基于阵元回波能量匹配的导向矢量重构超分辨测角方法技术

本发明专利技术公开了基于阵元回波能量匹配的导向矢量重构超分辨测角方法，主要解决合成导向矢量超分辨测角算法在测角模型与实际回波模型失配时导致的测角失效问题，包括：根据目标的仰角初始估值，计算各阵元能量分布的仿真目标高度范围；根据雷达参数，结合低空多径反射模型，对每个阵元单独建模，利用各阵元的直达波信号、反射波信号和复反射系数，得到各阵元的能量分布仿真数据；对雷达各通道数据进行信号处理得到各通道能量，计算各通道能量与能量分布仿真数据的皮尔逊相关系数，再根据皮尔逊相关系数得到测角的搜索范围和重构导向矢量；最后对重构导向矢量的投影矩阵与回波数据的协方差矩阵的乘积进行谱峰搜索，谱峰对应仰角为目标的测角结果。为目标的测角结果。为目标的测角结果。

【技术实现步骤摘要】
基于阵元回波能量匹配的导向矢量重构超分辨测角方法


[0001]本专利技术属于雷达信号处理


技术介绍

[0002]雷达在执行低空探测任务时，多径效应会恶化低角目标的跟踪性能。雷达多径效应是指当雷达跟踪低仰角目标时，因为地面或海面对电磁波的反射和散射作用，目标回波会通过多条路径到达雷达接收天线，这些多径回波将在雷达接收机中矢量叠加产生干涉，使雷达接收到的信号的幅度和相位产生畸变，难以稳定地跟踪目标。
[0003]传统比幅/比相单脉冲测角算法受到瑞利限的约束，不能分辨出位于一个波束宽度内的多个目标，对低仰角目标的测高性能很差。基于合成导向矢量(SVML)的超分辨测角方法能够突破瑞利限的约束，该方法充分利用目标、雷达、反射面三者的空间关系、复反射系数和波程差的先验信息，能够实现低角目标的仰角估计，但是测角稳定性一般。但是该方法将雷达和目标均看作是点模型，每个阵元的反射点的空间位置、反射波与直达波的路程差和复反射系数都是相同的，实际电磁波传输过程中，由于每个阵元的高度不同，每个阵元的反射点也不同，从而反射波的角度、反射波与直达波的路程差和复反射系数也不同，所以采用基于SVML的超分辨测角方法由于模型不准确，导致测角的稳定性不高。

技术实现思路

[0004]针对传统SVML算法由于建模不准确导致测角失效的问题，本专利技术提出基于阵元回波能量匹配的导向矢量重构超分辨测角方法，首先利用回波中频数据，计算各阵元能量分布的仿真目标高度范围；然后根据雷达参数，采用低空多径反射模型，对每个阵元单独建模，计算每个阵元的入射角、反射角和复反射系数，得到每个阵元的能量分布仿真数据；再对雷达各通道数据进行信号处理得到各通道能量，计算各通道能量与能量分布仿真数据的皮尔逊相关系数，根据皮尔逊相关系数得到超分辨测角的搜索范围和重构导向矢量；最后对重构导向矢量的投影矩阵与回波数据的协方差矩阵的乘积进行谱峰搜索，得到目标的测角结果。
[0005]本专利技术采用以下技术方案实现：
[0006]步骤一：从雷达回波中提取目标回波中频数据S，经过数字波束合成处理得到M个波束合成数据D，根据波束形成的输出数据D，采用3波束比幅测角方法得到目标初始仰角估值θ
p
，根据θ
p
计算各阵元能量分布仿真的仰角范围θ
s
，再根据θ
s
计算仿真的目标高度范围h
ts
；
[0007]步骤二：根据雷达的工作频率f、雷达架高h
r
、雷达面阵中心h
rc
，目标的航迹距离R
t
和目标仿真高度范围h
ts
，采用低空多径反射模型，对每个阵元单独建立直达波和反射波的导向矢量模型，根据h
r
、h
rc
及阵元的空间坐标位置分别计算每个阵元的高度h
a
，再计算每个阵元在不同仿真高度对应的入射角θ
d
、反射角θ
i
以及复反射系数ρ，对每个阵元接收的直达波信号A
d
和反射波信号与复反射系数的乘积ρ*A
i
进行矢量相加，得到每个阵元在不同目标
高度条件下的能量分布仿真数据A
s
；
[0008]步骤三：对雷达脉组内的各阵元的全部脉冲进行脉冲压缩、求模和非相参积累处理得到各阵元能量，利用各阵元能量A
m
与能量分布仿真数据A
s
计算皮尔逊相关系数r；
[0009]步骤四：搜索皮尔逊系数r中K个极大值r
P
及其索引序号P，利用r
P
的平均值r
pm
和索引序号P，得到超分辨测角的搜索范围θ
t
和搜索导向矢量A
r
；
[0010]步骤五：计算搜索导向矢量A
r
的投影矩阵和回波数据S的协方差矩阵R
ss
，在θ
t
范围内对进行谱峰搜索，谱峰对应仰角为目标的测角结果。
[0011]进一步的，所述步骤一中各阵元能量分布仿真的仰角范围θ
s
和仿真高度范围h
ts
的计算公式分别为：
[0012][0013]h
ts
(j)＝R
t
*sin(θ
s
(j)*180/π)+h
rc
,j＝1
…
L；
[0014]h
rc
＝h
r
+0.5*(N
‑
1)*d；
[0015]其中，θ
3dB
代表雷达面阵3dB仰角波束宽度，L为θ
s
向量中元素的个数，θ
step
代表仰角步进，取θ
step
＝0.1，θ
s
、θ
3dB
和θ
step
的单位均为度。
[0016]进一步的，所述步骤二中目标仿真高度为h
ts
(j)时，第i个阵元的能量分布A
s
(i,j)计算公式为：
[0017][0018]其中，A
d
(i,j)、A
i
(i,j)和ρ(i,j)分别为目标仿真高度为h
ts
(j)时，第i个阵元的直达波导向矢量、反射波导向矢量和复反射系数；|
·
|表示求模符号，A
s
(i,j)的维度是N
×
L。
[0019]进一步的，所述步骤三中皮尔逊相关系数r(j)的计算公式为：
[0020][0021]其中，A
m
为雷达回波数据S做脉冲压缩、求模和非相参积累处理输出数据，A
s
(:,j)为目标仿真高度h
ts
(j)条件下，N个阵元的能量分布；为Cov(
·
)表示协方差函数，σ(
·
)表示标准差函数。
[0022]进一步的，统计皮尔逊相关系数r中K个极大值r
P
及其对应的角度P，K的计算公式为：其中，符号为向下取整函数；计算皮尔逊相关系数r中K个极大值的平均值超分辨测角范围θ
t
的计算公式为：
[0023][0024]超分辨测角搜索的重构导向矢量A
r
的计算公式为：
[0025][0026]本专利技术先根据目标回波的仰角初始估值和雷达参数得到每个阵元的仿真能量分布结果，通过回波各通道能量与仿真能量分布的皮尔逊相关系数确定超分辨测角范围和重构导向矢量，最后对重构导向矢量的投影矩阵与回波数据的协方差矩阵的乘积进行谱峰搜索，得到目标的测角结果。本专利技术能够解决传统SVML的超分辨测角算法在测角模型与实际回波模型失配时导致的测角失效问题。
附图说明
[0027]图1是本专利技术基于阵元本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于阵元回波能量匹配的导向矢量重构超分辨测角方法，其特征在于：步骤一：从雷达回波中提取目标回波中频数据S，经过数字波束合成处理得到M个波束合成数据D，根据波束形成的输出数据D，采用3波束比幅测角方法得到目标初始仰角估值θ
p
，根据θ
p
计算各阵元能量分布仿真的仰角范围θ
s
，再根据θ
s
计算仿真的目标高度范围h
ts
；步骤二：根据雷达的工作频率f、雷达架高h
r
、雷达面阵中心h
rc
，目标的航迹距离R
t
和目标仿真高度范围h
ts
，采用低空多径反射模型，对每个阵元单独建立直达波和反射波的导向矢量模型，根据h
r
、h
rc
及阵元的空间坐标位置分别计算每个阵元的高度h
a
，再计算每个阵元在不同仿真高度对应的入射角θ
d
、反射角θ
i
以及复反射系数ρ，对每个阵元接收的直达波信号A
d
和反射波信号与复反射系数的乘积ρ*A
i
进行矢量相加，得到每个阵元在不同目标高度条件下的能量分布仿真数据A
s
；步骤三：对雷达脉组内的各阵元的全部脉冲进行脉冲压缩、求模和非相参积累处理得到各阵元能量，利用各阵元能量A
m
与能量分布仿真数据A
s
计算皮尔逊相关系数r；步骤四：搜索皮尔逊系数r中K个极大值r
P
及其索引序号P，利用r
P
的平均值r
pm
和索引序号P，得到超分辨测角的搜索范围θ
t
和搜索导向矢量A
r
；步骤五：计算搜索导向矢量A
r
的投影矩阵和回波数据S的协方差矩阵R
ss
，在θ
t
范围内对进行谱峰搜索，谱峰对应仰角为目标的测角结果。2.根据权利要求1所述的基于阵元回波能量匹配的导向矢量重构超分辨测角方法，其特征在于：所述步骤一中各阵元能量分布仿真的仰角范围θ
s
和仿真高度范围h
ts
的计算公式分...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨光，孟凡，潘瑞云，李靖舒，卢昌伟，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七二四研究所，
类型：发明
国别省市：