基于时间反演技术的雷达远场目标定位方法技术

本发明专利技术提出了一种时间反演技术的雷达远场目标定位方法，旨在解决现有技术在多径效应下无法实现多个目标的选择性聚焦定位以及角度分辨率较低的问题。本发明专利技术的实现步骤为：生成传输矩阵；利用传输矩阵生成时间反演算子；获取阵列天线的反演激励；计算阵列天线的方向图；确定雷达目标相对于天线阵列的角度。本发明专利技术更为准确的得到多个雷达远场目标方位且在对多个目标定位时有更高的角度分辨率，实现了阵列天线对雷达远场目标定位的功能。

【技术实现步骤摘要】
基于时间反演技术的雷达远场目标定位方法
本专利技术属于雷达
，更进一步涉及雷达目标定位
中的一种基于时间反演技术的雷达远场目标定位方法。本专利技术利用时间反演技术确定雷达远场目标的方位并实现多个目标的选择性聚焦。
技术介绍
雷达远场目标定位的原理是利用电磁波在均匀介质中传播的直线性和雷达天线的方向性以及目标的雷达回波信号，实现对目标方位的测量。但是，在实际的目标探测过程中，由于传播背景媒质的不均匀性和复杂性，信号会沿着不同的路径到达接收阵列，这种现象称为多径效应。多径效应在雷达以及无线电通信中是一种常见的现象，在大多数雷达系统的设计中只是将多径散射看作是杂波噪声，从而使多径效应对雷达系统的分辨率以及定位目标的精度产生了不利的影响。在雷达探测系统中，目标的高分辨率是雷达系统所要求的重要性能参数，在复杂多径散射环境中良好的适应性和稳定性也是雷达系统所追求的重要目标，如何能在不改变实际雷达系统的情况下，实现对远场目标的准确定位是雷达信号处理的难点之一。西安电子科技大学在其申请的专利文献“基于多径利用的雷达目标定位方法”(申请号201710983123.5，申请公布号CN107918115A)中公开了一种雷达目标定位方法。该方法实现的步骤为：1)产生发射信号得到回波数据；2)对回波数据处理得到不同路径的波达时间；3)建立雷达目标几何定位模型；4)将得到的不同路径波达时间带入建立的几何定位模型中；5)初始化起始搜索点；6)将几何定位模型与起始搜索点输入到搜索函数lsqnonlin，利用搜索函数lsqnonlin，搜索得到准确的目标位置；7)将搜索得到目标位置扩展到三维空间，实现目标的定位。该方法存在的不足之处是，需要借助搜索函数搜索得到准确的目标位置，而在搜索过程中的运算量大，对硬件要求较高，且该方法没有解决在多个目标存在的情况下，各个目标的选择性聚焦定位问题，不适用于实际目标探测过程中雷达的多目标定位系统。MarijaM.Nikolic等人在其发表的论文“ExploitingMultipathfromAirbornePlatformsforDirectionofArrivalEstimation”(20093rdEuropeanConferenceonAntennasandPropagation(2009):3131-3135.)公开了一种利用机载平台的多径信号进行波达方向估计的方法。该方法在机载平台上安装天线阵列，利用接收到的多径信号构建目标函数，用最大似然估计法对目标函数进行未知参数估计，从而得到波达角度的估计值，并通过计算克拉美罗界来度量波达角度的估计精度。该方法的不足之处是，在对目标函数最小值进行求解时，需要求解的线性方程组数量较多，计算过程复杂，计算量大，且当存在多个目标时，该方法的角度分辨率较低，无法实现目标的准确定位。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出了一种基于时间反演技术的雷达远场目标定位方法，用于解决现有技术在多径效应下无法实现多个目标的选择性聚焦定位以及角度分辨率较低的问题。实现本专利技术目的的思路是，利用雷达回波信号生成的传输矩阵构建时间反演算子，将时间反演算子进行特征值分解，与主特征值对应的特征向量包含对应目标的方位信息，将与主特征值对应的特征向量作为阵列天线的一组反演激励可以实现多个目标中对单个目标的选择性聚焦定位。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案包括如下步骤：(1)生成传输矩阵：(1a)阵列天线中的每个单元通过傅里叶变换，将接收到的雷达远场目标的回波信号转换为频域信号，傅里叶变换是由下述公式实现的：其中，Sm(ω)表示阵列天线中的第m个单元对应的频域回波信号，ω表示频域回波信号的频率，t1表示接收到时域回波信号的初始时间，t2表示接收到时域回波信号的结束时间，sm(t)表示阵列天线中的第m个单元在t时间内接收的时域回波信号；(1b)将每个频域信号沿其频率轴进行离散化，得到每个天线单元的离散频域信号中的每个频点对应的幅值，将所有频点的幅值组成传输矩阵；(2)利用传输矩阵生成时间反演算子如下：T(ω)＝K(ω)KH(ω)其中，T(ω)表示时间反演算子，K(ω)表示传输矩阵，H表示共轭转置操作；(3)获取阵列天线的反演激励：(3a)利用T(ω)＝VΛV-1公式，对时间反演算子T(ω)进行特征值分解，其中，Λ表示包含M个非负实特征值对角矩阵，M表示阵列天线中天线单元的总数，V表示与Λ对应的特征向量矩阵，-1表示矩阵求逆操作；(3b)将M个非负实特征值进行从大到小排序，将特征值的数值比最小特征值的数值大至少一个数量级的所有特征值的显著的大特征值作为主特征值，将与每一个主特征值对应的特征向量作为阵列天线的一组反演激励；(4)计算阵列天线的方向图：按照下式，计算与主特征值对应的反演激励的阵列天线的方向图：其中，表示第i个主特征值对应的反演激励的阵列天线的方向图，θ表示阵列天线的俯仰角，其取值范围为[-90°，90°]，表示阵列天线的方位角，其取值范围为[0°,360°]，∑(·)表示求和操作，m表示阵列天线中天线单元的序号，取值范围为[1，2，，…，M]，表示阵列天线中第m个天线单元对应的反演激励的幅度，e(·)表示以自然常数e为底的指数操作，j表示虚数单位，k表示自由空间中的传播常数，其值为2π/λ，π表示圆周率，λ表示阵列天线的工作频率的波长，xm，ym和zm表示第m个天线单元在空间直角坐标系中对应的坐标值，cos(·)表示取余弦操作，sin(·)表示取正弦操作，表示与天线单元的几何形状和结构有关的天线单元的因子；(5)确定雷达目标相对于天线阵列的角度：将所有与主特征值对应的阵列天线的方向图中最大值所对应的角度作为雷达远场目标相对于天线阵列的角度。本专利技术与现有技术相比有以下优点：第一，由于本专利技术在计算雷达远场目标相对于阵列天线所在的方位时，利用雷达回波信号生成的传输矩阵构建时间反演算子，对时间反演算子进行特征分解，将分解得到与每一个主特征值对应的包含雷达目标角度信息的特征向量作为阵列天线的一组反演激励，可以实现对多个目标中的单个目标的选择性聚焦定位，解决了现有技术应用在多径效应下无法实现多个目标的选择性聚焦定位的问题，使得本专利技术具有更为准确的得到多个雷达远场目标方位的优点。第二，由于本专利技术在生成传输矩阵的过程中，只需利用接收到的雷达远场目标的回波信号，不需要其他关于目标的信息，所以减小了对硬件的要求，且流程简单，运算量小，容易实现，并且在对主特征值对应的单个目标进行定位的过程中不会影响对其他目标的定位，解决了现有技术在多目标存在的情况下，目标角度分辨率低的问题，使得本专利技术具有在对多个目标定位时有更高的角度分辨率的优点。附图说明图1是本专利技术的流程图；图2是本专利技术的仿真实验中将时间反演算子进行特征分解后特征值的分布图；图3是本专利技术的仿真实验中不同主特征值对应的阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时间反演技术的雷达远场目标定位方法，其特征在于，利用传输矩阵生成时间反演算子，利用时间反演算子进行特征值分解，将主特征值的数量作为目标数量，通过将与主特征值对应的特征向量作为阵列天线的反演激励实现对应目标的选择性定位；该方法步骤包括如下：/n(1)生成传输矩阵：/n(1a)阵列天线中的每个单元通过傅里叶变换，将接收到的雷达远场目标的回波信号转换为频域信号；/n(1b)将每个频域信号沿其频率轴进行离散化，得到每个天线单元的离散频域信号中的每个频点对应的幅值，将所有频点的幅值组成传输矩阵；/n(2)利用传输矩阵生成时间反演算子如下：/nT(ω)＝K(ω)K

【技术特征摘要】
1.一种基于时间反演技术的雷达远场目标定位方法，其特征在于，利用传输矩阵生成时间反演算子，利用时间反演算子进行特征值分解，将主特征值的数量作为目标数量，通过将与主特征值对应的特征向量作为阵列天线的反演激励实现对应目标的选择性定位；该方法步骤包括如下：
(1)生成传输矩阵：
(1a)阵列天线中的每个单元通过傅里叶变换，将接收到的雷达远场目标的回波信号转换为频域信号；
(1b)将每个频域信号沿其频率轴进行离散化，得到每个天线单元的离散频域信号中的每个频点对应的幅值，将所有频点的幅值组成传输矩阵；
(2)利用传输矩阵生成时间反演算子如下：
T(ω)＝K(ω)KH(ω)
其中，T(ω)表示时间反演算子，K(ω)表示传输矩阵，H表示共轭转置操作；
(3)获取阵列天线的反演激励：
(3a)利用T(ω)＝VΛV-1公式，对时间反演算子T(ω)进行特征值分解，其中，Λ表示包含M个非负实特征值对角矩阵，M表示阵列天线中天线单元的总数，V表示与Λ对应的特征向量矩阵，-1表示矩阵求逆操作；
(3b)将M个非负实特征值进行从大到小排序，将显著的大特征值作为主特征值，将与每一个主特征值对应的特征向量作为阵列天线的一组反演激励；
(4)计算阵列天线的方向图：
按照下式，计算与主特征值对应的反演激励的阵列天线的方向图：



其中，表示第i个主特征值对应的反演激励的阵列天线的方向图，θ表示阵列天线的俯仰角，其取值范围为[-90°，9...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵勋旺，柳灿，张玉，林中朝，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61