基于Matlab的雷达阵列天线信号的波达方向估计

王广巍，张文江，闵建华

（91216部队，辽宁 兴城 125100）

基于Matlab的雷达阵列天线信号的波达方向估计

王广巍，张文江，闵建华

（91216部队，辽宁 兴城 125100）

分析了雷达天线的阵列信号，采用MUSIC算法对阵列天线接收到的信号进行波达方向估计，利用Matlab对分析进行仿真。仿真结果表明，此方法准确，能够可靠地找到信号的入射方向和幅度。

阵列 参数估计 波达方向

1 雷达的天线

为了提高天线的利用率，对各种信号区别的接收，提高通信质量，雷达天线都采用定向天线。所谓定向天线是指天线指向即波束可变的天线也称为智能天线，它可以使通信的质量得到很大的改善。为了使天线的波束指向可控，一般也要求形状可控，一般采用阵列式天线。

2 天线阵列信号

天线阵列信号的处理包括信源定位、信源分离和信道估计三个部分。总体的来讲，是建立在波达方向估计、波束形成基础上的智能天线的应用，抑制了干扰信号，改善接收信号的信噪比，降低了数字通信的误码率。由于调制在载波上的基带信号码元宽度和波速的乘积远大于天线阵列的尺寸，因此多个天线阵元上的信号的幅度可视为不变，而它们的载波的相伴差则取决于它们的相互位置、尺寸、波长和到达方向。其原理图如图1所示。

图1中，天线接收的无线电信号中有很多成分，其中就包含了基准信号，天线阵列中的各个阵元接收到的电磁波因阵元排列位置的不同而有一个的相位差，经过自适应处理后，会改变各个阵元输出信号的相位和幅度，最终使输出信号和基准信号达到最大值。自适应控制使输出信号中的基准信号变大，误差变小，也就是说，天线阵列接收方向指向了基准信号方向。

图1 定向天线原理图

3 波达方向

波达方向（Direction of arrival, DOA）是指空间各信号到达天线阵元的方向角。图2 是均匀直线阵列模型，θ为入射角，将天线阵列元沿x轴排列，从1到M。

图2 均匀直线阵列模型

假设一个信号以θ和φ角入射到阵列天线上，则第K号阵元上产生的信号与1号阵元上产生的信号的相位差是：

式中，Ak是阵因子，λ是入射波的波长，d是阵元的间距，若考虑到Ak的影响，则第K号阵元的输出是Akxk；若每一个信号有加权因子ωk控制，则第K号阵元上输出信号为ωkAkxk。若将其变为二维平面则解析表达式为：

式中，φ1称为第一个信号的入射角。则总的阵列元相位差为：

若总的加权因子为：

则多个信号的波达方向为:B=WHAXH。

4 MUSIC算法求波达方向

MUSIC算法又称为多重信号分类（Multiple Signal Classification），考虑到接收信号中有噪声，则总的接收信号为：

式中，EnEn'为噪声子空间的正交投影估计，从而得到信号的 DOA 估计。

MUSIC法的空间谱为

5 仿真实验结果

假设信号波的入射角度为5种，分别以20°、30°、45°、120°、240°的方向进行入射， 120°和240°所加信号的频率比前三种强调，得到波达方向估计图如图3所示。

图3 MUSIC法得到的DOA

从图3可知，MUSIC算法能够准确地估计出入射波的波达方向，并且幅度也很大，能够对天线所接收到的信号进行有效分析，这里需要注意的是，如果信号数接近阵元数目，这种方法存在一定的模糊，必须去模糊后再进行分析。

6 结论

通过Matlab进行仿真，可以比较直观地找到有用信号的入射方向，因此不论外部噪声如何，只要接收到信号，就能判断其方向。在噪声与信号入射方向差别不大的情况下，有效地调整天线的自适应控制器，适当地改变加权因子，运算将会更精密。

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Estimation of DOA for Radar Antenna Array Signals Based on Matlab

Wang Guangwei, Zhang Wenjiang, Min Jianhua
(No.91216 Unit, Xingcheng125100, Liaoning, China)

Using MUSIC algorithm, the radar antenna array signals is used to estimate array antenna receives the signal DOA. Simulation results indicate that this method can reliably find out the incident direction and amplitude of the signal.

array; parameter estimation; DOA

TP391

A

1003-4862（2015）06-0039-02

2015-02-26

王广巍(1979-)，男，工程师。研究方向：雷达。