一种基于镜像虚拟干扰的自适应单脉冲多目标测角方法

1.本发明属于雷达技术领域，具体是一种基于镜像虚拟干扰的自适应单脉 冲多目标测角方法。


背景技术：

2.单脉冲测向技术是一种有效的目标角度测量技术，对单个目标的测向效 果非常好。但是当同一距离单元中存在多个目标时，各目标回波信号相互影 响，单脉冲测向精度急剧下降，这一现象被称为“角闪烁”现象。
3.阵列雷达体制下，自适应单脉冲技术一定程度上解决了上面谈到的多目 标测向问题。当波束指向一个信号时，自适应波束可以在其他信号入射角度 自适应形成零陷，极大降低多回波信号间的影响。但是仍然会有残留信号进 入天线，使角度测量结果产生偏差。当信号间的角度间隔小于主瓣时，产生 的偏差显著增大。
4.基于此，特提出本发明。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术存在的上述问题，本发明在自适应单脉冲技术基础 上，通过引入虚拟干扰来抵消其他信号对目标信号测量结果的影响，实现在 多目标条件下的精确目标角度测量。
6.本发明的技术方案为：一种基于镜像虚拟干扰的自适应单脉冲多目标测 角方法，在测量某个目标回波信号时，在其他回波信号相反方向构设镜像虚 拟干扰信号，来抵消其他回波信号对目标回波信号测角结果的误差，该方法 包括如下的步骤：
7.步骤一：由阵列雷达天线的接收数据得到采样协方差矩阵；
8.步骤二：采用自适应单脉冲算法确定估计的回波信号的入射角、强度；
9.步骤三：确定一个搜索精度或搜索次数；
10.步骤四：设置镜像虚拟干扰，更新采样方差矩阵，对各回波信号的入射 角、强度进行迭代；
11.步骤五：重复步骤四，直到满足搜索精度或达到搜索次数为止。
12.进一步地，所述步骤一的采样协方差矩阵用于取代线性最小均方误差准 则中自适应加权矢量表达式中的干扰信号和噪声的协方差矩阵；所述自适应 加权矢量表示为
13.其中r代表干扰信号和噪声的协方差矩阵，r-1
代 表干扰信号和噪声的协方差矩阵的逆，表 示入射方向为θ0的回波信号的导向矢量。
14.进一步地，所述步骤二中，所述估计的回波信号的入射角、强度分别为：
15.其中下标n表示为回波信号的编 号且n为自然数，q为差、和波束输出信号之比，λ为回波信号波长，m为 阵元数量的一半，d为阵元间距，θn为第n个回波信号的入射角。
16.进一步地，所述步骤四中，当目标为两个时，它们的回波信号分别为s1、 s2，入射角度分别为θ1、θ2，强度分别为和均位于天线主瓣，采用估 计值和代替回波信号s1的入射角度θ1和回波信号s2的入射角度θ2；
17.1)在测量回波信号s1的入射角度θ1时，引入干扰回波信号s2的虚拟镜像 干扰，来抵消s2对s1的影响，在处引入虚拟干扰，并根据阵列结构构 建该虚拟干扰的导向矢量：
[0018][0019]
虚拟干扰信号强度为则引入干扰回波信号s2的虚拟镜像干扰后，信 号采样协方差矩阵为：
[0020][0021]
此时，用更新后的采样协方差矩阵求新的自适应和、差波束加权矢量
[0022][0023]
利用上述加权值对信号进行单脉冲处理，对回波信号s1的入射角度和强 度进行更新，得到和
[0024]
2)根据上述测量结果对回波信号s2的入射角度进行更新，此时s1的虚拟 镜像干扰向量为：
[0025][0026]
虚拟干扰信号强度为则引入干扰回波信号s1的虚拟镜像干扰后， 新的信号采样协方差矩阵为：
[0027][0028]
此时，用更新后的采样协方差矩阵求新的自适应和、差波束加权矢量
[0029][0030]
并得到新的估计值和
[0031]
重复上述步骤1)和步骤2)，依次对两个回波信号的入射角和强度进 行交替迭代，直到两个入射回波信号角度的估计值变化幅度均小于预先设定 的精度值或达到搜索次数后，停止迭代更新。
[0032]
进一步地，所述步骤四中，当目标多于两个时，对其中一个回波信号进 行测量时，构建其他回波信号的虚拟向量，依次对多个回波信号的入射角和 强度进行交替迭代，直到所有入射信号角度的估计值变化幅度均小于预先设 定的精度值或达到搜索次数后，停止迭代更新。
[0033]
本发明的优点在于，经过基于虚拟干扰的自适应单脉冲测角处理后，在 存在多个目标信号回波的情况下，其测量的精度远高于传统的自适应单脉冲 测角结果。
附图说明
[0034]
图1是常规自适应单脉冲和波束图。
[0035]
图2是常规自适应单脉冲差波束图。
[0036]
图3是本发明的自适应迭代结果示意图。
[0037]
图4是本发明的自适应迭代后的和波束图。
[0038]
图5是本发明的自适应迭代后的差波束图。
具体实施方式
[0039]
为方便理解本发明的技术方案，采用具体实施例对本发明的技术方案做 进一步地说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是 所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本方案中的实施例 及实施例中的特征可以相互组合。
[0040]
实施例1：有两个目标的测角方法
[0041]
1.构建阵列雷达模型
[0042]
考虑阵列雷达天线为由2m个阵元组成的均匀线阵，其阵元间距为 d＝0.5
×
λ，λ为回波信号波长，以阵列的集合中心为参考点，第i个阵元的位置 可表示为pi，pi＝(i-m-0.5)
×
d，设波束指向为θ0。设空间中存在两个目标a、 b，其回波信号分别为s1、s2，入射角度分别为θ1、θ2，强度分别为和均位于天线主瓣。阵列雷达接收信号可表示为x：
[0043]
x＝[α(θ1)α(θ2)]
·
[s
1 s2]
t
+n
t
[0044]
其中，其中，分别表示两个回波信 号s1、s2的导向矢量，n表示由各阵元接收机产生的高斯白噪声构成的矩阵， j表示虚数单位，t表示矩阵转置运算。
[0045]
2.自适应单脉冲误差影响因素分析
[0046]
一)、由单脉冲测向原理，静态和、差波束的加权矢量w
∑
(θ0)、w
δ
(θ0)可分 别设置为：
[0047][0048]
其中，β
σ
和β
δ
分别表示和、差波束的归一化系数。
[0049]
可进一步得到和、差波束的输出信号：
[0050][0051][0052]
其中x
σ
、x
δ
分别为目标回波信号在和、差波束中的响应，h表示矩阵共轭 转置运算。
[0053]
和、差波束输出信号中的噪声相互独立，仍可看做高斯白噪声，设其方差 分别为因此，和、差波束的输出信号σ(θ0)、δ(θ0)服从联合复高斯独 立分布。
[0054][0055]
和、差波束输出信号之比为q：
[0056][0057]
re[
·
]表示取复数的实部。在单脉冲测向中，认为和、差波束输出信号之 比的大小正比于波束指向与回波信号入射方向的角度差，对应的关系称为鉴 相曲线。当波束指向与回波信号入射方向重合时，和、差波束输出信号之比 为0，当回波信号入射角位于波束指向主瓣时，可近似认为角度差 θ
ε
＝arctan(q)。
[0058]
二)、由最小方差准则自适应和、差波束的加权矢量为w
σ
′
(θ0)和w
δ
′
(θ0)：
[0059][0060]
可进一步得到和、差波束的输出信号：
[0061][0062][0063]
其中x
σ
、x
δ
分别为目标回波信号在和、差波束中的响应。h表示矩阵共轭 转置运算。
[0064]
当波束指向θ1时，由于自适应滤波可以抑制s2信号分量但无法完全滤除， 因此有：
[0065][0066][0067]
此时，差、和波束输出信号之比为q，期望可以表示为：
[0068][0069]
上式中η为信号检测门限，pd为对应的检测概率；i0表示第一类零阶修正 贝塞尔函数，为单调递增函数。
[0070]
由单脉冲测向原理，单个回波条件下，q与波束指向角θ0和回波信号入 射角θ1的函数关系为：
[0071]
q＝tan[πmd
·
(sinθ
1-sinθ0)/λ]
[0072]
当波束指向θ1时，实际得到的角度估计值为
[0073][0074]
因为x
δ
≠0，有e(q)≠0，因此角度估计值存在偏差，当θ2位于θ1右侧时， x
δ
》0，此时估计值偏大；同理可知，当θ2位于θ1左侧时，x
δ
《0，此 时估计值偏小。
[0075]
3.多目标条件下的测向误差
[0076]
当波束指向θ1时
[0077]
[0078]
和差波束输出信号之比q的期望值为：
[0079][0080]
上式中η为信号检测门限，pd为对应的检测概率；i0表示第一类零阶修正 贝塞尔函数，为单调递增函数。
[0081]
上式证明了在多目标条件下，通过单脉冲测向方法对回波信号角度的估 计是一种有偏估计，其具有以下特性：1.e(q)随x
σ
单调递减，随x
δ
单调递增。 当信号s2为完全屏蔽时，e(q)为0；2.由于波束主瓣附近角度差与差、和波 束输出信号之比近似于线性关系，因此可以推测，θ1的估计结果 3.e(q)具有方向性，且与x
δ
具有相同的符号，当θ2位于θ1右 侧时，x
δ
《0，此时估计值偏大；同理可知，当θ2位于θ1左侧时，x
δ
》0， 此时估计值偏小。
[0082]
4.自适应单脉冲多目标识别
[0083]
线性最小均方误差准则是一种经典的自适应波束形成准则，可以在保证 期望信号无失真接收的条件下，使阵列的输出功率最小，即在保证期望信号 的增益的情况下的同时，通过最大抑制干扰信号及噪声降低阵列的输出功率。 其自适应加权矢量可表示为：
[0084][0085]
其中r代表干扰信号和噪声的协方差矩阵，通常难以得到，可以用接收信号的 采样协方差矩阵来代替。
[0086]
进一步可以得到自适应和、差波束的加权矢量为w
σ
′
(θ0)和w
δ
′
(θ0)：
[0087][0088]
其中，
[0089]
其中，i表示单位矩阵，表示阵元接收机的高斯白噪声功率。
[0090]
利用sherman-morrison公式，对采样协方差矩阵r进行求逆运算，当波束 指向为θ1，其在θ2处的增益f(θ2)可表示为
[0091][0092]
表示s2和噪声的协方差矩阵的逆。算子表示不含回波信号s2情况下、波束指向为θ1时、θ2处的波束响应，值的大小与信号s2无关，不会在 θ2处产生零陷；由
右侧算子，可知当两个信号的角度间隔较大时，可易产生深 度正比于的零陷，当两个信号的角度间隔小于主瓣时，产生的零陷深度显 著降低。从而可以得到结论，当信号间的角度间隔小于主瓣时，自适应波束算 法对非目标信号的抑制能力显著降低。
[0093]
经自适应波束形成可以减小x
σ
、x
δ
中其他信号的分量，但无法完全抑制， 仍会有部分残存信号进入天线，设经自适应波束形成后变为x
σ
′
、x
δ
′
。
[0094]
x
σ
′
∈(s1，x
σ
)
[0095]
x
δ
′
∈(0，x
δ
)
[0096]
因此，自适应滤波方法可以减小s2对测角精度的影响，但不能完全消除。
[0097]
5.基于虚拟干扰的自适应单脉冲多目标测向
[0098]
以上分析证明了自适应单脉冲的测角结果仍然存在误差，且误差方向与 各回波信号入射角度的相对位置有关系。因此当测量某个回波信号时，可以 在其他回波信号相反方向构设镜像虚拟干扰信号，来抵消其他回波信号对测 角结果的误差，具体操作过程如下：
[0099]
和分别为回波信号s1和s2的经自适应波束形成后的初值估计值，此 时接收信号的强度为和两信号估计值的角度差可表示为前面证明了角度偏差具有方向性，因此，测量s1的入射角度θ1时， 引入s2的虚拟镜像干扰，来抵消s2对s1的影响。因为θ2和θ1无法精确获得，可 以通过估计值和代替。即在处引入虚拟干扰，并根据阵列结构构 建该虚拟干扰的导向矢量：
[0100][0101]
虚拟干扰信号强度为则引入s2的虚拟镜像干扰后，信号采样协方差 矩阵为：
[0102][0103]
此时，用更新后的采样协方差矩阵求新的自适应和、差波束加权矢量
[0104][0105]
利用上述加权值对信号进行单脉冲处理，对回波信号s1的入射角度和强 度进行更新，得到和并根据上述测量结果对回波信号s2的入射角度 进行更新，此时s1的虚拟镜像干扰向量为：
[0106][0107]
虚拟干扰信号强度为新的信号采样协方差矩阵为：
[0108][0109]
此时，用更新后的采样协方差矩阵求新的自适应和、差波束加权矢量
[0110][0111]
并得到新的估计值和再重复上述步骤，依次对两个回波信号的 入射角和强度进行交替迭代。上述估计的结果时渐进无偏的，经过数次估计 后，两个入射信号角度的估计值变化幅度均小于预先设定的精度值或达到搜 索次数后，停止迭代更新。
[0112]
实施例2：有两个以上目标的测角方法
[0113]
当检测目标多于两个时，对每一个回波信号都采用上述具体实施例1中 对目标回波信号的处理方法，对其中一个回波信号进行测量时，对其他回波 信号构建虚拟向量；依次对多个回波信号的入射角和强度进行交替迭代，直 到所有入射信号角度的估计值变化幅度均小于预先设定的精度值或达到搜索 次数后，停止迭代更新。
[0114]
实施例3：本发明的测角技术与常规自适应单脉冲测角技术的效果比对
[0115]
1、常规自适应单脉冲测角技术的仿真条件设置如下：阵列天线为16元 线阵，空间中存在三个回波信号，其参数如表1所示，使用常规自适应单脉 冲算法对三个回波信号进行角度估计，生成的和、差波束响应图如图1、图2 所示，从图1中能够看出，和波束最大增益处均偏离波束指向，且对其他方 向信号的抑制效果较差；从图2中能够看出，差波束未能在波束指向处形成 零陷，影响测角精度，与公式推导结果相一致，波束性能如表2所示。
[0116]
表1回波信号参数设置
[0117][0118]
表2常规自适应单脉冲性能
[0119][0120]
2、本发明改进的自适应单脉冲测角技术仿真条件设置同上，设单脉冲初 始波束指向分别为-3
°
、0
°
、3
°
，预设精度为0.01
°
。其估计结果如表3、图3 所示，生成的和、差波束响应图如图4、图5所示。
[0121]
表3自适应迭代结果
[0122][0123][0124]
由仿真可知，迭代四次终止，其估计精度优于常规自适应单脉冲估计。
[0125]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而 并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在 上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有 的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变 化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

技术特征：
1.一种基于镜像虚拟干扰的自适应单脉冲多目标测角方法，其特征在于：在测量某个目标回波信号时，在其他回波信号相反方向构设镜像虚拟干扰信号，来抵消其他回波信号对目标回波信号测角结果的误差，该方法包括如下的步骤：步骤一：由阵列雷达天线的接收数据得到采样协方差矩阵；步骤二：采用自适应单脉冲算法确定估计的回波信号的入射角、强度；步骤三：确定一个搜索精度或搜索次数；步骤四：设置镜像虚拟干扰，更新采样方差矩阵，对各回波信号的入射角、强度进行迭代；步骤五：重复步骤四，直到满足搜索精度或达到搜索次数为止。2.如权利要求1所述的基于镜像虚拟干扰的自适应单脉冲多目标测角方法，其特征在于：所述步骤一的采样协方差矩阵用于取代线性最小均方误差准则中自适应加权矢量表达式中的干扰信号和噪声的协方差矩阵；所述自适应加权矢量表示为其中r代表干扰信号和噪声的协方差矩阵，r-1
代表干扰信号和噪声的协方差矩阵的逆，表示入射方向为θ0的回波信号的导向矢量。3.如权利要求1所述的基于镜像虚拟干扰的自适应单脉冲多目标测角方法，其特征在于：所述步骤二中，所述估计的回波信号的入射角、强度分别为：于：所述步骤二中，所述估计的回波信号的入射角、强度分别为：其中下标n表示为回波信号的编号且n为自然数，q为差、和波束输出信号之比，λ为回波信号波长，m为阵元数量的一半，d为阵元间距，θ
n
为第n个回波信号的入射角。4.如权利要求1所述的基于镜像虚拟干扰的自适应单脉冲多目标测角方法，其特征在于：所述步骤四中，当目标为两个时，它们的回波信号分别为s1、s2，入射角度分别为θ1、θ2，强度分别为和均位于天线主瓣，采用估计值和代替回波信号s1的入射角度θ1和回波信号s2的入射角度θ2；1)在测量回波信号s1的入射角度θ1时，引入干扰回波信号s2的虚拟镜像干扰，来抵消s2对s1的影响，在处引入虚拟干扰，并根据阵列结构构建该虚拟干扰的导向矢量：虚拟干扰信号强度为则引入干扰回波信号s2的虚拟镜像干扰后，信号采样协方差矩阵为：
此时，用更新后的采样协方差矩阵求新的自适应和、差波束加权矢量利用上述加权值对信号进行单脉冲处理，对回波信号s1的入射角度和强度进行更新，得到和2)根据上述测量结果对回波信号s2的入射角度进行更新，此时s1的虚拟镜像干扰向量为：虚拟干扰信号强度为则引入干扰回波信号s1的虚拟镜像干扰后，新的信号采样协方差矩阵为：此时，用更新后的采样协方差矩阵求新的自适应和、差波束加权矢量并得到新的估计值和重复上述步骤1)和步骤2)，依次对两个回波信号的入射角和强度进行交替迭代，直到两个入射回波信号角度的估计值变化幅度均小于预先设定的精度值或达到搜索次数后，停止迭代更新。5.如权利要求4所述的基于镜像虚拟干扰的自适应单脉冲多目标测角方法，其特征在于：所述步骤四中，当目标多于两个时，对其中一个回波信号进行测量时，构建其他回波信号的虚拟向量，依次对多个回波信号的入射角和强度进行交替迭代，直到所有入射信号角度的估计值变化幅度均小于预先设定的精度值或达到搜索次数后，停止迭代更新。

技术总结
本发明涉及一种基于镜像虚拟干扰的自适应单脉冲多目标测角方法，在测量某个目标回波信号时，在其他回波信号相反方向构设镜像虚拟干扰信号来抵消其他回波信号对目标回波信号测角结果的误差，该方法包括步骤：步骤一：由阵列雷达天线的接收数据得到采样协方差矩阵；步骤二：采用自适应单脉冲算法确定估计的回波信号的入射角、强度；步骤三：确定一个搜索精度或搜索次数；步骤四：设置镜像虚拟干扰，更新采样方差矩阵，对各回波信号的入射角、强度进行迭代；步骤五：重复步骤四，直到满足搜索精度或达到搜索次数为止。经过基于虚拟干扰的自适应单脉冲测角处理后，在存在多个目标信号回波的情况下，其测量精度远高于传统的自适应单脉冲测角结果。角结果。角结果。


技术研发人员：杜钰 杨君 马鑫 邱磊 毛飞龙 姜浩浩 胡豪杰 杨松 李佳芯 邱琳琳
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学
技术研发日：2022.07.11
技术公布日：2022/11/1