单脉冲雷达四通道联合的高分辨测角新方法*

戴幻尧，王建路，韩慧，周波，汪连栋

(1.电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳 471003；2.中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003)

单脉冲雷达四通道联合的高分辨测角新方法*

戴幻尧1，2，王建路2，韩慧1，周波2，汪连栋1

(1.电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳 471003；2.中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003)

常规单脉冲雷达具有方位、俯仰二维角度的测量能力，其角度分辨力取决于天线波束宽度，对主波束宽度内的双/多目标不具备分辨能力。为了提高传统单脉冲雷达测角分辨能力，提出一种新的单脉冲雷达系统结构，巧妙的提取和利用了雷达对角线差通道的接收信号；提出了一种四通道联合单脉冲测角新方法，一次脉冲测量即可同时获得主波束范围内2个目标的二维角度信息，显著提高单脉冲雷达的角度分辨能力。该算法简单便于工程实现，并且在不同信噪比和2目标回波功率比条件下都具有很好的稳定性。最后，通过仿真分析验证了方法的有效性。

四通道单脉冲；对角差信号；角度分辨力；高分辨；测角；主瓣内

0 引言

单脉冲雷达由于测角精度高，得到了广泛应用[1-7]。然而当波束内出现2个或者多个目标时，回波信号相互混叠，造成观测耦合，单脉冲雷达无法得到正确的测角结果，从而导致对目标的跟踪或者攻击失效，拖曳式诱饵、两点源干扰等一系列干扰技术均是利用了单脉冲雷达的这个缺陷。提高单脉冲雷达的角度分辨技术成为雷达信号处理领域关注的重点。不少学者对两目标检测和分辨进行了研究。文献[8-9]基于瞬时匹配矩方法和模型简化似然求解得到了2目标角度估计的解析表达式，但是前提条件是已知2个目标的信号功率或者已知二者的功率比。文献[10]在此基础上利用干扰检测、雷达测量和跟踪等信息实现了对目标和诱饵相对功率比的估计。文献[11-12]提出了基于接收回波条件分布的最大似然估计方法，文献[13]提出通过计算质心角度与聚类相结合的方法获取目标角度。综上，现有方法均需要利用多个脉冲的信息进行处理，不能充分发挥雷达利用单个脉冲进行测角的优势。文献[14]利用数字阵列对角差通道进行了抗主瓣干扰的研究，文献[15]指出对角差通道是一个非常有用的通道，但是并没有对角度分辨力展开深入分析。本文对对角差通道特性进行了深入分析，提出了一种新的单脉冲雷达系统结构，利用一个脉冲对波束内两目标进行角度分辨，并对新方法进行了仿真分析。

1 四通道单脉冲雷达系统结构改造

常规三通道单脉冲雷达如图1所示，天线接收信号经过混合器后得到和通道、方位差通道、俯仰差通道3个通道，只能得到一个目标的方位角和俯仰角。根据常规的单脉冲雷达处理过程，当只存在一个目标时

(1)

式中：Σ，ΔA，ΔE为雷达经过和差处理得到的已知量；Tx和Ty是未知量，分别为目标的方位误差信号和俯仰误差信号。通过求解方程可以得到Tx和Ty，进而查表得到目标的角度信息。

当存在2个目标时，

(2)

式中：Σ1，Tx1，Ty1为第1个目标的信号幅度、方位误差信号、俯仰误差信号；Σ2，Tx2，Ty2为另一个目标的信号幅度、方位误差信号、俯仰误差信号，均为未知数。3个方程的通过分解实部和虚部得到6个方程，然而却存在8个未知数(信号幅度包含绝对值和相位2个参数)，显然是无法求解的，导致常规的单脉冲雷达无法分辨波束内的2个目标。为了求解未知量，需要增加方程的数量。

图1 常规单脉冲雷达结构图Fig.1 Structure of conventional monopulse radar

通过研究发现，当目标处于不同角度时，被匹配负载吸收的对角差信号ΔΔ具有不同的响应，这意味着ΔΔ中含有目标的角度信息。因此，在常规单脉冲雷达的基础上，引入辅助差通道，能够得到额外信息，增加方程的数量，从而实现对波束内2个目标的分辨。具体实现中，在常规三通道单脉冲雷达的基础上，将图1中接入匹配负载的ΔΔ信号引出作为辅助通道，得到四通道单脉冲雷达，如图2所示。

图2 包含对角差通道的单脉冲雷达结构图Fig.2 Structure of conventional monopulse radar with diagonal difference channel

2 四通道单脉冲联合测角新方法和数学原理

对于单个目标，对角差通道响应满足以下条件

(3)

进一步化简，可以得到

(4)

当存在2个目标时，可以得到以下方程组

(5)

求解可得

(6)

其中n=1，2，

(7)

从式(7)可以看出，对波束内2个目标进行角分辨时，直接利用4个通道的输出数据进行计算，不需要2个目标的回波功率比、回波幅度概率分布等先验信息，只需要一个脉冲就能实现对时域、频域混叠的2个目标回波进行测角，计算过程简单高效。

上面对单脉冲雷达两目标分辨的数学原理进行了分析。下面从另一个方面对高分辨力进行分析，能够更加清晰的认识角度高分辨的机理。和信号、方位差信号、俯仰差信号、对角差信号与角度的关系如图3所示。常规的三通道单脉冲只利用了前3个信号，波束宽度较宽，可以近似认为对角差信号将波束分裂为4个较窄的子波束，从而提高了角度分辨力。

图3 4个通道信号幅度与角度的关系Fig.3 Relation of amplitude and angle of four-channel signals

3 四通道单脉冲测角性能仿真

本节对四通道单脉冲雷达测角方法进行了性能仿真分析。雷达采用比幅和差单脉冲体制，子天线波束形状为高斯波束，天线的波束宽度为6°，波束内有2个目标，目标A角度为(-1，1)，目标B角度为(1.5，1.5)，2个目标回波相位在[0°，360°]内随机分布，两个目标回波功率比β在0～10 dB内随机分布(功率比β定义为目标B回波功率与目标A回波功率之比，反映了2目标RCS的相对大小，或2个辐射源信号功率大小)，目标A回波信噪比为SNR=30 dB，仿真运行了50次。图4给出了2种单脉冲雷达对主波束内2个目标的测角结果，从图4中可以看出，常规三通道单脉冲雷达无法区分2个目标，测角结果位于2个目标的连线上，如图4a)所示。本文提出的四通道单脉冲雷达能够区分波束内的2个目标，给出了正确的测角结果，受噪声影响，测角结果分布于目标真实值周围，如图4b)所示。

当信噪比降低时，测角结果如图5所示。从图中可以看出，随着信噪比的降低，测角精度降低，但是仍然能够将2个目标分辨开来。

图4 单脉冲雷达对两目标测角结果(SNR=30 dB)Fig.4 Result of two targets measured by monopulse radar

图5 不同信噪比时四通道单脉冲雷达对两目标测角结果Fig.5 Result of two targets measured by monopulse radar at different SNR

当2目标回波功率比β变化时，四通道单脉冲雷达对2个目标的测角结果如图6所示，其中SNR=30 dB。从图5中可以看出，随着目标B与目标A回波功率比的增大，目标B的测角误差减小。需要注意的是，功率比β是用于产生回波数据，在算法中并不需要β作为已知数或者先验信息，而文献[1-10]中的目标分辨算法需要将β作为先验信息。

图6 2目标回波功率比变化时四通道单脉冲雷达对2目标测角结果Fig.6 Results of two targets measured by monopulse radar at different power ratio

4 结束语

本文提出了一种四通道单脉冲雷达系统结构，巧妙的提取和利用了雷达对角线差通道的接收信号，可以使单脉冲雷达对主波束内的2个目标进行角度分辨，不需要2个目标的回波功率比、回波幅度概率分布等先验信息，只需要一个脉冲就能实现对时域、频域混叠的2个目标回波进行测角，计算过程简单高效。当2个目标回波功率比变大时，回波功率较大目标的测角精度提高，另外一个目标的测角精度不受影响。

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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

戴幻尧(1982-)，男，吉林长春人。副研究员，博士，主要从事雷达干扰和抗干扰新技术方面研究。

通信地址：471003 河南洛阳085信箱1号 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