基于Matlab的雷達(dá)陣列天線信號(hào)的波達(dá)方向估計(jì)

王廣巍，張文江，閔建華

（91216部隊(duì)，遼寧 興城 125100）

基于Matlab的雷達(dá)陣列天線信號(hào)的波達(dá)方向估計(jì)

王廣巍，張文江，閔建華

（91216部隊(duì)，遼寧 興城 125100）

分析了雷達(dá)天線的陣列信號(hào)，采用MUSIC算法對(duì)陣列天線接收到的信號(hào)進(jìn)行波達(dá)方向估計(jì)，利用Matlab對(duì)分析進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，此方法準(zhǔn)確，能夠可靠地找到信號(hào)的入射方向和幅度。

陣列 參數(shù)估計(jì) 波達(dá)方向

1 雷達(dá)的天線

為了提高天線的利用率，對(duì)各種信號(hào)區(qū)別的接收，提高通信質(zhì)量，雷達(dá)天線都采用定向天線。所謂定向天線是指天線指向即波束可變的天線也稱為智能天線，它可以使通信的質(zhì)量得到很大的改善。為了使天線的波束指向可控，一般也要求形狀可控，一般采用陣列式天線。

2 天線陣列信號(hào)

天線陣列信號(hào)的處理包括信源定位、信源分離和信道估計(jì)三個(gè)部分?？傮w的來講，是建立在波達(dá)方向估計(jì)、波束形成基礎(chǔ)上的智能天線的應(yīng)用，抑制了干擾信號(hào)，改善接收信號(hào)的信噪比，降低了數(shù)字通信的誤碼率。由于調(diào)制在載波上的基帶信號(hào)碼元寬度和波速的乘積遠(yuǎn)大于天線陣列的尺寸，因此多個(gè)天線陣元上的信號(hào)的幅度可視為不變，而它們的載波的相伴差則取決于它們的相互位置、尺寸、波長(zhǎng)和到達(dá)方向。其原理圖如圖1所示。

圖1中，天線接收的無(wú)線電信號(hào)中有很多成分，其中就包含了基準(zhǔn)信號(hào)，天線陣列中的各個(gè)陣元接收到的電磁波因陣元排列位置的不同而有一個(gè)的相位差，經(jīng)過自適應(yīng)處理后，會(huì)改變各個(gè)陣元輸出信號(hào)的相位和幅度，最終使輸出信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)達(dá)到最大值。自適應(yīng)控制使輸出信號(hào)中的基準(zhǔn)信號(hào)變大，誤差變小，也就是說，天線陣列接收方向指向了基準(zhǔn)信號(hào)方向。

圖1 定向天線原理圖

3 波達(dá)方向

波達(dá)方向（Direction of arrival, DOA）是指空間各信號(hào)到達(dá)天線陣元的方向角。圖2 是均勻直線陣列模型，θ為入射角，將天線陣列元沿x軸排列，從1到M。

圖2 均勻直線陣列模型

假設(shè)一個(gè)信號(hào)以θ和φ角入射到陣列天線上，則第K號(hào)陣元上產(chǎn)生的信號(hào)與1號(hào)陣元上產(chǎn)生的信號(hào)的相位差是：

式中，Ak是陣因子，λ是入射波的波長(zhǎng)，d是陣元的間距，若考慮到Ak的影響，則第K號(hào)陣元的輸出是Akxk；若每一個(gè)信號(hào)有加權(quán)因子ωk控制，則第K號(hào)陣元上輸出信號(hào)為ωkAkxk。若將其變?yōu)槎S平面則解析表達(dá)式為：

式中，φ1稱為第一個(gè)信號(hào)的入射角。則總的陣列元相位差為：

若總的加權(quán)因子為：

則多個(gè)信號(hào)的波達(dá)方向?yàn)?B=WHAXH。

4 MUSIC算法求波達(dá)方向

MUSIC算法又稱為多重信號(hào)分類（Multiple Signal Classification），考慮到接收信號(hào)中有噪聲，則總的接收信號(hào)為：

式中，EnEn'為噪聲子空間的正交投影估計(jì)，從而得到信號(hào)的 DOA 估計(jì)。

MUSIC法的空間譜為

5 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

假設(shè)信號(hào)波的入射角度為5種，分別以20°、30°、45°、120°、240°的方向進(jìn)行入射， 120°和240°所加信號(hào)的頻率比前三種強(qiáng)調(diào)，得到波達(dá)方向估計(jì)圖如圖3所示。

圖3 MUSIC法得到的DOA

從圖3可知，MUSIC算法能夠準(zhǔn)確地估計(jì)出入射波的波達(dá)方向，并且幅度也很大，能夠?qū)μ炀€所接收到的信號(hào)進(jìn)行有效分析，這里需要注意的是，如果信號(hào)數(shù)接近陣元數(shù)目，這種方法存在一定的模糊，必須去模糊后再進(jìn)行分析。

6 結(jié)論

通過Matlab進(jìn)行仿真，可以比較直觀地找到有用信號(hào)的入射方向，因此不論外部噪聲如何，只要接收到信號(hào)，就能判斷其方向。在噪聲與信號(hào)入射方向差別不大的情況下，有效地調(diào)整天線的自適應(yīng)控制器，適當(dāng)?shù)馗淖兗訖?quán)因子，運(yùn)算將會(huì)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

王廣巍(1979-)，男，工程師。研究方向：雷達(dá)。