基于陣列數(shù)據(jù)重排的高頻地波雷達(dá)單次快拍music測向方法
【專利摘要】基于陣列數(shù)據(jù)重排的高頻地波雷達(dá)單次快拍MUSIC測向方法，包括對高頻地波雷達(dá)的回波信號進(jìn)行二維FFT處理后，利用CFAR檢測技術(shù)，檢測出上述待側(cè)向目標(biāo)所在的距離單元、多普勒單元，得到陣列頻域一次快拍數(shù)據(jù)，將陣列接收的一次快拍數(shù)據(jù)重新排列成Toeplitz矩陣，進(jìn)而估計(jì)協(xié)方差矩陣，對協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解，得到噪聲子空間UN，然后利用MUSIC算法構(gòu)造空間譜方式，進(jìn)行目標(biāo)方位估計(jì)，克服了降維MUSIC算法構(gòu)造協(xié)方差矩陣引起的陣列天線孔徑損失問題。實(shí)測數(shù)據(jù)表明，基于陣列數(shù)據(jù)重排的高頻地波雷達(dá)單次快拍MUSIC測向方法具有較高的方位估計(jì)精度和分辨力。
【專利說明】基于陣列數(shù)據(jù)重排的高頻地波雷達(dá)單次快拍MUSIC測向方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高頻地波雷達(dá)單次快拍MUSIC測向方法，具體涉及一種基于陣列 數(shù)據(jù)重排的高頻地波雷達(dá)單次快拍MUSIC測向方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 高頻地波雷達(dá)，又稱為高頻表面波雷達(dá)，工作于高頻（3?30MHz)頻段，利用垂直 極化高頻電磁波沿海面（地表面）繞射傳播特性，實(shí)現(xiàn)對海面艦船目標(biāo)和低空飛行目標(biāo)的 超視距探測。高頻地波雷達(dá)由于自身體制的限制，發(fā)射信號波長較長，會(huì)導(dǎo)致其對目標(biāo)方 位信息不敏感，方位向估計(jì)的精度較低，而目標(biāo)的方位信息對于后期的數(shù)據(jù)處理又有十分 重要的作用，因而對于目標(biāo)方位的估計(jì)具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。為保證系統(tǒng)得到較高的信噪 比與良好的角度分辨力，一般需要使用大型接收陣列天線，而在實(shí)際工程實(shí)踐中會(huì)帶來一 系列的問題和麻煩，因此小型化陣列天線備受親睞。然而，小型化陣列孔徑寬度有限，常規(guī) 波束形成方法經(jīng)常會(huì)造成目標(biāo)不能正常分辨，測角誤差較大。因此，為了改善測角型能， Schmidt (1986)提出的多重信號分類（MUSIC)算法、Paulraj等（1987)提出旋轉(zhuǎn)不變子空 間（ESPRIT)算法、Barabell (1989)提出Root-MUSIC算法等超分辨方法應(yīng)用到高頻地波雷 達(dá)中。
[0003] 利用MUSIC算法進(jìn)行D0A估計(jì)時(shí)，其性能與快拍數(shù)有關(guān)，快拍數(shù)越多，D0A估計(jì)精 度越高，但大量的快拍積累給實(shí)際的工程應(yīng)用帶來了不便：一是它無法對快速時(shí)變信號進(jìn) 行測向；二是較多的快拍積累不利于實(shí)時(shí)計(jì)算。對于一次快拍而言，如果用XX H來估計(jì)協(xié)方 差矩陣，估計(jì)的效果會(huì)非常差。協(xié)方差矩陣估計(jì)的不準(zhǔn)，特征分解時(shí)得到的噪聲矢量與陣列 導(dǎo)向矢量的正交性就會(huì)降低，導(dǎo)致空間譜估計(jì)不準(zhǔn)。
[0004] 針對這個(gè)問題，位寅生等提出了一種降維單次快拍MUSIC算法，這種方法存在陣 元損失，致使天線自由度降低的問題，尤其在陣列數(shù)比較小的情況下，陣元損失會(huì)使得角度 估計(jì)性能降低。相關(guān)的參考文獻(xiàn)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.


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是提供一種基于陣列數(shù)據(jù)重排的高頻地波雷達(dá)單次快拍MUSIC測 向方法，該方法將陣列接收的一次快拍數(shù)據(jù)重新排列成Toeplitz矩陣，進(jìn)而估計(jì)協(xié)方差矩 陣，提1? 了方位估計(jì)精度1?，而且有更1?的分辨力。
[0010] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0011] 利用高頻地波雷達(dá)朝海面發(fā)射無線電磁波對海面艦船目標(biāo)的超視距探測，在中波 和短波段海水表面的地波傳播衰減很小，而且地波在一定程度上會(huì)沿著彎曲的地球表面?zhèn)?播，到達(dá)地平線以下很遠(yuǎn)的地方，即實(shí)現(xiàn)超視距傳播，通過目標(biāo)對高頻無線電波的反射實(shí)現(xiàn) 對數(shù)百公里內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行探測，其特征在于還包括以下步驟：
[0012] 步驟1 :對高頻地波雷達(dá)的回波信號進(jìn)行二維FFT處理后，利用CFAR檢測技術(shù)，檢 測出上述待側(cè)向目標(biāo)所在的距離單元、多普勒單元，得到陣列頻域一次快拍數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)為 Xi，i為1至Μ的自然數(shù)，Μ為地波雷達(dá)天線陣元數(shù)；
[0013] 步驟2 :利用步驟1得到的一次快拍數(shù)據(jù)進(jìn)行陣列數(shù)據(jù)重排，排列成Toeplize矩 陣X ;
[0014]

【權(quán)利要求】
1. 基于陣列數(shù)據(jù)重排的高頻地波雷達(dá)單次快拍MUSIC測向方法，包括： 利用高頻地波雷達(dá)朝海面發(fā)射無線電磁波對海面艦船目標(biāo)的超視距探測，通過目標(biāo)對 高頻無線電波的反射實(shí)現(xiàn)對數(shù)百公里內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行探測，其特征在于還包括以下步驟： 步驟1 :對高頻地波雷達(dá)的回波信號進(jìn)行二維FFT處理后，利用CFAR檢測技術(shù)，檢測出 上述待側(cè)向目標(biāo)所在的距離單元、多普勒單元，得到陣列頻域一次快拍數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)為Xi，i 為1至Μ的自然數(shù)，Μ為地波雷達(dá)天線陣元數(shù)； 步驟2 :利用步驟1得到的一次快拍數(shù)據(jù)進(jìn)行陣列數(shù)據(jù)重排，排列成Toeplize矩陣X ;
其中，*為共軛，Μ為地波雷達(dá)天線陣元數(shù)（行數(shù)）； 步驟3 :利用步驟2得到的矩陣X，估計(jì)協(xié)方差矩陣Rx ; Rx = X*XH 其中Η表示共軛轉(zhuǎn)置； 步驟4 :利用步驟3得到的協(xié)方差矩陣Rx進(jìn)行特征值分解，得到噪聲子空間UN，然后利 用MUSIC算法構(gòu)造空間譜方式，進(jìn)行待測向目標(biāo)方位估計(jì)；其空間譜函數(shù)表達(dá)式為：
其中a( Θ )為方向?qū)蚴噶?，Η表不共軛轉(zhuǎn)置，UN為噪聲子空間； 步驟5 :利用步驟4構(gòu)造的空間譜函數(shù)進(jìn)行譜峰搜索，得到目標(biāo)的方位估計(jì)。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于陣列數(shù)據(jù)重排的高頻地波雷達(dá)單次快拍MUSIC測向方法， 其特征在于上述步驟1 :首先對高頻地波雷達(dá)的回波信號進(jìn)行二維FFT處理后，將時(shí)域信號 轉(zhuǎn)換到頻域信號，得到距離-多普勒譜圖，是縱坐標(biāo)為距離、橫坐標(biāo)為多普勒頻率的二維數(shù) 據(jù)；利用CFAR檢測技術(shù)，檢測出待側(cè)向目標(biāo)所在的距離單元、多普勒單元，將待測向目標(biāo)所 在距離單元與多普勒單元的數(shù)據(jù)提取，即可得到陣列頻域一次快拍數(shù)據(jù)。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于陣列數(shù)據(jù)重排的高頻地波雷達(dá)單次快拍MUSIC測向方法， 其特征在于上述步驟4 :利用步驟3得到的協(xié)方差矩陣Rx進(jìn)行特征值分解，可得到N(信號 個(gè)數(shù)，一個(gè)距離單元及其多普勒單元為一個(gè)信號，多個(gè)待側(cè)向目標(biāo)會(huì)有信號）個(gè)大特征值 和M-N個(gè)小特征值，它們對應(yīng)的特征向量分別為 Ul，…uN，uN+1，uM，則UN = [uN+1，…，uM]的各 列張成噪聲子空間，然后利用MUSIC算法構(gòu)造空間譜方式，進(jìn)行目標(biāo)方位估計(jì)，其空間譜表 達(dá)式為：
其中a( Θ )為方向?qū)蚴噶浚П聿还曹椶D(zhuǎn)置，UN為噪聲子空間。
【文檔編號】G01S13/06GK104155648SQ201410424616
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】紀(jì)永剛, 李奉會(huì), 王祎鳴 申請人:國家海洋局第一海洋研究所