[發明專利]基于陣列數據重排的高頻地波雷達單次快拍MUSIC測向方法

有效

• 申請號: 201410424616.1
• 申請日: 2014-08-26
• 公開（公告）號: CN104155648A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 紀永剛;李奉會;王祎鳴
• 申請（專利權）人: 國家海洋局第一海洋研究所
• 主分類號: G01S13/06
• 分類號: G01S13/06
• 代理公司: 青島海昊知識產權事務所有限公司 37201
• 代理人: 張中南;邱岳

技術領域

本發明涉及一種高頻地波雷達單次快拍MUSIC測向方法，具體涉及一種基于陣列數據重排的高頻地波雷達單次快拍MUSIC測向方法。

背景技術

高頻地波雷達，又稱為高頻表面波雷達，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，實現對海面艦船目標和低空飛行目標的超視距探測。高頻地波雷達由于自身體制的限制，發射信號波長較長，會導致其對目標方位信息不敏感，方位向估計的精度較低，而目標的方位信息對于后期的數據處理又有十分重要的作用，因而對于目標方位的估計具有非常現實的意義。為保證系統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，而在實際工程實踐中會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，常規波束形成方法經常會造成目標不能正常分辨，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)提出旋轉不變子空間(ESPRIT)算法、Barabell(1989)提出Root-MUSIC算法等超分辨方法應用到高頻地波雷達中。

利用MUSIC算法進行DOA估計時，其性能與快拍數有關，快拍數越多，DOA估計精度越高，但大量的快拍積累給實際的工程應用帶來了不便：一是它無法對快速時變信號進行測向；二是較多的快拍積累不利于實時計算。對于一次快拍而言，如果用XX^H來估計協方差矩陣，估計的效果會非常差。協方差矩陣估計的不準，特征分解時得到的噪聲矢量與陣列導向矢量的正交性就會降低，導致空間譜估計不準。

針對這個問題，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，尤其在陣列數比較小的情況下，陣元損失會使得角度估計性能降低。相關的參考文獻如下：

[1]R.O.Schmidt.Multiple?Emitter?Location?and?Signal?Parameter?Estimation[J].IEEE?Transaction?on?Antenna?and?Propagation.1986,34(3):276-280.

[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.

[3]WEI?Yin-sheng,TONG?Peng,GUO?Xiao-jiang.Single?snapshot?superresolution?algorithm?for?HFSWR?based?on?noise?eigenvector?reconstruction

[4]Q.S.Ren,A.J.Wlllis.Extending?MUSIC?to?signal?snapshot?and?on?line?direction?finding?applications[J].Proc?of?IEEE?Radar,Edinburgh,UK,1997:783-787.

發明內容

本發明的目的是提供一種基于陣列數據重排的高頻地波雷達單次快拍MUSIC測向方法，該方法將陣列接收的一次快拍數據重新排列成Toeplitz矩陣，進而估計協方差矩陣，提高了方位估計精度高，而且有更高的分辨力。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

利用高頻地波雷達朝海面發射無線電磁波對海面艦船目標的超視距探測，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沿著彎曲的地球表面傳播，到達地平線以下很遠的地方，即實現超視距傳播，通過目標對高頻無線電波的反射實現對數百公里內的目標進行探測，其特征在于還包括以下步驟：

步驟1：對高頻地波雷達的回波信號進行二維FFT處理后，利用CFAR檢測技術，檢測出上述待側向目標所在的距離單元、多普勒單元，得到陣列頻域一次快拍數據，其結構為x_i，i為1至M的自然數，M為地波雷達天線陣元數；

步驟2：利用步驟1得到的一次快拍數據進行陣列數據重排，排列成Toeplize矩陣X；

其中，*為共軛，M為地波雷達天線陣元數(行數)；

步驟3：利用步驟2得到的矩陣X，估計協方差矩陣Rx；