杂波环境下基于目标多普勒频率估计的机扫雷达测角方法

1.本发明属于通信技术领域，更进一步涉及雷达测角技术领域中的一种杂波环境下基于目标多普勒频率估计的机扫雷达测角方法。本发明可用于在杂波的环境下，对机械扫描雷达所接收的回波信号进行目标角度估计。


背景技术：

2.目标角度估计技术通过从雷达接收回波中获取目标的角度信息，为下一步进行目标追踪和定位等提供依据。随着日益复杂的电磁环境，机械扫描雷达工作时接收的回波里目标淹没在较强的杂波环境下，同时由于天线转动的影响，接收回波中具有多个相对天线法向角度不同的脉冲。传统目标角度估计方法仅考虑在噪声环境下对单个脉冲进行测角，故不能有效地进行目标角度估计。因此，为解决杂波环境下机扫雷达测角面临的问题，相关技术中通常采用先抑制杂波再测角的方法，由于对机扫雷达接收回波进行杂波抑制后的回波信号是多个相对天线法向角度不同的脉冲的加权求和，故上述方法测角时无法判断基于哪个相对天线法向角度的脉冲进行测角，而且上述方法未能精确得知目标多普勒频率，进行杂波抑制时，使用的mtd滤波器组的某个窄带滤波器频率响应的峰值不一定对准目标多普勒频率，从而对经mtd滤波器组处理后数据的信噪比的改善变小，对后续进行目标角度估计造成影响。
3.中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所在其申请的专利文献“一种强杂波环境下基于子阵空时自适应处理的测角方法”(申请号：cn201810876312.7申请日：2018.08.03申请公布号：cn109061594a)中公开了一种强杂波环境下基于子阵空时自适应处理的测角方法。该方法的实现步骤是，首先采用各子阵的自适应权值在雷达回波信号的各子阵里对杂波进行抑制，并获得了差通道数据与和通道数据的比值；其次，根据所述自适应权值计算鉴角曲线；最后，根据所述鉴角曲线及上述比值的对应关系对目标真实角度进行估计。该方法存在的不足之处是，需要对各子阵数据进行自适应权值计算，计算量大从而工程实现困难。
4.胡国光等人在其发表论文“基于降维stap的自适应单脉冲测角算法”(航空电子技术，2021，52(4):50-55)中提出一种基于降维stap的自适应单脉冲测角算法。该算法步骤是，第一步，获取雷达接收回波数据；第二步，对数据在空域通过划分子阵并在时域通过mdt算法进行降维处理；第三步，完成降维处理后进行空时自适应处理抑制杂波；第四步，进行空时自适应单脉冲测角得到目标角度。该方法存在的不足之处是，需要进行空时二维联合处理通过矩阵求逆计算自适应权值，所需样本数据较多从而工程实现的实时性较差。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种杂波环境下基于目标多普勒频率估计的机扫雷达测角方法，用于解决现有技术的杂波环境下机扫雷达测角方法中的计算量大工程实现困难和多普勒估计偏差损失信噪比而测角性能差的问题。
6.为实现上述目的，本发明的思路是：根据雷达检测的目标多普勒通道和距离单元，利用比幅法从杂波环境下机扫雷达接收回波信号的检测波束中估计目标多普勒频率，专门设计mtd滤波器，该mtd滤波器的频率响应峰值对准目标多普勒频率，且凹口对准杂波多普勒频率。本发明利用设计的专门mtd滤波器进行杂波抑制，由此避免了目标多普勒频率估计的偏差，提高了杂波抑制性能和经过mtd滤波器处理后回波信号的信噪比，从而改善测角性能。本发明针对机扫雷达天线转动的影响，机扫雷达接收回波信号中具有多个相对天线法向角度不同的脉冲的特点，经过mtd滤波器处理后的回波信号是多个相对天线法向角度不同脉冲的加权求和，可等效于最中间脉冲的常数倍，可将对经过mtd滤波器处理后的回波信号的测角等效于对最中间脉冲的测角，以此对经过mtd滤波器处理后的回波信号进行一次单脉冲测角，故使用专门设计的mtd滤波器抑制杂波，并对经过mtd滤波器处理后的回波信号，进行一次单脉冲测角，即可得到目标角度估计值，避免了对机扫雷达接收回波杂波抑制处理后进行单脉冲测角时基准角的确定问题，在减少计算量的基础上便于工程实现。
7.为实现上述目的，发明采用的技术方案包括如下步骤：
8.步骤1，获得和波束数据与差波束数据：
9.对机扫雷达接收的每个相干处理间隔(coherent processing interval,cpi)的回波信号进行处理及检测，得到多普勒滤波前的目标距离单元的和波束数据与差波束数据，以及多普勒滤波后的目标距离单元的和波束数据；
10.步骤2，获得两个多普勒通道的输出数据：
11.步骤2.1，在多普勒滤波后的和波束数据中获得目标的多普勒通道和距离单元，根据目标的多普勒通道和距离单元，得到目标多普勒通道的输出数据；
12.步骤2.2，比较目标左右两个多普勒通道中目标相同距离单元的信号幅度，根据两个信号幅度中较大值的多普勒通道和目标距离单元得到较大值多普勒通道的输出数据；
13.步骤3，利用比幅法估计目标的多普勒频率：
14.采用比幅法，对步骤2得到的两个多普勒通道的输出数据取模值后再取二者的比值，利用二者的比值查询鉴频曲线，估计目标多普勒频率；
15.步骤4，设计mtd滤波器：
16.采用数字综合算法，设计一个mtd滤波器，其频率响应主瓣峰值对准目标多普勒频率且凹口对准杂波多普勒频率；
17.步骤5，利用mtd滤波器抑制杂波；
18.将步骤1得到的多普勒滤波前的和波束数据与差波束数据，分别输入到mtd滤波器中，分别输出经过mtd滤波器处理后的和波束数据与差波束数据；
19.步骤6，利用和差单脉冲测角法测量目标角度：
20.步骤6.1，对经过mtd滤波器处理后的差波束数据与和波束数据的比值取虚部；
21.步骤6.2，利用二者比值的虚部查询鉴角曲线得到目标的偏轴角；
22.步骤6.3，将目标的偏轴角与机扫雷达发射最中间脉冲的基准角求和，得到目标偏离地面法线的真实角度。
23.本发明与现有技术相比有以下优点：
24.第1，由于本发明利用比幅法估计目标多普勒频率来设计专门的mtd滤波器，避免了现有技术由于较大的目标多普勒估计误差产生的问题，使得本发明在杂波抑制的同时，
可以有效地提高信噪比，相比现有技术能更精确地估计机扫雷达目标角度。
25.第2，由于本发明使用预设的mtd滤波器权值进行杂波抑制，并对处理后的数据进行一次单脉冲测角，得到目标角度估计值，避免了对机扫雷达接收回波进行杂波抑制处理后进行单脉冲测角时基准角的确定问题，克服了现有技术需多次计算自适应权值的缺陷，使本发明减少了计算量，便于工程实现。
附图说明
26.图1是本发明的流程图；
27.图2是本发明的仿真结果图。
具体实施方式
28.以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。
29.参照图1，对本发明的具体实施步骤做进一步的详细描述。
30.步骤1，获得和波束数据与差波束数据。
31.对机扫雷达接收的每个相干处理间隔cpi的回波信号进行处理及检测，得到多普勒滤波前的目标距离单元的和波束数据与差波束数据，以及多普勒滤波后的目标距离单元的和波束数据。
32.步骤2，获得两个多普勒通道的输出数据。
33.步骤2.1，在多普勒滤波后的和波束数据中获得目标的多普勒通道和距离单元，根据目标的多普勒通道和距离单元，得到目标多普勒通道的输出数据。
34.步骤2.2，比较目标左右两个多普勒通道中目标相同距离单元的信号幅度，根据两个信号幅度中较大值的多普勒通道和目标距离单元得到较大值多普勒通道的输出数据。
35.步骤3，利用比幅法估计目标的多普勒频率。
36.采用比幅法，对步骤2得到的两个多普勒通道的输出数据取模值后再取二者的比值，利用二者的比值查询鉴频曲线，估计目标多普勒频率。
37.步骤4，设计mtd滤波器。
38.采用数字综合算法，设计一个mtd滤波器，其频率响应主瓣峰值对准目标多普勒频率且凹口对准杂波多普勒频率。
39.所述的数字综合算法是通过在滤波器频率响应的副瓣区放置大量干扰信号，改变干扰信号的功率强度，从而自适应地控制滤波器频率响应的副瓣电平。
40.步骤5，利用mtd滤波器抑制杂波。
41.将步骤1所述得到的多普勒滤波前的和波束数据与差波束数据代入下式，分别输出经过mtd滤波器处理后的和波束数据与差波束数据：
42.p
σ
＝whz
σ
43.p
δ
＝whz
δ
44.其中，p
σ
表示表示经过mtd滤波器处理后的和波束数据，w表示mtd滤波器的权矢量，(
·
)h表示共轭转置操作，z
σ
表示多普勒滤波前的和波束数据，p
δ
表示经过mtd滤波器处理后的差波束数据，z
δ
表示多普勒滤波前的差波束数据。
45.由于机扫雷达天线转动的影响，机扫雷达接收回波信号中具有多个相对天线法向
角度不同的脉冲，经过mtd滤波器处理后的回波信号是多个相对天线法向角度不同脉冲的加权求和，可等效于最中间脉冲的常数倍。以此，可将后续步骤中对经过mtd滤波器处理后的回波信号的测角等效于对最中间脉冲的测角，故后续步骤中可对经过mtd滤波器处理后的回波信号进行单次测角。
46.步骤6，利用和差单脉冲测角法测量目标角度。
47.步骤6.1，对经过mtd滤波器处理后的差波束数据与和波束数据的比值取虚部。
48.步骤6.2，利用二者比值的虚部查询鉴角曲线得到目标的偏轴角。
49.步骤6.3，将目标的偏轴角与机扫雷达发射最中间脉冲的基准角求和，得到目标偏离地面法线的真实角度。
50.下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明。
51.1.仿真实验条件。
52.本发明的仿真实验平台的软件平台为：windows10操作系统和matlabr2017a。
53.本发明仿真实验使用机扫雷达天线阵列均匀等距线阵，天线阵元总数为16，阵元间距为半波长，每个cpi发射脉冲总数为30，脉冲重复频率为1000hz，天线阵元相对正北方向在单个脉冲重复周期转动的角度0.2
°
，杂信比为45db，目标多普勒频率为500hz，目标偏离地面法线的角度为2
°
，单个杂波点的多普勒频率为零频，单个阵元单个脉冲信噪比取-10db以5db为步长变化到25db，蒙特卡洛实验次数为1000。
54.2.仿真内容及其结果分析。
55.本发明的仿真实验是采用本发明的方法和一个现有技术(基于mtd脉冲积累及滑动处理的雷达目标角度估计方法)，分别在单个阵元单个脉冲信噪比从-10db以5db为步长变化到25db进行1000次蒙特卡洛实验，得到1000次实验中角度估计值在单个阵元单个脉冲信噪比固定时的平均均方根误差值，其结果如图2所示。
56.在本发明的仿真实验中，采用的一个现有技术是指：
57.西安电子科技大学在其申请的专利文献“基于mtd脉冲积累及滑动处理的雷达目标角度估计方法”(申请号：201710173276.3申请日：2017.03.22申请公布号：cn106872969a)中公开的基于mtd脉冲积累及滑动处理的雷达目标角度估计方法。
58.下面结合图2的仿真图对本发明的效果做进一步的描述。
59.图2为相同仿真条件下，采用本发明的方法和现有的方法，分别获得的角度估计值，在单个阵元单个脉冲信噪比固定时的平均均方根误差值比较图。图2中的横坐标表示单个阵元单个脉冲信噪比，单位为db。纵坐标表示角度估计值在单个阵元单个脉冲信噪比固定时的平均均方根误差值。图2中的实线表示本发明方法的仿真结果曲线，图2中的虚线表示采用现有技术的仿真结果曲线。
60.由图2中的两条曲线对比可以看出，当单个阵元单个脉冲信噪比分别为-10db、-5db、0db、5db、10db、15db、20db和25db时，本发明的方法角度估计的均方根误差值分别为0.5234、0.2944、0.172、0.0973、0.0656、0.0481、0.0423和0.0393，而现有技术角度估计的均方根误差值分别为0.6284、0.3511、0.211、0.1353、0.1088、0.0928、0.0896和0.0874。可见，在单个阵元单个脉冲信噪比相同条件下，本发明方法的角度估计均方根误差值小于现有技术的角度估计均方根误差值。
61.以上仿真实验表明，在单个阵元单个脉冲信噪比相同的情况下，本发明得到的测
角误差值低于现有技术的测角误差，证明本发明进一步提高了杂波环境下机扫雷达的测角精度。