技术领域
[0001] 本
发明涉及
合成孔径雷达（SAR，Synthetic Aperture Radar）技术领域，尤其涉及一种波达方向（DOA，Direction of Arrive）的检测方法及装置。
背景技术
[0002] SAR是一种高
分辨率主动式
微波成像雷达，能够使用较短的天线获得较高的距离向和方位向分辨率。数字波束合成（DBF，Digital Beam Forming）接收技术对于合成孔径雷达领域实现更高分辨率和更宽测绘带具有十分重要的应用价值，而在数字波束合成技术中波达方向的检测是影响数字波束合成效果的关键，因此，精确检测波达方向对于数字波束合成接收技术具有重要的意义。
[0003] 目前，主要的波达方向检测技术都是基于统计的方法实现，主要有波束合成（beam-former）
算法，capon算法和多 重
信号分类（MUSIC：Multiple Signal Classification）算法。一般来说，capon算法和MUSIC算法检测
精度较高，但这三种算法都需要大量的数据做统计分析，运算量大，不利于实际工程实现。
[0004] 另外，在实际的波达方向检测中，目标海拔高度的不同往往会带来指向误差，使得波达方向的检测出现偏差，从而使得SAR接收增益降低。
[0005] 综上所述，如何在尽量减少运算量并克服目标海拔高度影响的情况下实现准确、快速的波达方向检测是目前亟待解决的问题。
发明内容
[0006] 本发明
实施例的主要目的在于提供一种波达方向的检测方法和装置，能够减少波达方向检测时的运算量，并克服目标海拔高度对波达方向检测的影响。
[0007] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0008] 本发明实施例提供了一种波达方向的检测方法，所述方法包括：
[0009] 对
俯仰向各通道得到的回
波数据做距离向
脉冲压缩得到脉冲压缩后的信号；对脉冲压缩后的信号在每个距离
门上沿通道做
傅立叶变换；对傅立叶变换后的结果进行插值，获得插值后频域幅值最大点处的
频率值，根据所述频率值获得波达方向。
[0010] 上述方案中，所述脉冲压缩后的信号为
[0011]
[0012] 其中，τ是方位向慢时间，t是距离向快时间，σ是目标的后向散射系数，pr(i)是脉冲压缩后的点目标信号包络，t0为回波的双程延时，RT(τ)为发射天线至目标的瞬时斜距，α(t0)为波达方向的法向偏移
角，dn为第n个接收天线相对于发射天线的
位置值，dn的绝对值等于第n个接收天线与发射天线间的距离，λ为
波长。
[0013] 上述方案中，所述对脉冲压缩后得到的信号在每个
距离门上沿通道作傅里叶变换包括：
[0014] 在一个固定的距离门上，删除通道间的相同项，得到N维向量ν(n)：
[0015]
[0016] 其中，t0为回波的双程延时，α(t0)为波达方向的法向偏移角，也就是波达方向，dn为第n个接收天线相对于发射天线的位置值，dn的绝对值等于第n个接收天线与发射天线间的距离，λ为波长；
[0017] 将ν(n)变换到频域得到结果Γ(ξ)：
[0018]
[0019] 其中LE为方位向天线长度，ξ为频域参数值，t0为回波的双程延时，α(t0)为波达方向的法向偏移角，dn为第n个接收天线相对于发射天线的位置值，dn的绝对值等于第n个接收天线与发射天线间的距离，λ为波长。
[0020] 上述方案中，所述插值后频域幅值最大点处的频率值ξmax为： 其中，λ为波长，α(t0)为波达方向的法向偏移角。
[0021] 具体的，所述Γ(ξ)
频率范围为： 其中d为相邻接收通道间距。
[0022] 具体的，所述波达方向的法向偏移角α(t0)的绝对值小于 其中，λ为波长，d为相邻接收通道间距。
[0023] 上述方案中，所述根据所述频率值获得波达方向为获得波达方向的法向偏移角α(t0)：α(t0)=arcsin(λξmax)，其中，λ为波长，ξmax为插值后频域幅值最大点处的频率值。
[0024] 上述方案中，所述方法还包括：根据波达方向的法向偏移角α(t0)获得各通道当前距离门的权值
[0025]
[0026] 其中，dn为第n个接收天线相对于发射天线的位置值，dn的绝对值等于第n个接收天线与发射天线间的距离，ξmax为插值后频域幅值最大点处的频率值；
[0027] 根据所述权值 进行数字波束DBF合成。
[0028] 进一步的，所述根据所述权值 进行DBF合成为：
[0029] 以各通道权值 对所述脉冲压缩后的信号 进行加权求和，获得DBF合成后的信号G(τ,t)：
[0030]
[0031] 其中，τ是方位向慢时间，t是距离向快时间。
[0032] 本发明实施例还提供了一种波达方向的检测装置，所述装置包括：脉冲压缩模
块、傅里叶变换模块、插值模块、以及波达方向获取模块，其中，
[0033] 所述脉冲压缩模块，用于对俯仰向各通道得到的回波数据做距离向脉冲压缩，得到脉冲压缩后的信号；
[0034] 所述傅里叶变换模块，用于对脉冲压缩后得到的信号在每个距离门上沿通道做傅里叶变换；
[0035] 所述插值模块，用于对傅立叶变换后的结果进行插值；
[0036] 所述波达方向获取模块，用于获得插值后频域幅值最大点处的频率值，并根据所述频率值获得波达方向。
[0037] 进一步的，所述装置还包括：权值获取模块和波束合成模块，其中，[0038] 所述权值获取模块，用于根据波达方向获得各通道当前距离门的权值；
[0039] 所述波束合成模块，用于以各通道权值对所述脉冲压缩后的信号进行加权求和，获得DBF合成后的信号。
[0040] 本发明实施例所提供的波达方向的检测方法和装置，对俯仰向各通道得到的回波数据做距离向脉冲压缩，得到脉冲压缩后的信号；对脉冲压缩后的信号在每个距离门上沿通道做傅立叶变换；对傅立叶变换后的结果进行插值，获得插值后频域幅值最大点处的频率值，根据所述频率值能够获得波达方向；如此，能够减少波达方向检测时的运算量，并克服目标海拔高度对波达方向检测的影响。
附图说明
[0041] 图1为本发明实施例提供的一种波达方向的检测方法的流程示意图；
[0042] 图2为本发明实施例提供的一种波达方向的检测装置的结构示意图；
[0043] 图3为本发明实施例提供的实验一效果对比图；
[0044] 图4为本发明实施例提供的实验二效果对比图；
[0045] 图5为本发明实施例提供的实验三效果对比图。
具体实施方式
[0046] 本发明实施例中，对俯仰向各通道得到的回波数据做距离向脉冲压缩，得到脉冲压缩后的信号；对脉冲压缩后的信号在每个距离门上沿通道做傅立叶变换；对傅立叶变换后的结果进行插值，获得插值后频域幅值最大点处的频率值，根据所述频率值获得波达方向。
[0047] 下面通过附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0048] 本发明实施例实现一种波达方向的检测方法，如图1所示，该方法包括以下几个步骤：
[0049] 步骤101：对俯仰向各通道得到的回波数据做距离向脉冲压缩，得到脉冲压缩后的信号；
[0050] 这里，所述回波数据的生成具体包括：雷达发射脉冲信号后，由俯仰向均匀排列的接收阵列天线接收回波信号，回波信号进入每一个天线后经过低噪声
放大器处理、混频、AD
采样后生成回波数据。
[0051] 具体的，所述对俯仰向各通道的回波数据做距离向脉冲压缩后得到的信号如下式所示：
[0052]
[0053] 其中，τ是方位向慢时间，t是距离向快时间，σ是目标的后向散射系数，pr(i)是脉冲压缩后的点目标信号包络，t0为回波的双程延时，RT(τ)为发射天线至目标的瞬时斜距，α(t0)为波达方向的法向偏移角，即为本发明实施例所要检测的波达方向，dn为第n个接收天线相对于发射天线的位置值，dn的绝对值等于第n个接收天线与发射天线之间的距离，λ为波长。
[0054] 在实际的应用中，式（1）中的具体参数值与雷达脉冲的参数以及雷达与目标之间的几何关系有关。
[0055] 具体的，这些数据的处理可以是由SAR系统内部的
信号处理器实现或者经由SAR将数据通过宽带数据链等方式发送到地面接收站后在地面接收站中的信号处理器中进行处理。
[0056] 步骤102：对脉冲压缩后的信号在每个距离门上沿通道做傅立叶变换；
[0057] 在这一步骤中，所述对脉冲压缩后得到的信号在每个距离门上沿通道作傅里叶变换包括：在一个固定的距离门上，删除通道间的相同项，可以得到一个N维的向量ν(n)，所述ν(n)具体为：
[0058]
[0059] 其中，t0为回波的双程延时，α(t0)为波达方向的法向偏移角，即为本发明实施例所要检测的波达方向，dn为第n个接收天线相对于发射天线的位置值，dn的绝对值等于第n个接收天线与发射天线间的距离，λ为波长。
[0060] 将上述N维向量经傅里叶变换变换到频域，得到结果Γ(ξ)如下：
[0061]
[0062] 其中，LE为方位向天线长度，ξ为频域参数值，t0为回波的双程延时，α(t0)为波达方向的法向偏移角，即为本发明实施例所要检测的波达方向，dn为第n个接收天线相对于发射天线的位置值，dn的绝对值等于第n个接收天线与发射天线间的距离，λ为波长。
[0063] 下面通过一个具体示例对上述对脉冲压缩后的信号在每一个距离门上沿通道做傅里叶变换的具体实现方式进行介绍：
[0064] 假如，距离向有10个接收通道，设某一接收窗得到的数据经脉冲压缩后的信号分别为S1（t）、S2（t）...S10（t），将10个通道的信号写成矩阵的形式如下：
[0065]
[0066] 则，具体的，在每个距离门上沿通道对上述脉冲压缩后的信号做傅立叶变换时可以采用离散傅里叶变换的快速算法快速傅里叶变换（FFT）对矩阵Smatri(t)的每一列做10点的FFT。
[0067] 步骤103：对傅立叶变换后的结果进行插值，获得插值后频域幅值最大点处的频率值，根据所述频率值获得波达方向；
[0068] 在步骤102中通过式（3）将N个通道同一距离门上经过脉冲压缩后得到的信号做傅里叶变换后，易知Γ(ξ)的频域参数值ξ的取值范围为：
[0069]
[0070] 其中d为相邻接收通道间距。
[0071] 且从式（3）可以看出当 时，Γ(ξ)取得最大值，其中，λ为波长，α(t0)为波达方向的法向偏移角，即为本发明实施例所要检测的波达方向。所以将傅里叶变换之后的频域结果插值后可以获得使频域幅值最大的点所对应的频域参数值，根据所述频域参数值可以获得使得接收增益最大的接收方向α(t0)，即为波达方向，具体的，按照式（6）可以得出sin[α(t0)]=λξmax，通过对λξmax作反正弦变换即可获得波达方向α(t0)：
[0072] α(t0)=arcsin(λξmax) （7）
[0073] 其中，λ为波长，ξmax为插值后频域幅值最大点处的频率值，即：使Γ(ξ)取得最大值时所对应的频域参数值。
[0074] 具体的，上述频域插值可以在傅里叶变换之前，通过时域补充零值样点的方法实现；或者，在傅里叶变换过程中，通过加密频域间隔实现。目前，频域插值算法比较多，在实际的应用中这一步骤可以采用各种频域插值算法实现，这里不作限制。
[0075] 下面对本发明实施例所述方法能够获得的波达方向的范围进行分析。
[0076] 本发明实施例所述方法主要是对回波数据进行脉冲压缩之后，再执行傅里叶变换，由于经过傅里叶变换后得到的信号Γ(ξ)在频域中是周期信号，因此，能够获得的波达方向将被限制在一个有限的范围之内，由式（5）可得波达方向的法向偏移角的正弦值范围为：
[0077]
[0078] 其中，λ为波长，d为相邻接收通道间距。
[0079] 所以波达方向的法向偏移角绝对值必须小于 这个限制其实限制了测绘带的范围，而且该条件与测绘带内不出现栅瓣的条件一致。
[0080] 可见，通过本发明实施例的实现方案可以将获得的波达方向限制在一定范围之内，这也将直接限制测绘带的范围，使得对波达方向的检测更加准确，这是因为：如果测绘带的范围太大，将使得波达方向的范围超出系统检测的能
力范围，从而使得波达方向检测结果误差较大。
[0081] 进一步的，本发明实施例还提供了依据上述求得的波达方向进行数字波束合成（DBF）的方法，该方法包括：
[0082] 首先，根据步骤103中获得的波达方向，获得各通道当前距离门的权值 如下：
[0083]
[0084] 其中，dn为第n个接收天线相对于发射天线的位置值，dn的绝对值等于第n个接收天线与发射天线间的距离，ξmax为插值后频域幅值最大点处的频率值。
[0085] 之后，将各通道当前距离门的权值代入式（1）中所得到的信号 中进行加权求和，得到DBF合成后的信号为：
[0086]
[0087] 其中，τ是方位向慢时间，t是距离向快时间。
[0088] 通过上述方法，本发明实施例能够实现波达方向的检测、DBF权值的获取和数字波束的合成。
[0089] 为了实现上述方法，本发明实施例还提供了一种波达方向的检测装置，如图2所示，所述装置包括：脉冲压缩模块21、傅里叶变换模块22、插值模块23以及波达方向获取模块24，其中，
[0090] 所述脉冲压缩模块21，用于对俯仰向各通道得到的回波数据做距离向脉冲压缩，得到脉冲压缩后的信号；
[0091] 所述傅里叶变换模块22，用于对脉冲压缩后的信号在每一个距离门上沿通道做傅里叶变换；
[0092] 所述插值模块23，用于对傅立叶变换后的结果做插值；
[0093] 所述波达方向获取模块24，用于获得插值后频域幅值最大点处的频率值，并根据所述频率值获得波达方向。
[0094] 具体的，在上述装置中，所述脉冲压缩模块21对俯仰向各通道得到的回波数据做距离向脉冲压缩后得到的信号 如式（1）所示。
[0095] 具体的，所述傅里叶变换模块22对脉冲压缩后得到的信号在每一个距离门上沿通道做傅里叶变换，包括：
[0096] 在一个固定的距离门上，略去通道间的相同项，获得一个N维的向量ν(n)，所述ν(n)具体见式（2）；
[0097] 将上述N维向量ν(n)经傅里叶变换变换到频域，得到结果Γ(ξ)，其中Γ(ξ)如（3）式所示；
[0098] 具体的，所述插值模块23对傅立叶变换后的结果做插值，可以在傅里叶变换之前，通过时域补充零值样点的方法实现；或者，在傅里叶变换过程中，通过加密频域间隔实现。目前，频域插值算法比较多，在实际的应用中这一步骤可以采用各种频域插值算法实现，这里不作限制。
[0099] 具体的，所述波达方向获取模块24，用于获得插值后频域幅值最大点处的频率值，并根据所述频率值获得波达方向，包括：
[0100] 将傅里叶变换之后的频域结果插值后获得使频域幅值最大的点所对应点处的频率值，根据所述频率值获得使得接收增益最大的接收方向α(t0)，也就是波达方向，其中α(t0)如式（7）所示。
[0101] 为了在获得波达方向之后实现DBF合成，上述装置还可以进一步包括：权值获取模块25和波束合成模块26，其中
[0102] 所述权值获取模块25，用于根据波达方向获得各通道当前距离门的权值；
[0103] 所述波束合成模块26，用于以各通道当前距离门的权值对各通道回波数据进行加权求和获得DBF合成后的信号。
[0104] 具体的，所述权值获取模块25根据波达方向获得各通道当前距离门的权值，包括：
[0105] 根据获得的波达方向，获得各通道当前距离门的权值 具体方法如（9）式所示；
[0106] 具体的，所述波束合成模块26以各通道当前距离门的权值对各通道回波数据进行加权求和获得DBF合成后的信号，包括：
[0107] 以各通道权值 对 进行加权求和，得到DBF合成后的信号G(τ,t)如（10）式。
[0108] 下面通过三种条件下的仿真实验结果来对本发明实施例的技术效果进行说明。
[0109] 实验一
[0110] 首先假设在测绘带内的每个距离门（以三个为例）上分别只有一个点目标，并且各目标均位于不同的海拔高度上，在这种情况下距离门斜距分别为：556Km、584Km、612Km，地距分别为：190Km、256Km、310Km，利用本发明实施例所述方法获得波达方向后得出新的权值，并且利用新的权值加权合成后的信号如图3（b）所示，不获得波达方向而直接DBF合成的结果如图3（a）。从图3可以看出，相较于不获得波达方向而直接DBF合成的结果，利用本发明实施例所述方法能够使每个距离门上的接收增益显著增强。
[0111] 实验二
[0112] 假设在测绘带内的每个距离门（以三个为例）上均有多个点目标，并且每个点目标均位于不同的海拔高度上，其中各点目标的海拔高度、斜距、地距各参数如表1所示：
[0113]目标 海拔 斜距（距离） 地距
P1 2000m 556Km 190Km
P2 4000m 584Km 256Km
P21 0m 584Km 256Km
P22 3000m 584Km 256Km
P3 6000m 612Km 310Km
P31 1000m 612Km 310Km
[0114]
[0115] 表1
[0116] 利用本发明实施例所述方法获得波达方向后得出新的权值，并且利用新的权值加权合成后的信号如图4（b）所示，不通过检测获得波达方向而直接DBF合成的结果如图4（a）所示。从图4可以看出，本发明实施例在同一距离门上有多个目标时仍然可以有效的克服海拔差带来的增益损失。
[0117] 实验三
[0118] 加入分布于不同方位位置的点目标，在每个距离门上均分布有多个点目标，这些目标位于不同的方位位置和海拔高度，其中，在每个距离门上设置500个点目标，点目标的海拔在0-6000m之间均匀分布，点目标在方位向上的位置为：在天线波束照射的范围内均匀分布。仿真结果如图5所示。图5（a）为原始DBF的结果，图5（b）为利用本发明实施例检测出波达方向后进行DBF的结果。从图5可以看出，本发明实施例所述方案在考虑不同方位位置的目标时仍然具有很强的适用性。
[0119] 通过上述实验及仿真结果可以看出，本发明实施例所述方案不仅能够准确、快速的获得波达方向，还能有效的克服海拔高度引起的波达方向检测误差，利用检测获得的波达方向更新权值之后进行DBF合成，可以克服海拔高度对DBF合成效果的影响。
[0120] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
