运动平台下基于流形分离的共形阵列稳健估角方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达信号处理技术领域，具体地说是一种在运动平台下基于流形分离 的共形阵列稳健估角方法。本发明可应用于雷达运动平台中的阵列误差校正，实现目标的 稳健估角。
【背景技术】
[0002] 信源的波达角估计（DirectionofArrival，DOA)在雷达等领域应用广泛，基于子 空间的超分辨D0A估计方法可以获得优良的估角性能，然而其高分辨力是在理想阵列流形 的假设下得到的，当阵列存在误差时，传统的基于子空间的D0A估计方法性能严重下降，甚 至失效。而在运动平台中，由于环境的温度湿度以及载体的抖动等因素会对阵列引入新的 误差，因此，针对运动平台的误差补偿方法是阵列雷达空间谱估计的一个重要内容。
[0003]WeissAJ在"ArrayshapeCalibrationusingSourcesinUnknown Locations-AMaximumLikelihoodApproach"（IEEE,TransactionsonAcoustics. Speech.AndProcessing, 1989年第12期1958-1966页）中基于最大似然原理提出了对阵 元位置和信源角度的联合估计方法。该方法将位置误差矩阵的泰勒展开进行了一阶近似， 但是该近似只在误差很小的情况下适用，且随着误差增大，自校正算法本身会存在局部收 敛的问题。
[0004]BelloniF等在"DOAEstimationviaManifoldSeparationforArbitrary ArrayStructure"（IEEETransactionsonSignalProcessing, 2〇〇7年第10 期48〇0_4810 页）中提出了阵列流形分离技术。阵列流行分离技术将具有任意结构的导向矢量分解成采 样矩阵和具有范德蒙结构的系数矢量的乘积形式，采样矩阵描述阵列本身而与来波信源无 关，系数矢量只反映信号的角度特征。由于采样矩阵包含阵列的误差信息，所以用该采样矩 阵可以实现误差下的稳健估角。但是文中提出的阵列流形是通过在微波暗室中测量获得， 再离线计算得到采样矩阵。然而由于工作环境的温湿度以及载体抖动等因素会随时给阵列 引入新的误差，文中的方法此时无法获得阵列误差的最新信息，导致误差补偿方法效果下 降。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种针对运动平台下基于流形分离 的共形阵列稳健估角方法。该方法将杂波块看作是校正源，利用回波数据求解采样矩阵，根 据采样矩阵中包含阵列的实时误差实现误差下对信源的稳健估角。
[0006] 本发明的基本思路是：本发明在运动平台中采用流形分离技术对阵列误差进行校 正，首先得到阵列在运动平台下的空时二维信号，对时间维做快速傅里叶变换得到一个新 的矩阵；然后对多普勒域进行插值使其对应的多普勒中心角均匀，并求出每一列数据的协 方差矩阵；最后根据协方差矩阵主特征矢量与该多普勒通道中心角对应的导向矢量的对应 关系求解出阵列的采样矩阵，得到实时阵列空域导向矢量，进而实现稳健估角。
[0007] 为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：
[0008] (1)利用N个阵元组成的等距线阵得到地面回波数据X;
[0009] (2)对数据矩阵X的时间维作快速傅里叶变换，将其变换到多普勒域，得到一个新 的矩阵B;
[0010] (3)设计滤波器组W，使多普勒通道中心频率所映射中心角满足流形分离的均分 条件，得到对应中心角度均分的通道数据；
[0011] ⑷对中心角均分的通道求取其协方差矩阵Ri;
[0012] (5)对氏进行特征值分解，得到主特征矢量vi，构建主特征矢量矩阵V;
[0013] (6)计算V的傅里叶逆变换，得到实际的采样矩阵G，并利用流行分离技术得到实 时阵列空域导向矢量(久供）；
[0014] (7)利用实时阵列空域导向矢量，采用MUSIC算法可得杂波块的俯仰角和 方位角的估计值，实现目标的稳健估角。
[0015] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0016] 本发明将阵列流形分离技术应用到运动平台中，利用差值运算解决了传统的FFT 降维运算无法满足角度均分条件这一问题；在运动平台下根据采样数据求取采样矩阵，并 结合阵列流形分离技术实现了对阵列实时误差进行补偿，克服了流形分离技术离线计算采 样矩阵，无法获得阵列的最新误差信息的缺点。本发明得到的采样矩阵具有误差稳健的优 点，能实现误差条件下信源的稳健估角。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明流程图；
[0018] 图2是本发明中阵列在运动平台下的模型示意图；
[0019] 图3是误差校正前后空间谱曲线图；
[0020] 图4是采用不同方法得到的均方根误差随位置误差变化的曲线图；
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图对本
【发明内容】
做进一步的描述。
[0022] 参照图1至图2 (其中图1给出了本发明共形阵列误差补偿方法的流程图；图2给 出了本发明阵列在运动平台下的模型示意图），本发明的具体实施步骤如下：
[0023] 步骤1 :利用N个阵元组成的等距线阵得到地面回波数据X:
[0024]
【主权项】
1. 一种运动平台下基于流形分离的共形阵列稳健估角方法，其特征在于：包括如下步 骤： (1) 利用N个阵元组成的等距线阵得到地面回波数据X; (2) 对数据矩阵X的时间维作快速傅里叶变换，得到多普勒域的数据矩阵B; (3) 设计滤波器组W，使多普勒通道中心频率所映射中心角满足流形分离的均分条件， 并运算得到对应中心角度均分的通道数据Y; (4) 对中心角均分的通道数据Y求取其协方差矩阵Ri; (5) 对氏进行特征值分解，得到主特征矢量vi，构建主特征矢量矩阵V; (6) 计算V的傅里叶逆变换，得到实际的采样矩阵G，并利用流行分离技术得到实时阵 列空域导向矢量％ (久史)； (7) 利用实时阵列空域导向矢量采用MUSIC算法得到杂波块的俯仰角和方位 角，实现目标的稳健估角。
2. 根据权利要求1所述的运动平台下基于流形分离的共形阵列稳健估角方法，其中步 骤⑴所述的地面回波数据X为：
其中N。为该距离环划分为N。个杂波地块，gk和yk分别为第k(k= 1，2, 个杂 波地块的等效后向散射系数和等效增益，9k为第k(k= 1，2,…，N。）个杂波地块的方位角， %为俯仰角，，的,％)为第k个杂波地块的空时二维导向矢量。
3. 根据权利要求1所述的运动平台下基于流形分离的共形阵列稳健估角方法，其特征 在于步骤（3)所述的设计滤波器组W可用如下公式表示：
其中Q为滤波器的通道数，K为滤波器长度，= 1…0为第i个滤波通道的归一化 频率，(/ = 1-0)为第i个滤波通道滤波系数，T为矩阵转置； 进而得到对应中心角度均分的通道输出数据为Y为： Y =ffTB Y = …yQ] 其中yi(i= 1…?为第i个滤波通道的输出数据。
4. 根据权利要求1所述的运动平台下基于流形分离的共形阵列稳健估角方法，其中步 骤（4)中所述对中心角均分的通道求取其协方差矩阵氏为：
其中Ri为第i个滤波通道的协方差矩阵，i= 1，2，…，Q，L为采样快拍数，H为矩阵 共轭转置。
5. 根据权利要求1所述的运动平台下基于流形分离的共形阵列稳健估角方法，其特征 在于步骤（5)所述的构建主特征矢量V，可用如下公式表示： V=hv2 ...V，..vQ] 其中Vi(i= 1…Q)是氏进行特征值分解得到的主特征矢量。
6. 根据权利要求1所述的运动平台下基于流形分离的共形阵列误差校正方法，其特征 在于步骤（6)所述的实时阵列空域导向矢量心（久供)按如下步骤进行： 6a)计算V的傅里叶逆变换，得到实际的采样矩阵G; 6b)在运动平台下，利用流行分离技术得到实时阵列空域导向矢量为：
其中，0和p分别为杂波地块的方位角和俯仰角；W为具有范德蒙结构的系数矢 量。
7. 根据权利要求1所述的运动平台下基于流形分离的共形阵列稳健估角方法，其特征 在于步骤（7)所述的稳健估角按如下步骤进行： 7a)对地面回波数据X的相关矩阵进行特征值分解，得到噪声子空间Um; 7b)利用实时阵列空域导向矢量％ (久供)进行遍历搜索，得到的空间谱Pwr.SYr (民(9)可 用如下公式表示：
u \ ^ i / m 7c)杂波块俯仰角和方位角的估计值(么勿为： \ ' / - 9；<p
' 其中4为杂波块俯仰角的估计值，多为杂波块方位角的估计值。
【专利摘要】本发明公开了一种运动平台下基于流行分离的共形阵列稳健估角方法，实现过程为：首先在运动平台下利用天线阵列获取空时二维信号数据，并对数据的时间维进行FFT处理；然后设计滤波器组，使多普勒通道中心频率所映射中心角满足流形分离的均分条件，得到对应中心角度均分的通道数据；利用每一通道的数据得到协方差矩阵并对其进行特征值分解，得到对应流行矩阵的主特征矢量矩阵；最后获得采样矩阵，并基于流行分离技术得到共形阵列的实时空域导向矢量，实现稳健估角。本发明克服了采样矩阵离线测量困难并且无法实时更新阵列误差的缺点，能实现误差条件下信源的稳健估角，为雷达、通信等领域中运动平台阵列误差的补偿提供了一种有效信号处理方法。
【IPC分类】G01S7-41
【公开号】CN104698448
【申请号】CN201510157622
【发明人】贺顺, 李国民, 张释如, 侯颖
【申请人】西安科技大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年4月3日