基于去耦合的二维波束扫描测角方法技术

本发明专利技术公开了基于去耦合的二维波束扫描测角方法，主要解决现有大型相控阵雷达传统二维波束扫描方法运算量大，不满足实时性的问题。其实现步骤为：1：设定天线阵列参数和角度扫描信息2：根据天线阵列参数和角度扫描信息构造y轴和z轴方向的导向矢量并计算y轴和z轴方向的加权信号3：根据天线阵列参数和角度扫描信息构造y轴和z轴方向权矢量矩阵，分别根据y轴和z轴方向的权矢量矩阵对y轴和z轴方向的加权信号作数字波束形成，得到y轴和z轴方向的波束扫描信号4：分别根据y轴和z轴方向的波束扫描信号计算测试的方位角和俯仰角本发明专利技术减少了传统二维波束扫描的运算量，提高了运算速度，可用于目标角度测量。

【技术实现步骤摘要】
基于去耦合的二维波束扫描测角方法
本专利技术属于雷达探测
，具体的说是一种雷达波束扫描测角方法，可用于大型相控阵雷达对目标角度的测量。
技术介绍
由于波束扫描方法原理简单，易于实现，在波束宽度比较窄、天线接收信号信噪比比较高、且天线阵列副瓣电平较低的情况下，波束扫描方法具有良好的测角性能，因此波束扫描方法被广泛应用于雷达测角。波束扫描方法的基本原理是通过根据改变天线的权值，得到阵列天线在不同的波束指向时，对同一快拍的输出，求出输出结果中的最大值就可以得到目标的角度信息。对于波束扫描方法，其运算量和天线阵元个数，角度扫描范围，角度扫描的间隔等因素有关，在其它条件一定时，天线阵元个数越大，运算量越大，对于大型相控阵雷达，其阵元数非常大，一般多达几千甚至上万个，因此，对于大型相控阵雷达来说，波束扫描的运算量很大。在一维的波束扫描情况下，因为其角度扫描只在俯仰维或者方位维扫描，所以即使是面对阵元数很多的大型相控阵雷达，运算量也不会大到影响系统的实时性的地步，但是对于二维的情况来说，由于俯仰维和方位维有耦合，需要同时在方位维和俯仰维进行二维波束扫描，它的运算量理论上为方位维和俯仰维运算量的乘积，因此运算量比一维波束扫描要大得多，不能满足实时性的要求，影响实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种基于去耦合的二维波束扫描雷达测角方法，以减少二维波束扫描的运算量，提高二维波束扫描的测角速度。实现本专利技术目的的技术思路是：通过把方位维和俯仰维进行去耦合，把本来耦合的方位维和俯仰维分离，使得二维波束扫描分解为两个一维波束扫描，来减少二维波束扫描的运算量，提高二维波束扫描测角的速度。其实现步骤包括如下：(1)设定天线阵列为二维面阵，随意指定一维为y轴方向，作为行方向，另一维为z轴方向，作为列方向，y轴方向的阵元个数设为Ny，阵元间距设为dy，z轴方向的阵元个数设为Nz，阵元间距设为dz；(2)设定一个基准平面P，并在基准平面上建立一个立体坐标系I，随机选取某个天线阵元作为该坐标系I的原点，天线阵列法线与基准平面法线之间构成偏转角β；(3)对目标进行检测，根据发射机的发射数据得到天线波束中心俯仰角θ，方位角(4)根据发射信号波长λ，y轴方向的阵元个数Ny，阵元间距dy估计y轴方向的波束宽度By；根据发射信号波长λ，z轴方向的阵元个数Nz，阵元间距dz估计z轴方向的波束宽度Bz；(5)利用y轴方向的波束宽度By和天线波束中心方位角计算波束扫描方位角上限和下限利用z轴方向的波束宽度Bz和天线波束中心俯仰角θ，计算波束扫描俯仰角上限θu和下限θd，设定方位角角度扫描间隔俯仰角角度扫描间隔θz；(6)根据天线波束中心方位角天线波束中心俯仰角θ，y轴方向的阵元个数Ny，阵元间距dy，得到y轴方向的导向矢量ay；根据天线波束中心方位角天线波束中心俯仰角θ，z轴方向的阵元个数Nz，阵元间距dz，偏转角β，得到z轴方向的导向矢量az；(7)设天线阵列接收的目标回波信号为：其中sk为天线阵列第k行接收的信号，为一个Ny维的向量，为天线阵列第m列接收的信号，为一个Nz维的向量，k＝1,2,...,Nz，m＝1,2,...,Ny，Ny为y轴方向的阵元个数，Nz为z轴方向的阵元个数；利用z轴方向的导向矢量az对目标回波信号R作数字波束形成得到y轴方向的加权信号sy；利用y轴方向的导向矢量ay对目标回波信号R作数字波束形成得到z轴方向的加权信号sz；(8)根据波束扫描方位角上下限和方位角角度扫描间隔得到y轴方向的权矢量矩阵Wy；根据波束扫描俯仰角上下限θu，θd和俯仰角角度扫描间隔θz，得到z轴方向的权矢量矩阵Wz；利用y轴方向的权矢量矩阵Wy对上述y轴方向的加权信号sy作数字波束形成,计算y轴方向的波束扫描信号y1；利用z轴方向的权矢量矩阵Wz对上述z轴方向的加权信号sz作数字波束形成，计算z轴方向的波束扫描信号z1；(9)对y轴方向的波束扫描信号y1做波束扫描，计算测试的方位角对z轴方向的波束扫描信号z1做波束扫描，计算测试的俯仰角本专利技术有以下优点：1.本专利技术通过去耦合先把天线阵列接收的二维信号分解成两个一维信号，再对两个一维信号分别进行波束扫描，从而降低了二维波束扫描测角的运算量，提高了二维波束扫描测角的速度。2.本专利技术在把天线阵列接收的二维信号转化成两个一维信号的过程中，对接收信号进行了数字波束形成，对接收信号进行了积累，从而保证了本专利技术方法测角的精度。附图说明图1是现有大型天线阵列雷达天线示意图；图2是本专利技术的实施流程图；图3目标对准的测角均方根误差曲线图；图4方位角偏2度的测角均方根误差曲线图；图5俯仰角偏2度的测角均方根误差曲线图；图6俯仰角，方位角偏2度的测角均方根误差曲线图；图7本专利技术与传统二维波束扫描方法的运算量对比图。具体实施方式参照图1，大规模天线阵列由均匀分布的天线阵列构成，基准坐标系为立体坐标系xyz，o为坐标系原点，基准平面P为yoz坐标系所在平面，检测到的目标为T，y轴方向阵元间距为dy，z轴方向阵元间距为dz,目标真实的俯仰角为θt，方位角为天线阵列面法线L与x轴的夹角为偏转角β。参照图2，本专利技术的实现步骤如下：步骤1：设定天线阵列参数。从二维天线阵列中，随意指定一维为y轴方向，作为行方向，另一维则为z轴方向，作为列方向；根据实际工程需要设定y轴方向的阵元个数Ny，阵元间距dy；z轴方向的阵元个数Nz，阵元间距dz。步骤2：设定一个基准平面P，并在基准平面上建立一个立体坐标系I，随机选取某个天线阵元作为该坐标系I的原点，得到天线阵列法线与基准平面法线之间的夹角，记作偏转角β。步骤3：对目标进行检测，根据发射机的发射数据得到天线波束中心俯仰角θ，方位角步骤4：估计y轴方向的波束宽度By和z轴方向的波束宽度Bz。(4a)根据发射信号波长λ，y轴方向的阵元个数Ny，阵元间距dy，估计y轴方向的波束宽度By：(4b)根据发射信号波长λ，z轴方向的阵元个数Nz，阵元间距dz，估计z轴方向的波束宽度Bz：步骤5:计算波束扫描方位角上限和下限波束扫描俯仰角上限θu和下限θd，并设定方位角角度扫描间隔与俯仰角角度扫描间隔θz。(5a)利用y轴方向的波束宽度By和天线波束中心方位角计算波束扫描方位角上限和下限(5b)利用z轴方向的波束宽度Bz和天线波束中心俯仰角θ，计算波束扫描俯仰角上限θu和下限θd：θu＝θ+Bz/2θd＝θ-Bz/2。(5c)根据测角精度和测角速度折中设定方位角角度扫描间隔与俯仰角角度扫描间隔θz，在其他参数不变的情况下，和θz越小，测角精度越大，但是运算量也越大。步骤6：构造y轴方向的导向矢量ay，z轴方向的导向矢量az。(6a)根据天线波束中心方位角天线波束中心俯仰角θ，发射信号波长λ，y轴方向的阵元个数Ny，阵元间距dy，构造y轴方向的导向矢量ay：其中T表示转置，j为虚数单位；(6b)根据天线波束中心方位角天线波束中心俯仰角θ，发射信号波长λ，z轴方向的阵元个数Nz，阵元间距dz，偏转角β，构造z轴方向的导向矢量az：步骤7：天线阵列接收目标回波信号，并计算y轴方向的加权信号sy和z轴方向的加权信号sz。(7a)天线阵列接收的目标回波信号为：其中sk为天线阵列本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于去耦合的二维波束扫描测角方法，包括如下步骤：(1)设定天线阵列为二维面阵，随意指定一维为y轴方向，作为行方向，另一维为z轴方向，作为列方向，y轴方向的阵元个数设为Ny，阵元间距设为dy，z轴方向的阵元个数设为Nz，阵元间距设为dz；(2)设定一个基准平面P，并在基准平面上建立一个立体坐标系I，随机选取某个天线阵元作为该坐标系I的原点，天线阵列法线与基准平面法线之间构成偏转角β；(3)对目标进行检测，根据发射机的发射数据得到天线波束中心俯仰角θ，方位角(4)根据发射信号波长λ，y轴方向的阵元个数Ny，阵元间距dy估计y轴方向的波束宽度By；根据发射信号波长λ，z轴方向的阵元个数Nz，阵元间距dz估计z轴方向的波束宽度Bz；(5)利用y轴方向的波束宽度By和天线波束中心方位角计算波束扫描方位角上限和下限利用z轴方向的波束宽度Bz和天线波束中心俯仰角θ，计算波束扫描俯仰角上限θu和下限θd，设定方位角角度扫描间隔俯仰角角度扫描间隔θz；(6)根据天线波束中心方位角天线波束中心俯仰角θ，y轴方向的阵元个数Ny，阵元间距dy，得到y轴方向的导向矢量ay；根据天线波束中心方位角天线波束中心俯仰角θ，z轴方向的阵元个数Nz，阵元间距dz，偏转角β，得到z轴方向的导向矢量az；(7)设天线阵列接收的目标回波信号为：R=[s1,...sk,...,sNz]=[s1,,...sm,,...,sNy,]T,]]>其中sk为天线阵列第k行接收的信号，为一个Ny维的向量，为天线阵列第m列接收的信号，为一个Nz维的向量，k＝1,2,...,Nz，m＝1,2,...,Ny，Ny为y轴方向的阵元个数，Nz为z轴方向的阵元个数；利用z轴方向的导向矢量az对目标回波信号R作数字波束形成得到y轴方向的加权信号sy；利用y轴方向的导向矢量ay对目标回波信号R作数字波束形成得到z轴方向的加权信号sz；(8)根据波束扫描方位角上下限和方位角角度扫描间隔得到y轴方向的权矢量矩阵Wy；根据波束扫描俯仰角上下限θu，θd和俯仰角角度扫描间隔θz，得到z轴方向的权矢量矩阵Wz；利用y轴方向的权矢量矩阵Wy对上述y轴方向的加权信号sy作数字波束形成,计算y轴方向的波束扫描信号y1；利用z轴方向的权矢量矩阵Wz对上述z轴方向的加权信号sz作数字波束形成，计算z轴方向的波束扫描信号z1；(9)对y轴方向的波束扫描信号y1做波束扫描，计算测试的方位角对z轴方向的波束扫描信号z1做波束扫描，计算测试的俯仰角...

【技术特征摘要】
1.一种基于去耦合的二维波束扫描测角方法，包括如下步骤：(1)设定天线阵列为二维面阵，随意指定一维为y轴方向，作为行方向，另一维为z轴方向，作为列方向，y轴方向的阵元个数设为Ny，阵元间距设为dy，z轴方向的阵元个数设为Nz，阵元间距设为dz；(2)设定一个基准平面P，并在基准平面上建立一个立体坐标系I，随机选取某个天线阵元作为该坐标系I的原点，天线阵列法线与基准平面法线之间构成偏转角β；(3)对目标进行检测，根据发射机的发射数据得到天线波束中心俯仰角θ，方位角(4)根据发射信号波长λ，y轴方向的阵元个数Ny，阵元间距dy估计y轴方向的波束宽度By；根据发射信号波长λ，z轴方向的阵元个数Nz，阵元间距dz估计z轴方向的波束宽度Bz；(5)利用y轴方向的波束宽度By和天线波束中心方位角计算波束扫描方位角上限和下限利用z轴方向的波束宽度Bz和天线波束中心俯仰角θ，计算波束扫描俯仰角上限θu和下限θd，设定方位角角度扫描间隔俯仰角角度扫描间隔θz；(6)根据天线波束中心方位角天线波束中心俯仰角θ，y轴方向的阵元个数Ny，阵元间距dy，得到y轴方向的导向矢量ay；根据天线波束中心方位角天线波束中心俯仰角θ，z轴方向的阵元个数Nz，阵元间距dz，偏转角β，得到z轴方向的导向矢量az；(7)设天线阵列接收的目标回波信号为：其中sk为天线阵列第k行接收的信号，为一个Ny维的向量，s，m为天线阵列第m列接收的信号，为一个Nz维的向量，k＝1,2,…,Nz，m＝1,2,…,Ny，Ny为y轴方向的阵元个数，Nz为z轴方向的阵元个数；利用z轴方向的导向矢量az对目标回波信号R作数字波束形成得到y轴方向的加权信号sy；利用y轴方向的导向矢量ay对目标回波信号R作数字波束形成得到z轴方向的加权信号sz；(8)根据波束扫描方位角上下限和方位角角度扫描间隔得到y轴方向的权矢量矩阵Wy；根据波束扫描俯仰角上下限θu，θd和俯仰角角度扫描间隔θz，得到z轴方向的权矢量矩阵Wz；利用y轴方向的权矢量矩阵Wy对上述y轴方向的加权信号sy作数字波束形成,计算y轴方向的波束扫描信号y1；利用z轴方向的权矢量矩阵Wz对上述z轴方向的加权信号sz作数字波束形成，计算z轴方向的波束扫描信号z1；(9)对y轴方向的波束扫描信号y1做波束扫描，计算测试的方位角对z轴方向的波束扫描信号z1做波束扫描，计算测试的俯仰角2.根据权利要求1所述的基于去耦合的二维波束扫描测角方法，其中所述步骤(4)中的估计y轴方向的波束宽度By，按如下公式进行；其中λ为发射信号波长，dy为y轴方向的阵元间距，Ny为y轴方向的阵元个数。3.根据权利要求1所述的基于去耦合的二维波束扫描测角方法，其中所述步骤(4)中的估计z轴方向的波束宽度Bz，按如下公式进行：其中λ为发射信号波长，dz为z轴方向的阵元间距，Nz为z轴方向的阵元个数。4.根据权利要求1所述的基于去耦合的二维波束扫描测角方法，其中所述步骤(5)中的计算波束扫描方位...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵永波，傅冬恺，程增飞，刘宏伟，水鹏朗，冯大政，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61