戴幻堯，王建路，韓慧，周波，汪連棟

(1.電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應國家重點實驗室，河南 洛陽 471003；2.中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

單脈沖雷達四通道聯(lián)合的高分辨測角新方法*

戴幻堯1，2，王建路2，韓慧1，周波2，汪連棟1

(1.電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應國家重點實驗室，河南 洛陽 471003；2.中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

常規(guī)單脈沖雷達具有方位、俯仰二維角度的測量能力，其角度分辨力取決于天線波束寬度，對主波束寬度內(nèi)的雙/多目標不具備分辨能力。為了提高傳統(tǒng)單脈沖雷達測角分辨能力，提出一種新的單脈沖雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，巧妙的提取和利用了雷達對角線差通道的接收信號；提出了一種四通道聯(lián)合單脈沖測角新方法，一次脈沖測量即可同時獲得主波束范圍內(nèi)2個目標的二維角度信息，顯著提高單脈沖雷達的角度分辨能力。該算法簡單便于工程實現(xiàn)，并且在不同信噪比和2目標回波功率比條件下都具有很好的穩(wěn)定性。最后，通過仿真分析驗證了方法的有效性。

四通道單脈沖；對角差信號；角度分辨力；高分辨；測角；主瓣內(nèi)

0 引言

單脈沖雷達由于測角精度高，得到了廣泛應用[1-7]。然而當波束內(nèi)出現(xiàn)2個或者多個目標時，回波信號相互混疊，造成觀測耦合，單脈沖雷達無法得到正確的測角結(jié)果，從而導致對目標的跟蹤或者攻擊失效，拖曳式誘餌、兩點源干擾等一系列干擾技術(shù)均是利用了單脈沖雷達的這個缺陷。提高單脈沖雷達的角度分辨技術(shù)成為雷達信號處理領域關(guān)注的重點。不少學者對兩目標檢測和分辨進行了研究。文獻[8-9]基于瞬時匹配矩方法和模型簡化似然求解得到了2目標角度估計的解析表達式，但是前提條件是已知2個目標的信號功率或者已知二者的功率比。文獻[10]在此基礎上利用干擾檢測、雷達測量和跟蹤等信息實現(xiàn)了對目標和誘餌相對功率比的估計。文獻[11-12]提出了基于接收回波條件分布的最大似然估計方法，文獻[13]提出通過計算質(zhì)心角度與聚類相結(jié)合的方法獲取目標角度。綜上，現(xiàn)有方法均需要利用多個脈沖的信息進行處理，不能充分發(fā)揮雷達利用單個脈沖進行測角的優(yōu)勢。文獻[14]利用數(shù)字陣列對角差通道進行了抗主瓣干擾的研究，文獻[15]指出對角差通道是一個非常有用的通道，但是并沒有對角度分辨力展開深入分析。本文對對角差通道特性進行了深入分析，提出了一種新的單脈沖雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用一個脈沖對波束內(nèi)兩目標進行角度分辨，并對新方法進行了仿真分析。

1 四通道單脈沖雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改造

常規(guī)三通道單脈沖雷達如圖1所示，天線接收信號經(jīng)過混合器后得到和通道、方位差通道、俯仰差通道3個通道，只能得到一個目標的方位角和俯仰角。根據(jù)常規(guī)的單脈沖雷達處理過程，當只存在一個目標時

(1)

式中：Σ，ΔA，ΔE為雷達經(jīng)過和差處理得到的已知量；Tx和Ty是未知量，分別為目標的方位誤差信號和俯仰誤差信號。通過求解方程可以得到Tx和Ty，進而查表得到目標的角度信息。

當存在2個目標時，

(2)

式中：Σ1，Tx1，Ty1為第1個目標的信號幅度、方位誤差信號、俯仰誤差信號；Σ2，Tx2，Ty2為另一個目標的信號幅度、方位誤差信號、俯仰誤差信號，均為未知數(shù)。3個方程的通過分解實部和虛部得到6個方程，然而卻存在8個未知數(shù)(信號幅度包含絕對值和相位2個參數(shù))，顯然是無法求解的，導致常規(guī)的單脈沖雷達無法分辨波束內(nèi)的2個目標。為了求解未知量，需要增加方程的數(shù)量。

圖1 常規(guī)單脈沖雷達結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of conventional monopulse radar

通過研究發(fā)現(xiàn)，當目標處于不同角度時，被匹配負載吸收的對角差信號ΔΔ具有不同的響應，這意味著ΔΔ中含有目標的角度信息。因此，在常規(guī)單脈沖雷達的基礎上，引入輔助差通道，能夠得到額外信息，增加方程的數(shù)量，從而實現(xiàn)對波束內(nèi)2個目標的分辨。具體實現(xiàn)中，在常規(guī)三通道單脈沖雷達的基礎上，將圖1中接入匹配負載的ΔΔ信號引出作為輔助通道，得到四通道單脈沖雷達，如圖2所示。

圖2 包含對角差通道的單脈沖雷達結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of conventional monopulse radar with diagonal difference channel

2 四通道單脈沖聯(lián)合測角新方法和數(shù)學原理

對于單個目標，對角差通道響應滿足以下條件

(3)

進一步化簡，可以得到

(4)

當存在2個目標時，可以得到以下方程組

(5)

求解可得

(6)

其中n=1，2，

(7)

從式(7)可以看出，對波束內(nèi)2個目標進行角分辨時，直接利用4個通道的輸出數(shù)據(jù)進行計算，不需要2個目標的回波功率比、回波幅度概率分布等先驗信息，只需要一個脈沖就能實現(xiàn)對時域、頻域混疊的2個目標回波進行測角，計算過程簡單高效。

上面對單脈沖雷達兩目標分辨的數(shù)學原理進行了分析。下面從另一個方面對高分辨力進行分析，能夠更加清晰的認識角度高分辨的機理。和信號、方位差信號、俯仰差信號、對角差信號與角度的關(guān)系如圖3所示。常規(guī)的三通道單脈沖只利用了前3個信號，波束寬度較寬，可以近似認為對角差信號將波束分裂為4個較窄的子波束，從而提高了角度分辨力。

圖3 4個通道信號幅度與角度的關(guān)系Fig.3 Relation of amplitude and angle of four-channel signals

3 四通道單脈沖測角性能仿真

本節(jié)對四通道單脈沖雷達測角方法進行了性能仿真分析。雷達采用比幅和差單脈沖體制，子天線波束形狀為高斯波束，天線的波束寬度為6°，波束內(nèi)有2個目標，目標A角度為(-1，1)，目標B角度為(1.5，1.5)，2個目標回波相位在[0°，360°]內(nèi)隨機分布，兩個目標回波功率比β在0～10 dB內(nèi)隨機分布(功率比β定義為目標B回波功率與目標A回波功率之比，反映了2目標RCS的相對大小，或2個輻射源信號功率大小)，目標A回波信噪比為SNR=30 dB，仿真運行了50次。圖4給出了2種單脈沖雷達對主波束內(nèi)2個目標的測角結(jié)果，從圖4中可以看出，常規(guī)三通道單脈沖雷達無法區(qū)分2個目標，測角結(jié)果位于2個目標的連線上，如圖4a)所示。本文提出的四通道單脈沖雷達能夠區(qū)分波束內(nèi)的2個目標，給出了正確的測角結(jié)果，受噪聲影響，測角結(jié)果分布于目標真實值周圍，如圖4b)所示。

當信噪比降低時，測角結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，隨著信噪比的降低，測角精度降低，但是仍然能夠?qū)?個目標分辨開來。

圖4 單脈沖雷達對兩目標測角結(jié)果(SNR=30 dB)Fig.4 Result of two targets measured by monopulse radar

圖5 不同信噪比時四通道單脈沖雷達對兩目標測角結(jié)果Fig.5 Result of two targets measured by monopulse radar at different SNR

當2目標回波功率比β變化時，四通道單脈沖雷達對2個目標的測角結(jié)果如圖6所示，其中SNR=30 dB。從圖5中可以看出，隨著目標B與目標A回波功率比的增大，目標B的測角誤差減小。需要注意的是，功率比β是用于產(chǎn)生回波數(shù)據(jù)，在算法中并不需要β作為已知數(shù)或者先驗信息，而文獻[1-10]中的目標分辨算法需要將β作為先驗信息。

圖6 2目標回波功率比變化時四通道單脈沖雷達對2目標測角結(jié)果Fig.6 Results of two targets measured by monopulse radar at different power ratio

4 結(jié)束語

本文提出了一種四通道單脈沖雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，巧妙的提取和利用了雷達對角線差通道的接收信號，可以使單脈沖雷達對主波束內(nèi)的2個目標進行角度分辨，不需要2個目標的回波功率比、回波幅度概率分布等先驗信息，只需要一個脈沖就能實現(xiàn)對時域、頻域混疊的2個目標回波進行測角，計算過程簡單高效。當2個目標回波功率比變大時，回波功率較大目標的測角精度提高，另外一個目標的測角精度不受影響。

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New Method of High Resolution Angle Measurement Based on Four Channel Joint of Monopulse Radar

DAI Huan-yao1，2，WANG Jian-lu2， HAN Hui1，ZHOU Bo2，WANG Lian-dong1

(1.State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System，Henan Luoyang 471003，China；2.Luoyang Electronic Equipment Testing Center，Henan Luoyang 471003，China)

The conventional monopulse radar has the ability to measure the elevation and azimuth angles, and the angular resolution depends on the width of antenna beam, normally it can’t distinguish two or multiple targets in the main beam. In order to improve the angular resolution of conventional monopulse radar, a novel system structure of monopulse radar is proposed, and a new solution to raise the angle resolution using a single pulse of four channels is presented. This new method skillfully chooses and uses the

signal of diagonal difference channel, and it can simultaneously derive two targets’ two-dimension angular information at main beam during one measuring process, so the new method can distinctly improve the angular resolution capability. The algorithm is simple and easy to carry out, and its stability is very good on the condition of different SNR and different return power ratio. Numerical simulations have demonstrated the effectiveness of the approach proposed.

four-channel monopulse；diagonal difference signal；angular resolution；high resolution；estimation angle；main lobe

2016-03-19；

2016-08-20

戴幻堯(1982-)，男，吉林長春人。副研究員，博士，主要從事雷達干擾和抗干擾新技術(shù)方面研究。

通信地址：471003 河南洛陽085信箱1號 E-mail：leoneast@sina.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.03.016

TN958.4；TP391.9

A

1009-086X(2017)-03-0098-06