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单脉冲测角原理单脉冲测角（Monopulse Angle Measurement）是一种常用的雷达测角方法，它通过对目标返回信号的处理，实现对目标的方位角和俯仰角的测量。
单脉冲测角原理是基于相控阵雷达技术的，它具有测量精度高、抗干扰能力强等优点，在军事和民用雷达领域得到了广泛的应用。
单脉冲测角原理的基本思想是利用相控阵天线阵列的空间波束形成特性，通过对目标返回信号的相位差进行测量，从而实现对目标方位角和俯仰角的测量。
相控阵天线阵列由多个天线单元组成，每个天线单元都可以独立控制相位和幅度，从而实现对空间波束的形成和控制。
当目标位于相控阵的波束覆盖范围内时，每个天线单元接收到的目标返回信号会存在一定的相位差，通过对这些相位差的测量和处理，就可以得到目标的方位角和俯仰角信息。
在单脉冲测角中，常用的测量方法包括相位比较法、幅度比较法和双差法。
相位比较法是通过比较不同通道接收到的信号相位差来实现测角，它的测量精度较高，但对系统的动态范围和线性度要求较高；幅度比较法是通过比较不同通道接收到的信号幅度差来实现测角，它的测量精度相对较低，但对系统的动态范围和线性度要求较低；双差法是通过比较两个天线单元之间的相位差和幅度差来实现测角，它综合了相位比较法和幅度比较法的优点，具有较高的测量精度和较低的系统要求。
单脉冲测角原理的实现需要对雷达系统进行精确的设计和调试，包括天线阵列的设计、相控阵的控制和信号处理部分的设计等。
在实际应用中，还需要考虑目标信号的特性、系统的工作环境和干扰情况等因素，从而进一步提高测量精度和抗干扰能力。
总之，单脉冲测角原理是一种重要的雷达测角方法，它通过对目标返回信号的相位差进行测量，实现对目标方位角和俯仰角的精确测量。
在现代雷达系统中得到了广泛的应用，为目标探测、跟踪和定位提供了重要的技术支持。
随着雷达技术的不断发展和完善，相信单脉冲测角原理将会发挥越来越重要的作用，为雷达应用领域带来更多的技术创新和发展。
一种基于共形阵的自适应单脉冲测角方法赵英俊;李荣锋;王永良;刘维建【期刊名称】《电光与控制》【年(卷),期】2013(000)007【摘要】针对主瓣干扰背景下，当共形阵采用常规自适应单脉冲方法测角时，其单脉冲比曲线严重失真，导致测角精度严重下降的问题，提出了一种基于共形阵的自适应单脉冲测角方法。
该方法首先对阵列进行常规自适应和波束形成，得到阵列和波束输出；然后通过施加单脉冲比约束求取自适应差波束权矢量，从而形成阵列差波束输出；最后利用输出的和、差波束实现测角。
仿真结果表明，和常规方法相比，该方法能在抑制主瓣干扰的同时，较好地保证共形阵对目标方位角、俯仰角的测角精度。
【总页数】4页(P15-18)【作者】赵英俊;李荣锋;王永良;刘维建【作者单位】空军预警学院兵器运用工程军队重点实验室，武汉 430019; 海军工程大学电子工程学院，武汉430019;空军预警学院兵器运用工程军队重点实验室，武汉 430019;空军预警学院兵器运用工程军队重点实验室，武汉 430019;空军预警学院兵器运用工程军队重点实验室，武汉 430019【正文语种】中文【中图分类】V271.4;TN957【相关文献】1.一种基于均匀圆阵的自适应单脉冲测角方法 [J], 赵英俊;李荣锋;王永良;刘维建2.基于鉴角曲线拟合的自适应单脉冲测角方法 [J], 陈成增;吴建新;王彤;吴亿锋3.一种低副瓣自适应单脉冲测角方法 [J], 陈希信;龙伟军;张庆海4.基于三阶泰勒展开的自适应单脉冲测角方法 [J], 陈成增;王彤;吴建新5.一种共形阵主动声纳空时自适应混响抑制方法 [J], 詹昊可;蔡志明;苑秉成因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
单脉冲测角技术作者：轩健来源：《科技风》2018年第03期摘要：现代社会，随着导弹、卫星和宇航技术的大幅提高和进步，雷达技术逐渐应用到了越来越多的领域中。
对于目标信号，雷达不仅需要测量目标距离，还包括目标的参数测量，而在某些应用中为了快速地提供目标的精确坐标值，还需要采用自动测角的方法。
单脉冲测角技术定向精度高、实现简单、稳健性好，本文的工作就是围绕着单脉冲技术在雷达中的应用展开的。
文章首先简要阐述了研究的背景和意义，重点表明了单脉冲技术的优势，然后介绍了单脉冲技术测角的原理，最后讨论了该技术存在的缺陷。
关键词：雷达测角；单脉冲技术；同时波瓣测角一、论文研究的背景和意义这些年来，火箭、导弹、人造卫星和宇航技术的日益成熟和不断发展，随之而来的是对跟踪雷达的配套技术的迫切要求，这些方面和指标主要体现在其跟踪的速度、跟踪的精度、跟踪的距离和抵抗外界干扰的能力等方面。
在很大一部分应用情况下，跟踪和检测一个目标，雷达不仅需要估计目标的距离值和速度值，而且要额外计算目标的角坐标。
目前普遍有三种雷达测角方法：顺序波瓣法、圆锥扫描跟踪、单脉冲[1]技术。
顺序波瓣法利用两波束交替出现，或只要其中一个波束，使它绕等信号轴旋转，波束便按时间顺序在1，2位置交替出现。
单脉冲法则使用两套一样的接收系统同时工作。
它们都是属于等信号法[2]。
圆锥扫描法属于最大信号法，天线波束围绕等强线锥形旋转。
当目标偏离其等强线时，接收机收到一个调幅信号的，由此计算出目标的偏离值。
然后将接收机输出的偏离大小的误差值，送到伺服控制电路，使天线对准目标。
单脉冲雷达有很多其他雷达无法比拟和企及的优势。
首当其冲的当属其测量精度，其之所以能达到如此高的测量精度与其工作原理是分不开的。
我们知道单脉冲雷达不会随着目标回波幅度的起伏变化而变化，而其他类型的雷达比如：圆锥扫描雷达却会随着随着目标回波幅度的起伏变化而发生相应的变化，从而产生了一种附加的调制误差。
第４５卷 第１２期２０２３年１２月系统工程与电子技术ＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＶｏｌ．４５ Ｎｏ．１２Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２０２３文章编号：１００１ ５０６Ｘ（２０２３）１２ ３８４５ ０７ 网址：ｗｗｗ．ｓｙｓ ｅｌｅ．ｃｏｍ收稿日期：２０２２０６０９；修回日期：２０２２０８１８；网络优先出版日期：２０２２１０２４。
网络优先出版地址：ｈｔｔｐｓ：∥ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．２４２２．ＴＮ．２０２２１０２４．１１４７．００４．ｈｔｍｌ 通讯作者．引用格式：汪海波，黄文华，巴涛，等．一种基于最大似然估计的宽带单脉冲测角改进方法［Ｊ］．系统工程与电子技术，２０２３，４５（１２）：３８４５ ３８５１．犚犲犳犲狉犲狀犮犲犳狅狉犿犪狋：ＷＡＮＧＨＢ，ＨＵＡＮＧＷＨ，ＢＡＴ，ｅｔａｌ．Ａｎｇｌｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｗｉｄｅ ｂａｎｄｍｏｎｏｐｕｌｓｅｒａｄａｒｂａｓｅｄｏｎｍａｘｉｍｕｍｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄｅｓｔｉｍａｔｅ［Ｊ］．ＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０２３，４５（１２）：３８４５ ３８５１．一种基于最大似然估计的宽带单脉冲测角改进方法汪海波 ，黄文华，巴 涛，邵 浩，姜 悦（西北核技术研究所高功率微波技术重点实验室，陕西西安７１００２４） 摘 要：电大尺寸目标的宽带散射回波可看成多个强散射中心的共同作用结果，回波表现为高分辨距离像（ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｒａｎｇｅｐｒｏｆｉｌｅｓ，ＨＲＲＰ）的特点。
如何利用多个散射中心的回波能量，以提升单脉冲测角的性能是值得深入研究的问题。
本文给出的宽带雷达单脉冲测角的最大似然估计（ｍａｘｉｍｕｍｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄｅｓｔｉｍａｔｅ，ＭＬＥ）算法，该方法能够积累扩散到多个距离单元的回波能量，从ＨＲＲＰ中获得信噪比（ｓｉｇｎａｌｔｏｎｏｉｓｅｒａｔｉｏ，ＳＮＲ）增益。
单脉冲测角原理
单脉冲测角技术是一种用于雷达测向的方法，它通过测量目标返回信号的相位
差来实现高精度的测向。
在雷达系统中，测向是非常重要的，它决定了雷达系统对目标的探测和跟踪能力。
单脉冲测角技术的提出，极大地提高了雷达系统的测向精度和抗干扰能力，因此受到了广泛的关注和应用。
单脉冲测角技术的原理非常简单，它利用了雷达波束的方向特性和目标返回信
号的相位信息。
当雷达波束照射到目标时，目标会返回一个信号给雷达系统。
这个信号经过接收机接收后，会被分成两路，分别经过两个通道进行处理。
经过处理后的信号会被送入测角计算单元，通过计算两路信号的相位差，就可以得到目标的测向角度。
单脉冲测角技术的优势在于它能够实现高精度的测向，而且具有抗干扰能力强
的特点。
传统的测向方法往往受到多径效应、信号干扰等因素的影响，导致了测向精度的下降。
而单脉冲测角技术通过对相位差的精确测量，可以有效地克服这些问题，实现更加可靠和准确的测向。
此外，单脉冲测角技术还具有快速测向的特点。
传统的测向方法往往需要多次
测量才能得到准确的测向结果，而单脉冲测角技术只需要一次测量就可以得到目标的测向角度。
这不仅提高了雷达系统的响应速度，也降低了对目标的干扰，提高了雷达系统的实战能力。
综上所述，单脉冲测角技术是一种非常重要的雷达测向方法，它通过测量目标
返回信号的相位差来实现高精度、抗干扰和快速测向。
在现代雷达系统中，单脉冲测角技术已经得到了广泛的应用，并且不断得到改进和完善。
相信随着技术的进步，单脉冲测角技术将会发挥更加重要的作用，为雷达系统的性能提升和战场指挥提供更加可靠的支持。
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010145938.8(22)申请日 2020.03.05(71)申请人 熊军地址 100000 北京市海淀区东北旺西路8号中关村软件园17楼1层109-111室申请人 西安宇飞电子技术有限公司(72)发明人 熊军 张志芳 (74)专利代理机构 北京科家知识产权代理事务所(普通合伙) 11427代理人 宫建华(51)Int.Cl.G01S 3/50(2006.01)(54)发明名称一种双通道单脉冲比幅测角方法、装置(57)摘要本发明公开一种双通道单脉冲比幅测角方法、装置，属于通信技术领域，特别涉及一种双通道单脉冲比幅测角方法，包括：在双通道上分别对发射信号进行变频及滤波处理，得到基带复信号；对基带复信号进行和差处理，得到和信号和差信号；对差信号进行调制，对调制后的差信号以及和信号进行去直流和归一化处理，得到归一化结果，再将归一化结果与预设方波进行鉴相处理，根据得到的鉴相处理结果计算需调整的入射角度。
本发明通过采用单脉冲双通道采集信号，并对信号进行和差信号合并，能有效提高测量角度的精度，另外，通过调制后的差信号以及和信号进行去直流和归一化处理，能更进一步提高测量角度的准确度，避免测量结果模糊。
权利要求书2页 说明书10页 附图4页CN 111458677 A 2020.07.28C N 111458677A1.一种双通道单脉冲比幅测角方法，其特征在于，包括：在双通道上分别对发射信号进行变频及滤波处理，得到基带复信号；对所述基带复信号进行和差处理，得到和信号和差信号；对所述差信号进行调制，对调制后的差信号以及所述和信号进行去直流和归一化处理，得到归一化结果，再将所述归一化结果与预设方波进行鉴相处理，根据得到的鉴相处理结果计算需调整的入射角度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在双通道上分别对发射信号进行变频及滤波处理，得到基带复信号，包括：相同的信号到达两个接收天线，经正交下变频及滤波处理后，为基带复信号。
收稿日期:2004-06-30基金项目:/十五0预研基金资助项目(413070403)作者简介:赵永波(1972-),男,副教授.一种多目标情况下的单脉冲测角方法赵永波1,谷 泓2,张守宏1(11西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室,陕西西安 710071;21西安机电信息研究所,陕西西安 710065)摘要:为了提高多目标情况下雷达的角度测量性能,在常规单脉冲测角方法的基础上,提出一种改进的测角方法.该方法根据事先估计得到的各个目标的多普勒频率来设计特殊的多普勒滤波器,然后再对各多普勒滤波器的输出进行角度测量.由于特殊设计的多普勒滤波器能消除目标之间的相互影响,实现目标之间的完全分离,与常规单脉冲测角方法相比,该方法具有较好的测角性能.关键词:角度测量;单脉冲方法;多普勒滤波中图分类号:TN957152 文献标识码:A 文章编号:1001-2400(2005)03-0383-04A monopulse angle m easure m entm ethod for m ulti ple targetsZ HAO Yong-bo 1,GU H ong 2,Z HANG Shou-hong 1(1.State K ey L ab .of R adar S i gnal P rocessi ng ,X idian U niv .,X i c an 710071,Ch i na ;2.X i c an Instit u te of E lectro m echan i ca l Infor m a tion T echnology ,X i c an 710065,Ch i na )A bstrac t : Fo r the purpose o f i m prov i ng t he ang le m easurement perfor m ance i n the case o fm ulti p l e targe ts ,am od ifi ed m onopu lse m ethod is proposed .Instead of usi ng the d i screte Four i er transf o r m (DFT )filters ,theproposed m ethod uses som e spec ial D oppler filters to process the rece ived data acco rd i ng to targe t p Dopplerfrqeuency .T hen t he pro cessed data a re used by the m onopu lse m et hod to m easure the angle .Because thespec i a l Doppler filte rs can g reatly reduce the i nfl uences be t w een targ ets ,t he proposed m ethod perfor m ssi gnificantly be tter than t he conventi ona lm onpu lse me t hod .Si m ulati on results sho w its m er its .K ey W ords : ang l e m easurement ;m onopu l se m ethod ;Dopp ler filter i ng在雷达的各种测角方法中,单脉冲测角方法因实现简单、稳健性好等优点而在实际系统中得到了广泛的应用[1].常规单脉冲测角方法是根据雷达探测到目标后得到的目标距离和多普勒信息,对目标所在的距离单元信号进行多普勒滤波,然后再进行比幅(或比相)测角[2].当同一距离单元内只有一个目标时,常规单脉冲测角方法能得到较好的测角性能.而在实际情况中,在同一距离单元内往往存在多个目标.尽管常规单脉冲测角方法采用离散傅里叶变换(DFT)滤波器组进行多普勒滤波时能把各目标信号分离,然后再分别进行测角.但这种滤波方法是通过DFT 滤波器组来分离目标信号的,容易造成目标信号之间的互相影响,从而使目标的测角精度下降.尤其是在目标信号之间的强度差异较大时,大目标信号在小目标信号多普勒通道中的泄漏会严重影响小目标信号的测角效果.笔者提出一种改进的单脉冲测角方法,根据事先估计得到的各目标信号的多普勒频率来设计特殊的多普勒滤波器,然后再对各多普勒滤波器的输出进行单脉冲测角.由于特殊设计的多普勒滤波器能消除目标之间的相互影响,实现目标之间的完全分离,因此具有较好的测角性能.1 常规单脉冲测角方法设2(H )和$(H )分别为雷达的和、差波束方向图,假设在同一距离单元内有p 个目标,其角度分别为H 1,2005年6月第32卷 第3期 西安电子科技大学学报(自然科学版)J OURNA L O F X I D IAN UN I VER SI TY J un .2005Vo.l 32 N o .3H2,,,H p(都在和波束的主瓣之内),则雷达和、差通道的信号为S2(t)=E p k=1S k(t)2(H k)+n2(t),(1)S$(t)=E p k=1S k(t)$(H k)+n$(t),(2)其中S k(t)=S k exp(j2P f k t)为第k个目标回波信号的复包络,S k和f k分别为其初始复振幅和多普勒频率.对和、差通道的信号进行等周期相干采样,采样点为有限的M次采样(即时域快拍数为M),得S2(m)=E p k=1S k(m)2(H k)+n2(m),m=0,1,,,M-1,(3)S$(m)=E p k=1S k(m)$(H k)+n$(m),m=0,1,,,M-1,(4)式中S k(m)=S k exp(j2P f k m$t),n2(m)=n2(m$t),n$(m)=n$(m$t),$t为采样周期.假设不同的目标具有不同的多普勒频率,且可以用M点DFT处理区分开,这符合实际情况.常规单脉冲测角方法的过程如下:第1步:根据雷达探测得到的目标信息分别得到目标个数p和各目标的多普勒频率f^k,这里f^k为f k的估计值(在实际雷达系统中,单脉冲测角都是在雷达探测到目标后才进行的);第2步:对和、差通道输出数据作DFT,分别提取出各目标所在多普勒通道的和、差数据,即S2(f^k)=E M-1m=0S2(m)exp(-j2P f^k m$t),S$(f^k)=E M-1m=0S$(m)exp(-j2P f^k m$t);第3步:利用S2(f^k)和S$(f^k),并根据单脉冲比幅(或比相)测角方法得到第k个目标的角度.需要说明,上述过程得到的是目标偏离基准角(即和波束中心指向)的角度,即偏轴角,而目标真实角度为偏轴角与基准角之和.为了论述方便,假设偏轴角为目标角度.可以看出,常规单脉冲测角方法是先利用DFT把各目标信号进行分离,然后再分别进行测角,但是它是通过DFT滤波器的主瓣和副瓣电平来分离目标信号的,容易产生目标的不完全分离,造成目标信号之间的互相影响,从而使目标的测角精度下降.为了弥补这种缺陷,下面提出一种改进的单脉冲测角方法.2改进的单脉冲测角方法和常规单脉冲测角方法一样,先对和通道的数据作DFT处理来估计各目标的多普勒频率f^k,但在分离各目标时,不采用DFT滤波器,而是根据f^k来设计特殊的滤波器,使S2(f^k)和S$(f^k)中只含有第k个目标的成分.假设用于提取第k个目标信号的滤波器的权矢量w f^k =[w f^k(0),w f^k(1),,,w f^k(M-1)]T,则有S2(f^k)=E M-1m=0S2(m)w f^k(m),(5) S$(f^k)=E M-1m=0S$(m)w f^k(m),(6)定义w f^k 的频率响应为Y f^k(f)=E M-1m=0w f^k(m)exp(j2P f m$t).如果设计滤波器使其频率响应的主瓣位于f^k,而在f^l(l X k)处具有宽而深的/凹口0,这样即使有多普勒频率估计误差(即f^l X f l,但f^l在f l附近),所设计滤波器也能够很好地滤除其他目标信号,仅保留第k个目标信号,从而消除目标间的互相影响.所以改进方法的关键在于设计特殊滤波器.文[3]给出了一种有效的在空域天线阵列方向图中产生宽/凹口0的方法,根据时域滤波器频率响应与空域天线阵列方向图的对偶特性,很容易将这种方法用于设计笔者所需的滤波器.令w f^k 为w f^k=con j((R+I M)-1a(f^k)),(7)其中con j{#}为复数共轭,a(f^k)=[1,exp(j2P f^k$t),,,exp(j2P f^k(M-1)$t)]T,I M为M@M的单位矩阵, R为M@M的矩阵,其第m行第i列的元素384西安电子科技大学学报(自然科学版)第32卷r mi =D 2exp(-2P 2R 2(i-m )2$t 2-j 2P f 0(i-m )$t) ,(8)式中D 和R 为影响w f ^k 的频率响应的两个参数.研究表明[3],由式(7)和式(8)得到的w f ^k 的频率响应主瓣位于f ^k 处,而在f 0处具有宽而深的/凹口0,/凹口0的深度和宽度分别由D 和R 决定.一般情况下,/凹口0的深度和宽度可根据实际系统的需求来决定.式(8)可以重写为 r mi =E pl=1l X k D 2exp(-2P 2R 2(i -m )2$t 2-j2P f ^l (i -m )$t) .(9)合并式(7)和式(9)可得到新的w f ^k .以w f ^k 为权系数的滤波器的频率响应主瓣位于f ^k 处,在f ^l (l X k )的地方具有宽而深的/凹口0,达到设计要求.综上所述,改进的单脉冲测角方法如下:第1步:与常规单脉冲测角方法相同.第2步:根据各目标信号多普勒频率的估计值,利用式(7)和式(9)得到提取第k 个目标信号的特殊滤波器的权矢量w f ^k .第3步:由w f ^k 和式(5),式(6)得到S 2(f ^k )和S $(f ^k ).第4步:由S 2(f ^k )和S $(f ^k )并根据单脉冲比幅(或比相)测角方法得到第k 个目标的角度.通常情况下,同一距离单元的目标个数p 不会很大.所以,改进的单脉冲测角方法是很容易实现的.需要说明,上述常规单脉冲测角方法和改进方法都是根据DFT 来估计各目标的多普勒频率,这样会造成较大的多普勒频率估计误差,使多普勒滤波提取目标时对信噪比的改善略有下降,从而会在一定程度上影响测角精度.如果采用自适应算法来估计多普勒频率,如C apon 算法[4]和Re lax 算法[5],则会大大降低多普勒频率估计误差,使测角精度进一步提高.但是常规单脉冲测角方法对目标之间的影响仍会存在.图1 和、差波束方向图3 计算机仿真实验为了验证笔者所提方法的有效性,给出一些计算机仿真结果,并对常规单脉冲测角方法和笔者提出的改进方法进行性能比较.假设雷达的和、差波束方向图如图1所示.两个等功率的目标信号角度分别为H 1=-1b 和H 2=1b,两者的多普勒频率分别为f 1=500H z 和f 2=450H z ,采样周期$t =1m s ,采样点数M =32,采用32点DFT 得到两个目标信号的多普勒频率估计值分别为f ^1=500H z 和f ^2=437.5H z .在计算机仿真所得结果中,虚线和实线分别为常规单脉冲测角方法和改进方法的结果,这两种方法的均方根误差值由200次独立实验结果统计得到.每次独立实验时,两目标信号的初始复振幅相位为互不相关的、在(0~2P )上均匀分布的随机变量.常规单脉冲测角方法和改进方法用于对第1个目标信号进行多普勒滤波的滤波器频率响应如图2所示.由图可见,改进方法设计的特殊滤波器在第2个目标信号处有宽而深的/凹口0,而常规单脉冲测角方法的滤波器仅是副瓣区域.图3为两种方法对第2个目标信号的滤波器频率响应.两种方法测角的均方根误差随信噪比变化的曲线如图4和图5所示.图4为第1个目标,图5为第2个目标.这里的信噪比是指单次快拍和通道的信噪比.为了便于比较,在图中也给出了单目标时单脉冲方法测角的理论均方根误差值(具体公式见[6]).常规单脉冲测角方法对第1个目标测角的均方根误差因受第2个目标的影响而较大,第2个目标多普勒滤波器的输出正好没有第1个目标的成分,所以第2个目标测角的均方根误差较小.改进方法由于能有效消除目标之间的相互影响,所得两个目标测角的均方根误差都较小.这里还需要说明的是,两种方法对第2个目标测角的均方根误差值稍大于理论均方根误差值,这是由DFT 造成的多普勒频率估计误差使第2个目标不在多普勒滤波器的主瓣最大值处,使信噪比略有下降造成的.385第3期 赵永波等:一种多目标情况下的单脉冲测角方法图2第1个目标信号的多普勒滤波器频率响应图3第2个目标信号的多普勒滤波器频率响应图4第1个目标角度均方根误差随信噪比变化曲线图5第2个目标角度均方根误差随信噪比变化曲线当采用Capon算法来估计多普勒频率时,两种方法测角的结果如图4和图5所示.可以看出,由于降低了多普勒频率估计误差,改进方法的测角精度进一步提高.但是常规单脉冲测角方法受目标之间的影响测角精度较差.当采用Relax算法来估计多普勒频率时,两种方法的结果分别与采用C apon算法时的结果相同.4结论在常规单脉冲测角方法的基础上,笔者提出一种改进的测角方法.该方法根据事先估计得到的各个目标的多普勒频率来设计特殊的多普勒滤波器,然后再对各多普勒滤波器的输出进行角度测量.由于特殊设计的多普勒滤波器能消除目标之间的相互影响,实现目标之间的完全分离,该方法具有较好的测角性能.参考文献:[1]丁鹭飞,耿富录1雷达原理[M]1西安:西安电子科技大学出版社,2002.[2]K li g er I,O l enberger C F.M u lti ple T arget E ffec ts onM onopu lse S i gna l Processi ng[J].IEEE T rans on A erospace and E lectron icSyste m s,1975,11(5):795-804.[3]Zat m an M.Producti on of A dapti ve A rray P atte rn T roughs by D ispersi on Syn t hesis[J].E lec tron i cs L etters,1995,31(25):2141-2142.[4]M arzetta T L.A N ew Inte rpretati on f o r Capon p s M ax i m u m L i keli hood M ethod of F requency-w avenu m ber Spectra l Esti m ati on[J].IEEE T rans on A coustics,Speech and Signa l P rocessi ng,1983,31(4):445-449.[5]邵朝,保铮1RELAX算法的相关域分析[J]1西安电子科技大学学报,1997,24(2):164-171.[6]张光义1相控阵雷达系统[M]1北京:国防工业出版社,1994.(编辑:郭华)386西安电子科技大学学报(自然科学版)第32卷。
收稿日期:2004-06-30基金项目:/十五0预研基金资助项目(413070403)作者简介:赵永波(1972-),男,副教授.一种多目标情况下的单脉冲测角方法赵永波1,谷 泓2,张守宏1(11西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室,陕西西安 710071;21西安机电信息研究所,陕西西安 710065)摘要:为了提高多目标情况下雷达的角度测量性能,在常规单脉冲测角方法的基础上,提出一种改进的测角方法.该方法根据事先估计得到的各个目标的多普勒频率来设计特殊的多普勒滤波器,然后再对各多普勒滤波器的输出进行角度测量.由于特殊设计的多普勒滤波器能消除目标之间的相互影响,实现目标之间的完全分离,与常规单脉冲测角方法相比,该方法具有较好的测角性能.关键词:角度测量;单脉冲方法;多普勒滤波中图分类号:TN957152 文献标识码:A 文章编号:1001-2400(2005)03-0383-04A monopulse angle m easure m entm ethod for m ulti ple targetsZ HAO Yong-bo 1,GU H ong 2,Z HANG Shou-hong 1(1.State K ey L ab .of R adar S i gnal P rocessi ng ,X idian U niv .,X i c an 710071,Ch i na ;2.X i c an Instit u te of E lectro m echan i ca l Infor m a tion T echnology ,X i c an 710065,Ch i na )A bstrac t : Fo r the purpose o f i m prov i ng t he ang le m easurement perfor m ance i n the case o fm ulti p l e targe ts ,am od ifi ed m onopu lse m ethod is proposed .Instead of usi ng the d i screte Four i er transf o r m (DFT )filters ,theproposed m ethod uses som e spec ial D oppler filters to process the rece ived data acco rd i ng to targe t p Dopplerfrqeuency .T hen t he pro cessed data a re used by the m onopu lse m et hod to m easure the angle .Because thespec i a l Doppler filte rs can g reatly reduce the i nfl uences be t w een targ ets ,t he proposed m ethod perfor m ssi gnificantly be tter than t he conventi ona lm onpu lse me t hod .Si m ulati on results sho w its m er its .K ey W ords : ang l e m easurement ;m onopu l se m ethod ;Dopp ler filter i ng在雷达的各种测角方法中,单脉冲测角方法因实现简单、稳健性好等优点而在实际系统中得到了广泛的应用[1].常规单脉冲测角方法是根据雷达探测到目标后得到的目标距离和多普勒信息,对目标所在的距离单元信号进行多普勒滤波,然后再进行比幅(或比相)测角[2].当同一距离单元内只有一个目标时,常规单脉冲测角方法能得到较好的测角性能.而在实际情况中,在同一距离单元内往往存在多个目标.尽管常规单脉冲测角方法采用离散傅里叶变换(DFT)滤波器组进行多普勒滤波时能把各目标信号分离,然后再分别进行测角.但这种滤波方法是通过DFT 滤波器组来分离目标信号的,容易造成目标信号之间的互相影响,从而使目标的测角精度下降.尤其是在目标信号之间的强度差异较大时,大目标信号在小目标信号多普勒通道中的泄漏会严重影响小目标信号的测角效果.笔者提出一种改进的单脉冲测角方法,根据事先估计得到的各目标信号的多普勒频率来设计特殊的多普勒滤波器,然后再对各多普勒滤波器的输出进行单脉冲测角.由于特殊设计的多普勒滤波器能消除目标之间的相互影响,实现目标之间的完全分离,因此具有较好的测角性能.1 常规单脉冲测角方法设2(H )和$(H )分别为雷达的和、差波束方向图,假设在同一距离单元内有p 个目标,其角度分别为H 1,2005年6月第32卷 第3期 西安电子科技大学学报(自然科学版)J OURNA L O F X I D IAN UN I VER SI TY J un .2005Vo.l 32 N o .3H2,,,H p(都在和波束的主瓣之内),则雷达和、差通道的信号为S2(t)=E p k=1S k(t)2(H k)+n2(t),(1)S$(t)=E p k=1S k(t)$(H k)+n$(t),(2)其中S k(t)=S k exp(j2P f k t)为第k个目标回波信号的复包络,S k和f k分别为其初始复振幅和多普勒频率.对和、差通道的信号进行等周期相干采样,采样点为有限的M次采样(即时域快拍数为M),得S2(m)=E p k=1S k(m)2(H k)+n2(m),m=0,1,,,M-1,(3)S$(m)=E p k=1S k(m)$(H k)+n$(m),m=0,1,,,M-1,(4)式中S k(m)=S k exp(j2P f k m$t),n2(m)=n2(m$t),n$(m)=n$(m$t),$t为采样周期.假设不同的目标具有不同的多普勒频率,且可以用M点DFT处理区分开,这符合实际情况.常规单脉冲测角方法的过程如下:第1步:根据雷达探测得到的目标信息分别得到目标个数p和各目标的多普勒频率f^k,这里f^k为f k的估计值(在实际雷达系统中,单脉冲测角都是在雷达探测到目标后才进行的);第2步:对和、差通道输出数据作DFT,分别提取出各目标所在多普勒通道的和、差数据,即S2(f^k)=E M-1m=0S2(m)exp(-j2P f^k m$t),S$(f^k)=E M-1m=0S$(m)exp(-j2P f^k m$t);第3步:利用S2(f^k)和S$(f^k),并根据单脉冲比幅(或比相)测角方法得到第k个目标的角度.需要说明,上述过程得到的是目标偏离基准角(即和波束中心指向)的角度,即偏轴角,而目标真实角度为偏轴角与基准角之和.为了论述方便,假设偏轴角为目标角度.可以看出,常规单脉冲测角方法是先利用DFT把各目标信号进行分离,然后再分别进行测角,但是它是通过DFT滤波器的主瓣和副瓣电平来分离目标信号的,容易产生目标的不完全分离,造成目标信号之间的互相影响,从而使目标的测角精度下降.为了弥补这种缺陷,下面提出一种改进的单脉冲测角方法.2改进的单脉冲测角方法和常规单脉冲测角方法一样,先对和通道的数据作DFT处理来估计各目标的多普勒频率f^k,但在分离各目标时,不采用DFT滤波器,而是根据f^k来设计特殊的滤波器,使S2(f^k)和S$(f^k)中只含有第k个目标的成分.假设用于提取第k个目标信号的滤波器的权矢量w f^k =[w f^k(0),w f^k(1),,,w f^k(M-1)]T,则有S2(f^k)=E M-1m=0S2(m)w f^k(m),(5) S$(f^k)=E M-1m=0S$(m)w f^k(m),(6)定义w f^k 的频率响应为Y f^k(f)=E M-1m=0w f^k(m)exp(j2P f m$t).如果设计滤波器使其频率响应的主瓣位于f^k,而在f^l(l X k)处具有宽而深的/凹口0,这样即使有多普勒频率估计误差(即f^l X f l,但f^l在f l附近),所设计滤波器也能够很好地滤除其他目标信号,仅保留第k个目标信号,从而消除目标间的互相影响.所以改进方法的关键在于设计特殊滤波器.文[3]给出了一种有效的在空域天线阵列方向图中产生宽/凹口0的方法,根据时域滤波器频率响应与空域天线阵列方向图的对偶特性,很容易将这种方法用于设计笔者所需的滤波器.令w f^k 为w f^k=con j((R+I M)-1a(f^k)),(7)其中con j{#}为复数共轭,a(f^k)=[1,exp(j2P f^k$t),,,exp(j2P f^k(M-1)$t)]T,I M为M@M的单位矩阵, R为M@M的矩阵,其第m行第i列的元素384西安电子科技大学学报(自然科学版)第32卷r mi =D 2exp(-2P 2R 2(i-m )2$t 2-j 2P f 0(i-m )$t) ,(8)式中D 和R 为影响w f ^k 的频率响应的两个参数.研究表明[3],由式(7)和式(8)得到的w f ^k 的频率响应主瓣位于f ^k 处,而在f 0处具有宽而深的/凹口0,/凹口0的深度和宽度分别由D 和R 决定.一般情况下,/凹口0的深度和宽度可根据实际系统的需求来决定.式(8)可以重写为 r mi =E pl=1l X k D 2exp(-2P 2R 2(i -m )2$t 2-j2P f ^l (i -m )$t) .(9)合并式(7)和式(9)可得到新的w f ^k .以w f ^k 为权系数的滤波器的频率响应主瓣位于f ^k 处,在f ^l (l X k )的地方具有宽而深的/凹口0,达到设计要求.综上所述,改进的单脉冲测角方法如下:第1步:与常规单脉冲测角方法相同.第2步:根据各目标信号多普勒频率的估计值,利用式(7)和式(9)得到提取第k 个目标信号的特殊滤波器的权矢量w f ^k .第3步:由w f ^k 和式(5),式(6)得到S 2(f ^k )和S $(f ^k ).第4步:由S 2(f ^k )和S $(f ^k )并根据单脉冲比幅(或比相)测角方法得到第k 个目标的角度.通常情况下,同一距离单元的目标个数p 不会很大.所以,改进的单脉冲测角方法是很容易实现的.需要说明,上述常规单脉冲测角方法和改进方法都是根据DFT 来估计各目标的多普勒频率,这样会造成较大的多普勒频率估计误差,使多普勒滤波提取目标时对信噪比的改善略有下降,从而会在一定程度上影响测角精度.如果采用自适应算法来估计多普勒频率,如C apon 算法[4]和Re lax 算法[5],则会大大降低多普勒频率估计误差,使测角精度进一步提高.但是常规单脉冲测角方法对目标之间的影响仍会存在.图1 和、差波束方向图3 计算机仿真实验为了验证笔者所提方法的有效性,给出一些计算机仿真结果,并对常规单脉冲测角方法和笔者提出的改进方法进行性能比较.假设雷达的和、差波束方向图如图1所示.两个等功率的目标信号角度分别为H 1=-1b 和H 2=1b,两者的多普勒频率分别为f 1=500H z 和f 2=450H z ,采样周期$t =1m s ,采样点数M =32,采用32点DFT 得到两个目标信号的多普勒频率估计值分别为f ^1=500H z 和f ^2=437.5H z .在计算机仿真所得结果中,虚线和实线分别为常规单脉冲测角方法和改进方法的结果,这两种方法的均方根误差值由200次独立实验结果统计得到.每次独立实验时,两目标信号的初始复振幅相位为互不相关的、在(0~2P )上均匀分布的随机变量.常规单脉冲测角方法和改进方法用于对第1个目标信号进行多普勒滤波的滤波器频率响应如图2所示.由图可见,改进方法设计的特殊滤波器在第2个目标信号处有宽而深的/凹口0,而常规单脉冲测角方法的滤波器仅是副瓣区域.图3为两种方法对第2个目标信号的滤波器频率响应.两种方法测角的均方根误差随信噪比变化的曲线如图4和图5所示.图4为第1个目标,图5为第2个目标.这里的信噪比是指单次快拍和通道的信噪比.为了便于比较,在图中也给出了单目标时单脉冲方法测角的理论均方根误差值(具体公式见[6]).常规单脉冲测角方法对第1个目标测角的均方根误差因受第2个目标的影响而较大,第2个目标多普勒滤波器的输出正好没有第1个目标的成分,所以第2个目标测角的均方根误差较小.改进方法由于能有效消除目标之间的相互影响,所得两个目标测角的均方根误差都较小.这里还需要说明的是,两种方法对第2个目标测角的均方根误差值稍大于理论均方根误差值,这是由DFT 造成的多普勒频率估计误差使第2个目标不在多普勒滤波器的主瓣最大值处,使信噪比略有下降造成的.385第3期 赵永波等:一种多目标情况下的单脉冲测角方法图2第1个目标信号的多普勒滤波器频率响应图3第2个目标信号的多普勒滤波器频率响应图4第1个目标角度均方根误差随信噪比变化曲线图5第2个目标角度均方根误差随信噪比变化曲线当采用Capon算法来估计多普勒频率时,两种方法测角的结果如图4和图5所示.可以看出,由于降低了多普勒频率估计误差,改进方法的测角精度进一步提高.但是常规单脉冲测角方法受目标之间的影响测角精度较差.当采用Relax算法来估计多普勒频率时,两种方法的结果分别与采用C apon算法时的结果相同.4结论在常规单脉冲测角方法的基础上,笔者提出一种改进的测角方法.该方法根据事先估计得到的各个目标的多普勒频率来设计特殊的多普勒滤波器,然后再对各多普勒滤波器的输出进行角度测量.由于特殊设计的多普勒滤波器能消除目标之间的相互影响,实现目标之间的完全分离,该方法具有较好的测角性能.参考文献:[1]丁鹭飞,耿富录1雷达原理[M]1西安:西安电子科技大学出版社,2002.[2]K li g er I,O l enberger C F.M u lti ple T arget E ffec ts onM onopu lse S i gna l Processi ng[J].IEEE T rans on A erospace and E lectron icSyste m s,1975,11(5):795-804.[3]Zat m an M.Producti on of A dapti ve A rray P atte rn T roughs by D ispersi on Syn t hesis[J].E lec tron i cs L etters,1995,31(25):2141-2142.[4]M arzetta T L.A N ew Inte rpretati on f o r Capon p s M ax i m u m L i keli hood M ethod of F requency-w avenu m ber Spectra l Esti m ati on[J].IEEE T rans on A coustics,Speech and Signa l P rocessi ng,1983,31(4):445-449.[5]邵朝,保铮1RELAX算法的相关域分析[J]1西安电子科技大学学报,1997,24(2):164-171.[6]张光义1相控阵雷达系统[M]1北京:国防工业出版社,1994.(编辑:郭华)386西安电子科技大学学报(自然科学版)第32卷。
