CN101887120B - 一种用于单波束机械扫描雷达测量目标方位角的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于单波束机械扫描雷达测量目标方位角的方法，它涉及雷达、通讯技术领域，它解决了现有的单波束机械扫描雷达测角精度不高及运算量大的问题。本发明首先利用单波束机械扫描雷达获取回波信号，然后对所获得的回波信号进行相参积累以获得较高的信号检测信噪比，在检测到目标信息后取方位角间隔为雷达天线主瓣宽度的任意两个回波脉冲作为单脉冲技术测角所需的两个波束，再计算所述两个方位角上目标的二维像和信号强度和差信号强度，进而计算和差比值k，从而获得目标误差偏角δθ，则目标方位角θ_T＝θ_i+θ_k+δθ。本发明适用于雷达测角。

Description

一种用于单波束机械扫描雷达测量目标方位角的方法

技术领域

本发明涉及雷达、通讯技术领域，具体涉及一种用于单波束机械扫描雷达测量目标方位角的方法。

背景技术

单波束机械扫描雷达往往用于新体制成像雷达逆合成孔径雷达(ISAR)的探测通道、搜索雷达以及环视雷达中，其传统测角方法采用振幅法，包括最大信号法，过门限检测法等。最大信号法就是逐一比较回波强度，取其中幅度最大值为方位估计中心，该方法实现简单，但由于波束最大值附近平坦测角精度也会降低，同时逐一比较也使得计算量显著增加；过门限检测法是最大信号法用于自动测角时的一种实现方法，其基本思路是利用天线的对称性，以回波信号高于和低于检测门限时两个方位的平均值作为方位估计中心，同样存在计算量大的缺点，同时噪声的随机性对检测点也有较大影响。

现代雷达系统中，特别是ISAR探测通道模式下，精确的方位信息将有助于成像模式下的天线的快速定位，数据段的快速选取，减少无目标时段的冗余数据，以提高数据处理的实时性。对后期的目标跟踪，航迹外推都是至关重要的。但传统单波束机械扫描雷达测角精度却一直得不到提高，现代信号处理采用正交双通道处理，经相参积累后能得到高信噪比回波，使得具有较高测角精度的单脉冲法在搜索探测雷达中的应用成为可能。

单脉冲技术采用的是同时波瓣法，其最显著的优点是其测角精度高，目前广泛应用于相控阵雷达，以及现代精密跟踪雷达。对于单波束机械扫描雷达，单脉冲技术并不能直接应用，需要适当的改进。

发明内容

为了解决现有的单波束机械扫描雷达测角精度不高及运算量大的问题，本发明提供了一种用于单波束机械扫描雷达测量目标方位角的方法。

本发明的一种用于单波束机械扫描雷达测量目标方位角的方法，它包括如下步骤：

步骤一：利用单波束机械扫描雷达获取回波信号，进而进行目标检测；

步骤二：在检测到有目标存在的方位角范围内，取方位角间隔为雷达天线主瓣宽度2θ_k的任意两个回波脉冲作为单脉冲技术测角所需的两个波束；

步骤三：分别以步骤二中所取的两个方位上的回波脉冲为中心，并分别与所取的每个回波脉冲相邻的P个脉冲进行相参积累，并定义其中一个回波脉冲脉冲所在的方位值为θ_i，另一个回波脉冲所在的方位值为θ_i+2θ_k，然后获取方位值为θ_i时所探测的目标的二维像回波强度F(θ_i)和方位值为θ_i+2θ_k时所探测的目标的二维像回波强度F(θ_i+2θ_k)，其中，P为自然数；

步骤四：根据所获得的两个方位角上目标的二维像回波强度计算所述两个方位角上目标的和信号强度F_Σ(θ)＝F(θ_i)+F(θ_i+2θ_k)、差信号强度F_Δ(θ)＝F(θ_i)-F(θ_i+2θ_k)以及和差比值

步骤五：利用查表法查找和差比值k所对应的误差偏角δθ，获取目标方位角θ_T＝θ_i+θ_k+δθ。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种基于单脉冲技术的用于单波束机械扫描雷达测角的新方法；本发明引入了单脉冲技术，提高了测量精度；本发明可以从检测到目标的多个波束中，任意选取两个相隔2θ_k的波束即可构成单脉冲测角所需要的两个波束，使得测角时处理更加灵活，并通过查表即可获取两个波束相应的方位角，而不需要像最大信号法和门限检测法那样逐一比较回波强度，获取最大值，或者出现低于门限的值才能确定方位，使得计算量小；本发明避免了最大信号法测角时由于目标起伏变化等因素可能会导致的方向图顶部失真，而造成测量值偏离实际方位而产生测角误差的情况，利用单脉冲技术测角具有较好的稳定性。

附图说明

图1是本发明的一种用于单波束机械扫描雷达测量目标方位角的方法流程图；图2是同时波瓣法单脉冲技术原理示意图；图3是单波束机械扫描雷达的工作过程示意图；图4是天线方向图以高斯近似时相隔2θ_k的两个波束的信号强度示意图；图5是天线方向图以高斯近似时两个波束的和信号强度示意图，图6是天线方向图以高斯近似时两个波束的差信号强度示意图；图7是天线方向图以高斯近似时两个波束的和差比值k的数值示意图；图8是本发明测角与传统方法测角精度的比较示意图，其中，I表示过门限检测法测角结果曲线，II表示本发明的单脉冲技术测角结果曲线，III表示最大信号法测角结果曲线；图9是顶部有失真的实测数据与波束高斯近似数据相比较的天线方向图，其中，IV表示波束顶部有失真的实测数据结果曲线，所述曲线IV的信号强度最大值位置X(137.6426，1)，V表示波束高斯近似数据结果曲线，所述曲线V的信号强度最大值位置Y(137.7634，1)。

具体实施方式

具体实施方式一：根据说明书附图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于单波束机械扫描雷达测量目标方位角的方法，它包括如下步骤：

步骤一：利用单波束机械扫描雷达获取回波信号，进而进行目标检测；

步骤二：在检测到有目标存在的方位角范围内，取方位角间隔为雷达天线主瓣宽度2θ_k的任意两个回波脉冲作为单脉冲技术测角所需的两个波束；

步骤三：分别以步骤二中所取的两个方位上的回波脉冲为中心，并分别与所取的每个回波脉冲相邻的P个脉冲进行相参积累，并定义其中一个回波脉冲脉冲所在的方位值为θ_i，另一个回波脉冲所在的方位值为θ_i+2θ_k，然后获取方位值为θ_i时所探测的目标的二维像回波强度F(θ_i)和方位值为θ_i+2θ_k时所探测的目标的二维像回波强度F(θ_i+2θ_k)，其中，P为自然数；

步骤四：根据所获得的两个方位角上目标的二维像回波强度计算所述两个方位角上目标的和信号强度F_Σ(θ)＝F(θ_i)+F(θ_i+2θ_k)、差信号强度F_Δ(θ)＝F(θ_i)-F(θ_i+2θ_k)以及和差比值

步骤五：利用查表法查找和差比值k所对应的误差偏角δθ，获取目标方位角θ_T＝θ_i+θ_k+δθ。

具体实施方式二：，本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，具体实施方式一中在步骤二中，雷达天线为接收天线，所述雷达天线主瓣宽度2θ_k＝θ_0.5，其中，θ_0.5为单程时天线半功率点主瓣宽度。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，具体实施方式一中在步骤二中，雷达天线为收发共用天线，所述雷达天线主瓣宽度

其中，θ_0.5为单程时天线半功率点主瓣宽度。

本实施方式的实现方案是基于单脉冲技术提出的，利用相参积累可以获得较高的信噪比，以方便检测目标信息。图2是同时波瓣法单脉冲技术原理示意图，其采用的是两个相同的且彼此部分重叠的波束，其中，OA为等信号轴，对应方位角为θ₀，OB和OC分别为两波束的天线轴线，它们与等信号轴OA之间的夹角均为θ_k。目标所对应的方位角度为θ_t。发射信号和回波信号同时受两波瓣调制，当目标出现在OA方向时，回波信号强度相等；当目标偏离OA方向，将产生一个误差偏离角度，再根据OA的方位角获得目标所在方位角。提取误差偏角δθ的方法采用和差比幅法。

和差比值

可以近似成误差偏角的线性函数

$\frac{F_{\mathrm{\Δ}}\left(\mathrm{\θ}\right)}{F_{\mathrm{\Σ}}\left(\mathrm{\θ}\right)}=\mathrm{l\δ\θ}---\left(1\right)$

其中，δθ＝θ_t-θ₀为误差偏角；l为比例系数，当θδ很小时，

F(θ)为天线方向图近似函数。

图3是单波束机械扫描雷达的工作原理示意图，假设目标为T，以角速度ω环扫，设波束旋转到方位角为θ_i时检测到目标，由于目标的低速，天线转速慢，经过N次步进天线旋转到方位角为θ_i+N处，离开目标T。其间的每次天线步进后的天线所处位置的方位角记为θ_i+1，θ_i+2，…，θ_i+N，不同位置间的夹角表示为

针对本实施方式，对提高测量精度进行理论分析：

雷达的最高测量精度(无偏有效估值器的最小估计方差)由Cramer-Rao界限决定，假设单个目标存在时，雷达在感兴趣的时间内对方位进行参数估值。当估值器的形式是观测回波的线性函数时，其估计方差为最小。根据雷达假设条件及天线方向图调制特性下的相关推导，Cramer-Rao准则可写为

${\mathrm{\σ}}_{\widehat{\mathrm{\θ}}}^2\≥\frac{1}{\left({2/N}_0\right)K^2\mathrm{NE}}=\frac{1}{K^2\mathrm{NR}}={\mathrm{\σ}}_{\widehat{\mathrm{\θ}}\min }^2---\left(2\right)$

其中，E表示回波信号能量，

定义为白噪声下匹配滤波的输出信噪比，

定义为差斜率。式(2)

表明，方位估计的精度由回波信号信噪比和天线差斜率决定。回波信号的信噪比可以通过相参积累实现，天线差斜率往往由天线本身决定，对于同时波瓣法，天线差斜率还与θ_k有关，θ_k要兼顾测角精度以及信噪比，因为θ_k越大，天线差斜率越大，精度越高，但是在发射功率相同的情况下，回波信噪比会有所下降。下面先分析在保证最大天线差斜率时θ_k的取值。

天线方向图采用高斯函数近似，考虑收发双程，天线的归一化方向性函数写为

$F\left(\mathrm{\θ}\right)=e^{-2.78\frac{{\mathrm{\θ}}^2}{{\mathrm{\θ}}_{0.5}^2}}---\left(3\right)$

其中，θ_0.5为单程时天线主瓣宽度，则双程时主瓣宽度为为保证最大天线差斜率，要求和波束信号强度F_Σ(θ)在θ＝θ₀处取得极大值，即需要满足 ${F_{\mathrm{\&Sigma;}}}^{\&prime;}\left(\mathrm{\&theta;}\right){|}_{\mathrm{\&theta;}={\mathrm{\&theta;}}_0}=0,{F_{\mathrm{\&Sigma;}}}^{\&prime;\&prime;}\left(\mathrm{\&theta;}\right){|}_{\mathrm{\&theta;}={\mathrm{\&theta;}}_0}<0,$ 此条件下求 $K_{\max }=F_{\mathrm{\&Delta;}}^{\&prime;}\left(\mathrm{\&theta;}\right){|}_{\mathrm{\&theta;}={\mathrm{\&theta;}}_0}$ 时θ_k的取值，有

${2\mathrm{\&theta;}}_k=\sqrt{\frac{{2\mathrm{\&theta;}}_{0.5}^2}{2.78}}\&ap;1.195\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{0.5}}{\sqrt{2}}=1.195{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{dual}0.5}---\left(4\right)$

式(4) 表明，天线在收发双程的情况下，两波束之间的夹角为双程波束宽度的1.2倍时天线差斜率取最大值，具有最大测角精度，此时功率衰减约为-4.43dB。

上述实现方案中综合考虑取2θ_k＝θ_0.5，兼顾了信噪比，从理论上得到了较高的测角精度。在单波束机械扫描雷达中对于传统的最大信号法测角有较好的测角精度改善。

针对本实施方式，进行实例分析：

根据单波束机械扫描雷达获得回波信号的实测数据，所述实测数据共计18组，以其中的数据段data3为例分析。天线单程主瓣宽度为θ_0.5＝1.1°，由于天线收发共用，所以双程主瓣宽度为θ_dual0.5＝0.778°。天线方向图用高斯函数近似，积累脉冲数P取32。

首先对回波信号进行一维像距离压缩，以P＝32作相参积累，当检测到目标时记录下其方位值作为第一波束θ_i＝61.6412°，然后间隔2θ_k得到另一个第二波束方位为θ_i+2θ_k＝62.4899°，以62.4899°方位所在的脉冲为中心，分别向前向后取16个共32个脉冲作相参积累，分别读出两方位二维像回波强度F(θ_i)＝1.0691×10⁶、F(θ_i+2θ_k)＝3.0039×10⁵，则获得和差比通过查表1得到目标T估计方位为θ_T＝62.3916°。

表1为高斯近似时获得的和差比值k及相应的误差偏角δθ，暂取主瓣宽度内-0.5到0.5每隔0.01取一个，共101个数，实际应用中，若间隔取为0.001，则表中将会是1000个数，若间隔取得更小，则可能数更多，但也更精确。

表1高斯近似下的和差比值k及相应的误差偏角δθ

下面就该实施例逐一说明本实施方式中的优势：

因为在实际工程应用中，间隔为2θ_k的两个波束是任意选取的，所以为了验证该技术的灵活性，在天线主瓣宽度内任意相隔2θ_k的两个波束的处理均能有较好的处理结果，我们可以在θ_i的基础上加上一个小的步进0.1°(可以根据天线的主瓣宽度适当选择)得到相应的方位，假设为θ_i+x，重复步骤一至五，得出此时的目标方位中心θ_T2；依此，得到其他步进间隔的方位θ_T3，θ_T4，θ_T5…。

最后在上述对目标T方位估计θ_T，θ_T2，θ_T3…的基础上求统计平均，作为最终目标T的估计方位中心θ_T，并与其他估计值作比较。

表2目标T主瓣宽度内各次测量值

根据表2求其统计平均得到方位中心估计值θ_A＝62.4241°，由表

可以看出其中与均值最大相差也只有0.02°，因此可以看出处理得到了较好的测角精度。

对于其他数据采用相同的步骤分别得到其方位中心为：

分别利用最大信号法，过门限检测法得到相应的方位中心，如图8，由图8可以作如下结论：

1.相对于单脉冲技术和最大信号法，过门限检测法受目标起伏的影响较大，所以单脉冲技术测角具有较好的稳定性。

2.最大信号法与单脉冲技术具有相当的精度，但对于方向图顶部不规整的目标单脉冲技术具有更好的优越性。以其中相差最大的data17举例，如图9所示，由于方向图顶部失真，最大值受噪声、目标起伏等因素的影响而偏离了目标方位中心，最大信号法测角结果为137.7634°，而单脉冲技术结果为137.6480°，结合表3各次步进估计值，相对于估计中心最大误差也仅有0.0245°，明显提高了方位的精确性，稳定性明显得到改善。

表3Data17在主瓣宽度内各步进估计值

Claims (3)

1.一种用于单波束机械扫描雷达测量目标方位角的方法，其特征在于它包括如下步骤：

步骤一：利用单波束机械扫描雷达获取回波信号，进而进行目标检测；

步骤二：在检测到有目标存在的方位角范围内，取方位角间隔为雷达天线主瓣宽度2θ_k的任意两个回波脉冲作为单脉冲技术测角所需的两个波束；

步骤三：分别以步骤二中所取的两个方位上的回波脉冲为中心，并分别与所取的每个回波脉冲相邻的P个脉冲进行相参积累，并定义其中一个回波脉冲所在的方位值为θ_i，另一个回波脉冲所在的方位值为θ_i+2θ_k，然后获取方位值为θ_i时所探测的目标的二维像回波强度F(θ_i)和方位值为θ_i+2θ_k时所探测的目标的二维像回波强度F(θ_i+2θ_k)，其中，P为自然数；

步骤四：根据所获得的两个方位角上目标的二维像回波强度计算所述两个方位角上目标的和信号强度F_∑(θ)＝F(θ_i)+F(θ_i+2θ_k)、差信号强度F_Δ(θ)＝F(θ_i)-F(θ_i+2θ_k)以及和差比值

步骤五：利用查表法查找和差比值k所对应的误差偏角δθ，获取目标方位角θ_T＝θ_i+θ_k+δθ。

2.根据权利要求1所述的一种用于单波束机械扫描雷达测量目标方位角的方法，其特征在于在步骤二中，雷达天线为接收天线，所述雷达天线主瓣宽度2θ_k＝θ_0.5，其中，θ_0.5为单程时天线主瓣宽度。

3.根据权利要求1所述的一种用于单波束机械扫描雷达测量目标方位角的方法，其特征在于在步骤二中，雷达天线为收发共用天线，所述雷达天线主瓣宽度

其中，θ_0.5为单程时天线主瓣宽度。

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