一种基于数字阵列雷达的二维角度超分辨方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数字阵列雷达的二维角度超分辨方法，该方法包括以下步骤：步骤1：通过数字阵列雷达多通道接收目标反射回来的回波信号进行方位计算，生成目标的目标信号矢量；步骤2：根据目标信号矢量进行协方差矩阵计算和分解，生成特征矢量矩阵；步骤3：根据目标信号矢量从特征矢量矩阵中分别选定信号子空间和噪声子空间；步骤4：根据回波信号和噪声子空间进行二维谱峰的搜索，判定目标的位置。此系统突破了比幅法单脉冲测角的局限性，实现了复杂背景下多个高精度测量目标点的波达方向估计，更好的应用于工程实践中。

A two-dimensional angle super-resolution method based on Digital Array Radar

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字阵列雷达的二维角度超分辨方法
本专利技术涉及角度超分辨
，具体涉及一种基于数字阵列雷达的二维角度超分辨方法。
技术介绍
传统的雷达测角方式为单脉冲测角，单脉冲天线对目标进行角度测量时，其和波束的主瓣内通常只有一个目标。当和波束的主瓣内出现多个目标时，传统单脉冲测角方法无法分辨这些目标，致使测角误差明显增大。尤其在复杂干扰背景条件下，单脉冲天线和波束主瓣内出现多个不可分辨目标，则导致错误的目标检测和跟踪。数字阵列雷达取消了模拟相控阵雷达的模拟移相器单元、功分网络、和差器等部件，采用全数字接收方式将微波信号转换为数字信号，通过阵列信号处理中的角度超分辨技术实现波束内多目标的分辨，提高密集式目标的分辨能力，避免传统机扫和模拟体制无法实现波束内单个及以上目标角度测量的缺陷，显著增加雷达的作战性能和抗干扰能力。专利CN104122548A：机扫米波阵列雷达测角方法，介绍了一种机扫米波阵列雷达的测角方法，该方法主要通过计算天线阵列接收的脉冲回波信号的搜索权矢量，构建代价函数，以此计算得到目标的偏轴角，有效地解决了机扫米波阵列雷达测角精度低的问题。本专利技术具有测角误差小、精度高、稳健性好的优点，可用于机扫米波阵列雷达对目标的精确定位和目标跟踪，但该方法对于数字阵列雷达信号处理并不适用，仍不满足该雷达的高精度测角需求。专利CN104698432A：一种基于相控阵天线的弹载雷达测角方法，介绍了一种基于相控阵天线的弹载雷达测角方法，该方法通过控制相控阵天线完成四个不同方向波束的扫描，首先分别获得各个波束方向的振幅，然后通过能够消除由距离变化引起误差的计算方法得到和差信号幅度，以此进行测角。该专利技术提供了一种硬件结构简单，测角精度较好，低成本测角方法，但由于该方法对于数字阵列雷达并不适用，无法实现多个目标的同时探测，仍不满足该雷达的高精度测角需求。2016年第1期的《上海航天》期刊中公开文献《基于数字阵列雷达导引头的角度超分辨估计算法研究》介绍了一种基于数字阵列雷达的角度超分辨方法。该方法对多重信号分类(MUSIC)算法空间谱进行二次求导，搜索其负向谱峰，以此获得较高的多目标角度分辨率和角估计精度，仿真验证了不同条件下该角度超分辨估计算法的有效性和可行性。但该方法无法实现距离向、方位向二维的角度测量，不满足平面相控阵测角要求。2014年第3期的《雷达与对抗》期刊中公开文献《一种二维数字阵列雷达的和差波束测角方法》介绍了一种基于窗函数的二维数字阵列雷达和差波束测角方法。该方法在较大幅相噪声条件下能保证测角误差信号基本不变，且使用和波束与差波束共轭乘积虚部的正负号来确定目标角度相对于主波束的偏向，简化了确定目标偏向的计算过程，给出了数字阵列雷达中数字和差波束测角的详细过程。虽然该方法具有良好的测角性能，但无法实现多目标观测。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于数字阵列雷达的二维角度超分辨方法。此方法旨在突破比幅法单脉冲测角的局限性，实现复杂背景下多个高精度测量目标点的波达方向估计，更好的应用于工程实践中。为达到上述目的，本专利技术提供了一种基于数字阵列雷达的二维角度超分辨方法，该方法包括以下步骤：步骤1：通过数字阵列雷达多通道接收目标反射回来的回波信号进行方位计算，生成目标的目标信号矢量；步骤2：根据目标的目标信号矢量进行协方差矩阵计算和分解，生成特征矢量矩阵；步骤3：根据目标的目标信号矢量从特征矢量矩阵中分别选定信号子空间和噪声子空间；步骤4：根据回波信号和噪声子空间进行二维谱峰的搜索，判定目标的位置。最优选的，回波信号包括回波信号的复包络矢量S(t)、回波信号的导向矢量和目标的噪声矢量N(t)。最优选的，方位计算包括以下步骤：步骤1.1：根据回波信号的导向矢量计算出目标的方向矩阵且满足：其中，为第i个回波信号的导向矢量；步骤1.2：根据目标的方向矩阵回波信号的复包络矢量S(t)和目标的噪声矢量N(t)进行目标方位计算，生成目标的目标信号矢量；目标信号矢量为X(t)，且满足：其中，θ和分别为目标的方位角度和俯仰角度；复包络矢量S(t)满足：S(t)＝[s1(t),s2(t),…,sp(t)]T其中，Si(t)为第i个回波信号的复包络矢量，p为数字列阵雷达的空间二维面阵接收的非相干波源的个数，上标T为转置函数。最优选的，数字列阵雷达的空间二维面阵为等间距时，第i个信号的导向矢量满足：其中，数字阵列雷达的空间二维面阵由N×M个同性阵元组成；为俯仰向阵元间相位误差；ΦA(θi)为方位向阵元间相位误差，且分别满足：ΦA(θi)＝j2πdsinθi/λ其中，λ为数字阵列雷达接收信号的波长；d为阵元间距。最优选的，协方差矩阵计算和分解还包括以下步骤：步骤2.1：根据目标信号矢量X(t)进行协方差矩阵计算，生成协方差矩阵Rx，且满足：其中，As为目标信号源的方向矩阵；I为单位阵；为噪声功率；上标T和H分别为转置函数和共轭转置函数；Rs为信号源的协方差矩阵，且满足：RS＝E[S(t)SH(t)]；步骤2.2：对协方差矩阵Rx进行特征值分解，分解出特征矢量矩阵U，且满足：RX＝UΣUH其中，Σ为特征值组成的对角阵。最优选的，特征矢量矩阵U中选定信号子空间和噪声子空间是根据目标信息中的数字阵列雷达的视场范围内的目标个数P来选定的。最优选的，选定信号子空间的特征矢量矩阵US和噪声子空间的特征矢量矩阵UN还包括以下步骤：步骤3.1：将特征矢量矩阵U的所有N×M个特征值按照数值大小排列；步骤3.2：从特征值的数值大到小选取与目标个数P相同个数的特征矢量矩阵作为信号子空间的特征矢量矩阵US；步骤3.3：剩余的N×M-P个特征值对应的特征矢量矩阵作为噪声子空间的特征矢量矩阵UN，且满足：其中，Σs为信号子空间的特征值组成的对角阵。最优选的，二维谱峰搜索还包括以下步骤：步骤4.1：根据回波信号中回波信号的导向矢量和噪声子空间的特征矢量矩阵UN计算出二维空间谱函数；二维空间谱函数为P2D-MUSIC，且满足：步骤4.2：通过对二维空间谱函数P2D-MUSIC进行二维谱峰的搜索，搜索出二维空间谱函数的极大值点；步骤4.3：计算极大值点对应的方位角度θ和俯仰角度即目标的方向位置，且满足：运用此专利技术，突破了比幅法单脉冲测角的局限性，实现了复杂背景下多个高精度测量目标点的波达方向估计，更好的应用于工程实践中。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术方法设计简单，计算量小，通用性好，易于工程实现。2、本专利技术方法采用的目标测角精度高，可实现密级杂波环境下快速正确地测量目标角度。3、本专利技术方法突破了比幅法单脉冲测角的局限性，实现了复杂背景下多个高精度测量目标点的波达方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字阵列雷达的二维角度超分辨方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：通过数字阵列雷达多通道接收目标反射回来的回波信号进行方位计算，生成目标的目标信号矢量；/n步骤2：根据所述目标信号矢量进行协方差矩阵计算和分解，生成特征矢量矩阵；/n步骤3：根据所述目标信号矢量从所述特征矢量矩阵中分别选定信号子空间和噪声子空间；/n步骤4：根据所述回波信号和所述噪声子空间进行二维谱峰的搜索，判定目标的位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于数字阵列雷达的二维角度超分辨方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过数字阵列雷达多通道接收目标反射回来的回波信号进行方位计算，生成目标的目标信号矢量；
步骤2：根据所述目标信号矢量进行协方差矩阵计算和分解，生成特征矢量矩阵；
步骤3：根据所述目标信号矢量从所述特征矢量矩阵中分别选定信号子空间和噪声子空间；
步骤4：根据所述回波信号和所述噪声子空间进行二维谱峰的搜索，判定目标的位置。


2.如权利要求1所述的基于数字阵列雷达的二维角度超分辨方法，其特征在于，所述回波信号包括回波信号的复包络矢量S(t)、回波信号的导向矢量和目标的噪声矢量N(t)。


3.如权利要求2所述的基于数字阵列雷达的二维角度超分辨方法，其特征在于，所述方位计算包括以下步骤：
步骤1.1：根据所述回波信号的导向矢量计算出目标的方向矩阵且满足：



其中，为第i个回波信号的导向矢量；
步骤1.2：根据所述目标的方向矩阵回波信号的复包络矢量S(t)和目标的噪声矢量N(t)进行目标方位计算，生成目标的目标信号矢量；所述目标信号矢量为X(t)，且满足：



其中，θ和分别为目标的方位角度和俯仰角度；所述复包络矢量S(t)满足：
S(t)＝[s1(t),s2(t),…,sp(t)]T
其中，Si(t)为第i个回波信号的复包络矢量，p为数字列阵雷达的空间二维面阵接收的非相干波源的个数，上标T为转置函数。


4.如权利要求3所述的基于数字阵列雷达的二维角度超分辨方法，其特征在于，所述数字列阵雷达的空间二维面阵为等间距时，所述第i个信号的导向矢量满足：



其中，数字阵列雷达的空间二维面阵由N×M个同性阵元组成；为俯仰向阵元间相位误差；ΦA(θi)为方位向阵元间相位误差，且分别满足：



ΦA(θi)＝j2πdsinθi/λ
其中，λ为数字阵列雷达接收信号的波长；d为阵元间距。


5.如权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王卓群，李亚军，李雁斌，翁孚达，何启明，
申请(专利权)人：上海无线电设备研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31