)根據(jù)測(cè)量得到的目標(biāo)所在的距離采樣單元和多普勒通道，對(duì)離散采樣后的雷達(dá)回 波數(shù)據(jù)重新進(jìn)行積累，使每個(gè)接收陣元只獲得一個(gè)樣本數(shù)；6)利用重新積累后的數(shù)據(jù)，構(gòu)造矩陣束 其中，Y為一個(gè)任意復(fù)數(shù)
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雷達(dá)低仰角目標(biāo)的波達(dá)方向估計(jì)方法，其特征在于，步驟 4)所述的根據(jù)波束形成后的數(shù)據(jù)，測(cè)量出目標(biāo)所在的距離采樣單元和多普勒通道，按如 下步驟進(jìn)行(2.1)對(duì)波束形成后的數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖壓縮；(2.2)對(duì)脈沖壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相參積累；(2.3)對(duì)相參積累后的數(shù)據(jù)采用恒虛警檢測(cè)方法獲得目標(biāo)所在的距離采樣單元和多普勒通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雷達(dá)低仰角目標(biāo)的波達(dá)方向估計(jì)方法，其特征在于，步驟 5)所述的根據(jù)測(cè)量得到的目標(biāo)距離和多普勒信息對(duì)離散采樣后的回波數(shù)據(jù)重新進(jìn)行積 累，按如下步驟進(jìn)行(3.1)每個(gè)陣元從離散采樣后的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中，根據(jù)已測(cè)得的目標(biāo)所在距離采樣單 元提取目標(biāo)回波信號(hào)；(3.2)對(duì)提取的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮；(3.3)在每個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)，從脈沖壓縮后的數(shù)據(jù)中取一個(gè)幅度最大的值；(3.4)利用每個(gè)陣元處理在所有脈沖重復(fù)周期內(nèi)提取的幅度最大的值，根據(jù)已測(cè)得的 目標(biāo)所在的多普勒通道，進(jìn)行多普勒濾波，完成對(duì)離散采樣后的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的重新積累ο
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種雷達(dá)低仰角目標(biāo)的波達(dá)方向估計(jì)方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)低仰角目標(biāo)波達(dá)方向估計(jì)運(yùn)算量大的問(wèn)題，其實(shí)現(xiàn)步驟是(1)發(fā)射一組帶寬不超過(guò)載波頻率1％的窄帶相參脈沖信號(hào)；(2)采用均勻線陣接收雷達(dá)回波數(shù)據(jù)；(3)對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行波束形成，波束指向0°；(4)測(cè)量出目標(biāo)所在的距離采樣單元和多普勒通道；(5)根據(jù)已獲得的所在的距離采樣單元和多普勒通道重新對(duì)接收到的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行積累；(6)利用重新積累后的數(shù)據(jù)構(gòu)造矩陣束；(7)采用廣義特征值分解的總體最小二乘法對(duì)構(gòu)造的矩陣束求解目標(biāo)的波達(dá)方向。本發(fā)明與同類(lèi)方法相比，在保證波達(dá)方向估計(jì)精度的情況下，不需要角度搜索，運(yùn)算量小，易于工程實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G01S13/06GK102012505SQ201010509968
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者劉俊, 劉崢, 孫慧霞, 謝榮, 趙偉 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)