專利名稱：基于電磁矢量陣列的米波雷達(dá)角度估計(jì)方法
基于電磁矢量陣列的米波雷達(dá)角度估計(jì)方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種估計(jì)相干信號(hào)波達(dá)方向的方法，可用于米波雷達(dá)估計(jì)目標(biāo)的二維角度。
背景技術(shù)：
電磁矢量陣列是由電磁矢量陣元組成的陣列。一個(gè)完整的電磁矢量陣元由共點(diǎn)配置、極化方向相互正交的3個(gè)電偶極子和3個(gè)磁偶極子組成，它可以同時(shí)感應(yīng)入射電磁場的 3個(gè)電場瞬態(tài)分量和3個(gè)磁場瞬態(tài)分量。與傳統(tǒng)的標(biāo)量陣列相比，電磁矢量陣列能獲得入射信號(hào)更為細(xì)致的信息。
角度估計(jì)是米波雷達(dá)的一項(xiàng)基本功能。然而，當(dāng)探測低仰角目標(biāo)時(shí)，雷達(dá)波束打地，使得目標(biāo)的直達(dá)波和地(海)面反射的多徑反射波在天線波束主瓣內(nèi)疊加，這組強(qiáng)相關(guān)的信號(hào)同時(shí)被雷達(dá)天線接收，使得雷達(dá)角度估計(jì)系統(tǒng)不能正確的估計(jì)出目標(biāo)的角度。因此， 米波雷達(dá)角度估計(jì)的難點(diǎn)在于如何在相干信號(hào)存在的情況下估計(jì)目標(biāo)的角度。為了解決這個(gè)問題，趙永波等人在“雷達(dá)低角跟蹤環(huán)境下的最大似然波達(dá)方向估計(jì)方法，電子學(xué)報(bào)， 2004,32(9) :1520-1523”的文章中，提出了一種時(shí)空級(jí)聯(lián)最大似然算法，即先進(jìn)行多普勒頻率估計(jì)和濾波，然后再利用最大似然算法估計(jì)目標(biāo)的角度；吳向東等人在“一種基于線性預(yù)處理的米波雷達(dá)低仰角處理算法，電子學(xué)報(bào)，2006，34(9) :1668-1671”文章中，提出先對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行差分預(yù)處理，再通過多重信號(hào)分類MUSIC算法估計(jì)目標(biāo)的角度；劉俊等人在“米波雷達(dá)俯仰角和多徑衰減系數(shù)聯(lián)合估計(jì)算法，電子與信息學(xué)報(bào)，2011，33(1) :33-37”文章中，利用改進(jìn)的廣義MUSIC算法估計(jì)目標(biāo)的角度。以上三種現(xiàn)有技術(shù)都是基于標(biāo)量陣列的米波雷達(dá)角度估計(jì)方法，主要存在以下三方面的缺點(diǎn)
1.采用一維線性陣列只能估計(jì)一維角度，當(dāng)同時(shí)估計(jì)二維角度時(shí)需要采用二維平面陣列，增加了陣列所占的體積；
2.為了避免角度模糊要求陣元間距必須小于或等于半個(gè)波長，當(dāng)陣列孔徑越大， 所需的陣元數(shù)就越多，系統(tǒng)復(fù)雜度就越高；
3.由于都需要角度搜索，搜索精度要求越高，運(yùn)算量就越大。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有方法的缺點(diǎn)，提供一種基于電磁矢量陣列的米波雷達(dá)角度估計(jì)方法，以在米波雷達(dá)中用一維線性陣列估計(jì)目標(biāo)的二維角度，提高搜索精度，并減小運(yùn)算量，便于米波雷達(dá)角度估計(jì)系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是(1)采用電磁矢量陣列接收雷達(dá)回波，并將其混頻到基帶進(jìn)行離散采樣；(2)利用離散采樣的數(shù)據(jù)構(gòu)造一個(gè)二階統(tǒng)計(jì)矩陣； (3)對二階統(tǒng)計(jì)矩陣進(jìn)行奇異值分解，得到左信號(hào)特征矩陣；(4)利用左信號(hào)特征矩陣構(gòu)造一個(gè)矩陣束；( 對矩陣束進(jìn)行廣義特征值分解，得到廣義特征向量矩陣、廣義特征值矩陣和廣義特征值；(6)利用矩陣束、廣義特征向量矩陣和廣義特征值矩陣計(jì)算回波信號(hào)的坡4印廷矢量；(7)根據(jù)得到的廣義特征值和回波信號(hào)的坡印廷矢量計(jì)算目標(biāo)的二維角度。具體實(shí)現(xiàn)步驟包括如下
1)采用電磁矢量陣列接收雷達(dá)回波，并將其混頻到基帶進(jìn)行離散采樣；
2)利用離散采樣的數(shù)據(jù)構(gòu)造一個(gè)二階統(tǒng)計(jì)矩陣J
J = E fj/ikWMk)_ I=I_
其中，Ε[·]表示求期望，自由參數(shù)L是一個(gè)正整數(shù)并滿足2《丄《^^，6M是電磁矢量陣列的陣元數(shù)目，YXk) = [^t (k), Xll (幻,…,xl_L+l (幻]τ稱為前矩陣，權(quán)幻=[式 ,J^1(A),···,Xi^w㈨]τ稱為后矩陣，(· ”表示矩陣轉(zhuǎn)置，(·)Η表示矩陣共軛轉(zhuǎn)置，k表示第k個(gè)離散點(diǎn)，Xffl(k)表示第m個(gè)電磁矢量陣元在第k個(gè)離散采樣點(diǎn)處的采樣值，m = 1、1+1、…、M-L+1 ；
3)對二階統(tǒng)計(jì)矩陣J進(jìn)行奇異值分解，得到分解后的二階統(tǒng)計(jì)矩陣
=+UnInV^
其中，Σ s由J中兩個(gè)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(gè)最大的大奇異值所對應(yīng)的左奇異向量組成，稱為左信號(hào)特征矩陣；vs由J中兩個(gè)最大的奇異值所對應(yīng)的右奇異向量組成，稱為右信號(hào)特征矩陣；un由J中其他小奇異值所對應(yīng)的左奇異向量組成，稱為左噪聲特征矩陣；vn由J中其他小奇異值所對應(yīng)的右奇異向量組成，稱為右噪聲特征矩陣；
4)用左信號(hào)特征矩陣Us構(gòu)造一個(gè)矩陣束{Usl，UsJ，即將左信號(hào)特征矩陣Us的最后6行元素去掉后形成矩陣束左矩陣Usl，將左信號(hào)特征矩陣Us的前6行元素去掉后形成矩陣束右矩陣Us2;
5)對矩陣束{Usl，Us2}進(jìn)行廣義特征值分解，得到廣義特征向量矩陣Q和廣義特征值矩陣Φ，取廣義特征值矩陣Φ對角線上的最大值^和次大值β 2，并將該最大值^和次大值β 2作為矩陣束{Usl，UsJ的廣義特征值；
6)利用矩陣束{Usl，、廣義特征向量矩陣Q和廣義特征值矩陣Φ計(jì)算回波信號(hào)的坡印廷矢量
(6a)令導(dǎo)向矢量矩陣巧+Us2Q^1)；
(6b)將導(dǎo)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(gè)6X2維的單位導(dǎo)向矢量矩陣A ；
(6c)對單位導(dǎo)向矢量矩陣A中每一列的前三行和后三行進(jìn)行矢量叉乘，得到回波信號(hào)的兩個(gè)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(hào)的兩個(gè)坡印廷矢量在X軸上的投影值，V'工和^' 2分別為回波信號(hào)的兩個(gè)坡印廷矢量在y坐標(biāo)軸上的投影值，W'工和^ 2分別為回波信號(hào)的兩個(gè)坡印廷矢量在Z 坐標(biāo)軸上的投影值；
7)根據(jù)得到的廣義特征值和回波信號(hào)的坡印廷矢量計(jì)算目標(biāo)的二維角度
(7a)由廣義特征值βρ計(jì)算得到模糊的方向余弦< =-〃ai"g(/^，p = 1>2, λ為雷達(dá)載波波長，Δζ為陣元間距，arg( ·)表示取復(fù)數(shù)的相位值；再結(jié)合回波信號(hào)的坡印廷矢量在ζ坐標(biāo)軸上的投影值W' p估計(jì)精確的無模糊的方向余弦Ai ；
(7b)由精確的無模糊的方向余弦<估計(jì)回波信號(hào)的仰角必sarccospj，尸=1、 2, arccos( ·)表示取反余弦；
(7c)利用回波信號(hào)的仰角計(jì)算目標(biāo)的仰角θ d = min( θ ” θ 2);
(7d)由回波信號(hào)的兩個(gè)坡印廷矢量[u' 1； ν' 1； w' Jt和[u' 2, ν' 2, w' 2]τ 計(jì)算回波信號(hào)的方位角A = arg(^+jv；)，ρ = 1、2 ；
(7e)利用回波信號(hào)的方位角計(jì)算目標(biāo)的方位角氣^^。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)
1.本發(fā)明采用電磁矢量陣列作為米波雷達(dá)的接收天線，僅用一維線性陣列就可估計(jì)二維角度，而采用標(biāo)量陣列的常規(guī)接收天線需要二維平面陣才能估計(jì)二維角度。
2.本發(fā)明采用電磁矢量陣列作為米波雷達(dá)的接收天線，為了提高角度估計(jì)精度， 可以加大陣元間距來增加陣列孔徑，然后通過估計(jì)回波信號(hào)的坡印廷矢量來解角度模糊。 當(dāng)陣元間距大于半波長時(shí)，如果采用標(biāo)量陣列將會(huì)出現(xiàn)測角模糊，只能通過增加陣元數(shù)目來解決，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。
3.本發(fā)明不通過構(gòu)造空間譜函數(shù)進(jìn)行角度搜索獲得目標(biāo)的角度，而是針對均勻線陣的陣元等間隔分布的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過構(gòu)造矩陣束，進(jìn)而得到目標(biāo)二維角度的解析解，免去了角度搜索帶來的巨大運(yùn)算量。
理論分析和仿真結(jié)果表明，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，在采用一維線性陣列的情況下，能夠估計(jì)二維角度，陣元間距可以大于半波長，不需要角度搜索，運(yùn)算量小，易于工程實(shí)現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明使用的米波雷達(dá)目標(biāo)回波的多徑幾何模型；
圖2是本發(fā)明使用的角度坐標(biāo)系；
圖3是本發(fā)明的實(shí)施流程圖4是用本發(fā)明方法得到的目標(biāo)方位角估計(jì)均方根誤差隨信噪比變化圖5是用本發(fā)明方法得到的目標(biāo)仰角估計(jì)均方根誤差隨信噪比變化圖。
具體實(shí)施方式
參照圖1，本發(fā)明使用的雷達(dá)目標(biāo)回波的多徑幾何模型，包括一個(gè)垂直放置的電磁矢量陣列和一個(gè)高度為ht的目標(biāo)，其中，電磁矢量陣列作為雷達(dá)的接收天線，天線的電磁矢量陣列的陣元數(shù)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(biāo)與雷達(dá)的直線距離為Rd，目標(biāo)回波經(jīng)過地(海)面反射后到達(dá)雷達(dá)的距離為Rs。
參照圖2，本發(fā)明使用的角度坐標(biāo)中目標(biāo)的仰角為9d，多徑反射波仰角為es，目標(biāo)的方位角和多徑反射波方位角相同均為％。
參照圖3，本發(fā)明結(jié)合圖1的多徑幾何模型和圖2的角度坐標(biāo)系進(jìn)行米波雷達(dá)目標(biāo)角度估計(jì)的具體步驟如下
步驟1，通過電磁矢量陣列接收雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，并將其混頻到基帶進(jìn)行離散采樣
(Ia)采用電磁矢量陣列接收雷達(dá)回波數(shù)據(jù)；
(Ib)將雷達(dá)回波信號(hào)混頻到基帶；
(Ic)對混頻到基帶后的數(shù)據(jù)進(jìn)行離散采樣，使在第m個(gè)電磁矢量陣元處理得到的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)為
權(quán)利要求
1. 一種基于電磁矢量陣列的米波雷達(dá)角度估計(jì)方法，包括如下步驟1)采用電磁矢量陣列接收雷達(dá)回波，并將其混頻到基帶進(jìn)行離散采樣；2)利用離散采樣的數(shù)據(jù)構(gòu)造一個(gè)二階統(tǒng)計(jì)矩陣J/ = E ⑷ If ㈨_ I=I_其中，Ε[·]表示求期望，自由參數(shù)L是一個(gè)正整數(shù)并滿足2《K·^^，M是6電磁矢量陣列的陣元數(shù)目，Ym = [x](k), Xll(U),-, xl_L+l(k)]τ稱為前矩陣，權(quán)幻二^^⑷，^^⑷，…，^^…㈨^稱為后矩陣，(· ”表示矩陣轉(zhuǎn)置，(·)Η表示矩陣共軛轉(zhuǎn)置，k表示第k個(gè)離散點(diǎn)，Xffl(k)表示第m個(gè)電磁矢量陣元在第k個(gè)離散采樣點(diǎn)處的采樣值，m = 1、1+1、…、M-L+1 ；3)對二階統(tǒng)計(jì)矩陣J進(jìn)行奇異值分解，得到左信號(hào)特征矩陣Us；4)用左信號(hào)特征矩陣Us構(gòu)造一個(gè)矩陣束{Usl，Us2}，即將左信號(hào)特征矩陣隊(duì)的最后6行元素去掉后形成矩陣束左矩陣Usl，將左信號(hào)特征矩陣Us的前6行元素去掉后形成矩陣束右矩陣Us2 ；5)對矩陣束{Usl，Us2}進(jìn)行廣義特征值分解，得到廣義特征向量矩陣Q和廣義特征值矩陣Φ，取廣義特征值矩陣Φ對角線上的最大值^和次大值β 2，并將該最大值^和次大值β 2作為矩陣束{Usl，UsJ的廣義特征值；6)利用矩陣束{Usl，、廣義特征向量矩陣Q和廣義特征值矩陣Φ計(jì)算回波信號(hào)的坡印廷矢量(6a)令導(dǎo)向矢量矩陣巧+Us2Q^')；(6b)將導(dǎo)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(gè)6X2維的單位導(dǎo)向矢量矩陣A ；(6c)對單位導(dǎo)向矢量矩陣A中每一列的前三行和后三行進(jìn)行矢量叉乘，得到回波信號(hào)的兩個(gè)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(hào)的兩個(gè)坡印廷矢量在χ軸上的投影值，ν'工和^ 2分別為回波信號(hào)的兩個(gè)坡印廷矢量在y坐標(biāo)軸上的投影值，w'工和W' 2分別為回波信號(hào)的兩個(gè)坡印廷矢量在ζ坐標(biāo)軸上的投影值；7)根據(jù)得到的廣義特征值和回波信號(hào)的坡印廷矢量計(jì)算目標(biāo)的二維角度(7a)由廣義特征值βρ計(jì)算得到模糊的方向余弦<=-Aafg(/g，p=丨、2，λ為雷達(dá)載波波長，Δζ為陣元間距，arg( ·)表示取復(fù)數(shù)的相位值；再結(jié)合回波信號(hào)的坡印廷矢量在ζ坐標(biāo)軸上的投影值W' p估計(jì)精確的無模糊的方向余弦Ai ；(7b)由精確的無模糊的方向余弦！^古計(jì)回波信號(hào)的仰角必irccc^thp = 1、2， arccos( ·)表示取反余弦；(7c)利用回波信號(hào)的仰角計(jì)算目標(biāo)的仰角θ d = min( θ ” θ 2);(7d)由回波信號(hào)的兩個(gè)坡印廷矢量[u' 1； ν' 1 w' Jt和[u' 2, ν' 2,w' 2]τ計(jì)算回波信號(hào)的方位角A sargi^+jv〗)，p = 1、2 ；(7e)利用回波信號(hào)的方位角計(jì)算目標(biāo)的方位角A:^^。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電磁矢量陣列的米波雷達(dá)角度估計(jì)方法，其特征在于， 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(gè)均勻線性陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電磁矢量陣列的米波雷達(dá)角度估計(jì)方法，其特征在于， 步驟3)所述的二階統(tǒng)計(jì)矩陣J的奇異值分解，利用如下公式進(jìn)行J'= UsIX+UnZnV^其中，J'表示二階統(tǒng)計(jì)矩陣J奇異值分解后的二階統(tǒng)計(jì)矩陣，Σ s由J中兩個(gè)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(duì)由J中兩個(gè)最大的大奇異值所對應(yīng)的左奇異向量組成，稱為左信號(hào)特征矩陣 ’\由J中兩個(gè)最大的奇異值所對應(yīng)的右奇異向量組成，稱為右信號(hào)特征矩陣；Un由J 中其他小奇異值所對應(yīng)的左奇異向量組成，稱為左噪聲特征矩陣·Χ由J中其他小奇異值所對應(yīng)的右奇異向量組成，稱為右噪聲特征矩陣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于電磁矢量陣列的米波雷達(dá)角度估計(jì)方法。其實(shí)現(xiàn)步驟是(1)采用電磁矢量陣列接收雷達(dá)回波，并將其混頻到基帶進(jìn)行離散采樣；(2)利用離散采樣的數(shù)據(jù)構(gòu)造二階統(tǒng)計(jì)矩陣；(3)對二階統(tǒng)計(jì)矩陣進(jìn)行奇異值分解，得到左信號(hào)特征矩陣；(4)利用左信號(hào)特征矩陣構(gòu)造矩陣束；(5)對矩陣束進(jìn)行廣義特征值分解，得到廣義特征向量矩陣、廣義特征值矩陣和廣義特征值，并用這些參數(shù)計(jì)算回波信號(hào)的坡印廷矢量；(6)根據(jù)得到的廣義特征值和回波信號(hào)的坡印廷矢量計(jì)算出目標(biāo)的二維角度。本發(fā)明在采用一維線性陣列的情況下，能夠估計(jì)二維角度，陣元間距可以大于半波長，運(yùn)算量小，易于工程實(shí)現(xiàn)，可用于米波雷達(dá)對目標(biāo)二維角度的估計(jì)。
文檔編號(hào)G01S7/41GK102520399SQ20121000046
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月2日
發(fā)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(xué)