一种基于二级数字波束形成的雷达极化回波解耦方法与流程

本发明涉及雷达信号处理领域，尤其涉及一种基于二级数字波束形成的雷达极化回波解耦方法。

背景技术：

1、极化雷达通过发射和接收相互正交的极化电磁波（例如水平极化h和垂直极化v）来获取目标的极化散射特性。目标的极化散射矩阵包含了丰富的形状、取向、材质等信息，在目标识别、地物分类、气象探测等领域具有重要应用价值。然而，在实际雷达系统中，极化回波会受到多种因素的干扰而产生串扰，导致测量得到的极化散射矩阵偏离真实值。主要的串扰来源包括：

2、天线交叉极化隔离度不足：实际的天线单元无法做到完美的极化隔离，发射h极化时总会辐射出少量的v极化分量，接收时h通道也会感应到一部分v极化信号。通常天线的交叉极化隔离度只有20～30 db，这相当于引入了约1%～10%的串扰能量。

3、射频通道幅相不一致：h和v两个接收通道的放大器、滤波器、混频器等器件存在增益和相位差异，导致两路信号的幅度和相位发生相对偏差，进一步破坏极化纯度。

4、空间传播效应：电磁波在电离层传播时会产生法拉第旋转效应，使极化基矢量发生旋转；此外，多径效应也会引入额外的极化耦合。

5、这些串扰因素叠加在一起，使得接收到的h和v信号不再是纯净的正交分量，而是两者的线性混合。如果不加以校正，极化测量的精度将严重下降，甚至完全失去意义。

6、传统技术中，例如中国专利公开号为cn108037504a的专利，其公开了一种基于三个点目标的全极化合成孔径雷达快速极化校正的方法，该方法通过三面角反射器、二面角反射器以及旋转22.5度二面角反射器的三个点目标，依据目标实测与理论散射矩阵来获取校正矩阵，然后利用校正矩阵对全极化合成孔径雷达的回波数据进行校正，从而对全极化合成孔径雷达各极化通道之间的幅度与相位不平衡及串扰进行校正。

7、其在雷达视场内放置已知极化散射特性的标准体（如金属球、角反射器），通过测量标准体的回波来反演串扰矩阵，然后进行补偿；存在明显缺点：需要额外布设标定设备，操作繁琐；标定结果受环境变化影响大，实时性差；无法适应动态变化的串扰环境。

8、为此，本发明提出一种基于二级数字波束形成的雷达极化回波解耦方法

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于二级数字波束形成的雷达极化回波解耦方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种基于二级数字波束形成的雷达极化回波解耦方法，包括以下步骤：

4、s1：建立双极化阵列雷达的信号模型，将每个天线单元的水平极化接收信号和垂直极化接收信号排列成2m维列向量x(t)，并联合串扰耦合矩阵c和极化导向矢量矩阵a(θ)的影响；

5、s2：第一级数字波束形成，设计k个2m×2的加权矩阵，使得每个子波束的输出在指向方向θk上具有单位增益，并对其他方向进行抑制；

6、s3：第二级数字波束形成，针对每个子波束k，利用极化散射矩阵的互易性约束，构造目标协方差矩阵，并通过求解矩阵方程到解耦矩阵，其中为子波束输出的样本协方差矩，然后应用得到解耦后的极化散射分量估计；

7、s4：多子波束融合，将k个子波束的解耦结果按照角度进行加权融合，得到全空域的极化散射矩阵估计。

8、优选地：所述s1步骤中，串扰耦合矩阵c为2m×2m的复数矩阵，包括天线互耦、极化通道串扰以及射频通道幅相误差的综合影响；所述极化导向矢量矩阵a(θ)为块对角矩阵，其对角线上的子块分别为水平极化通道的阵列导向矢量和垂直极化通道的阵列导向矢量，两者在数值上相等。

9、优选地：所述s2步骤中，第一级数字波束形成的加权矩阵基于最小方差无失真响应准则，即求解以下优化问题：

10、；

11、其中为噪声协方差矩阵，为2×2的单位矩阵，其优化问题的闭式解为：

12、。

13、优选地：所述s3步骤中，子波束输出由交替发射模式下的连续两个脉冲的接收数据拼接而成，即：

14、

15、其中和分别为发射h极化和发射v极化时第k个子波束的2×1输出向量。

16、优选地：所述s3步骤中，构造目标协方差矩阵的方法为：对样本协方差矩阵施加极化互易性约束，通过对称化处理得到：，其中p为交换第二和第三行/列的置换矩阵。

17、优选地：所述s3步骤中，求解解耦矩阵的方法为：

18、s31：对进行cholesky分解，得到下三角矩阵满足；

19、s32：然后计算，其中为的平方根矩阵。

20、优选地：所述s4步骤中，加权融合的权重取为第一级数字波束形成的方向图增益，融合公式为：，其中为第k个子波束的主瓣角度范围。

21、优选地：所述s3步骤中，第二级数字波束形成的解耦矩阵采用自适应迭代算法在线更新，更新周期根据极化串扰的变化速率设定，具体包括：每隔l个脉冲重复周期，重新计算样本协方差矩阵并更新；其中l的取值范围为100至10000；更新时采用滑动窗口方式，保留最近n个快拍的数据。

22、优选地：所述s2步骤中，第一级数字波束形成的子波束数目k根据雷达角度分辨率和系统计算资源确定，取值范围为4至64；每个子波束的指向角度均匀分布于雷达扫描空域，相邻子波束的主瓣重叠区域不小于3 db波束宽度的一半；所述方法还包括预处理步骤：在进行第一级数字波束形成之前，对接收信号x(t)进行数字下变频、匹配滤波和距离压缩处理，得到距离-脉冲域的快拍数据；第一级和第二级数字波束形成均在距离-脉冲域逐距离单元执行。

23、本发明的有益效果为：

24、1.本发明完全依靠雷达自身接收数据中的统计特性和物理约束来实现解耦，不需要在场景中放置任何已知目标，大大简化了操作流程，降低了成本。

25、2.本发明，第二级数字波束形成的解耦矩阵可以根据环境变化在线更新，能够自动适应串扰的缓慢漂移（如温度变化、器件老化等），始终保持良好的解耦性能。

26、3.本发明，通过第一级子波束划分，将全空域的大范围串扰问题分解为每个小角度区间的局部问题，使得每个子波束内的串扰近似恒定，从而可以用简单的线性模型处理。

1.一种基于二级数字波束形成的雷达极化回波解耦方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于二级数字波束形成的雷达极化回波解耦方法，其特征在于，所述s1步骤中，串扰耦合矩阵c为2m×2m的复数矩阵，包括天线互耦、极化通道串扰以及射频通道幅相误差的综合影响；所述极化导向矢量矩阵a(θ)为块对角矩阵，其对角线上的子块分别为水平极化通道的阵列导向矢量和垂直极化通道的阵列导向矢量，两者在数值上相等。

3.根据权利要求1所述的一种基于二级数字波束形成的雷达极化回波解耦方法，其特征在于，所述s2步骤中，第一级数字波束形成的加权矩阵基于最小方差无失真响应准则，即求解以下优化问题：

4.根据权利要求1所述的一种基于二级数字波束形成的雷达极化回波解耦方法，其特征在于，所述s3步骤中，子波束输出由交替发射模式下的连续两个脉冲的接收数据拼接而成，即：

5.根据权利要求1所述的一种基于二级数字波束形成的雷达极化回波解耦方法，其特征在于，所述s3步骤中，构造目标协方差矩阵的方法为：对样本协方差矩阵施加极化互易性约束，通过对称化处理得到：，其中p为交换第二和第三行/列的置换矩阵。

6.根据权利要求1所述的一种基于二级数字波束形成的雷达极化回波解耦方法，其特征在于，所述s3步骤中，求解解耦矩阵的方法为：

7.根据权利要求1所述的一种基于二级数字波束形成的雷达极化回波解耦方法，其特征在于，所述s4步骤中，加权融合的权重取为第一级数字波束形成的方向图增益，融合公式为：，其中为第k个子波束的主瓣角度范围。

8.根据权利要求1所述的一种基于二级数字波束形成的雷达极化回波解耦方法，其特征在于，所述s3步骤中，第二级数字波束形成的解耦矩阵采用自适应迭代算法在线更新，更新周期根据极化串扰的变化速率设定，具体包括：每隔l个脉冲重复周期，重新计算样本协方差矩阵并更新；其中l的取值范围为100至10000；更新时采用滑动窗口方式，保留最近n个快拍的数据。

9.根据权利要求1所述的一种基于二级数字波束形成的雷达极化回波解耦方法，其特征在于，所述s2步骤中，第一级数字波束形成的子波束数目k根据雷达角度分辨率和系统计算资源确定，取值范围为4至64；每个子波束的指向角度均匀分布于雷达扫描空域，相邻子波束的主瓣重叠区域不小于3 db波束宽度的一半；所述方法还包括预处理步骤：在进行第一级数字波束形成之前，对接收信号x(t)进行数字下变频、匹配滤波和距离压缩处理，得到距离-脉冲域的快拍数据；第一级和第二级数字波束形成均在距离-脉冲域逐距离单元执行。