基於電磁矢量陣列的米波雷達角度估計方法

2023-05-31 05:13:26 2

專利名稱：基於電磁矢量陣列的米波雷達角度估計方法
基於電磁矢量陣列的米波雷達角度估計方法技術領域
本發明屬於雷達技術領域，具體的說是一種估計相干信號波達方向的方法，可用於米波雷達估計目標的二維角度。
背景技術：
電磁矢量陣列是由電磁矢量陣元組成的陣列。一個完整的電磁矢量陣元由共點配置、極化方向相互正交的3個電偶極子和3個磁偶極子組成，它可以同時感應入射電磁場的 3個電場瞬態分量和3個磁場瞬態分量。與傳統的標量陣列相比，電磁矢量陣列能獲得入射信號更為細緻的信息。
角度估計是米波雷達的一項基本功能。然而，當探測低仰角目標時，雷達波束打地，使得目標的直達波和地(海)面反射的多徑反射波在天線波束主瓣內疊加，這組強相關的信號同時被雷達天線接收，使得雷達角度估計系統不能正確的估計出目標的角度。因此， 米波雷達角度估計的難點在於如何在相干信號存在的情況下估計目標的角度。為了解決這個問題，趙永波等人在「雷達低角跟蹤環境下的最大似然波達方向估計方法，電子學報， 2004,32(9) :1520-1523」的文章中，提出了一種時空級聯最大似然算法，即先進行都卜勒頻率估計和濾波，然後再利用最大似然算法估計目標的角度；吳向東等人在「一種基於線性預處理的米波雷達低仰角處理算法，電子學報，2006，34(9) :1668-1671」文章中，提出先對接收數據進行差分預處理，再通過多重信號分類MUSIC算法估計目標的角度；劉俊等人在「米波雷達俯仰角和多徑衰減係數聯合估計算法，電子與信息學報，2011，33(1) :33-37」文章中，利用改進的廣義MUSIC算法估計目標的角度。以上三種現有技術都是基於標量陣列的米波雷達角度估計方法，主要存在以下三方面的缺點
1.採用一維線性陣列只能估計一維角度，當同時估計二維角度時需要採用二維平面陣列，增加了陣列所佔的體積；
2.為了避免角度模糊要求陣元間距必須小於或等於半個波長，當陣列孔徑越大， 所需的陣元數就越多，系統複雜度就越高；
3.由於都需要角度搜索，搜索精度要求越高，運算量就越大。 發明內容
本發明的目的在於克服已有方法的缺點，提供一種基於電磁矢量陣列的米波雷達角度估計方法，以在米波雷達中用一維線性陣列估計目標的二維角度，提高搜索精度，並減小運算量，便於米波雷達角度估計系統的工程實現。
為實現上述目的，本發明採用的技術方案是(1)採用電磁矢量陣列接收雷達回波，並將其混頻到基帶進行離散採樣；(2)利用離散採樣的數據構造一個二階統計矩陣； (3)對二階統計矩陣進行奇異值分解，得到左信號特徵矩陣；(4)利用左信號特徵矩陣構造一個矩陣束；( 對矩陣束進行廣義特徵值分解，得到廣義特徵向量矩陣、廣義特徵值矩陣和廣義特徵值；(6)利用矩陣束、廣義特徵向量矩陣和廣義特徵值矩陣計算回波信號的坡4印廷矢量；(7)根據得到的廣義特徵值和回波信號的坡印廷矢量計算目標的二維角度。具體實現步驟包括如下
1)採用電磁矢量陣列接收雷達回波，並將其混頻到基帶進行離散採樣；
2)利用離散採樣的數據構造一個二階統計矩陣J
J = E fj/ikWMk)_ I=I_
其中，Ε[·]表示求期望，自由參數L是一個正整數並滿足2《丄《^^，6M是電磁矢量陣列的陣元數目，YXk) = [^t (k), Xll (幻,…,xl_L+l (幻]τ稱為前矩陣，權幻=[式 ,J^1(A),···,Xi^w㈨]τ稱為後矩陣，(· 」表示矩陣轉置，(·)Η表示矩陣共軛轉置，k表示第k個離散點，Xffl(k)表示第m個電磁矢量陣元在第k個離散採樣點處的採樣值，m = 1、1+1、…、M-L+1 ；
3)對二階統計矩陣J進行奇異值分解，得到分解後的二階統計矩陣
=+UnInV^
其中，Σ s由J中兩個最大的奇異值所組成的對角陣，稱為大奇異值矩陣；Σ η由 J中其他小奇異值組成的對角陣，稱為小奇異值矩陣;us由J中兩個最大的大奇異值所對應的左奇異向量組成，稱為左信號特徵矩陣；vs由J中兩個最大的奇異值所對應的右奇異向量組成，稱為右信號特徵矩陣；un由J中其他小奇異值所對應的左奇異向量組成，稱為左噪聲特徵矩陣；vn由J中其他小奇異值所對應的右奇異向量組成，稱為右噪聲特徵矩陣；
4)用左信號特徵矩陣Us構造一個矩陣束{Usl，UsJ，即將左信號特徵矩陣Us的最後6行元素去掉後形成矩陣束左矩陣Usl，將左信號特徵矩陣Us的前6行元素去掉後形成矩陣束右矩陣Us2;
5)對矩陣束{Usl，Us2}進行廣義特徵值分解，得到廣義特徵向量矩陣Q和廣義特徵值矩陣Φ，取廣義特徵值矩陣Φ對角線上的最大值^和次大值β 2，並將該最大值^和次大值β 2作為矩陣束{Usl，UsJ的廣義特徵值；
6)利用矩陣束{Usl，、廣義特徵向量矩陣Q和廣義特徵值矩陣Φ計算回波信號的坡印廷矢量
(6a)令導向矢量矩陣巧+Us2Q^1)；
(6b)將導向矢量矩陣F1的第6+i、12+i、…、6(M_L_l)+i行都加到第i行上，i = 1、2、…、6，得到一個6X2維的單位導向矢量矩陣A ；
(6c)對單位導向矢量矩陣A中每一列的前三行和後三行進行矢量叉乘，得到回波信號的兩個坡印廷矢量[U' 1 v' 1 w' Jt和[u' 2,v' 2,w' 2]τ，其中，U' jPu' 2分別為回波信號的兩個坡印廷矢量在X軸上的投影值，V'工和^' 2分別為回波信號的兩個坡印廷矢量在y坐標軸上的投影值，W'工和^ 2分別為回波信號的兩個坡印廷矢量在Z 坐標軸上的投影值；
7)根據得到的廣義特徵值和回波信號的坡印廷矢量計算目標的二維角度
(7a)由廣義特徵值βρ計算得到模糊的方向餘弦2, λ為雷達載波波長，Δζ為陣元間距，arg( ·)表示取複數的相位值；再結合回波信號的坡印廷矢量在ζ坐標軸上的投影值W' p估計精確的無模糊的方向餘弦Ai ；
(7b)由精確的無模糊的方向餘弦<估計回波信號的仰角必sarccospj，屍=1、 2, arccos( ·)表示取反餘弦；
(7c)利用回波信號的仰角計算目標的仰角θ d = min( θ 」 θ 2);
(7d)由回波信號的兩個坡印廷矢量[u' 1； ν' 1； w' Jt和[u' 2, ν' 2, w' 2]τ 計算回波信號的方位角A = arg(^+jv；)，ρ = 1、2 ；
(7e)利用回波信號的方位角計算目標的方位角氣^^。
本發明與現有技術相比具有以下優點
1.本發明採用電磁矢量陣列作為米波雷達的接收天線，僅用一維線性陣列就可估計二維角度，而採用標量陣列的常規接收天線需要二維平面陣才能估計二維角度。
2.本發明採用電磁矢量陣列作為米波雷達的接收天線，為了提高角度估計精度， 可以加大陣元間距來增加陣列孔徑，然後通過估計回波信號的坡印廷矢量來解角度模糊。 當陣元間距大於半波長時，如果採用標量陣列將會出現測角模糊，只能通過增加陣元數目來解決，從而增加了系統的複雜度。
3.本發明不通過構造空間譜函數進行角度搜索獲得目標的角度，而是針對均勻線陣的陣元等間隔分布的結構特點，通過構造矩陣束，進而得到目標二維角度的解析解，免去了角度搜索帶來的巨大運算量。
理論分析和仿真結果表明，本發明與現有技術相比，在採用一維線性陣列的情況下，能夠估計二維角度，陣元間距可以大於半波長，不需要角度搜索，運算量小，易於工程實現。


圖1是本發明使用的米波雷達目標回波的多徑幾何模型；
圖2是本發明使用的角度坐標系；
圖3是本發明的實施流程圖4是用本發明方法得到的目標方位角估計均方根誤差隨信噪比變化圖5是用本發明方法得到的目標仰角估計均方根誤差隨信噪比變化圖。
具體實施方式
參照圖1，本發明使用的雷達目標回波的多徑幾何模型，包括一個垂直放置的電磁矢量陣列和一個高度為ht的目標，其中，電磁矢量陣列作為雷達的接收天線，天線的電磁矢量陣列的陣元數目為M，陣元以間距Δζ等間隔的分布在一條直線上，天線的中心高度為ha， 目標與雷達的直線距離為Rd，目標回波經過地(海)面反射後到達雷達的距離為Rs。
參照圖2，本發明使用的角度坐標中目標的仰角為9d，多徑反射波仰角為es，目標的方位角和多徑反射波方位角相同均為％。
參照圖3，本發明結合圖1的多徑幾何模型和圖2的角度坐標系進行米波雷達目標角度估計的具體步驟如下
步驟1，通過電磁矢量陣列接收雷達回波數據，並將其混頻到基帶進行離散採樣
(Ia)採用電磁矢量陣列接收雷達回波數據；
(Ib)將雷達回波信號混頻到基帶；
(Ic)對混頻到基帶後的數據進行離散採樣，使在第m個電磁矢量陣元處理得到的雷達回波數據為
權利要求
1. 一種基於電磁矢量陣列的米波雷達角度估計方法，包括如下步驟1)採用電磁矢量陣列接收雷達回波，並將其混頻到基帶進行離散採樣；2)利用離散採樣的數據構造一個二階統計矩陣J/ = E ⑷ If ㈨_ I=I_其中，Ε[·]表示求期望，自由參數L是一個正整數並滿足2《K·^^，M是6電磁矢量陣列的陣元數目，Ym = [x](k), Xll(U),-, xl_L+l(k)]τ稱為前矩陣，權幻二^^⑷，^^⑷，…，^^…㈨^稱為後矩陣，(· 」表示矩陣轉置，(·)Η表示矩陣共軛轉置，k表示第k個離散點，Xffl(k)表示第m個電磁矢量陣元在第k個離散採樣點處的採樣值，m = 1、1+1、…、M-L+1 ；3)對二階統計矩陣J進行奇異值分解，得到左信號特徵矩陣Us；4)用左信號特徵矩陣Us構造一個矩陣束{Usl，Us2}，即將左信號特徵矩陣隊的最後6行元素去掉後形成矩陣束左矩陣Usl，將左信號特徵矩陣Us的前6行元素去掉後形成矩陣束右矩陣Us2 ；5)對矩陣束{Usl，Us2}進行廣義特徵值分解，得到廣義特徵向量矩陣Q和廣義特徵值矩陣Φ，取廣義特徵值矩陣Φ對角線上的最大值^和次大值β 2，並將該最大值^和次大值β 2作為矩陣束{Usl，UsJ的廣義特徵值；6)利用矩陣束{Usl，、廣義特徵向量矩陣Q和廣義特徵值矩陣Φ計算回波信號的坡印廷矢量(6a)令導向矢量矩陣巧+Us2Q^')；(6b)將導向矢量矩陣F1的第6+i、12+i、…、6 (M-L-I)+i行都加到第i行上，i = 1、 2、…、6，得到一個6X2維的單位導向矢量矩陣A ；(6c)對單位導向矢量矩陣A中每一列的前三行和後三行進行矢量叉乘，得到回波信號的兩個坡印廷矢量[u' 1 v' 1 w' Jt和[u' 2,v' 2,w' 2]τ，其中，u' jPu' 2分別為回波信號的兩個坡印廷矢量在χ軸上的投影值，ν'工和^ 2分別為回波信號的兩個坡印廷矢量在y坐標軸上的投影值，w'工和W' 2分別為回波信號的兩個坡印廷矢量在ζ坐標軸上的投影值；7)根據得到的廣義特徵值和回波信號的坡印廷矢量計算目標的二維角度(7a)由廣義特徵值βρ計算得到模糊的方向餘弦<=-Aafg(/g，p=丨、2，λ為雷達載波波長，Δζ為陣元間距，arg( ·)表示取複數的相位值；再結合回波信號的坡印廷矢量在ζ坐標軸上的投影值W' p估計精確的無模糊的方向餘弦Ai ；(7b)由精確的無模糊的方向餘弦！^古計回波信號的仰角必irccc^thp = 1、2， arccos( ·)表示取反餘弦；(7c)利用回波信號的仰角計算目標的仰角θ d = min( θ 」 θ 2);(7d)由回波信號的兩個坡印廷矢量[u' 1； ν' 1 w' Jt和[u' 2, ν' 2,w' 2]τ計算回波信號的方位角A sargi^+jv〗)，p = 1、2 ；(7e)利用回波信號的方位角計算目標的方位角A:^^。
2.根據權利要求1所述的基於電磁矢量陣列的米波雷達角度估計方法，其特徵在於， 步驟1)所述的電磁矢量陣列，是由電磁矢量陣元組成的一個均勻線性陣列。
3.根據權利要求1所述的基於電磁矢量陣列的米波雷達角度估計方法，其特徵在於， 步驟3)所述的二階統計矩陣J的奇異值分解，利用如下公式進行J'= UsIX+UnZnV^其中，J'表示二階統計矩陣J奇異值分解後的二階統計矩陣，Σ s由J中兩個最大的奇異值所組成的對角陣，稱為大奇異值矩陣；Σ n由J中其他小奇異值組成的對角陣，稱為小奇異值矩陣；隊由J中兩個最大的大奇異值所對應的左奇異向量組成，稱為左信號特徵矩陣 』\由J中兩個最大的奇異值所對應的右奇異向量組成，稱為右信號特徵矩陣；Un由J 中其他小奇異值所對應的左奇異向量組成，稱為左噪聲特徵矩陣·Χ由J中其他小奇異值所對應的右奇異向量組成，稱為右噪聲特徵矩陣。
全文摘要
本發明公開了一種基於電磁矢量陣列的米波雷達角度估計方法。其實現步驟是(1)採用電磁矢量陣列接收雷達回波，並將其混頻到基帶進行離散採樣；(2)利用離散採樣的數據構造二階統計矩陣；(3)對二階統計矩陣進行奇異值分解，得到左信號特徵矩陣；(4)利用左信號特徵矩陣構造矩陣束；(5)對矩陣束進行廣義特徵值分解，得到廣義特徵向量矩陣、廣義特徵值矩陣和廣義特徵值，並用這些參數計算回波信號的坡印廷矢量；(6)根據得到的廣義特徵值和回波信號的坡印廷矢量計算出目標的二維角度。本發明在採用一維線性陣列的情況下，能夠估計二維角度，陣元間距可以大於半波長，運算量小，易於工程實現，可用於米波雷達對目標二維角度的估計。
文檔編號G01S7/41GK102520399SQ20121000046
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月2日 優先權日2012年1月2日
發明者劉俊, 劉崢, 劉欽, 劉韻佛, 謝榮, 趙偉, 邱毅 申請人:西安電子科技大學