无人机探测技术领域，特别涉及一种基于频率扫描天线的无人机探测雷达测角方法，适用于无人机探测，能够提高测角精度且节省开发成本。
背景技术：
低空空域的开放对地面军用和民用雷达目标探测技术提出了新的挑战，目前国内在对低空目标检测方面尚无有效手段，低空管制、安防等问题亟待解决。以无人机为代表的低空慢速小目标技术的快速发展和广泛应用，给国家安全带来了新的挑战，要地安保、区域禁飞等迫切需要对无人机等低空慢速小目标进行有效监控。
以无人机为代表的低空慢速小目标具有很大的应用市场，相应地，针对低慢小目标监控雷达系统的受用范围更加广泛，这就需求无人机探测雷达系统具有相对较低的开发成本，另外要求雷达具有较好的杂波抑制性能，从而要求雷达天线为电扫体制。电扫体制雷达分为相位扫描和频率扫描两种方式，相位扫描天线主波束偏移可控性强，但电路实现复杂，体积庞大，成本很高；频率扫描天线采用波导连接天线单元，省去了造价昂贵的移相器，具有结构简单、低剖面、低成本和重量轻等优点，从低成本角度出发频率扫描天线非常适合无人机探测雷达系统应用，但频率扫描天线也存在诸多缺点，频扫天线通过改变工作频率来改变发射波束指向，因此不同指向的波束对同一目标雷达散射截面积(rcs)发生变化，不能使用顺序波瓣法(类似于单脉冲测角方法)测角，影响雷达系统对目标的角度估计精度；另外当天线孔径增大到临界值时，频扫天线增益无法继续增大，且其波束副瓣也不容易控制。

技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种基于频率扫描天线的无人机探测雷达测角方法，该种基于频率扫描天线的无人机探测雷达测角方法利用频扫天线低成本的优势，同时针对现有频率扫描天线测角精度低的缺陷，提出了一种基于数字波束形成(dbf)体制的频率扫描天线的面阵雷达设计方案，降低开发成本的同时提高雷达系统对无人机等低空慢速小目标的测角精度。
为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种基于频率扫描天线的无人机探测雷达测角方法，包括以下步骤：
步骤1，确定频率扫描天线，并根据所述频率扫描天线得到d路低频的采样后的回波信号；d为设定正整数；
步骤2，根据d路低频的采样后的回波信号，得到无人机目标的距离、多普勒信息；
步骤3，根据无人机目标的距离、多普勒信息，得到无人机目标所在方位角度，所述无人机目标所在方位角度为基于频率扫描天线的无人机探测雷达测角结果。
本发明与现有技术相比有以下优点：
本发明与现有技术相比有以下优点：
第一，本发明采用频率扫描体制天线，其成本要比相扫体制的天线低；
第二，本发明采用方位维3路非均匀接收天线，基于dbf体制，并采用波束扫描法测角，提高雷达系统的测角精度；
第三，本发明在方位维利用阵列幅相误差原理，比较3路接收信号的一致性，判断目标是否落在当前波束主瓣内，避免了方位维的测角模糊；
第四，本发明发射端向空域辐射“宽”波束信号，接收多路天线合成“窄”波束，实现“宽发窄收”，波束驻留时间长，雷达系统对杂波抑制能力强，更适用于无人机探测；
第五，本发明天线接收端俯仰维z路天线，用于对目标进行测高；
第六，本发明使用的频扫天线价格便宜，适当增加俯仰维接收天线个数z，可以增大天线接收增益。
增益在不同角度的方差；
具体实施方式
频率扫描天线组成：参照，为频率扫描天线组成示意图；其中所述频率扫描天线包括天线发射端和天线接收端，所述天线发射端为一个发射天线单元，该发射天线单元由m×n个基于频率扫描体制的发射天线阵元组成，该发射天线单元包括方位维和俯仰维，其中方位维m个基于频率扫描体制的发射天线阵元、俯仰维n个基于频率扫描体制的发射天线阵元，方位维和俯仰维均为间距相等的线阵排列，且相邻的阵元间距均为d米。
发射天线单元发射电磁波，方位维m个电磁波在空间叠加形成具有方向性的波束，俯仰维n个电磁波在空间叠加形成具有方向性的波束，方位维和俯仰维的波束的方向随着时间的改变而变化，工程定义方位维的波束宽度为λ/md，俯仰维的波束宽度为λ/nd，其中λ为发射天线单元发射电磁波的波长，这里λ随着波束指向的改变而变化，m、n分别为方位维和俯仰维的发射天线单元的阵元个数，d为发射天线单元方位维和俯仰维的相邻阵元间距。
根据方位维的波束宽度定义λ/md，设计实现发射天线单元在方位维的波束宽度为b1度，根据俯仰维的波束宽度定义λ/nd，设计实现发射天线单元在俯仰维的波束宽度为b2度。
天线接收端由3×z个结构与发射天线单元完全相同的接收天线单元组成，每个接收天线单元由m×n个基于频率扫描体制的接收天线阵元组成，每个接收天线单元方位维m个基于频率扫描体制的接收天线阵元，俯仰维n个基于频率扫描体制的接收天线阵元；每个接收天线单元方位维和俯仰维均为间距相等的线阵排列，且相邻的阵元间距均为d米；d为发射天线单元方位维和俯仰维的相邻阵元间距。
天线接收端方位维：3个不等间距的接收天线单元，每个接收天线单元在方位维的长度为md米，且两两接收天线单元的中心距离必须大于或等于md米，因此天线接收端方位维3个不等间距的接收天线单元间距必须满足d1≥md、d2≥nd；其中，d1表示天线接收端方位维第1个接收天线单元与第2个接收天线单元之间间距，d2表示天线接收端方位维第2个接收天线单元与第3个接收天线单元之间间距；天线接收端俯仰维：z个等间距的接收天线单元；实际工程中，z可根据具体工程来适当增大，以增大的天线接收增益。
天线发射端的一个发射天线单元将电磁波辐射到空间范围，电磁波遇到以无人机为代表的无人机目标后反射回来得到无人机目标反射的回波信号，无人机目标反射的回波信号进入天线接收端的3×z个接收天线单元后在方位维经过数字采样、数字下变频处理，得到3路低频的采样后的回波信号，分别为第1路低频的采样后的回波信号s1、第2路低频的采样后的回波信号s2、第3路低频的采样后的回波信号s3；无人机目标反射的回波信号进入天线接收端的3×z个接收天线单元后在俯仰维经过数字采样、数字下变频处理后，在俯仰维得到z路低频的采样后的回波信号，俯仰维测角处理方法与方位维方法相同，因而针对方位维3路回波信号进行测角方法说明，具体方法如下。
波束扫描法测角方案：参照图2，雷达系统方位维信号处理流程，考虑天线方位维测角，发射天线单元中m×n个基于频率扫描体制的发射天线阵元辐射的电磁波在空间叠加形成波束，且波束宽度为b1，将波束宽度内的范围记为波束主瓣，方位维进行测角方法如下：
1)对3路低频的采样后的回波信号进行数字波束形成(dbf)，得到一个波束数据。
2)将所述一个波束数据进行脉冲压缩处理，得到脉冲压缩结果。
3)发射天线单元周期性地发射电磁波，对所述脉冲压缩结果进行动目标检测(mtd)，得到距离-多普勒信息二维矩阵。
4)利用恒虚警(cfar)对所述距离、多普勒信息二维矩阵进行处理检测后，得到无人机目标的距离、多普勒信息。
5)对3路低频的采样后的回波信号中的每路回波信号分别进行脉冲压缩、mtd处理，进而得到3路回波信号的距离、多普勒信息二维矩阵处理结果，分别为第1路回波信号的距离、多普勒信息二维矩阵处理结果，第2路回波信号的距离、多普勒信息二维矩阵处理结果，以及第3路回波信号的距离、多普勒信息二维矩阵处理结果；其中，3路回波信号的距离、多普勒信息二维矩阵处理结果中的每一个值均为复数值。
根据无人机目标的距离、多普勒信息在所述3路回波信号的距离、多普勒信息二维矩阵处理结果中分别选取相应行数、列数处的复数值，记为第1路回波信号的距离、多普勒信息二维矩阵处理结果中的无人机目标复数值ka1，第2路回波信号的距离、多普勒信息二维矩阵处理结果中的无人机目标复数值ka2，以及第3路回波信号的距离、多普勒信息二维矩阵处理结果中的无人机目标复数值ka3后取模，得到3个带有幅相误差的无人机目标幅度信息，分别为第1个带有幅相误差的无人机目标幅度信息a1、第2个带有幅相误差的无人机目标幅度信息a2、第3个带有幅相误差的无人机目标幅度信息a3。
理论上a1＝a2＝a3，但幅相误差的存在使得三个数据不相等，这里建立带有幅相误差的阵列理论模型，即第1个带有幅相误差的无人机目标幅度信息a1、第2个带有幅相误差的无人机目标幅度信息a2、第3个带有幅相误差的无人机目标幅度信息a3的理论模型。
假设理想情况下每个接收天线单元增益为1，则有幅相误差时每个接收天线单元增益为
(1+△a)ej△pπ/180(1)
其中，△a为随机幅度误差，单位为分贝；实际中△a的取值范围为0.1db到0.5db；且△a服从均值为0、方差为σ2的高斯分布，σ2为随机幅度误差的方差；△p为随机相位误差，单位为弧度；实际中△p的取值范围为1°到10°；且△p服从均值为0、方差为δ2的高斯分布，δ2为随机相位误差的方差。
将所述有幅相误差时每个接收天线单元增益记为阵列幅相误差模型，对阵列幅相误差模型进行i次蒙特卡洛实验，得到i个方向图，其中第i个方向图pi(θ)，i＝1，2，…，i，i为设定正整数；第i个方向图pi(θ)由设定权矢量的共轭转置与第i个带有幅相误差的导向矢量相乘得到，将每个接收天线单元的方向图中心指向记为θ0，并将设定权矢量记为w(θ0)，λ为发射天线单元发射电磁波的波长，d为发射天线单元方位维和俯仰维的相邻阵元间距，第i个带有幅相误差的导向矢量为bi(θ)，△pi为第i个接收天线单元的随机相位误差，△ai为第i个接收天线单元的随机幅度误差，a(θ)为导向矢量，θ表示发射天线单元在方位维发射电磁波覆盖的角度，则第i个方向图pi(θ)表达式为：
pi(θ)＝wh(θ0)×bi(θ)
其中，(·)h表示共轭转置。
i个方向图在θ角度处有i个样本值，将第n个方向图在θ角度处的样本值记为kθ(n)，其中n＝1，2…，i，i个方向图在θ角度处的均值为
第n个方向图在θ角度处的相对差值为
最后求取i个方向图在θ角度处的相对方差dθ，其表达式为：
i个方向图在θ角度处的相对方差dθ代表了幅相误差对波束在该角度θ的起伏影响，幅相误差对波束主瓣影响较小，即i个方向图在θ角度处的相对方差dθ很小，结果在10-4数量级；幅相误差对波束副瓣影响较大，即i个方向图在θ角度处的相对方差dθ较大，结果在10-3数量级。
上述幅相误差模型为理论模型，a1、a2、a3为实际的带有幅相误差的3个无人机目标回波，因此可以得出结论若无人机目标落在波束主瓣内，a1、a2、a3相对方差很小，若无人机目标不落在波束主瓣，a1、a2、a3的相对方差较大，下面求取a1、a2、a3三个数值的相对方差：
根据上述相对方差的求取过程，将a1、a2、a3的三个数值的均值记为3个带有幅相误差的无人机目标幅度信息均值ea，ea＝(a1+a2+a3)/3，再计算3个带有幅相误差的无人机目标幅度信息的相对差值，其中第i个带有幅相误差的无人机目标幅度信息ai的相对差值i＝1，2，3；进而得到3个带有幅相误差的无人机目标幅度信息的相对方差da，da＝(b1+b2+b3)/3；若3个带有幅相误差的无人机目标幅度信息的相对方差da在10-3量级，则第1个带有幅相误差的无人机目标幅度信息a1、第2个带有幅相误差的无人机目标幅度信息a2、第3个带有幅相误差的无人机目标幅度信息a3不满足一致性，判定无人机目标没有落在波束主瓣内，且该无人机目标是高旁瓣目标，只显示无人机目标而不进行测角；若3个带有幅相误差的无人机目标幅度信息的相对方差da在10-4量级，则第1个带有幅相误差的无人机目标幅度信息a1、第2个带有幅相误差的无人机目标幅度信息a2、第3个带有幅相误差的无人机目标幅度信息a3满足一致性，判定无人机目标落在波束主瓣内，然后在波束主瓣内进行波束扫描测角，即令权值：
式(3)中发射天线单元在方位维发射电磁波覆盖的角度θ在波束主瓣范围内以设定间隔变化，本实施例中设定间隔为0.1°；λ为发射天线单元发射的电磁波波长，d1表示天线接收端方位维第1个接收天线单元与第2个接收天线单元之间间距，d2表示天线接收端方位维第2个接收天线单元与第3个接收天线单元之间间距。
构成向量ka＝[ka1ka2ka3]t，ka1为第1路回波信号的距离、多普勒信息二维矩阵处理结果中的无人机目标复数值，ka1为第2路回波信号的距离、多普勒信息二维矩阵处理结果中的无人机目标复数值，ka3为第3路回波信号的距离、多普勒信息二维矩阵处理结果中的无人机目标复数值，测角过程为：
其中，pr(θ)为接收波束扫描图，表示无人机目标在θ方向的强度，pr(θ)的最大幅度所对应的角度即为无人机目标所在方位角度，测角完成。
实验1：在方位维，假设当前发射波束中心指向θ0＝10°(对应工作波长λ0)，方位维发射波束3db宽度为5°，方位维发射波束方向图如图3a所示；在俯仰维，假设当前发射波束中心指向θ1＝0°(对应工作波长λ1)，其发射波束3db宽度为8°，俯仰维发射波束方向图如图3b所示。
实验2：在方位维，当前射波束指向10°方向，同时3路接收天线指向10°方向形成接收波束方向图，3路天线合成后的接收波束3db宽度1°，仿真结果如图4a所示。相对发射波束宽度(5°)，方位维3路接收天线实现了窄波束接收。
实验3：在方位维，无人机目标指向9°、10°、11°，形成接收同时多波束方向图，其仿真结果如图4b所示。在俯仰维，无人机目标指向-3°、0°、3°，形成同时多波束方向图，其仿真结果如图5b所示。
实验4：在方位维3路接收天线，当无人机目标方向为10°时，当前的雷达工作波长为λ0，此时阵元间距与波长比分别为d1/λ0＝12.5，d2/λ0＝13.5，形成接收波束扫描图，仿真结果如图6a和图6b所示，可以看出其旁瓣过高，会造成测角模糊。
实验5：在方位维，建立3路接收天线的幅相误差模型，幅度误差为0.2db，相位误差为4°，波束指向10°方向，形成3个接收天线的波束方向图，仿真结果如图7a所示；同样地，幅度误差为0.2db，相位误差为4°，波束指向10°方向，进行1000蒙特卡洛实验，形成1000次随机的带有幅相误差的波束方向图，统计1000次样本方向图的每个方向的幅度值相对方差，仿真结果如图7b所示。
从图6a和图6b可以看出波束指向10°时，其主瓣(7.5°到12.5°)的幅度值波动程度很小，相对方差为10-4量级，说明阵列误差对主瓣影响较小。其他方差较大的角度为波束凹口的方向，这里不考虑，波束副瓣方向为相对方差也较大(比如-10°、-8°、18°方向)，其中波束副瓣相对方差最小的为第一副瓣，相对方差值约为0.003，因此此模型可以将相对方差0.003作为3路接收信号是否一致性好的判别门限值。
比较图7a与图7b，当无人机目标落在-10°方向(即当前发射波束指向的某一副瓣附近)时，3路接收的回波数据幅度值差异很大(相对方差在0.01以上)，从而确定无人机目标不在当前波束的主瓣内；当无人机目标落在12°方向时，3路接收的回波数据幅度值相对方差小于0.003，从而确定无人机目标在当前波束主瓣内，在当前波束主瓣内进行波束扫描测角，便可得到无人机目标角度的精确信息。
综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。