一种基于十字天线阵的雷达单脉冲三维测向方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于十字天线阵的雷达单脉冲三维测向方法及系统，该方法，首先对降频得到的中频信号中的当前帧信号进行M次快拍，并分别对快拍获得的单帧东西向处理数据向量和单帧南北向处理数据向量进行FFT变换，确定各自的幅度谱峰值所在位置，然后基于各自的幅度谱峰值所在位置确定单帧信号的回波入射角；继续对下一帧的信号进行快拍和处理，直到处理的信号的帧数达到分帧处理帧长。本发明专利技术基于十字天线阵的三维测向方法，可以在比拟匹配接收的噪声抑制能力基础上，实现单脉冲测向，并利用了多次快拍数据的积累，实现了在较低信噪比下仍然具有较高的测量精度，并降低计算的复杂度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于十字天线阵的雷达单脉冲三维测向方法及系统


[0001]本专利技术涉及雷达探测领域，特别是涉及一种基于十字天线阵的雷达单脉冲三维测向方法及系统。

技术介绍

[0002]为了确定目标的空间位置，雷达在大多数应用情况下，不仅要测定目标的距离，而且还要测定目标的方向，即确定目标的角坐标，其中包括目标的方位角和俯仰角。常用的雷达测角方法有：振幅法和相位法。
[0003]振幅法测向是根据测向天线上感应的电压幅度具有确定的方向特性，当天线旋转或等效旋转时，其输出电压幅度按极坐标方向图而变化这一原理来进行测向，因而振幅法测向又被称为极坐标方向图测向。振幅法测向还可以进一步分为三类：最小信号法测向、最大信号法测向、比幅法测向。最小信号法测向又称为小音点测向或“消音点”测向，它要求测向天线的极坐标方向图具有一个或多个零接收点，测向时旋转天线，当测向机输出的信号为最小值或听觉上为小音点(“消音点”)时，说明天线极坐标方向图的零接收点对准了来波方位，根据此时天线的转角就可以确定目标信号的来波方位值。由于在极坐标方向图的零接收点附近天线输出信号的强度变化急剧，天线旋转很小的角度就能引起信号的幅度发生很大的变化，因而其测向精度相对于最大信号法测向来说要高得多；但是在信号的最小值点及其附近，信噪比的降低也将引起测向精度的稍微降低。最大信号法测向要求天线具有尖锐的方向特性。测向时旋转天线，当测向机的输出端出现最大信号值时，说明天线极坐标方向图的主瓣指向来波方位，根据此时天线主瓣的指向就可以确定目标信号的来波方位值。由于示向度值是在天线接收信号为最大值时获取，因而它具有对微弱信号的测向能力，但测向精度较低是它的主要缺点。因为天线极坐标方向图在最大值附近变化缓慢，只有当天线旋转较大的角度(半功率点波束宽度的10％～25％)时才能测出其输出电压的明显变化。比幅法测向则利用来波信号在结构和电气性能相同的两副天线上感应电压的幅度之比，即两个极坐标方向图的交叠点特性，来完成测向任务。如果测向天线是强方向性天线，则比幅法测向可以通过比较两副天线输出的信号是否相等来进行测向，又称之为等信号法测向。如果此时天线有稍微的旋转，两副天线输出的电压幅度就会有很大的差别，因而它与最小信号法测向一样有很高的测向精度，且由于是利用极坐标方向图的主瓣进行测向的，所以也有比较高的测向接收灵敏度。如果天线是“8”字形方向特性的天线，则要计算两副天线输出电压的比值才能完成测向任务。
[0004]相位法测向是通过测量电波到达测向天线体系中各天线元上感应电压之间的相位差来进行测向。电波在各天线元上所感应的电压幅度相同，但由于各天线元配置的位置不同，因而电波传播的路径不同，引起传播时间的不同，最后形成感应电压之间的相位差。在实际应用的测向方法中，干涉仪测向、多普勒法测向和时差法测向都属于相位法测向的范畴。考虑图1所示的N、S、E、W四元天线阵，则在圆阵上均匀分布的四个天线单元的接收电压为
[0005][0006]入射电波到达NS天线对和EW天线对时所形成的相位差分别为：
[0007][0008][0009]由于所以到达方位角为：
[0010][0011]到达俯仰角为：
[0012][0013]相位法测向需要对多路接收通道进行信道幅度与相位失配的校正，计算复杂度高，设备复杂，且要求较高的信噪。

技术实现思路

[0014]本专利技术的目的是提供一种基于十字天线阵的雷达单脉冲三维测向方法及系统，以实现在较低信噪比下仍然具有较高的测量精度，并降低计算的复杂度。
[0015]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0016]一种基于十字天线阵的雷达单脉冲三维测向方法，所述方法包括如下步骤：
[0017]获取十字天线阵列接收的目标物体反射后的回波信号，并将所述回波信号降频至中频，得到中频信号；
[0018]对所述中频信号中的当前帧信号进行M次快拍，获得单帧东西向处理数据向量和单帧南北向处理数据向量；
[0019]分别对单帧东西向处理数据向量和单帧南北向处理数据向量进行FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)变换，确定单帧东西向处理数据向量的幅度谱峰值所在位置和单帧南北向处理数据向量的幅度谱峰值所在位置；
[0020]基于单帧东西向处理数据向量的幅度谱峰值所在位置和单帧南北向处理数据向量的幅度谱峰值所在位置，确定单帧信号的回波入射角；所述回波入射方向包括入射方位角和入射俯仰角；
[0021]将中频信号中的当前帧信号的下一帧信号作为新的当前帧信号，返回步骤“对所述中频信号中的当前帧信号进行M次快拍，获得单帧东西向处理数据向量和单帧南北向处理数据向量”，直到处理的信号的帧数达到分帧处理帧长；
[0022]基于每一帧信号的回波入射角确定目标物体的方向。
[0023]可选的，所述获取目标物体反射后的回波信号，并将所述回波信号降频至中频，得到中频信号，之前还包括：
[0024]确定分帧处理帧长Z为：其中，c为光速；
[0025]确定快拍间隔S
T
为：S
T
＝N*d/c；其中，N为十字天线阵的单列阵元数目，d为十字天线阵的相邻阵元间距；
[0026]确定快拍数目M为：其中，floor(
·
)表示向下取整函数。
[0027]可选的，所述中频信号满足如下条件：
[0028][0029]其中，f
m
为中频信号的频率，d为十字天线阵的相邻阵元间距，c为光速。
[0030]可选的，所述基于单帧东西向处理数据向量的幅度谱峰值所在位置和单帧南北向处理数据向量的幅度谱峰值所在位置，确定单帧信号的回波入射角，具体包括：
[0031]基于单帧东西向处理数据向量的幅度谱峰值所在位置和单帧南北向处理数据向量的幅度谱峰值所在位置，计算单帧东西向回波系数和单帧南北向回波系数分别为：
[0032][0033]其中，A
EWZ
和A
NSZ
分别为单帧东西向回波系数和单帧南北向回波系数，I
EWZ
为单帧东西向处理数据向量的幅度谱峰值所在位置，I
NSZ
为单帧南北向处理数据向量的幅度谱峰值所在位置，c为光速，f
m
为中频信号的频率，M为快拍数目，N为十字天线阵的单列阵元数目，d为十字天线阵的相邻阵元间距；K
EW
和K
NS
分别为东西向数据处理的补偿系数和南北向数据处理的补偿系数；
[0034]基于单帧东西向回波系数和单帧南北向回波系数，计算单帧信号的回波入射角为：
[0035][0036]其中，和为分别单帧信号的入射方位角和入射俯仰角。
[0037]一种基于十字天线阵的雷达单脉冲三维测向系统，所述系统应用于上述的方法，所述系统包括：
[0038]信号获取模块，用于获取十字天线阵列接收的目标物体反射后的回波信号，并将所述回波信号降频至本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于十字天线阵的雷达单脉冲三维测向方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：获取十字天线阵列接收的目标物体反射后的回波信号，并将所述回波信号降频至中频，得到中频信号；对所述中频信号中的当前帧信号进行M次快拍，获得单帧东西向处理数据向量和单帧南北向处理数据向量；分别对单帧东西向处理数据向量和单帧南北向处理数据向量进行FFT变换，确定单帧东西向处理数据向量的幅度谱峰值所在位置和单帧南北向处理数据向量的幅度谱峰值所在位置；基于单帧东西向处理数据向量的幅度谱峰值所在位置和单帧南北向处理数据向量的幅度谱峰值所在位置，确定单帧信号的回波入射角；所述回波入射方向包括入射方位角和入射俯仰角；将中频信号中的当前帧信号的下一帧信号作为新的当前帧信号，返回步骤“对所述中频信号中的当前帧信号进行M次快拍，获得单帧东西向处理数据向量和单帧南北向处理数据向量”，直到处理的信号的帧数达到分帧处理帧长；基于每一帧信号的回波入射角确定目标物体的方向。2.根据权利要求1所述的基于十字天线阵的雷达单脉冲三维测向方法，其特征在于，所述获取目标物体反射后的回波信号，并将所述回波信号降频至中频，得到中频信号，之前还包括：确定分帧处理帧长Z为：其中，c为光速；确定快拍间隔S
T
为：S
T
＝N*d/c；其中，N为十字天线阵的单列阵元数目，d为十字天线阵的相邻阵元间距；确定快拍数目M为：其中，floor(
·
)表示向下取整函数。3.根据权利要求1所述的基于十字天线阵的雷达单脉冲三维测向方法，其特征在于，所述中频信号满足如下条件：其中，f
m
为中频信号的频率，d为十字天线阵的相邻阵元间距，c为光速。4.根据权利要求1所述的基于十字天线阵的雷达单脉冲三维测向方法，其特征在于，所述基于单帧东西向处理数据向量的幅度谱峰值所在位置和单帧南北向处理数据向量的幅度谱峰值所在位置，确定单帧信号的回波入射角，具体包括：基于单帧东西向处理数据向量的幅度谱峰值所在位置和单帧南北向处理数据向量的幅度谱峰值所在位置，计算单帧东西向回波系数和单帧南北向回波系数分别为：
其中，A
EWZ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓兵，张财生，黄勇，崔世麒，张林，周正，张韫，金丹，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军航空大学，
类型：发明
国别省市：