專利名稱：分布式子陣波達方向估計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達信號處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及分布式雷達測角，具體地說是針對分布式數(shù)字陣列雷達，提出一種基于分布式子陣的多分辨測角方法，可用于目標定位。
背景技術(shù)：
波達方向DOA估計是陣列信號處理中的一個重要研究方向，在雷達、通信、聲納和導(dǎo)航等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用和研究。陣列的DOA估計性能受到陣列孔徑的限制，陣列孔徑越大，DOA估計性能越優(yōu)，因此擴展孔徑是提高測角精度的重要方法。早期微波合成的干涉雷達可以有效擴展孔徑提高角度估計精度，但是過小的自由度限制了測角模糊問題的解決。為此Nilsson首次提出了分布式陣列雷達的概念，大大地擴展了陣列的自由度。分布式陣列在保持陣元數(shù)不變的基礎(chǔ)上，通過擴大陣元間距來擴展陣列孔徑，通過多個分布式小孔徑陣列來提高測角精度與分辨率。但同時由于基線長度大于入射信號的半波長，出現(xiàn)相位纏繞，導(dǎo)致測角模糊。由空域采樣定理可知，對分布式陣列進行波束形成，將得到窄的主瓣及具有大量柵瓣的波束方向圖，窄的主瓣提高了測角精度，而柵瓣導(dǎo)致了測角模糊。采用分布式孔徑相參合成工作方式時，兩個站的距離即基線長度可以適當?shù)睦_；基線越長，合成陣列的等效孔徑就越大，測角精度越高，但同時信號的相干性就越差、角度模糊越嚴重，所以需要研究在此種情況下兩站或多站間協(xié)同探測方法、測角方法、角度解模糊方法，以滿足雷達的需要。為了得到精確的角度估計值，解決分布式陣列帶來的角度模糊問題，目前主要采用以下幾種方法(I)基于相位干涉儀的DOA估計相位干涉儀解模糊主要通過不同的基線配置來實現(xiàn)，已有的方法包括長短基線法，基于參差基線的相位差變化值法，陣列多組解模糊法，二次相位差解模糊法等。相位干涉儀具有測向精度高，結(jié)構(gòu)簡單，觀測頻帶寬等優(yōu)點，但是它的陣元利用率比較低，使得信噪比門限提高，而且對陣元的位置分布要求嚴格，需要滿足特定條件，很大程度上限制了其在分布式陣列中的應(yīng)用。(2)基于雙尺度 ESPRIT 的 DOA 估計Zoltowski 在《Direction finding withsparserectangular dual-size spatial invariance Array〉〉中給出了雙尺度ESPRIT角軍模糊算法。它是以分布式陣列的子陣獲得精度低但無模糊的粗估計，使用子陣間的相位中心偏移來獲得目標方向余弦的精估計，針對干涉陣帶來的測角模糊問題，以粗估計為參考解精估計的模糊，從而得到高精度無模糊的角度估計。該方法和前面提到的長短基線法類似，但是需要進行特征值分解，解模糊時還需要進行方向余弦的配對，所以運算量極大，在快拍數(shù)較少的情況下，性能不是很好，而且隨快拍數(shù)的增加算法性能增加不明顯。(3)基于子空間擬合的DOA估計利用ESPRIT算法等對兩個分布式子陣間的相位差進行估計，得到多個模糊的波達方向精估計值，然后再利用信號子空間擬合或者噪聲子空間擬合關(guān)系，將這些可能值代入合適的代價函數(shù)中，選取其中最大或最小的估計值即為目標的D0A。該方法提供了比雙尺度ESPRIT方法更高的角度估計精度，但是它不僅需要進行特征值分解，而且需要對MUSIC譜進行一維角度搜索，運算量較大，而且需要較多的快拍數(shù)，快拍數(shù)少時無法進行子空間擬合。上述方法中，方法2和方法3能夠得到高精度的DOA估計，但是需要特征值分解以及角度搜索，計算量大。方法I雖然避免了特征值分解，但是它的陣元利用率比較低，測角精度并不能達到系統(tǒng)設(shè)計的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提出一種分布式子陣波達方向估計方法，以進一步降低運算量，提高低信噪比情況下DOA的測角精度。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)思路是通過對分布式均勻子陣進行子陣劃分構(gòu)造出兩基線的參差關(guān)系，計算產(chǎn)生的相位差，再利用余數(shù)定理進行解模糊處理，求得目標的DOA。具體實現(xiàn)步驟包括如下I)從雷達回波中提取目標信號X (t) = A ( μ ) s (t) +n (t)；其中，Α(μ)為陣列對信號的導(dǎo)向矢量矩陣，s(t)為雷達發(fā)射信號，n(t)為均值為零、方差為I的高斯白噪聲；2 )使用數(shù)字波束形成法DBF對目標信號X (t)進行角度粗測，得到目標信號的粗測角度Θ iQ ;3)對分布式陣列中的兩個子陣進行劃分，將每個子陣等分為兩個新的子陣，形成四個新的子陣，產(chǎn)生四個基線，取其中的兩個基線D13,D14，分別產(chǎn)生兩個相位差仍，巧，根據(jù)相位干涉儀原理，得到這兩個相位差與兩個基線長度的關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種分布式子陣波達方向估計方法，包括以下步驟 I)從雷達回波中提取目標信號 X (t) = A ( μ ) s (t) +n (t)； 其中，Α(μ)為陣列對信號的導(dǎo)向矢量矩陣，s(t)為雷達發(fā)射信號，n(t)為均值為零、方差為I的高斯白噪聲； 2 )使用數(shù)字波束形成法DBF對目標信號X (t)進行角度粗測，得到目標信號的粗測角度9 10 ； 3)對分布式陣列中的兩個子陣進行劃分，將每個子陣等分為兩個新的子陣，形成四個新的子陣，產(chǎn)生四個基線，取其中的兩個基線D13,D14，分別產(chǎn)生兩個相位差講，％，根據(jù)相位干涉儀原理，得到這兩個相位差與兩個基線的長度關(guān)系
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式子陣波達方向估計方法，其中步驟2)所述的使用數(shù)字波束形成法DBF對目標信號進行角度粗測，是通過如下公式進行
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式子陣波達方向估計方法，其中步驟3)所述的對分布式陣列中的兩個子陣進行劃分，按如下步驟進行3a)將每個子陣等分為兩個新的子陣，形成四個新的子陣；3b)根據(jù)這四個子陣都具有旋轉(zhuǎn)不變關(guān)系，寫出對應(yīng)的四組基線長度分別為D12 = D34 = (Ns-Ns/2) d = Ns/2 · d D13 = D24 = (Nd+Ns) d D14 = (Ns+Nd+Ns-Ns/2) d = (Nd+3Ns/2) d D23= (Nd+Ns/2)d，其中，Ns為單個子陣所包含的陣元數(shù)，Nd為陣列間隔陣元數(shù)，d為陣元間距，D12為第一個子陣與第二個子陣的基線長度，D13第一個子陣與第三個子陣的基線長度，D14第一個子陣與第四個子陣的基線長度，D23為第二個子陣與第三個子陣的基線長度，D24為第二個子陣與第四個子陣的基線長度，D34為第三個子陣與第四個子陣的基線長度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于分布式子陣的參差基線測角方法，主要解決分布式子陣對目標波達方向估計過程中出現(xiàn)角度模糊的問題，其實現(xiàn)過程是從雷達回波中提取目標信號；使用數(shù)字波束形成法對目標信號進行角度粗測；對子陣進行劃分，將每個子陣等分為兩個新的子陣，形成四個新的子陣，產(chǎn)生四個基線，取其中的兩個基線構(gòu)造參差關(guān)系；對四個子陣進行波束合成，計算兩個基線的相位差觀測值；利用構(gòu)造的參差關(guān)系計算模糊數(shù)的取值范圍；引入代價函數(shù)，利用最小均方誤差準則求得模糊數(shù)，并利用模糊數(shù)求得代價函數(shù)值，得到目標波達角。本發(fā)明采用構(gòu)造兩基線參差的處理方法來降低運算量，提高了對目標到達角估計的計算速度，可用于目標識別。
文檔編號G01S7/41GK103018730SQ20121049329
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者楊明磊, 陳伯孝, 王玉, 陳根華 申請人:西安電子科技大學