一种高精度多点线性约束的自适应单脉冲测向方法技术

本发明专利技术涉及雷达通信技术，公开了一种高精度多点线性约束的自适应单脉冲测向方法，包含步骤：确定阵列的视轴方向及其对应的导向向量；构造约束矩阵和相应的约束向量；对约束矩阵进行奇异值分解，并且选取较大的奇异值和其所对应的左右奇异向量对原约束矩阵进行近似；利用近似后的约束矩阵及约束向量代替原约束条件；在该约束条件的基础上，以最小化输出功率为目标函数进行优化，并求解得到自适应差波束权；利用得到的和差波束权与阵列接收数据形成和差波束以及单脉冲比进行测向，得到测向结果。利用奇异值分解的方法对待约束角度区间进行多点线性约束既保证了在整个角度区间的线性度，还利用选取较大奇异值分量的方法有效的降低了自由度的消耗。

An adaptive monopulse direction finding method with high precision and multi-point linear constraints

【技术实现步骤摘要】
一种高精度多点线性约束的自适应单脉冲测向方法
本专利技术属于雷达通信技术，尤其涉及一种自适应单脉冲测向技术。
技术介绍
单脉冲雷达具有计算量小，反应速度快，系统简单易维护，抗干扰能力强，测角精度较高等一系列优点。传统的单脉冲雷达通过对每个天线阵元设定静态的馈电权值，使其在波束指向处分别形成和波束与差波束。其中，要求和波束在该指向处形成峰值，而要求差波束在此处形成相应的零陷。由此，在3dB主瓣宽度内，差波束与和波束的比值Δ/∑可以近似的认为与3dB主瓣宽度内的角度Δθ呈线性关系，其中函数f(Δ)＝Δ(Δθ)/∑(Δθ)的图像被称为单脉冲比曲线(MonopulseRatioCurve)，后文中，我们直接用MRC来代指单脉冲比Δ/∑(见文献：孙海浪，侯庆禹，陈昌云，王宗凤，苏焕程.单脉冲和差波束及测角方法研究[J].航天电子对抗，2012，28(01)：42-44.)。而常规的静态权和差波束形成，对干扰较为敏感，尤其是当旁瓣干扰靠主瓣较近的时候，可能会导致干扰泄露进主瓣，从而导致MRC的失真，进一步影响后续的单脉冲测角精度。为解决该问题，Taylor和Bayliss分别提出了低旁瓣的和波束与差波束设计方法(见文献：T.Taylor.″Designofcircularaperturesfornarrowbeamwidthandlowsidelobes，″inIRETransactionaonAntennasandPropagation，vol.8，no.1，pp.17-22，January1960.E.T.Bayliss，″Designofmonopulseantennadifferencepatternswithlowsidelobes，″inTheBellSystemTechnicalJournal，vol.47，no.5，pp.623-650，May-June1968.)。该方法设计出一种可以抑制旁瓣电平的静态和/差波束权，由此抑制旁瓣干扰。此类方法的思想在于，设计出一套低旁瓣，主瓣高增益(相对于旁瓣)的和波束，以及低旁瓣，视轴方向深零陷的差波束权值。而上述这种静态权的方法无法解决主瓣干扰的问题，因为静态权值通常要保证主瓣宽度内的高增益，这使得主瓣干扰被一同放大。因此，出现了一类能够处理主瓣干扰的自适应处理方法。其中，最小方差无失真响应(MinimumVarianceDistortionlessResponse)方法在保证信号无失真通过的条件下，使阵列输出的功率最小(等效于干扰叠加噪声的功率最小)，将自适应权值的设计问题转化为一个带约束条件的优化问题，并且利用拉格朗日乘子法得到权值的解析解(见文献：O.L.Frost，″Analgorithmforlinearlyconstrainedadaptivearrayprocessing，″inProceedingsoftheIEEE，vol.60，no.8，pp.926-935，Aug.1972.)。而当该方法用于和/差波束的形成时，又会导致MRC的失真，即使得单脉冲比Δ/∑的线性度下降，从而影响测角精度(在实际单脉冲系统中，一般采用数据拟合的方式拟合出单脉冲比与角度的线性关系)。为解决单脉冲比失真问题，一种联合线性约束的方法被提出出来，该方法通过对视轴方向θ0以及测角边界点θ0±Δθ这三点进行单脉冲比的线性约束，在此约束下，以阵列的输出功率最小为目标函数进行优化求解，最终得到该约束条件下的差波束权值(见文献：D.LingYan，L.RongFengandR.Can，″Constainedadaptivemonopulsealgorithmbasedonsub-array，″IETInternationalRadarConference2013，Xi′an，2013，pp.1-4.Z.Cheng，Z.He，X.Duan，X.ZhangandB.Liao，″AdaptiveMonopulseApproachWithJointLinearConstraintsforPlanarArrayatSubarrayLevel，″inIEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems，vol.54，no.3，pp.1432-1441，June2018.)。该方法一定程度上改善了MRC的线性度，但在很多情况下(尤其是阵列的3dB主瓣宽度较窄时)除去被约束到的三个点附近线性度较好，其余部分仍然会出现MRC失真的情况。这使得测角误差在视轴方向到区间边界呈现先上升后下降的趋势。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有联合线性约束在非约束点附近的MRC失真问题，提出一种新的高精度多点联合线性约束进行测向的方法。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种高精度多点线性约束的自适应单脉冲测向方法，包含以下步骤：步骤1、确定阵列的视轴方向θ0以及相应的导向向量a(θ0)；步骤2、利用阵列接收到的多快拍数据x计算出干扰叠加噪声的协方差矩阵R＝E{xxH}，E{·}表示求数学期望，x＝[x(1)，x(2)，…，x(N)]，x(·)为阵列的数据向量，只包含干扰叠加噪声，即x(·)为Mx1维的复向量；H为矩阵的共轭转置；M为阵元个数，N为快拍数；步骤3、利用导向向量a(θ0)和协方差矩阵R计算出阵列的自适应和波束权值w∑＝R-1a(θ0)/(aH(θ0)R-1a(θ0))；步骤4、确定待约束的线性区间[θ0-Δθ，θ0+Δθ]、约束斜率k以及待约束的点数L，本专利技术中对L的取值不做限制，但一般情况下，L的取值越大，单脉冲比的线性度就越好，在待约束的线性区间内均匀的取L个点进行单脉冲比的线性约束，得到M×L的约束矩阵C以及L点所对应的约束向量即f为Lx1维的复向量；由此构造出对自适应差波束的约束条件CHwΔ＝f，w△为自适应差波束权值；步骤5、对约束矩阵C做奇异值分解，选择较大的奇异值分量作为约束矩阵C近似分解其中Ss、Us和Vs分别为选择的较大的构成对角矩阵的奇异值分量、左奇异向量和右奇异向量；步骤6、利用约束矩阵的近似分解将约束条件更新为步骤7、计算自适应差波束权值wΔ＝R-1C′(C′HR-1C′)-1f′，其中，近似约束矩阵C′＝UsSs，近似约束向量步骤8、根据阵列接收信号为xs，计算得到的自适应和波束权w∑与自适应差波束权w△来形成和波束与差波束xs包含接收到的信号与干扰叠加噪声；最后利用单脉冲比Δ/∑进行角度估计得到本专利技术公开了一种利用奇异值分解近似求解多点联合线性约束的方法，用于解决原方法在原理约束点处MRC失真的问题。由于阵元个数是固定的，若将约束条件CHw△＝f看作一个关于未知量wΔ的线性方程组，未知数个数为M，即阵元个数，将其定义为阵列自由度M。由于C是一个M×N的矩阵，其中N为约束点数，若N＞M，则会使其变为一个过完备问题。因此增加约束点数会消耗阵列的自由度，在常规的线性约束问题中，都会要求约束点数N＜M。本专利技术使用奇异值分解，与主成分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高精度多点线性约束的自适应单脉冲测向方法，其特征在于，包含以下步骤：/n步骤1、确定阵列的视轴方向θ

【技术特征摘要】
1.一种高精度多点线性约束的自适应单脉冲测向方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1、确定阵列的视轴方向θ0以及相应的导向向量a(θ0)；
步骤2、利用阵列接收到的多快拍数据x计算出干扰叠加噪声的协方差矩阵R＝E{xxH}，E表示求数学期望，x＝[x(1)，x(2)，…，x(N)]，x(·)为阵列的数据向量，只包含干扰叠加噪声，即x(·)为Mx1维的复向量；H为矩阵的共轭转置；M为阵元个数，N为快拍数；
步骤3、利用导向向量a(θ0)和协方差矩阵R计算出阵列的自适应和波束权值ω∑＝R-1a(θ0)/(aH(θ0)R-1a(θ0))；
步骤4、确定待约束的线性区间[θ0-Δθ，θ0+Δθ]、约束斜率k以及待约束的点数L，得到M×L的约束矩阵C以及L点所对应的约束向量即f为Lx1维的复向量；由此构造出对自适应差波束的约束条件CHwΔ...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢菊兰，邓宇昊，冯雅栋，郭明宇，饶申宇，何子述，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51