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CN114594419B - 波束域侦察测频测向方法与装置 - Google Patents

波束域侦察测频测向方法与装置 Download PDF

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CN114594419B
CN114594419B CN202210495862.0A CN202210495862A CN114594419B CN 114594419 B CN114594419 B CN 114594419B CN 202210495862 A CN202210495862 A CN 202210495862A CN 114594419 B CN114594419 B CN 114594419B
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李槟槟
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张昭建
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    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
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    • G01S3/14—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/143—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction by vectorial combination of signals derived from differently oriented antennae
    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种波束域侦察测频测向方法：对阵列天线进行平均分块得到子通道数据；利用波束形成技术得到三个波束；利用主波束进行测频，结合测频结果提取需要测角的波束空间数据；利用预处理计算得到波束空间数据；利用平滑技术对波束空间数据进行解相干；再利用超分辨测角技术实现方位角和俯仰角测量；最后利用匹配技术实现方位角和俯仰角的配对，并输出信号的三维参数。本发明方法充分利用了阵列天线的波束域，可以使测频和测角的运算量大大降低，而且算法不需要改动系统结构，只需调整信号处理算法，便于工程实现。本发明还提供了相应的波束域侦察测频测向装置。

Description

波束域侦察测频测向方法与装置
技术领域
本发明属于雷达和电子对抗技术领域，更具体地，涉及一种波束域侦察测频测向方法与装置，适用于装备阵列天线的电子设备中，也可用于其他各种电子对抗和雷达的电子侦察设备中。
背景技术
侦察测向的方法很多，但总的来说主要分为三大类：基于幅度、基于相位的和基于阵列的方法。基于幅度的方法通常可以采用一个通道或二至三个通道即可完成，利用的最大信噪比准则，其优点是运算量小，便于工程实现，但缺点是测向的精度比较差，无法对一个波束宽度内的二个或多个目标进行测角。基于相位的方法则通常需要二至三个通道，利用同一信号到达不同通道的相位差来进行测向，其优点是测向的精度比较高，但其运算量明显大于基于幅度的方法，且无法对同时到达的二个信号进行测角。基于阵列方法则需要利用空间的阵元相位关系来测角，由于其阵元数较多，既可以实现对同时到达的二个信号的测角，也可以实现同一个波束宽度内二个目标的测角，但其缺点就是运算量高，且不适用于相干源。
发明内容
本发明的目的正是针对上述背景技术中的不足之处提出的。本发明通过充分利用阵列的波束域数据，通过波束形成、测频、预处理、超分辨测角和匹配技术实现一个波束宽度内二个信号的高精度测角。首先，对阵列天线进行平均分块得到子通道数据；利用波束形成技术得到三个波束；利用主波束进行测频，结合测频结果提取需要测角的波束空间数据；利用预处理计算得到波束空间数据；利用平滑技术对波束空间数据进行解相干；再利用超分辨测角技术实现方位角和俯仰角测量；最后利用匹配技术实现方位角和俯仰角的配对，并输出信号的三维参数。由于本发明方法充分利用了阵列天线的波束域，可以使测频和测角的运算量大大降低，而且算法不需要改动系统结构，只需调整信号处理算法，便于工程实现。本发明技术可用于各类电子对抗和雷达的电子侦察设备中，实现简单，具有广阔的应用前景。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种波束域侦察测频测向方法，包括如下步骤：
（1）对阵列天线进行平均分块得到四个子通道数据
Figure 91020DEST_PATH_IMAGE001
，其中每个子通道数据矢量长度为
Figure 546272DEST_PATH_IMAGE002
，左上块数据为
Figure 118199DEST_PATH_IMAGE003
，右上块数据为
Figure 215468DEST_PATH_IMAGE004
，左下块数据为
Figure 172929DEST_PATH_IMAGE005
，右下块数据为
Figure 64661DEST_PATH_IMAGE006
；
（2）利用这四个子通道数据得到三个波束数据
Figure 858305DEST_PATH_IMAGE007
，计算公式如下
Figure 759265DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 311512DEST_PATH_IMAGE009
这样，波束形成的三个数据矢量长度均为
Figure 639725DEST_PATH_IMAGE010
；
（3）利用主波束
Figure 655086DEST_PATH_IMAGE011
进行测频，然后利用该频率值设计滤波器对
Figure 359736DEST_PATH_IMAGE012
进行滤波，并抽取需要测角的数据
Figure 26210DEST_PATH_IMAGE013
矢量，每个数据矢量的长度为
Figure 525324DEST_PATH_IMAGE014
；
（4）对抽取的数据进行预处理计算，得到二个数据矩阵
Figure 27981DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 270744DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 791724DEST_PATH_IMAGE017
维数为
Figure 461739DEST_PATH_IMAGE018
；
（5）计算协方差矩阵，并进行平滑处理得到二个
Figure 717271DEST_PATH_IMAGE019
数据矩阵
Figure 888359DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 404791DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 386653DEST_PATH_IMAGE022
表示取共轭，
Figure 378749DEST_PATH_IMAGE023
表示取共轭转置，
Figure 104259DEST_PATH_IMAGE024
；
（6）利用超分辨测角技术对
Figure 396569DEST_PATH_IMAGE025
进行角度测量得到方位角，对
Figure 408388DEST_PATH_IMAGE026
进行角度测量得到俯仰角；
（7）利用匹配技术实现对方位角和俯仰角的配对，并输出信号的频率、方位和俯仰三维信息。
本发明的一个实施例中，步骤（3）中的测频，包括二个步骤，第一步先用DFT（Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换）技术对主波束数据进行粗测频，再利用时域的MVM（Minimum Variance Method，最小方差法）、MUSIC（Multiple SignalClassification，多信号分类）或LP（Linear Prediction，线性预测）算法进行精测频。
本发明的一个实施例中，步骤（6）中的超分辨测角技术，采用空域的MVM算法进行方位角和俯仰角的测量，或者采用空域的ML（Maximum Likelihood，极大似然估计方法）算法进行方位角和俯仰角的测量。
本发明的一个实施例中，步骤（6）中的超分辨测角技术采用求根法或ESPRIT（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques，借助旋转不变技术估计信号参数）算法进行。
本发明的一个实施例中，步骤（6）中的超分辨测角技术，采用空域的MVM算法计算方位角和俯仰角，计算方位角公式
Figure 107353DEST_PATH_IMAGE027
计算俯仰角公式如下
Figure 495609DEST_PATH_IMAGE028
式中
Figure 845688DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 762828DEST_PATH_IMAGE030
为方位向导向矢量和俯仰向导向矢量。
本发明的一个实施例中，步骤（7）中的配对，采用遍历法以信噪比最大为准则进行配对计算。
本发明的一个实施例中，所述步骤（7）中的配对采用遍历法，遍历二种可能，即
Figure 214670DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 141037DEST_PATH_IMAGE032
或者
Figure 345622DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 964823DEST_PATH_IMAGE034
，然后对这二种配对结果计算信噪比
Figure 638381DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 368439DEST_PATH_IMAGE036
，信噪比小的为配对结果。
按照本发明的另一方面，还提供了一种波束域侦察测频测向装置：包括至少一个处理器和存储器，所述至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，所述存储器存储能被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被所述处理器执行后，用于完成上述的波束域侦察测频测向方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
（1）由于采用超分辨测角技术，可以显著提高角度的估计精度；
（2）可以实现一个波束宽度内二个相干目标的角度分辨；
（3）由于采用了波束域的处理方法，所以超分辨角度估计时只涉及二维协方差矩阵的求逆，其运算量显著降低；
（4）本发明方法只涉及信号处理流程，即只需要升级处理系统和软件即可，不改变其它系统结构，具有推广应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例中波束域侦察测频测向方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施本发明的原理如下：首先，对阵列天线进行平均分块得到子通道数据；利用波束形成技术得到三个波束；利用主波束进行测频，结合测频结果提取需要测角的波束空间数据；利用预处理计算得到波束空间数据；利用平滑技术对波束空间数据进行解相干；再利用超分辨测角技术实现方位角和俯仰角测量；最后利用匹配技术实现方位角和俯仰角的配对，并输出信号的三维参数。
图1是本发明的实施例的结构方框图。参照图1，本发明的实施例由接收子通道1、波束形成2、测频与提取3、预处理4、平滑解相干5、超分辨测角6、配对7组成。
其中实施例中接收子通道1将阵列分块获取子通道数据；波束形成2形成三个不同的波束；测频与提取3对主波束进行测频，并提取需要测角的数据；预处理4完成对波束空间数据的计算；平滑解相干5通过平滑处理得到解相干后的协方差矩阵；超分辨测角6分别完成目标方位角和俯仰角的测量；配对7实现对目标参数的配对并输出三维信息。
具体地，本发明提供的波束域侦察测频测向方法，包括如下技术步骤：
（1）对阵列天线进行平均分块得到四个子通道数据
Figure 445109DEST_PATH_IMAGE001
，其中每个子通道数据矢量长度为
Figure 235211DEST_PATH_IMAGE002
，左上块数据为
Figure 396065DEST_PATH_IMAGE003
，右上块数据为
Figure 664235DEST_PATH_IMAGE004
，左下块数据为
Figure 843412DEST_PATH_IMAGE005
，右下块数据为
Figure 69994DEST_PATH_IMAGE006
；
（2）利用这四个子通道数据得到三个波束数据
Figure 452565DEST_PATH_IMAGE007
，计算公式如下
Figure 524426DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 823690DEST_PATH_IMAGE009
这样，波束形成的三个数据矢量长度均为
Figure 424435DEST_PATH_IMAGE010
；
（3）利用主波束
Figure 559882DEST_PATH_IMAGE011
进行测频，然后利用该频率值设计滤波器对
Figure 169854DEST_PATH_IMAGE012
进行滤波，并抽取需要测角的数据
Figure 323624DEST_PATH_IMAGE013
矢量，每个数据矢量的长度为
Figure 360850DEST_PATH_IMAGE014
；
（4）对抽取的数据进行预处理计算，得到二个数据矩阵
Figure 983593DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 397256DEST_PATH_IMAGE037
其中，
Figure 405533DEST_PATH_IMAGE017
维数为
Figure 879239DEST_PATH_IMAGE018
；
（5）计算协方差矩阵，并进行平滑处理得到二个
Figure 723698DEST_PATH_IMAGE019
数据矩阵
Figure 675474DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 69415DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 182865DEST_PATH_IMAGE022
表示取共轭，
Figure 514620DEST_PATH_IMAGE023
表示取共轭转置，
Figure 270086DEST_PATH_IMAGE038
；
（6）利用超分辨测角技术对
Figure 252955DEST_PATH_IMAGE025
进行角度测量得到方位角，对
Figure 68464DEST_PATH_IMAGE039
进行角度测量得到俯仰角；
（7）利用匹配技术实现对方位角和俯仰角的配对，并输出信号的频率、方位和俯仰三维信息。
下面结合附图和实施例说明一下整个发明的详细步骤：
（1）对阵列天线进行平均分块得到四个子通道数据
Figure 887515DEST_PATH_IMAGE040
，其中每个子通道数据矢量长度为
Figure 181093DEST_PATH_IMAGE002
，左上块数据为
Figure 18468DEST_PATH_IMAGE041
，右上块数据为
Figure 4879DEST_PATH_IMAGE004
，左下块数据为
Figure 311226DEST_PATH_IMAGE042
，右下块数据为
Figure 674075DEST_PATH_IMAGE006
；
实施例中，假设存在
Figure 637395DEST_PATH_IMAGE043
平面阵，数据矢量长度为2000，则平均划分成四块即四个子阵，每块的阵元数为
Figure 935652DEST_PATH_IMAGE044
，对这四个子阵直接合成得到四个子通道数据
Figure 853929DEST_PATH_IMAGE045
，每个数据均为长度为2000的矢量。
（2）利用这四个子通道数据得到三个波束数据
Figure 613944DEST_PATH_IMAGE046
，计算公式如下
Figure 442223DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 36015DEST_PATH_IMAGE009
这样，波束形成的三个数据矢量长度均为
Figure 566222DEST_PATH_IMAGE010
；
实施例中，利用这四个子通道数据采用公式直接计算，得到了三个波束数据
Figure 146239DEST_PATH_IMAGE047
，每个数据的矢量长度为2000。
（3）利用主波束
Figure 688079DEST_PATH_IMAGE011
进行测频，然后利用该频率值设计滤波器对
Figure 577407DEST_PATH_IMAGE012
进行滤波，并抽取需要测角的数据
Figure 798172DEST_PATH_IMAGE013
矢量，每个数据矢量的长度为
Figure 916301DEST_PATH_IMAGE014
；
实施例中，对主波束
Figure 578227DEST_PATH_IMAGE048
进行测频，实施例中频率值测量结果为
Figure 638455DEST_PATH_IMAGE049
，利用
Figure 893987DEST_PATH_IMAGE050
设计滤波器，并对三个波束数据进行滤波，抽取需要测角的数据
Figure 940441DEST_PATH_IMAGE051
矢量，假设每个数据矢量长度为100。
（4）对抽取的数据进行预处理计算，得到二个数据矩阵
Figure 847086DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 828948DEST_PATH_IMAGE037
其中，
Figure 821044DEST_PATH_IMAGE017
维数为
Figure 671188DEST_PATH_IMAGE018
；
实施例中，对抽取的数据进行预处理计算，得到二个数据矩阵，
Figure 183072DEST_PATH_IMAGE052
维数均为
Figure 844823DEST_PATH_IMAGE053
。
（5）计算协方差矩阵，并进行平滑处理得到二个
Figure 74947DEST_PATH_IMAGE054
数据矩阵
Figure 587837DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure 219807DEST_PATH_IMAGE056
其中，
Figure 668106DEST_PATH_IMAGE057
表示取共轭，
Figure 634794DEST_PATH_IMAGE058
表示取共轭转置，
Figure 702107DEST_PATH_IMAGE059
；
实施例中，计算协方差矩阵，并进行平滑处理得到
Figure 172271DEST_PATH_IMAGE060
二个矩阵，其维数均为
Figure 57051DEST_PATH_IMAGE061
。
（6）利用超分辨测角技术对
Figure 730609DEST_PATH_IMAGE062
进行角度测量得到方位角，对
Figure 850880DEST_PATH_IMAGE063
进行角度测量得到俯仰角；
实施例中，利用超分辨测角技术和频率值
Figure 191863DEST_PATH_IMAGE064
，共同完成对
Figure 247543DEST_PATH_IMAGE065
进行角度测量得到方位角
Figure 657665DEST_PATH_IMAGE066
，对
Figure 332360DEST_PATH_IMAGE067
进行角度测量得到俯仰角
Figure 42696DEST_PATH_IMAGE068
。
（7）利用匹配技术实现对方位角和俯仰角的配对，并输出信号的频率、方位和俯仰三维信息。
实施例中，利用匹配技术实现对方位角和俯仰角的配对，假设配对的结果为
Figure 738119DEST_PATH_IMAGE069
和
Figure 917428DEST_PATH_IMAGE070
，并输出信号的频率、方位和俯仰三维信息为
Figure 379502DEST_PATH_IMAGE071
和
Figure 695077DEST_PATH_IMAGE072
。
另外，步骤（3）中的测频，包括二个步骤，第一步可以先用DFT技术对主波束数据进行粗测频，再利用时域的MVM、MUSIC、LP等算法进行精测频。实施例中先用DFT技术估计得到粗测频结果
Figure 223054DEST_PATH_IMAGE073
，再利用时域的MVM技术得到精测频结果
Figure 358500DEST_PATH_IMAGE074
。
步骤（6）中的超分辨测角技术，方法可以采用空域的MVM算法进行方位角和俯仰角的测量，或者采用ML算法进行方位角和俯仰角的测量。实施例中采用空域的MVM算法计算方位角和俯仰角，计算方位角公式
Figure 234052DEST_PATH_IMAGE075
计算俯仰角公式如下
Figure 653401DEST_PATH_IMAGE076
式中
Figure 831572DEST_PATH_IMAGE077
和
Figure 234741DEST_PATH_IMAGE078
为方位向导向矢量和俯仰向导向矢量。
步骤（6）中的超分辨测角技术中的方法求解算法可以采用求根法或ESPRIT算法进行。实施例中对
Figure 913984DEST_PATH_IMAGE079
采用求根算法计算得到方位角
Figure 672992DEST_PATH_IMAGE080
，对
Figure 271333DEST_PATH_IMAGE081
采用求根算法计算得到俯仰角
Figure 240426DEST_PATH_IMAGE082
。
步骤（7）中的配对，采用遍历法，以信噪比最大为准则进行配对计算。实施例中采用遍历法，遍历二种可能，即
Figure 333147DEST_PATH_IMAGE083
和
Figure 336875DEST_PATH_IMAGE084
或者
Figure 106117DEST_PATH_IMAGE085
和
Figure 562506DEST_PATH_IMAGE086
，然后对这二种配对结果计算信噪比
Figure 193338DEST_PATH_IMAGE087
和
Figure 51573DEST_PATH_IMAGE088
，信噪比小的为配对结果。假设实施例中
Figure 257295DEST_PATH_IMAGE089
，则说明配对结果应为
Figure 341926DEST_PATH_IMAGE090
和
Figure 291296DEST_PATH_IMAGE091
，然后输出。
进一步地，本发明还提供了一种波束域侦察测频测向装置：包括至少一个处理器和存储器，所述至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，所述存储器存储能被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被所述处理器执行后，用于完成上述的波束域侦察测频测向方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种波束域侦察测频测向方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）对阵列天线进行平均分块得到四个子通道数据
Figure 127779DEST_PATH_IMAGE001
，其中每个子通道数据矢量长度为
Figure 472173DEST_PATH_IMAGE002
，左上块数据为
Figure 235730DEST_PATH_IMAGE003
，右上块数据为
Figure 148322DEST_PATH_IMAGE004
，左下块数据为
Figure 364540DEST_PATH_IMAGE005
，右下块数据为
Figure 512624DEST_PATH_IMAGE006
；
（2）利用这四个子通道数据得到三个波束数据
Figure 130687DEST_PATH_IMAGE007
，计算公式如下
Figure 712716DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 416230DEST_PATH_IMAGE009
这样，波束形成的三个数据矢量长度均为
Figure 836847DEST_PATH_IMAGE010
；
（3）利用主波束
Figure 840575DEST_PATH_IMAGE011
进行测频，然后利用该频率值设计滤波器对
Figure 94970DEST_PATH_IMAGE012
进行滤波，并抽取需要测角的数据
Figure 285780DEST_PATH_IMAGE013
矢量，每个数据矢量的长度为
Figure 775667DEST_PATH_IMAGE014
；
（4）对抽取的数据进行预处理计算，得到二个数据矩阵
Figure 102743DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 528040DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 206146DEST_PATH_IMAGE017
维数为
Figure 499724DEST_PATH_IMAGE018
；
（5）计算协方差矩阵，并进行平滑处理得到二个
Figure 946886DEST_PATH_IMAGE019
数据矩阵
Figure 277504DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 442906DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 274596DEST_PATH_IMAGE022
表示取共轭，
Figure 841843DEST_PATH_IMAGE023
表示取共轭转置，
Figure 856547DEST_PATH_IMAGE024
；
（6）利用超分辨测角技术对
Figure 509245DEST_PATH_IMAGE025
进行角度测量得到方位角，对
Figure 144625DEST_PATH_IMAGE026
进行角度测量得到俯仰角；
（7）利用匹配技术实现对方位角和俯仰角的配对，并输出信号的频率、方位和俯仰三维信息。
2.根据权利要求1所述的波束域侦察测频测向方法，其特征在于，步骤（3）中的测频，包括二个步骤，第一步先用离散傅里叶变换技术对主波束数据进行粗测频，再利用时域的最小方差法、多信号分类或线性预测算法进行精测频。
3.根据权利要求1或2所述的波束域侦察测频测向方法，其特征在于，步骤（6）中的超分辨测角技术，采用空域的最小方差算法进行方位角和俯仰角的测量，或者采用空域的极大似然估计方法进行方位角和俯仰角的测量。
4.根据权利要求3所述的波束域侦察测频测向方法，其特征在于，步骤（6）中的超分辨测角技术采用求根法或借助旋转不变技术估计信号参数算法进行。
5.根据权利要求1或2所述的波束域侦察测频测向方法，其特征在于，步骤（6）中的超分辨测角技术，采用空域的MVM算法计算方位角和俯仰角，计算方位角公式
Figure 300800DEST_PATH_IMAGE027
计算俯仰角公式如下
Figure 238800DEST_PATH_IMAGE028
式中
Figure 113216DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 552287DEST_PATH_IMAGE030
为方位向导向矢量和俯仰向导向矢量。
6.根据权利要求1或2所述的波束域侦察测频测向方法，其特征在于，步骤（7）中的配对，采用遍历法以信噪比最大为准则进行配对计算。
7.根据权利要求6所述的波束域侦察测频测向方法，其特征在于，所述步骤（7）中的配对采用遍历法，遍历二种可能，即
Figure 562968DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 937449DEST_PATH_IMAGE032
或者
Figure 299160DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 276344DEST_PATH_IMAGE034
，然后对这二种配对结果计算信噪比
Figure 407111DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 686913DEST_PATH_IMAGE036
，信噪比小的为配对结果。
8.一种波束域侦察测频测向装置，其特征在于：
包括至少一个处理器和存储器，所述至少一个处理器和存储器之间通过数据总线连接，所述存储器存储能被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被所述处理器执行后，用于完成权利要求1-7中任一项所述的波束域侦察测频测向方法。
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