基于多普勒信息的機掃米波雷達質量中心測角方法
【專利摘要】本發明屬于雷達技術領域，公開了一種基于多普勒信息的機掃米波雷達質量中心測角方法，以降低同一波束寬度內存在多目標對質量中心法測角精度的影響，減小測角誤差，提高測角精度，該方法包括天線陣列發射脈沖信號；對接收的回波信號進行相位調整，之后進行DFT運算；找到多普勒頻率在多普勒通道中對應的點，在該點左右兩邊保留M個點，其余點置0；對置0后的數據進行IDFT運算；對IDFT運算后的數據取最大幅值，并找到對應脈沖，以及該脈沖對應脈沖的角度值θmax；在該角度的左右均取(L?1)/2個角度值，并找出對應的幅值；使用質心法進行角度估計。
【專利說明】
基于多普勒信息的機掃米波雷達質量中心測角方法
技術領域
[0001] 本發明涉及雷達技術領域，尤其涉及一種基于多普勒信息的機掃米波雷達質量中 心測角方法，可用于機械掃描雷達中在同一波束內存在單個或多個目標時對目標進行質量 中心法測角。
【背景技術】
[0002] 米波雷達由于信號衰減小，探測距離遠，在超視距探測、抗電子干擾等方面具有獨 特的優勢，但同時由于米波雷達的波長較長，波束較寬，使得其角度分辨率差，測角精度低。 機械掃描雷達由于成本低，實現簡單等因素一直被人們廣泛應用。機掃雷達測角方法一般 采用最大信號法，但這種方法的精度較差，尤其是對于機掃米波雷達。其電尺寸較小，波束 較寬，最大信號法測角精度不高。而傳統的質量中心法雖然比最大信號法測角精度高一些， 但是依然不能滿足我們的對精度的需求，尤其當同一波束寬度內存在多目標時，傳統質量 中心法測角精度會更低。
[0003] 傳統質量中心法對系統要求簡單，只需一個信號通道以及一個掃描波束，而且這 種測角方法的運算量少，成本低，從這些方面看，質量中心法是一種很重要的方法。
[0004] 質心法的角度測量方法，是振幅法測角的一種，其基本原理同最大信號法的基本 原理大體相同，不同之處在于確定目標方向時不再將單獨的幅度最大的點對應的天線波束 指向作為目標方向，而是通過確定各回波脈沖信號的質心確定出目標角度。
[0005] 但受機掃米波雷達波束較寬、中心波束對不準目標等缺點的影響，質量中心法測 角精度受同一波束內目標個數的影響很大，從而影響雷達的分辨力和探測、跟蹤目標的準 確性，精度需要進一步提高。
【發明內容】
[0006] 針對上述已有技術的不足，本發明的目的在于提供一種基于多普勒信息的機掃米 波雷達質量中心測角方法，以降低同一波束寬度內存在多目標對質量中心法測角精度的影 響，減小測角誤差，提尚測角精度。
[0007] 本發明的技術方案為:本發明技術方案實現的前提條件為:系統相參，系統頻率不 捷變，天線中心對準目標。機掃陣列雷達對接收的回波信號，利用離散傅里葉變換DFT將回 波信號轉換到多普勒通道中，將旁瓣的噪聲影響去除掉，然后對其進行離散傅里葉逆變換 IDFT，對處理后得到的數據取最大幅值，并找到對應的角度值，在該角度的左右均取(L-1)/ 2個角度值(L為波束方向圖3 dB帶寬包含的脈沖個數），并找出對應的幅值，最后，使用質心 法進行角度估計。
[0008] 為達到上述目的，本發明的實施例采用如下技術方案：
[0009] -種基于多普勒信息的機掃米波雷達質量中心測角方法，所述方法包括如下步 驟：
[0010] 步驟1，設定機掃米波雷達的天線為由N個陣元組成的等距線陣，機掃米波雷達發 射K個脈沖，相鄰脈沖之間間隔固定預設角，N為大于或者等于4的整數，K為大于1的自然數；
[0011] 步驟2,機掃米波雷達通過等距線陣接收Κ個脈沖的回波信號X，確定第i個脈沖的 目標偏軸角，i = l，2，...，K，并對回波信號X進行相位調整，得到相位調整后的回波信號，進 而對相位調整后的回波信號進行Κ點離散傅里葉變換，得到離散傅里葉變換之后的回波信 號；目標偏軸角為目標與天線中心法線之間的夾角；
[0012] 步驟3,確定離散傅里葉變換之后的回波信號中目標多普勒頻率對應的點G，在點 G左右兩側各保留Μ個點，并將其余數據置零，從而得到置零后的回波信號，其中，1彡MSK/ 2；
[0013]步驟4,對置零后的回波信號進行逆離散傅里葉變換，得到逆離散傅里葉變換后的 回波信號，獲取逆離散傅里葉變換后的回波信號中最大幅值對應的脈沖，以及該脈沖對應 的目標偏軸角，記為第一目標偏軸角；
[0014] 步驟5,在第一目標偏軸角左右兩側各取(L_l)/2個角度值，并在逆離散傅里葉變 換后的回波信號中獲取每個角度值對應的幅度值，組成新的回波數據;L為在3dB波束寬度 內包含的脈沖個數；
[0015] 步驟6,對所述新的回波數據使用質量中心測角方法進行目標角度估計，得到目標 角度估計值。
[0016] 本發明與現有技術相比有以下優點：1)本發明由于對接收數據進行了DFT運算，相 當于對信號進行了相干積累，并將DFT后的旁瓣置0,減少了旁瓣接收的噪聲對信號的影響， 提高了信噪比和測角精度；2)本發明對接收數據進行DFT運算，將數據轉換到多普勒通道 中，由于多普勒通道可以提取不同信號的多普勒信息，故本發明能同時對一個波束寬度內 的多個目標進行測角，相對于傳統幅相單脈沖測角方法具有更好的穩健性。
【附圖說明】
[0017] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0018] 圖1是本發明實施例提供的一種基于多普勒信息的機掃米波雷達質量中心測角方 法的實現流程示意圖；
[0019] 圖2是采用本發明方法與傳統質量中心法對一個目標進行測角的均方根誤差對比 曲線不意圖；
[0020] 圖3是采用本發明方法與傳統質量中心法在多個目標時對一個目標進行測角的均 方根誤差對比曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0022]本發明實施例提供一種基于多普勒信息的機掃米波雷達質量中心測角方法，參照 圖1，所述方法包括如下步驟：
[0023]步驟1，設定機掃米波雷達的天線為由N個陣元組成的等距線陣，機掃米波雷達發 射K個脈沖，相鄰脈沖之間間隔固定預設角，N為大于或者等于4的整數，K為大于1的自然數。 [0024]將機掃雷達的天線等效成由N個陣元組成的等距線陣，即任意兩個相鄰陣元之間 的陣元間距d均相等，且為米波雷達發射信號的波長λ的一半，d = A/2;
[0025] 步驟1中，機掃米波雷達發射Κ個脈沖，相鄰脈沖之間間隔固定預設角具體為:機掃 米波雷達在天線掃描工作時，每間隔固定預設角ΛΦ發射一個脈沖，且在3dB波束寬度內包 含L個脈沖;其中，A?=360*t/T，t為脈沖重復周期，T為機掃米波雷達的轉速。
[0026] 機掃雷達在天線掃描工作時，每間隔ΛΦ發射一個脈沖，假設，在3dB波束寬度內 有L個脈沖，測角時，發射天線發射K個脈沖，K個脈沖中包含了 L個脈沖，天線中心法線與水 平參考面的夾角作為基準角夂4 = 1，2,...，K。
[0027] 步驟2,機掃米波雷達通過等距線陣接收Κ個脈沖的回波信號X，確定第i個脈沖的 目標偏軸角，i = l，2，...，K，并對回波信號X進行相位調整，得到相位調整后的回波信號，進 而對相位調整后的回波信號進行Κ點離散傅里葉變換，得到離散傅里葉變換之后的回波信 號；目標偏軸角為目標與天線中心法線之間的夾角。
[0028] 步驟2具體為：
[0029] (2a)機掃米波雷達通過天線陣接收Κ個脈沖的回波信號X = AS+n，其中，A= [a (θχ), · · .a(0i)· · ·，a(0K)]表示回波信號包含的目標相位信息，a(0i) = [l，exp(j23id/Asin ，…，exp( jlKN-Dd/Asinei)]1為第i個脈沖的目標偏軸角矢量，i = l，2,…，K;d為陣 元間隔，λ為信號波長，表示向量的轉置，exp表示以e為底的指數冪，j代表虛數單位;回波信 號X為NX K階矩陣。
[0030] S:%，. . .Sl . .，SK]T表示回波信號的復包絡，Si表示第i個脈沖的復包絡信息， ，其中fd表示目標的多普勒頻率，fd = 2Vf 〇/c，V表示目標相對機掃米波雷達 的徑向速度，f〇表示雷達發射信號的中心頻率，c代表光速，t為脈沖重復周期;η代表均值為 〇、方差為1的ΝΧΚ階高斯白噪聲矩陣；
[0031] (2b)對回波信號X進行相位調整，得到相位調整后的回波信號Y = a(0Q) · X，其中， θ〇為目標的實際角度，a(0〇) = [l，exp( j23Td/Asin(0Q))，…，exp( j23T(N-l)d/Asin(0Q))]T;
[0032] (2c)對相位調整后的回波信號進行K點離散傅里葉變換，得到離散傅里葉變換之 后的回波信號Q。
[0033] Q=[Q(0)，· · ·，Q(1)，· · .Q(K-l)]，其牛
.式 中Tg(m)表示DFT前的數據Qg(k)表示DFT后的數據，g=l，2,0彡m彡K-1，0彡k彡K-1。
[0034] 步驟3,確定離散傅里葉變換之后的回波信號中目標多普勒頻率對應的點G，在點G 左右兩側各保留Μ個點，并將其余數據置零，從而得到置零后的回波信號，其中，1彡MSK/2。 [0035] 步驟3具體為：
[0036]確定離散傅里葉變換之后的回波信號Q中目標多普勒頻率fd對應的點G，在點G左 右兩側各保留Μ個點，并將其余數據置零，從而得到置零后的回波信號，其中，G=[fdXtX κ] + 1，[ ·]代表四舍五入取整運算，t表示脈沖重復周期，K表示機掃米波雷達發射的脈沖 數，1彡Μ彡Κ/2〇
[0037] 需要說明的是，本步驟中在點G左右兩側各保留Μ個點具體為：以G點為中心，向左 右兩側分別保留連續的Μ個點。
[0038] 步驟4,對置零后的回波信號進行逆離散傅里葉變換，得到逆離散傅里葉變換后的 回波信號，獲取逆離散傅里葉變換后的回波信號中最大幅值對應的脈沖，以及該脈沖對應 的目標偏軸角，記為第一目標偏軸角。
[0039] 對置0后的數據進行Κ點逆離散傅里葉變換IDFT運算，得到逆離散傅里葉變換后的 數據ZHZKO)，…，ZKm)，…，ΖΚΚ-l)]即
式中 Yg(k)表示IDFT之前的數據，Zg(m)表示IDFT之后的數據，g=l，2,0<m<K-l，0<k<K-l。
[0040] 步驟5,在第一目標偏軸角左右兩側各取(L-l)/2個角度值，并在逆離散傅里葉變 換后的回波信號中獲取每個角度值對應的幅度值，組成新的回波數據;L為在3dB波束寬度 內包含的脈沖個數。
[0041] 步驟6,對所述新的回波數據使用質量中心測角方法進行目標角度估計，得到目標 角度估計值。
[0042] 步驟6具體為：
[0043] (6a)將在第一目標偏軸角左側取的（L_l)/2個角度值、在第一目標偏軸角右側取 的（L_l)/2個角度值以及第一目標偏軸角分別依次記為0^1 = 1，…，匕并將其對應的幅度 值記為ai，1 = 1，…，L，從而得到新的回波數據；
[0044] (6b)對所述新的回波數據使用質量中心測角方法進行目標角度估計，得到目標角 度估計值Θμ
[0045]
[0046] 本發明的效果可以通過以下計算機仿真進行驗證：
[0047] 一、仿真條件
[0048]仿真條件1:假設天線是由10個陣元組成的天線面，天線的波束寬度約為50°，天線 以10s/r的速度進行旋轉掃描，雷達每隔10ms發射一個頻率為300MHz的脈沖，天線每次接收 到21個脈沖信號，天線中心法線對準目標;假設存在一個目標，目標的真實角度為10°，目標 相對雷達的徑向速度為150m/s，目標的多普勒頻率為300Hz;信噪比取-10dB到10dB，這里的 信噪比是指單個陣元、單個脈沖的。
[0049] 仿真條件2:假設天線為由10個陣元組成的天線面，天線的波束寬度約為50°，天線 以10s/r的速度進行旋轉掃描，雷達每隔10ms發射一個頻率為300MHz的脈沖，天線每次接收 到21個脈沖信號，天線中心法線對準目標;假設存在兩個目標，且第一個目標的真實角度為 10°，第二個目標的真實角度為15°，第一個目標相對雷達的徑向速度為150m/s，多普勒頻率 為300Hz;第二個目標相對雷達的徑向速度為225m/s，多普勒頻率為450Hz ;信噪比取-10dB 至lj20dB，這里的信噪比是指單個陣元、單個脈沖的。
[0050] 二、仿真內容
[0051] 利用仿真條件1對只有一個目標時，分別采用傳統質量中心法和本發明方法進行 測角，得到兩種方法隨信噪比變化的均方根誤差曲線，如圖2所示，圖2中橫坐標為信噪比， 縱坐標為均方根誤差。
[0052]利用仿真條件2對有兩個個目標時，分別采用傳統質量中心法和本發明方法進行 測角，得到兩種方法隨信噪比變化的均方根誤差曲線，如圖3所示，圖3中橫坐標為信噪比， 縱坐標為均方根誤差。
[0053]由圖2可見，本發明方法比傳統質量中心法精度要高，特別是在信噪比低時，效果 非常明顯，本發明方法可以降低噪聲的影響，提高測角精度。
[0054]由圖3可見，在機掃雷達測角過程中存在多個目標時，傳統質量中心法受其它目標 的影響測角性能會下降，在兩個目標相距較近的時候，受其他目標的影響較大，由于在高信 噪比的時候噪聲對第一個目標的影響變小，但第二個目標仍對第一個目標存在影響，所以 傳統質量中心法的均方根誤差曲線會趨近于平直，本發明提出的改進方法即使在兩個目標 相距的較近時，依然能夠降低噪聲的影響，提高信噪比，保證質量中心法測角的精度，具有 很好的穩健性。
[0055]以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何 熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵 蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1. 一種基于多普勒信息的機掃米波雷達質量中屯、測角方法，其特征在于，所述方法包 括如下步驟： 步驟1，設定機掃米波雷達的天線為由N個陣元組成的等距線陣，機掃米波雷達發射K個 脈沖，相鄰脈沖之間間隔固定預設角，N為大于或者等于4的整數，K為大于1的自然數； 步驟2,機掃米波雷達通過等距線陣接收K個脈沖的回波信號X，確定第i個脈沖的目標 偏軸角，i = l，2,...，Κ，并對回波信號X進行相位調整，得到相位調整后的回波信號，進而對 相位調整后的回波信號進行Κ點離散傅里葉變換，得到離散傅里葉變換之后的回波信號；目 標偏軸角為目標與天線中屯、法線之間的夾角； 步驟3,確定離散傅里葉變換之后的回波信號中目標多普勒頻率對應的點G，在點G左右 兩側各保留Μ個點，并將其余數據置零，從而得到置零后的回波信號，其中，1《Μ《Κ/2; 步驟4,對置零后的回波信號進行逆離散傅里葉變換，得到逆離散傅里葉變換后的回波 信號，獲取逆離散傅里葉變換后的回波信號中最大幅值對應的脈沖，W及該脈沖對應的目 標偏軸角，記為第一目標偏軸角； 步驟5,在第一目標偏軸角左右兩側各取化-1)/2個角度值，并在逆離散傅里葉變換后 的回波信號中獲取每個角度值對應的幅度值，組成新的回波數據;L為在3dB波束寬度內包 含的脈沖個數； 步驟6，對所述新的回波數據使用質量中屯、測角方法進行目標角度估計，得到目標角度 估計值。2. 根據權利要求1所述的一種基于多普勒信息的機掃米波雷達質量中屯、測角方法，其 特征在于，步驟1中，機掃米波雷達發射K個脈沖，相鄰脈沖之間間隔固定預設角具體為： 機掃米波雷達在天線掃描工作時，每間隔固定預設角Δ Φ發射一個脈沖，且在3地波束 寬度內包含L個脈沖;其中，Δ O=360*t/T，t為脈沖重復周期，T為機掃米波雷達的轉速。3. 根據權利要求1所述的一種基于多普勒信息的機掃米波雷達質量中屯、測角方法，其 特征在于，步驟2具體為： (2a)機掃米波雷達通過天線陣接收K個脈沖的回波信號X=AS+n，其中，A=[a(0i)，. . .a (e〇 . . .，a(0K)]表示回波信號包含的目標相位信息，a(目i) = [l，exp( j23idAsin目i)，...， e邱（j23i(N-l)dAsin0i)]T為第i個脈沖的目標偏軸角矢量，1 = 7,2，...，1(;(1為陣元間隔，入 為信號波長，表示向量的轉置； S=[Si，. . .Si. . .，Sk]t表示回波信號的復包絡，Si表示第i個脈沖的復包絡信息， & =e<'/-^CWW，其中fd表示目標的多普勒頻率，fd = 2Vf o/c，V表示目標相對機掃米波雷達 的徑向速度，時表示雷達發射信號的中屯、頻率，C代表光速，t為脈沖重復周期;η代表均值為 0、方差為1的ΝΧΚ階高斯白噪聲矩陣； (2b)對回波信號X進行相位調整，得到相位調整后的回波信號Y = a(0〇) .X，其中，θ〇為 目標的實際角度，a(目日）= [l，exp( j化d/Asin(目日）），…，e邱（j23T(N-l)dAsin(目日））]τ; (2c)對相位調整后的回波信號進行Κ點離散傅里葉變換，得到離散傅里葉變換之后的 回波信號Q。4. 根據權利要求1所述的一種基于多普勒信息的機掃米波雷達質量中屯、測角方法，其 特征在于，步驟3具體為： 確定離散傅里葉變換之后的回波信號Q中目標多普勒頻率fd對應的點G，在點G左右兩側 各保留Μ個點，并將其余數據置零，從而得到置零后的回波信號，其中，G=[fdXtXK] + l， [·]代表四舍五入取整運算，t表示脈沖重復周期，K表示機掃米波雷達發射的脈沖數， ^Κ/2〇5.根據權利要求1所述的一種基于多普勒信息的機掃米波雷達質量中屯、測角方法，其 特征在于，步驟6具體為： (6a)將在第一目標偏軸角左側取的化-1 )/2個角度值、在第一目標偏軸角右側取的化- 1 )/2個角度值W及第一目標偏軸角分別依次記為θι，1 = 1，...，L，并將其對應的幅度值記 為ai，1 = 1，. . .，L，從而得到新的回波數據； (6b)對所述新的回波數據使用質量中屯、測角方法進行目標角度估計，得到目標角度估 計值9e:
【文檔編號】G01S13/50GK105974390SQ201610505129
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月30日
【發明人】趙永波, 龐曉嬌, 何學輝, 劉宏偉, 蘇洪濤, 蘇濤
【申請人】西安電子科技大學