專利名稱：雷達低仰角目標的波達方向估計方法
技術領域：
本發(fā)明屬于雷達技術領域，具體的說是一種用于雷達對低仰角目標的波達方向 估計方法。
背景技術：
目標定位是雷達的一項基本功能。當探測低仰角目標時，雷達波束打地，使得 目標的直達波和地(海)面反射的多徑反射波在天線波束主瓣內疊加，且它們的多普勒頻 率及回波時延近似相等，這組強相關的信號同時被雷達天線接收，使得雷達角度估計系 統(tǒng)不能正確的估計出目標的波達方向，給目標定位帶來了困難。為了解決這個問題，現 有技術有以下三種方法1.吳向東等人在“一種基于線性預處理的米波雷達低仰角處理算法，電子學 報，2006，34(9) 1668-1671”文章中，提出先對接收數據進行差分預處理，再通過多 重信號分類MUSIC算法估計目標的波達方向。2.趙光輝等人在“基于交替投影的DOA估計方法及其在米波雷達中的應用，電 子與信息學報，2008，30(1) 224-227”文章中，提出利用廣義MUSIC算法估計低仰角 目標的波達方向。3.趙永波等人在“雷達低角跟蹤環(huán)境下的最大似然波達方向估計方法，電子學 報，2004，32(9) 1520-1523”的文章中，提出了一種時空級聯最大似然算法，即先進 行多普勒頻率估計和濾波，然后再利用最大似然算法估計目標的波達方向。上述方法1和方法2都是基于數據協(xié)方差矩陣的方法，由于沒有充分利用雷達可 獲取的信息，因而對信噪比要求比較高，且不能用于單樣本數情況下的波達方向估計。方法3雖然具有低信噪比門限和所需快拍數少的優(yōu)點，但是當陣元較多和搜索 角度間隔較小時，角度搜索的運算量將會很大，這給波達方向估計系統(tǒng)的工程實現帶來 了困難。
發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的在于克服已有方法的缺點，提供一種無需進行角度搜索的雷 達低仰角目標的波達方向估計方法，以在保證波達方向估計精度的情況下，減小運算 量，便于波達方向估計系統(tǒng)的工程實現。為實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是充分利用脈沖雷達回波信號時域 和頻域的信息對雷達回波數據進行積累，然后利用均勻線陣的結構特點構造矩陣束，最 后直接得到目標波達方向的解析解，不需要角度搜索，具體實現步驟包括如下1.雷達發(fā)射一組帶寬不超過載波頻率的窄帶相參脈沖信號；2.通過均勻線陣天線接收雷達回波數據，并將其混頻到基帶進行離散采樣；3.對離散采樣后的雷達回波數據進行波束形成，波束指向0° ；4.根據波束形成后的數據，測量出目標所在的距離采樣單元和多普勒通道；
5.根據測量得到的目標所在的距離采樣單元和多普勒通道，對離散采樣后的雷 達回波數據重新進行積累，使每個接收陣元只獲得一個樣本數；6.利用重新積累后的數據，構造矩陣束，
Z1 Z2 L ZL
_ZL+1 zL L Z2.
Z2 Z3 L ZL+l 其中，Y為一個任意復數，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
示矩陣轉置，qk為第k個陣元對離散采樣后的雷達回波數據重新進行積累的輸出值，k = 1，2，K，L+l, L為自由參數，L取值為M/3 M/2間的整數，M是接收雷達回波數 據所采用的均勻線陣天線的陣元個數；7.采用廣義特征值分解的總體最小二乘法對構造的矩陣束求解目標的波達方 向(7a)將奇異值分解為U2
jib L
J 2其中，()H表示矩陣共軛轉置，Σ 為·^3中兩個最大的奇異值所組成的對角陣， Σ2 為Jf中其他奇異值組成的對角陣，U2s由Jf中兩個最大的大奇異值所對應的左奇異向 量組成，V2s由/f中兩個最大的奇異值所對應的右奇異向量組成，U2n由/f中其他奇異值 所對應的左奇異向量組成，V2n由/f中其他奇異值所對應的右奇異向量組成；(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/；^廣^斤^時斤乙廣厶為廣義特征值矩陣，O"表示
矩陣求逆，對該廣義特征值矩陣Φ進行特征值分解，得到特征值Y1G = I, 2)；(7d)根據特征值Y1,計算目標的波達方向和多徑反射波的波達方向的角度值
^.=arcsin^-^arg(r!)j, λ為發(fā)射信號載波波長，d為接收雷達回波數據所采用的均勻
線陣的陣元間距，arg()表示取相位，arcsinO表示取反正弦；(7e)將計算出的Q1G = 1，2)中的正角度值作為目標的波達方向。本發(fā)明與現有技術相比具有以下優(yōu)點1.本發(fā)明充分利用脈沖雷達可獲取的目標距離信息和多普勒信息，通過從雷達 回波數據中提取目標回波信號，進行脈沖壓縮和多普勒濾波，以提高信噪比。2.本發(fā)明不通過構造空間譜函數進行角度搜索獲得目標的波達方向，而是針對 均勻線陣的陣元等間隔分布的結構特點，通過構造矩陣束和求解矩陣束的廣義特征值， 進而得到目標波達方向的解析解，免去了角度搜索帶來的巨大運算量。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，使一個大維數矩陣的特征值求解的問題轉化為一個小維數矩陣的特征值求 解的問題，然后通過廣義特征值得到目標的波達方向，大大降低了求解目標波達方向解 析解所需的運算量。理論分析和仿真結果表明，本發(fā)明與現有技術相比，在保證波達方向估計精度的情況下運算量小。
圖1是本發(fā)明使用的雷達低仰角目標回波的多徑幾何模型；圖2是本發(fā)明的實施流程圖；圖3是用本發(fā)明方法與現有時空級聯最大似然算法仿真得到的目標波達方向估 計精度隨信噪比變化圖。
具體實施例方式參照圖1，本發(fā)明使用的雷達低仰角目標回波的多徑幾何模型，包括一個垂直放 置的均勻線列天線和一個高度為ht的目標，其中，均勻線陣天線作為雷達的接收天線， 天線的陣元數為M，陣元的間距為d，天線的中心高度為ha，目標與雷達的直線距離為 Rd,目標回波經過地(海)面反射后到達雷達的距離為Rs，目標的波達方向和多徑反射波 的波達方向分別為Qc^n es，假設水平方向以上的波達方向為角度的正方向。參照圖2，本發(fā)明結合圖1的多徑幾何模型進行雷達低仰角目標的波達方向估 計，具體步驟如下步驟1，雷達發(fā)射一組帶寬不超過載波頻率的窄帶相參脈沖信號。雷達以1；為脈沖重復周期，連續(xù)發(fā)射Nd個帶寬不超過載波頻率1 %的相參脈沖
信號s(t) = rect(t) · g(t) · exp(j2Jifot),式中忽略了相參脈沖信號的初相，t表示時 τ T
間，
權利要求
1. 一種雷達低仰角目標的波達方向估計方法，包括如下步驟1)雷達發(fā)射一組帶寬不超過載波頻率的窄帶相參脈沖信號；2)通過均勻線陣天線接收雷達回波數據，并將其混頻到基帶進行離散采樣；3)對離散采樣后的雷達回波數據進行波束形成，波束指向0°；4)根據波束形成后的數據，測量出目標所在的距離采樣單元和多普勒通道；5)根據測量得到的目標所在的距離采樣單元和多普勒通道，對離散采樣后的雷達回 波數據重新進行積累，使每個接收陣元只獲得一個樣本數；6)利用重新積累后的數據，構造矩陣束 其中，Y為一個任意復數
2.根據權利要求1所述的雷達低仰角目標的波達方向估計方法，其特征在于，步驟 4)所述的根據波束形成后的數據，測量出目標所在的距離采樣單元和多普勒通道，按如 下步驟進行(2.1)對波束形成后的數據進行脈沖壓縮；(2.2)對脈沖壓縮后的數據進行相參積累；(2.3)對相參積累后的數據采用恒虛警檢測方法獲得目標所在的距離采樣單元和多普勒通道。
3.根據權利要求1所述的雷達低仰角目標的波達方向估計方法，其特征在于，步驟 5)所述的根據測量得到的目標距離和多普勒信息對離散采樣后的回波數據重新進行積 累，按如下步驟進行(3.1)每個陣元從離散采樣后的雷達回波數據中，根據已測得的目標所在距離采樣單 元提取目標回波信號；(3.2)對提取的目標回波信號進行脈沖壓縮；(3.3)在每個脈沖重復周期內，從脈沖壓縮后的數據中取一個幅度最大的值；(3.4)利用每個陣元處理在所有脈沖重復周期內提取的幅度最大的值，根據已測得的 目標所在的多普勒通道，進行多普勒濾波，完成對離散采樣后的雷達回波數據的重新積累ο
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雷達低仰角目標的波達方向估計方法，主要解決現有技術低仰角目標波達方向估計運算量大的問題，其實現步驟是(1)發(fā)射一組帶寬不超過載波頻率1％的窄帶相參脈沖信號；(2)采用均勻線陣接收雷達回波數據；(3)對雷達回波數據進行波束形成，波束指向0°；(4)測量出目標所在的距離采樣單元和多普勒通道；(5)根據已獲得的所在的距離采樣單元和多普勒通道重新對接收到的雷達回波數據進行積累；(6)利用重新積累后的數據構造矩陣束；(7)采用廣義特征值分解的總體最小二乘法對構造的矩陣束求解目標的波達方向。本發(fā)明與同類方法相比，在保證波達方向估計精度的情況下，不需要角度搜索，運算量小，易于工程實現。
文檔編號G01S13/06GK102012505SQ201010509968
公開日2011年4月13日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權日2010年10月15日
發(fā)明者劉俊, 劉崢, 孫慧霞, 謝榮, 趙偉 申請人:西安電子科技大學