單脈沖雷達(dá)四通道聯(lián)合的高分辨測(cè)角新方法*

戴幻堯，王建路，韓慧，周波，汪連棟

(1.電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003；2.中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽 471003)

單脈沖雷達(dá)四通道聯(lián)合的高分辨測(cè)角新方法*

戴幻堯1，2，王建路2，韓慧1，周波2，汪連棟1

(1.電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003；2.中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽 471003)

常規(guī)單脈沖雷達(dá)具有方位、俯仰二維角度的測(cè)量能力，其角度分辨力取決于天線波束寬度，對(duì)主波束寬度內(nèi)的雙/多目標(biāo)不具備分辨能力。為了提高傳統(tǒng)單脈沖雷達(dá)測(cè)角分辨能力，提出一種新的單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，巧妙的提取和利用了雷達(dá)對(duì)角線差通道的接收信號(hào)；提出了一種四通道聯(lián)合單脈沖測(cè)角新方法，一次脈沖測(cè)量即可同時(shí)獲得主波束范圍內(nèi)2個(gè)目標(biāo)的二維角度信息，顯著提高單脈沖雷達(dá)的角度分辨能力。該算法簡單便于工程實(shí)現(xiàn)，并且在不同信噪比和2目標(biāo)回波功率比條件下都具有很好的穩(wěn)定性。最后，通過仿真分析驗(yàn)證了方法的有效性。

四通道單脈沖；對(duì)角差信號(hào)；角度分辨力；高分辨；測(cè)角；主瓣內(nèi)

0 引言

單脈沖雷達(dá)由于測(cè)角精度高，得到了廣泛應(yīng)用[1-7]。然而當(dāng)波束內(nèi)出現(xiàn)2個(gè)或者多個(gè)目標(biāo)時(shí)，回波信號(hào)相互混疊，造成觀測(cè)耦合，單脈沖雷達(dá)無法得到正確的測(cè)角結(jié)果，從而導(dǎo)致對(duì)目標(biāo)的跟蹤或者攻擊失效，拖曳式誘餌、兩點(diǎn)源干擾等一系列干擾技術(shù)均是利用了單脈沖雷達(dá)的這個(gè)缺陷。提高單脈沖雷達(dá)的角度分辨技術(shù)成為雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。不少學(xué)者對(duì)兩目標(biāo)檢測(cè)和分辨進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[8-9]基于瞬時(shí)匹配矩方法和模型簡化似然求解得到了2目標(biāo)角度估計(jì)的解析表達(dá)式，但是前提條件是已知2個(gè)目標(biāo)的信號(hào)功率或者已知二者的功率比。文獻(xiàn)[10]在此基礎(chǔ)上利用干擾檢測(cè)、雷達(dá)測(cè)量和跟蹤等信息實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)和誘餌相對(duì)功率比的估計(jì)。文獻(xiàn)[11-12]提出了基于接收回波條件分布的最大似然估計(jì)方法，文獻(xiàn)[13]提出通過計(jì)算質(zhì)心角度與聚類相結(jié)合的方法獲取目標(biāo)角度。綜上，現(xiàn)有方法均需要利用多個(gè)脈沖的信息進(jìn)行處理，不能充分發(fā)揮雷達(dá)利用單個(gè)脈沖進(jìn)行測(cè)角的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[14]利用數(shù)字陣列對(duì)角差通道進(jìn)行了抗主瓣干擾的研究，文獻(xiàn)[15]指出對(duì)角差通道是一個(gè)非常有用的通道，但是并沒有對(duì)角度分辨力展開深入分析。本文對(duì)對(duì)角差通道特性進(jìn)行了深入分析，提出了一種新的單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用一個(gè)脈沖對(duì)波束內(nèi)兩目標(biāo)進(jìn)行角度分辨，并對(duì)新方法進(jìn)行了仿真分析。

1 四通道單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改造

常規(guī)三通道單脈沖雷達(dá)如圖1所示，天線接收信號(hào)經(jīng)過混合器后得到和通道、方位差通道、俯仰差通道3個(gè)通道，只能得到一個(gè)目標(biāo)的方位角和俯仰角。根據(jù)常規(guī)的單脈沖雷達(dá)處理過程，當(dāng)只存在一個(gè)目標(biāo)時(shí)

(1)

式中：Σ，ΔA，ΔE為雷達(dá)經(jīng)過和差處理得到的已知量；Tx和Ty是未知量，分別為目標(biāo)的方位誤差信號(hào)和俯仰誤差信號(hào)。通過求解方程可以得到Tx和Ty，進(jìn)而查表得到目標(biāo)的角度信息。

當(dāng)存在2個(gè)目標(biāo)時(shí)，

(2)

式中：Σ1，Tx1，Ty1為第1個(gè)目標(biāo)的信號(hào)幅度、方位誤差信號(hào)、俯仰誤差信號(hào)；Σ2，Tx2，Ty2為另一個(gè)目標(biāo)的信號(hào)幅度、方位誤差信號(hào)、俯仰誤差信號(hào)，均為未知數(shù)。3個(gè)方程的通過分解實(shí)部和虛部得到6個(gè)方程，然而卻存在8個(gè)未知數(shù)(信號(hào)幅度包含絕對(duì)值和相位2個(gè)參數(shù))，顯然是無法求解的，導(dǎo)致常規(guī)的單脈沖雷達(dá)無法分辨波束內(nèi)的2個(gè)目標(biāo)。為了求解未知量，需要增加方程的數(shù)量。

圖1 常規(guī)單脈沖雷達(dá)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of conventional monopulse radar

通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)目標(biāo)處于不同角度時(shí)，被匹配負(fù)載吸收的對(duì)角差信號(hào)ΔΔ具有不同的響應(yīng)，這意味著ΔΔ中含有目標(biāo)的角度信息。因此，在常規(guī)單脈沖雷達(dá)的基礎(chǔ)上，引入輔助差通道，能夠得到額外信息，增加方程的數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)波束內(nèi)2個(gè)目標(biāo)的分辨。具體實(shí)現(xiàn)中，在常規(guī)三通道單脈沖雷達(dá)的基礎(chǔ)上，將圖1中接入匹配負(fù)載的ΔΔ信號(hào)引出作為輔助通道，得到四通道單脈沖雷達(dá)，如圖2所示。

圖2 包含對(duì)角差通道的單脈沖雷達(dá)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of conventional monopulse radar with diagonal difference channel

2 四通道單脈沖聯(lián)合測(cè)角新方法和數(shù)學(xué)原理

對(duì)于單個(gè)目標(biāo)，對(duì)角差通道響應(yīng)滿足以下條件

(3)

進(jìn)一步化簡，可以得到

(4)

當(dāng)存在2個(gè)目標(biāo)時(shí)，可以得到以下方程組

(5)

求解可得

(6)

其中n=1，2，

(7)

從式(7)可以看出，對(duì)波束內(nèi)2個(gè)目標(biāo)進(jìn)行角分辨時(shí)，直接利用4個(gè)通道的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，不需要2個(gè)目標(biāo)的回波功率比、回波幅度概率分布等先驗(yàn)信息，只需要一個(gè)脈沖就能實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)域、頻域混疊的2個(gè)目標(biāo)回波進(jìn)行測(cè)角，計(jì)算過程簡單高效。

上面對(duì)單脈沖雷達(dá)兩目標(biāo)分辨的數(shù)學(xué)原理進(jìn)行了分析。下面從另一個(gè)方面對(duì)高分辨力進(jìn)行分析，能夠更加清晰的認(rèn)識(shí)角度高分辨的機(jī)理。和信號(hào)、方位差信號(hào)、俯仰差信號(hào)、對(duì)角差信號(hào)與角度的關(guān)系如圖3所示。常規(guī)的三通道單脈沖只利用了前3個(gè)信號(hào)，波束寬度較寬，可以近似認(rèn)為對(duì)角差信號(hào)將波束分裂為4個(gè)較窄的子波束，從而提高了角度分辨力。

圖3 4個(gè)通道信號(hào)幅度與角度的關(guān)系Fig.3 Relation of amplitude and angle of four-channel signals

3 四通道單脈沖測(cè)角性能仿真

本節(jié)對(duì)四通道單脈沖雷達(dá)測(cè)角方法進(jìn)行了性能仿真分析。雷達(dá)采用比幅和差單脈沖體制，子天線波束形狀為高斯波束，天線的波束寬度為6°，波束內(nèi)有2個(gè)目標(biāo)，目標(biāo)A角度為(-1，1)，目標(biāo)B角度為(1.5，1.5)，2個(gè)目標(biāo)回波相位在[0°，360°]內(nèi)隨機(jī)分布，兩個(gè)目標(biāo)回波功率比β在0～10 dB內(nèi)隨機(jī)分布(功率比β定義為目標(biāo)B回波功率與目標(biāo)A回波功率之比，反映了2目標(biāo)RCS的相對(duì)大小，或2個(gè)輻射源信號(hào)功率大小)，目標(biāo)A回波信噪比為SNR=30 dB，仿真運(yùn)行了50次。圖4給出了2種單脈沖雷達(dá)對(duì)主波束內(nèi)2個(gè)目標(biāo)的測(cè)角結(jié)果，從圖4中可以看出，常規(guī)三通道單脈沖雷達(dá)無法區(qū)分2個(gè)目標(biāo)，測(cè)角結(jié)果位于2個(gè)目標(biāo)的連線上，如圖4a)所示。本文提出的四通道單脈沖雷達(dá)能夠區(qū)分波束內(nèi)的2個(gè)目標(biāo)，給出了正確的測(cè)角結(jié)果，受噪聲影響，測(cè)角結(jié)果分布于目標(biāo)真實(shí)值周圍，如圖4b)所示。

當(dāng)信噪比降低時(shí)，測(cè)角結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，隨著信噪比的降低，測(cè)角精度降低，但是仍然能夠?qū)?個(gè)目標(biāo)分辨開來。

圖4 單脈沖雷達(dá)對(duì)兩目標(biāo)測(cè)角結(jié)果(SNR=30 dB)Fig.4 Result of two targets measured by monopulse radar

圖5 不同信噪比時(shí)四通道單脈沖雷達(dá)對(duì)兩目標(biāo)測(cè)角結(jié)果Fig.5 Result of two targets measured by monopulse radar at different SNR

當(dāng)2目標(biāo)回波功率比β變化時(shí)，四通道單脈沖雷達(dá)對(duì)2個(gè)目標(biāo)的測(cè)角結(jié)果如圖6所示，其中SNR=30 dB。從圖5中可以看出，隨著目標(biāo)B與目標(biāo)A回波功率比的增大，目標(biāo)B的測(cè)角誤差減小。需要注意的是，功率比β是用于產(chǎn)生回波數(shù)據(jù)，在算法中并不需要β作為已知數(shù)或者先驗(yàn)信息，而文獻(xiàn)[1-10]中的目標(biāo)分辨算法需要將β作為先驗(yàn)信息。

圖6 2目標(biāo)回波功率比變化時(shí)四通道單脈沖雷達(dá)對(duì)2目標(biāo)測(cè)角結(jié)果Fig.6 Results of two targets measured by monopulse radar at different power ratio

4 結(jié)束語

本文提出了一種四通道單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，巧妙的提取和利用了雷達(dá)對(duì)角線差通道的接收信號(hào)，可以使單脈沖雷達(dá)對(duì)主波束內(nèi)的2個(gè)目標(biāo)進(jìn)行角度分辨，不需要2個(gè)目標(biāo)的回波功率比、回波幅度概率分布等先驗(yàn)信息，只需要一個(gè)脈沖就能實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)域、頻域混疊的2個(gè)目標(biāo)回波進(jìn)行測(cè)角，計(jì)算過程簡單高效。當(dāng)2個(gè)目標(biāo)回波功率比變大時(shí)，回波功率較大目標(biāo)的測(cè)角精度提高，另外一個(gè)目標(biāo)的測(cè)角精度不受影響。

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New Method of High Resolution Angle Measurement Based on Four Channel Joint of Monopulse Radar

DAI Huan-yao1，2，WANG Jian-lu2， HAN Hui1，ZHOU Bo2，WANG Lian-dong1

(1.State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System，Henan Luoyang 471003，China；2.Luoyang Electronic Equipment Testing Center，Henan Luoyang 471003，China)

The conventional monopulse radar has the ability to measure the elevation and azimuth angles, and the angular resolution depends on the width of antenna beam, normally it can’t distinguish two or multiple targets in the main beam. In order to improve the angular resolution of conventional monopulse radar, a novel system structure of monopulse radar is proposed, and a new solution to raise the angle resolution using a single pulse of four channels is presented. This new method skillfully chooses and uses the

signal of diagonal difference channel, and it can simultaneously derive two targets’ two-dimension angular information at main beam during one measuring process, so the new method can distinctly improve the angular resolution capability. The algorithm is simple and easy to carry out, and its stability is very good on the condition of different SNR and different return power ratio. Numerical simulations have demonstrated the effectiveness of the approach proposed.

four-channel monopulse；diagonal difference signal；angular resolution；high resolution；estimation angle；main lobe

2016-03-19；

2016-08-20

戴幻堯(1982-)，男，吉林長春人。副研究員，博士，主要從事雷達(dá)干擾和抗干擾新技術(shù)方面研究。

通信地址：471003 河南洛陽085信箱1號(hào) E-mail：leoneast@sina.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.03.016

TN958.4；TP391.9

A

1009-086X(2017)-03-0098-06