[发明专利]基于合成导向矢量的波束形成米波雷达测高方法

说明书

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，主要涉及米波雷达测高，具体地说是针对数字阵列米波雷达，提出一种基于合成导向矢量的波束形成米波雷达测高方法，在保证运算精度的同时降低运算量，用于雷达目标跟踪。

背景技术

米波雷达具有反隐身和抗反辐射导弹的能力，但因其波长较长，使其天线波束宽度较宽，角分辨率较低，在低仰角目标探测时地(海)面的多径反射现象更加严重。由于多径信号与直射波信号的相关性较强，导致米波雷达的测高问题一直是雷达界尚未很好解决的难题。

目前，国内外学者对于米波测高问题进行了大量的研究，取得了一些突破性的进展。陈伯孝等于2007年在《电子学报》和雷达年会上介绍了“基于波瓣分裂的米波雷达测高方法”，利用不同天线分裂波瓣的相位关系，确定目标所在仰角区间，对接收信号进行比幅处理提取归一化误差信号，最后根据归一化误差信号和仰角区间查表得到目标的高度。但该方法对阵地的平坦性要求较高，且测高精度只能达到距离的1％，难以满足一些精度较高的实际使用要求。杨雪亚于2011年在其博士论文中提出了基于多径信号模型的合成导向矢量最大似然测高算法，将精确多径反射模型引入到米波雷达测高中，提高了测高精度，在工程应用中效果较好。但此方法主要存在两个问题，一是在计算目标的反射角和波程差时应用了精确多径信号反射模型，导致计算时数值动态范围较大，单精度浮点数不能满足精度要求，而现有的DSP处理器(如ADSP-TS201)不能很好的支持双精度计算，计算所需时间大大加剧；二是最大似然方法需计算相关矩阵和投影矩阵，算法中需要矩阵相乘，计算量巨大，不利于提高测高计算速度，降低了雷达处理目标的能力。

波束形成算法是时域傅里叶谱估计的一种空域拓展形式，通过将各阵元输出进行加权求和，在一定时间内将天线阵列波束“导向”到一个方向上，对期望信号得到最大输出功率的导向位置给出了波达方向估计，是一种快速有效的算法。但这种方法会受到“瑞利限”的限制，即对位于一个波束宽度内的空间目标不可分辨。在低仰角米波雷达测高时，反射波和直射波夹角小于一个波束宽度，传统的波束形成算法将不可分辨。

米波雷达一般用作预警雷达，因此需要对目标高度进行快速精确的估计，上述几种方法均不能很好的解决米波雷达测高问题，制约着雷达目标测高的高效工作和工程化运行。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的计算量大、测高速度低和测高精度低等不足，将合成导向矢量与波束形成相结合，解决了雷达测高时运算量大的问题，并且避免了普通波束形成在目标低仰角情况下不可分辨的问题，提供一种测高精度较高且运算量较小的基于合成导向矢量的波束形成米波雷达测高方法。

本发明是一种基于合成导向矢量的波束形成米波雷达测高方法，实现步骤包括：

步骤1：从雷达接收的回波中提取目标信号x(t_k)，并根据目标距离信息确定目标仰角搜索范围。

步骤2：建立雷达波反射模型，根据目标搜索仰角θ_d，计算反射点与雷达中心对应的地面弧长和反射点与目标对应的地面弧长，分别记为G₁和G₂，或者说是反射点分别与雷达中心和目标在地面投影点的弧长。

步骤3：分别计算目标和雷达中心在反射点切线上的等效高度，记为h_r′和h_t′，然后计算雷达波的反射角θ_i及反射波与直射波的波程差ΔR，目标等效高度为h_r′，雷达中心等效高度为h_t′。本发明通过模型的几何关系计算减小了数值范围，使单精度浮点数满足精度要求。

步骤4：利用直射波导向矢量a(θ_d)和反射波导向矢量a(θ_i)计算搜索角度的合成导向矢量a_s(θ_d)。

a_s(θ_d)＝a(θ_d)+ρexp(-j2πΔR/λ)a(θ_i)

其中ρ为地面反射系数，λ为雷达波波长。

步骤5：对雷达回波进行波束形成处理，计算归一化阵列平均输出功率S(θ_d)。

步骤6：每个搜索仰角对应的归一化阵列平均输出功率计算完成后，选取最大归一化阵列平均输出功率对应的角度为目标仰角θ，并利用余弦定理计算目标的高度h_t：