阵列天线自适应单脉冲测角技术研究

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单脉冲测角技术因其具有精确的角度测量特点,被广泛地应用在探测、制导以及电子对抗等多个场合。针对传统单脉冲方法容易受到外界电磁干扰的影响,并且考虑到自适应波束形成技术能对空域干扰信号进行有效地抑制,本文将两种技术结合起来,针对旁瓣干扰、主瓣干扰,并行计算以及宽带信号下的角度估计等几个方面,对自适应单脉冲测角技术进行了研究。本文主要工作如下:   1、针对自适应单脉冲测角中存在的旁瓣干扰问题,将子阵自适应波束形成的概念引入单脉冲角度估计中,提出了子阵自适应单脉冲方法。方法中,子阵中的每个单元天线后面接一个移相器,移相器的移相量由波束指向来控制,从而避免子阵间距大于半波长而造成的栅瓣现象。之后,采用正交投影算法对子阵级输出信号进行处理,通过估计子阵接收信号的协方差矩阵,进而估计信号子空间,完成自适应和、差波束权重系数的计算。此类算法不受阵列划分以及阵元排布方式的影响。仿真结果表明,在具有旁瓣干扰的场合下,该算法能够有效地完成干扰抑制,并实现目标角度的准确估计。   2、旁瓣对消结构下的自适应单脉冲算法对角度指向误差敏感,从而造成差波束零点漂移,目标角度估计精度下降。针对这一问题,提出了基于辅助通道子空间投影的自适应单脉冲算法。该算法采用旁瓣对消器结构,针对辅助通道期望信号泄露而造成主辅通道期望信号相消的问题,计算辅助通道输入信号的协方差矩阵,并对其进行特征值分解。由于辅助通道上,干扰信号的功率远强于泄露的期望信号和噪声信号的功率,所以我们可以通过特征值的大小取得干扰信号子空间,并将旧的权重系数向该子空间投影,得到新的和、差波束权重。新的权重系数只有干扰子空间的贡献,没有泄露的期望信号和噪声信号的贡献,所以对来波方向指向误差不敏感。仿真结果表明,在存在指向误差的情况下,该算法能够保证单脉冲比不畸变,保证和波束输出SINR不损失,提高了角度估计精度。   3、针对主瓣干扰下自适应单脉冲比畸变的问题,提出了基于阻塞矩阵预处理的自适应单脉冲算法。传统的阻塞矩阵预处理方法需要精确地知道外界主瓣干扰的来波方向信息,并且传统的基于子空间正交原理的来波方向估计方法算法运算量大。我们提出的方法将基于多级维纳滤波(MSWF)的快速子空间计算方法、子空间距离准则下的信源数目估计方法、基于子空间正交原理的来波方向估计方法、阻塞矩阵预处理方法、快速自适应波束形成方法结合起来,无须估计阵列接收信号协方差矩阵,无须特征值分解,无须预先知道信号源数目精确,无须精确已知主瓣干扰来波方向,就能快速地构造阻塞矩阵,并实现自适应单脉冲算法,完成目标角度的估计。仿真结果表明,该算法能够保证和、差波束方向图以及单脉冲比曲线不会因为主瓣干扰发生畸变,可以保证单脉冲角度估计。   4、针对大规模阵列下,自适应单脉冲算法数据量大,算法复杂度高的问题,提出了基于分块并行的自适应单脉冲算法。该算法以线性约束最小方差准则为核心,在和波束权重系数不施加额外约束的情况下,对差波束施加单脉冲比斜率约束和零点约束。此举保证了无论外界环境中的干扰是主瓣干扰还是旁瓣干扰,算法都能保证单脉冲比的线性特性,进而保证角度估计精度。接下来,针对上述方法的最优解可以通过迭代的方式得到,并且最优解的计算过程主要涉及对向量和矩阵操作的特点,算法可以被进行合理的分割,分割后的并行算法与分割前的方法具有相同的角度估计性能。此外,并行算法能够更容易在分布式计算环境用硬件实现。仿真实验表明,本文提出的方法能够抑制来自和波束主瓣和旁瓣的干扰,同时保证单脉冲测角精度。   5、针对宽带自适应波束形成中,传统聚焦方法需要事先精确知道期望信号和干扰信号来波方向、测角误差受先验信息的影响大的问题,提出了一种改进的贝叶斯聚焦算法,并将该算法应用到自适应单脉冲中去,实现了宽带信号下的自适应单脉冲测角。该算法无需任何先验知识,即可实现对目标的高精度角度估计。仿真实验表明,在基本不增加算法复杂度的情况下,改进的贝叶斯聚焦方法能够有效地完成宽带信号下的目标角度估计,并且对来波方向误差具有稳健性。
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