運動平臺下基于流形分離的共形陣列穩(wěn)健估角方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達信號處理技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種在運動平臺下基于流形分離 的共形陣列穩(wěn)健估角方法。本發(fā)明可應(yīng)用于雷達運動平臺中的陣列誤差校正，實現(xiàn)目標的 穩(wěn)健估角。
【背景技術(shù)】
[0002] 信源的波達角估計（DirectionofArrival，DOA)在雷達等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，基于子 空間的超分辨D0A估計方法可以獲得優(yōu)良的估角性能，然而其高分辨力是在理想陣列流形 的假設(shè)下得到的，當陣列存在誤差時，傳統(tǒng)的基于子空間的D0A估計方法性能嚴重下降，甚 至失效。而在運動平臺中，由于環(huán)境的溫度濕度以及載體的抖動等因素會對陣列引入新的 誤差，因此，針對運動平臺的誤差補償方法是陣列雷達空間譜估計的一個重要內(nèi)容。
[0003]WeissAJ在"ArrayshapeCalibrationusingSourcesinUnknown Locations-AMaximumLikelihoodApproach"（IEEE,TransactionsonAcoustics. Speech.AndProcessing, 1989年第12期1958-1966頁）中基于最大似然原理提出了對陣 元位置和信源角度的聯(lián)合估計方法。該方法將位置誤差矩陣的泰勒展開進行了一階近似， 但是該近似只在誤差很小的情況下適用，且隨著誤差增大，自校正算法本身會存在局部收 斂的問題。
[0004]BelloniF等在"DOAEstimationviaManifoldSeparationforArbitrary ArrayStructure"（IEEETransactionsonSignalProcessing, 2〇〇7年第10 期48〇0_4810 頁）中提出了陣列流形分離技術(shù)。陣列流行分離技術(shù)將具有任意結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向矢量分解成采 樣矩陣和具有范德蒙結(jié)構(gòu)的系數(shù)矢量的乘積形式，采樣矩陣描述陣列本身而與來波信源無 關(guān)，系數(shù)矢量只反映信號的角度特征。由于采樣矩陣包含陣列的誤差信息，所以用該采樣矩 陣可以實現(xiàn)誤差下的穩(wěn)健估角。但是文中提出的陣列流形是通過在微波暗室中測量獲得， 再離線計算得到采樣矩陣。然而由于工作環(huán)境的溫濕度以及載體抖動等因素會隨時給陣列 引入新的誤差，文中的方法此時無法獲得陣列誤差的最新信息，導(dǎo)致誤差補償方法效果下 降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種針對運動平臺下基于流形分離 的共形陣列穩(wěn)健估角方法。該方法將雜波塊看作是校正源，利用回波數(shù)據(jù)求解采樣矩陣，根 據(jù)采樣矩陣中包含陣列的實時誤差實現(xiàn)誤差下對信源的穩(wěn)健估角。
[0006] 本發(fā)明的基本思路是：本發(fā)明在運動平臺中采用流形分離技術(shù)對陣列誤差進行校 正，首先得到陣列在運動平臺下的空時二維信號，對時間維做快速傅里葉變換得到一個新 的矩陣；然后對多普勒域進行插值使其對應(yīng)的多普勒中心角均勻，并求出每一列數(shù)據(jù)的協(xié) 方差矩陣；最后根據(jù)協(xié)方差矩陣主特征矢量與該多普勒通道中心角對應(yīng)的導(dǎo)向矢量的對應(yīng) 關(guān)系求解出陣列的采樣矩陣，得到實時陣列空域?qū)蚴噶浚M而實現(xiàn)穩(wěn)健估角。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下步驟：
[0008] (1)利用N個陣元組成的等距線陣得到地面回波數(shù)據(jù)X;
[0009] (2)對數(shù)據(jù)矩陣X的時間維作快速傅里葉變換，將其變換到多普勒域，得到一個新 的矩陣B;
[0010] (3)設(shè)計濾波器組W，使多普勒通道中心頻率所映射中心角滿足流形分離的均分 條件，得到對應(yīng)中心角度均分的通道數(shù)據(jù)；
[0011] ⑷對中心角均分的通道求取其協(xié)方差矩陣Ri;
[0012] (5)對氏進行特征值分解，得到主特征矢量vi，構(gòu)建主特征矢量矩陣V;
[0013] (6)計算V的傅里葉逆變換，得到實際的采樣矩陣G，并利用流行分離技術(shù)得到實 時陣列空域?qū)蚴噶?久供）；
[0014] (7)利用實時陣列空域?qū)蚴噶?，采用MUSIC算法可得雜波塊的俯仰角和 方位角的估計值，實現(xiàn)目標的穩(wěn)健估角。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
[0016] 本發(fā)明將陣列流形分離技術(shù)應(yīng)用到運動平臺中，利用差值運算解決了傳統(tǒng)的FFT 降維運算無法滿足角度均分條件這一問題；在運動平臺下根據(jù)采樣數(shù)據(jù)求取采樣矩陣，并 結(jié)合陣列流形分離技術(shù)實現(xiàn)了對陣列實時誤差進行補償，克服了流形分離技術(shù)離線計算采 樣矩陣，無法獲得陣列的最新誤差信息的缺點。本發(fā)明得到的采樣矩陣具有誤差穩(wěn)健的優(yōu) 點，能實現(xiàn)誤差條件下信源的穩(wěn)健估角。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明流程圖；
[0018] 圖2是本發(fā)明中陣列在運動平臺下的模型示意圖；
[0019] 圖3是誤差校正前后空間譜曲線圖；
[0020] 圖4是采用不同方法得到的均方根誤差隨位置誤差變化的曲線圖；
【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖對本
【發(fā)明內(nèi)容】
做進一步的描述。
[0022] 參照圖1至圖2 (其中圖1給出了本發(fā)明共形陣列誤差補償方法的流程圖；圖2給 出了本發(fā)明陣列在運動平臺下的模型示意圖），本發(fā)明的具體實施步驟如下：
[0023] 步驟1 :利用N個陣元組成的等距線陣得到地面回波數(shù)據(jù)X:
[0024]
【主權(quán)項】
1. 一種運動平臺下基于流形分離的共形陣列穩(wěn)健估角方法，其特征在于：包括如下步 驟： (1) 利用N個陣元組成的等距線陣得到地面回波數(shù)據(jù)X; (2) 對數(shù)據(jù)矩陣X的時間維作快速傅里葉變換，得到多普勒域的數(shù)據(jù)矩陣B; (3) 設(shè)計濾波器組W，使多普勒通道中心頻率所映射中心角滿足流形分離的均分條件， 并運算得到對應(yīng)中心角度均分的通道數(shù)據(jù)Y; (4) 對中心角均分的通道數(shù)據(jù)Y求取其協(xié)方差矩陣Ri; (5) 對氏進行特征值分解，得到主特征矢量vi，構(gòu)建主特征矢量矩陣V; (6) 計算V的傅里葉逆變換，得到實際的采樣矩陣G，并利用流行分離技術(shù)得到實時陣 列空域?qū)蚴噶浚?(久史)； (7) 利用實時陣列空域?qū)蚴噶坎捎肕USIC算法得到雜波塊的俯仰角和方位 角，實現(xiàn)目標的穩(wěn)健估角。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動平臺下基于流形分離的共形陣列穩(wěn)健估角方法，其中步 驟⑴所述的地面回波數(shù)據(jù)X為：
其中N。為該距離環(huán)劃分為N。個雜波地塊，gk和yk分別為第k(k= 1，2, 個雜 波地塊的等效后向散射系數(shù)和等效增益，9k為第k(k= 1，2,…，N。）個雜波地塊的方位角， %為俯仰角，，的,％)為第k個雜波地塊的空時二維導(dǎo)向矢量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動平臺下基于流形分離的共形陣列穩(wěn)健估角方法，其特征 在于步驟（3)所述的設(shè)計濾波器組W可用如下公式表示：
其中Q為濾波器的通道數(shù)，K為濾波器長度，= 1…0為第i個濾波通道的歸一化 頻率，(/ = 1-0)為第i個濾波通道濾波系數(shù)，T為矩陣轉(zhuǎn)置； 進而得到對應(yīng)中心角度均分的通道輸出數(shù)據(jù)為Y為： Y =ffTB Y = …yQ] 其中yi(i= 1…?為第i個濾波通道的輸出數(shù)據(jù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動平臺下基于流形分離的共形陣列穩(wěn)健估角方法，其中步 驟（4)中所述對中心角均分的通道求取其協(xié)方差矩陣氏為：
其中Ri為第i個濾波通道的協(xié)方差矩陣，i= 1，2，…，Q，L為采樣快拍數(shù)，H為矩陣 共軛轉(zhuǎn)置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動平臺下基于流形分離的共形陣列穩(wěn)健估角方法，其特征 在于步驟（5)所述的構(gòu)建主特征矢量V，可用如下公式表示： V=hv2 ...V，..vQ] 其中Vi(i= 1…Q)是氏進行特征值分解得到的主特征矢量。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動平臺下基于流形分離的共形陣列誤差校正方法，其特征 在于步驟（6)所述的實時陣列空域?qū)蚴噶啃模ň霉?按如下步驟進行： 6a)計算V的傅里葉逆變換，得到實際的采樣矩陣G; 6b)在運動平臺下，利用流行分離技術(shù)得到實時陣列空域?qū)蚴噶繛椋?br>其中，0和p分別為雜波地塊的方位角和俯仰角；W為具有范德蒙結(jié)構(gòu)的系數(shù)矢 量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動平臺下基于流形分離的共形陣列穩(wěn)健估角方法，其特征 在于步驟（7)所述的穩(wěn)健估角按如下步驟進行： 7a)對地面回波數(shù)據(jù)X的相關(guān)矩陣進行特征值分解，得到噪聲子空間Um; 7b)利用實時陣列空域?qū)蚴噶浚?(久供)進行遍歷搜索，得到的空間譜Pwr.SYr (民(9)可 用如下公式表示：
u \ ^ i / m 7c)雜波塊俯仰角和方位角的估計值(么勿為： \ ' / - 9；<p
' 其中4為雜波塊俯仰角的估計值，多為雜波塊方位角的估計值。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種運動平臺下基于流行分離的共形陣列穩(wěn)健估角方法，實現(xiàn)過程為：首先在運動平臺下利用天線陣列獲取空時二維信號數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)的時間維進行FFT處理；然后設(shè)計濾波器組，使多普勒通道中心頻率所映射中心角滿足流形分離的均分條件，得到對應(yīng)中心角度均分的通道數(shù)據(jù)；利用每一通道的數(shù)據(jù)得到協(xié)方差矩陣并對其進行特征值分解，得到對應(yīng)流行矩陣的主特征矢量矩陣；最后獲得采樣矩陣，并基于流行分離技術(shù)得到共形陣列的實時空域?qū)蚴噶?，實現(xiàn)穩(wěn)健估角。本發(fā)明克服了采樣矩陣離線測量困難并且無法實時更新陣列誤差的缺點，能實現(xiàn)誤差條件下信源的穩(wěn)健估角，為雷達、通信等領(lǐng)域中運動平臺陣列誤差的補償提供了一種有效信號處理方法。
【IPC分類】G01S7-41
【公開號】CN104698448
【申請?zhí)枴緾N201510157622
【發(fā)明人】賀順, 李國民, 張釋如, 侯穎
【申請人】西安科技大學(xué)
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年4月3日