基于阵列数据重排的高频地波雷达单次快拍music测向方法
【专利摘要】基于阵列数据重排的高频地波雷达单次快拍MUSIC测向方法，包括对高频地波雷达的回波信号进行二维FFT处理后，利用CFAR检测技术，检测出上述待侧向目标所在的距离单元、多普勒单元，得到阵列频域一次快拍数据，将阵列接收的一次快拍数据重新排列成Toeplitz矩阵，进而估计协方差矩阵，对协方差矩阵进行特征值分解，得到噪声子空间UN，然后利用MUSIC算法构造空间谱方式，进行目标方位估计，克服了降维MUSIC算法构造协方差矩阵引起的阵列天线孔径损失问题。实测数据表明，基于阵列数据重排的高频地波雷达单次快拍MUSIC测向方法具有较高的方位估计精度和分辨力。
【专利说明】基于阵列数据重排的高频地波雷达单次快拍MUSIC测向方 法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高频地波雷达单次快拍MUSIC测向方法，具体涉及一种基于阵列 数据重排的高频地波雷达单次快拍MUSIC测向方法。
【背景技术】
[0002] 高频地波雷达，又称为高频表面波雷达，工作于高频（3?30MHz)频段，利用垂直 极化高频电磁波沿海面（地表面）绕射传播特性，实现对海面舰船目标和低空飞行目标的 超视距探测。高频地波雷达由于自身体制的限制，发射信号波长较长，会导致其对目标方 位信息不敏感，方位向估计的精度较低，而目标的方位信息对于后期的数据处理又有十分 重要的作用，因而对于目标方位的估计具有非常现实的意义。为保证系统得到较高的信噪 比与良好的角度分辨力，一般需要使用大型接收阵列天线，而在实际工程实践中会带来一 系列的问题和麻烦，因此小型化阵列天线备受亲睐。然而，小型化阵列孔径宽度有限，常规 波束形成方法经常会造成目标不能正常分辨，测角误差较大。因此，为了改善测角型能， Schmidt (1986)提出的多重信号分类（MUSIC)算法、Paulraj等（1987)提出旋转不变子空 间（ESPRIT)算法、Barabell (1989)提出Root-MUSIC算法等超分辨方法应用到高频地波雷 达中。
[0003] 利用MUSIC算法进行D0A估计时，其性能与快拍数有关，快拍数越多，D0A估计精 度越高，但大量的快拍积累给实际的工程应用带来了不便：一是它无法对快速时变信号进 行测向；二是较多的快拍积累不利于实时计算。对于一次快拍而言，如果用XX H来估计协方 差矩阵，估计的效果会非常差。协方差矩阵估计的不准，特征分解时得到的噪声矢量与阵列 导向矢量的正交性就会降低，导致空间谱估计不准。
[0004] 针对这个问题，位寅生等提出了一种降维单次快拍MUSIC算法，这种方法存在阵 元损失，致使天线自由度降低的问题，尤其在阵列数比较小的情况下，阵元损失会使得角度 估计性能降低。相关的参考文献如下：
[0005] [1] R. 0. Schmidt. Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation[J]. IEEE Transaction on Antenna and Propagation. 1986,34(3):276-280.
[0006] [2]B. D. Rao and K. V. S. Hari. Performance analysis of root-music [J]. IEEE Trans. Aacoust, Speech, Signal Process,1989,37 (12):1939-1949.
[0007] [3]WEI Yin-sheng, TONG Peng, GUO Xiao-j iang. Single snapshot superresolution algorithm for HFSWR based on noise eigenvector reconstruction
[0008] [4]Q. S. Ren, A. J. Willis. Extending MUSIC to signal snapshot and on line direction finding applications [J]. Proc of IEEE Radar，Edinburgh，UK，1997:783-787.
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是提供一种基于阵列数据重排的高频地波雷达单次快拍MUSIC测 向方法，该方法将阵列接收的一次快拍数据重新排列成Toeplitz矩阵，进而估计协方差矩 阵，提1? 了方位估计精度1?，而且有更1?的分辨力。
[0010] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0011] 利用高频地波雷达朝海面发射无线电磁波对海面舰船目标的超视距探测，在中波 和短波段海水表面的地波传播衰减很小，而且地波在一定程度上会沿着弯曲的地球表面传 播，到达地平线以下很远的地方，即实现超视距传播，通过目标对高频无线电波的反射实现 对数百公里内的目标进行探测，其特征在于还包括以下步骤：
[0012] 步骤1 :对高频地波雷达的回波信号进行二维FFT处理后，利用CFAR检测技术，检 测出上述待侧向目标所在的距离单元、多普勒单元，得到阵列频域一次快拍数据，其结构为 Xi，i为1至Μ的自然数，Μ为地波雷达天线阵元数；
[0013] 步骤2 :利用步骤1得到的一次快拍数据进行阵列数据重排，排列成Toeplize矩 阵X ;
[0014]
【权利要求】
1. 基于阵列数据重排的高频地波雷达单次快拍MUSIC测向方法，包括： 利用高频地波雷达朝海面发射无线电磁波对海面舰船目标的超视距探测，通过目标对 高频无线电波的反射实现对数百公里内的目标进行探测，其特征在于还包括以下步骤： 步骤1 :对高频地波雷达的回波信号进行二维FFT处理后，利用CFAR检测技术，检测出 上述待侧向目标所在的距离单元、多普勒单元，得到阵列频域一次快拍数据，其结构为Xi，i 为1至Μ的自然数，Μ为地波雷达天线阵元数； 步骤2 :利用步骤1得到的一次快拍数据进行阵列数据重排，排列成Toeplize矩阵X ;
其中，*为共轭，Μ为地波雷达天线阵元数（行数）； 步骤3 :利用步骤2得到的矩阵X，估计协方差矩阵Rx ; Rx = X*XH 其中Η表示共轭转置； 步骤4 :利用步骤3得到的协方差矩阵Rx进行特征值分解，得到噪声子空间UN，然后利 用MUSIC算法构造空间谱方式，进行待测向目标方位估计；其空间谱函数表达式为：
其中a( Θ )为方向导向矢量，Η表不共轭转置，UN为噪声子空间； 步骤5 :利用步骤4构造的空间谱函数进行谱峰搜索，得到目标的方位估计。
2. 如权利要求1所述的基于阵列数据重排的高频地波雷达单次快拍MUSIC测向方法， 其特征在于上述步骤1 :首先对高频地波雷达的回波信号进行二维FFT处理后，将时域信号 转换到频域信号，得到距离-多普勒谱图，是纵坐标为距离、横坐标为多普勒频率的二维数 据；利用CFAR检测技术，检测出待侧向目标所在的距离单元、多普勒单元，将待测向目标所 在距离单元与多普勒单元的数据提取，即可得到阵列频域一次快拍数据。
3. 如权利要求1所述的基于阵列数据重排的高频地波雷达单次快拍MUSIC测向方法， 其特征在于上述步骤4 :利用步骤3得到的协方差矩阵Rx进行特征值分解，可得到N(信号 个数，一个距离单元及其多普勒单元为一个信号，多个待侧向目标会有信号）个大特征值 和M-N个小特征值，它们对应的特征向量分别为 Ul，…uN，uN+1，uM，则UN = [uN+1，…，uM]的各 列张成噪声子空间，然后利用MUSIC算法构造空间谱方式，进行目标方位估计，其空间谱表 达式为：
其中a( Θ )为方向导向矢量，Η表不共轭转置，UN为噪声子空间。
【文档编号】G01S13/06GK104155648SQ201410424616
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】纪永刚, 李奉会, 王祎鸣 申请人:国家海洋局第一海洋研究所