專利名稱：基于地形匹配的數字陣列米波雷達超分辨測高方法
技術領域：
本發明屬于雷達信號處理技術領域，涉及米波雷達測高，具體地說是針對數字陣列米波雷達，提出一種基于地形匹配的超分辨測高方法，可用于目標跟蹤。
背景技術：
按照仰角波束的形成方式和掃描方式，三坐標3D雷達可分為堆積波束雷達、頻掃雷達、相掃雷達和數字波束形成雷達。堆積波束雷達把同時形成的接收波束在仰角上垂直堆積起來，并在方位上機械掃描，以實現搜索目標和目標三坐標的測量。例如，美國的陸基S波段三坐標AN/TPS-43雷達， 以6個仰角波束覆蓋20°的仰角范圍。L波段三坐標S713Martell0雷達用8個堆積波束覆蓋20°的仰角范圍。頻率掃描雷達通過控制頻率的變化在口徑面上產生不同的相位變化梯度，從而通過電控的方法使波束指向所需的仰角，例如，S波段艦載三坐標AN/SPS-39、AN/SPS-48雷達。相控陣三坐標雷達采用移相器在仰角上掃描或控制筆形窄波束掃描。例如L波段遠程三坐標AN/TPS-59戰術機動雷達。可見，目前三坐標雷達主要是工作在S波段和L波段等微波波段。而在米波波段， 波束較寬，波束因地、海面反射而導致波瓣分裂。因此，過去的米波雷達均為兩坐標雷達，而兩坐標雷達又不能滿足現代戰爭的要求。國內外雷達界普遍認為，米波雷達具有反隱身能力。但是米波雷達因受波長長、天線尺寸和架高有限等因素的限制，天線波束寬度寬、角分辨力低，更重要的是因地、海面反射即所謂“多徑”問題使其難以探測低空目標，且在多徑環境下難以測高，故米波雷達的測高問題一直是雷達界尚未很好解決的難題。為較好地解決米波測高難題，最主要的技術途徑是增大天線在高度維的孔徑，以減小天線垂直面的波束寬度。而對于低空目標，即使增大天線在高度維的孔徑，因無法避開 “多徑”問題，其解決測高問題主要有三類技術(1)穿越波束法，也就是單頻波瓣分裂法，利用目標穿越波束時回波幅度的變化進行估高。這種方法要求較長的時間，只能估高而不能測高。(2)多頻波瓣分裂測高法。利用多個工作頻率時分工作，但要求多個頻率的工作帶寬較寬。這種方法在理論可行，但實際系統較復雜，目前還沒有這種實用系統。C3)基于波瓣分裂的米波雷達測高方法。利用不同天線分裂波瓣的相位關系，確定目標所在仰角區間，對接收信號進行比幅處理提取歸一化誤差信號，最后根據歸一化誤差信號和仰角區間查表得到目標的高度。陳伯孝等在2006年在《電子學報》和雷達年會上介紹了“基于波瓣分裂的米波雷達測高方法”。這是一種在垂直維只需3根天線的米波雷達的低仰角測高方法。該方法只適合于平坦陣地，對陣地的平坦性要求較高，且測高精度只能達到距離的1%，難以滿足一些精度較高的實際使用要求。
(4)陣列超分辨處理測高。把陣列信號處理中的超分辨技術應用于分辨直達波信號和多徑信號。因為直達波信號和多徑信號是相干的，所以這類算法主要是估計相干源波達方向DOA的超分辨算法，先使用空間平滑和Topelitz變換等方法解相干，然后利用信號子空間、噪聲子空間和子陣旋轉不變性等來測角。例如，趙光輝等人于2009年2月在《電子與信息學報》發表的論文“基于差分預處理的米波雷達低仰角處理算法”和胡鐵軍等人于 2009年8月在《電波科學學報》發表的論文“陣列內插的波束域ML米波雷達測高方法”，以及胡曉琴等于2008年8月在《電波科學學報》發表的論文“米波雷達測高多徑模型研究”， 提出了考慮多徑延時差的米波雷達陣列信號綜合模型。該方法是基于平坦陣地模型，同時存在瓶頸，那就是分辨既相干，空間位置又近的目標。上述幾種測高方法均只適用于平坦陣地模型，即各天線接收的直達波與地面反射波的波程差滿足近似線性關系。但是對于復雜雷達陣地，大型陣列各天線的地面發射點的起伏較大，各天線直達多徑波程差不滿足近似線性關系，因此在復雜陣地模型下，現有的各種測高方法測角誤差較大，不再適用。
發明內容
本發明的目的在于克服上述已有技術的不足，提出一種基于地形匹配的超分辨測高方法，消除非線性的直達多徑波程差對測角的影響，提高復雜陣地模型下的測角精度和雷達的陣地適應能力。為實現上述目的，本發明通過各陣元地面反射點的兩維坐標，來計算不同陣元的直達波波程與地面反射波波程，再利用直達波波程和反射波波程構造合成導向矢量進行超分辨處理，具體步驟包括如下(1)從雷達回波中提取目標信號，并對該目標信號進行雜波對消和干擾對消處理， 得到對消后目標信號；(2)使用波束形成法對對消后目標信號進行仰角粗測，得到目標信號的粗測仰角 φ ；(3)根據目標信號的粗測仰角^確定最大似然的搜索范圍，當<j、于Ψ/2時，搜索范圍為0 Ψ，否則搜索范圍為^-^//2-^ + ^///2,其中Ψ表示半功率波束寬度；(4)在步驟C3)確定的搜索范圍內搜索，根據搜索仰角，確定各陣元對應的地面反射點坐標(4a)將反射區地面海拔按照1米間隔分層，根據搜索仰角，計算陣元在各層上的反射點；(4b)查找雷達陣地海拔圖上下兩側最近的反射點，記為a和b ；(4c)將a點和b點垂直投影到雷達陣地海拔圖，得到投影點c和d，利用c點和d 點之間的陣地海拔數據做曲線擬合，得到曲線cd ；(4d)將直線ab和曲線Cd的交點作為陣元在起伏地面上的反射點；(5)根據地面反射點，計算目標相對各陣元的直達波波程和反射波波程；(6)利用直達波波程和反射波波程，計算相應的直達導向矢量和多徑導向矢量；(7)使用直達導向矢量和多徑導向矢量計算合成導向矢量As As = Ad+Ai;
其中Ad為直達導向矢量，Ai為多徑導向矢量；(8)計算合成導向矢量As的投影矩陣；(9)根據投影矩陣和對消后目標信號的協方差矩陣進行最大似然估計，得到目標精確仰角。本發明與現有技術相比具有如下優點(1)本發明由于使用直達波波程和反射波波程構造合成導向矢量，通過合成導向矢量進行測角處理，從而消除了非線性的直達多徑波程差對測角的影響，提高了測角精度；(2)本發明由于使用了雷達陣地海拔圖，將雷達陣地海拔參數引入測角算法中，從而提高了雷達的陣地適應能力；(3)本發明由于采用反射區海拔分層和曲線擬合的方法來計算反射點，因此簡化了起伏地面上各陣元發射點的計算過程，減少了算法運算量。
圖1是本發明的流程圖；圖2是本發明中雷達接收信號模型圖；圖3是本發明中地面反射點計算示意圖；圖4是本發明仿真使用的雷達陣地海拔圖；圖5是用本發明在理想陣地模型下仿真的各陣元直達波和地面反射波的波程差圖；圖6是用本發明在圖4模型下仿真的各陣元直達波和地面反射波的波程差圖；圖7是用不同方法在圖4模型下對高仰角目標隨信噪比變化的測角精度仿真圖；圖8是用不同方法在圖4模型下對低仰角目標隨信噪比變化的測角精度仿真圖；圖9是針對實測數據的處理結果圖。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明的內容和效果。參照圖1，本發明包括如下步驟步驟1 對雷達接收的目標信號進行雜波對消和干擾對消處理，得到對消后目標信號。本發明中雷達接收目標信號的模型如圖2所示。圖2中一個遠場的窄帶信號入射到M個陣元組成的均勻線陣，天線的傾斜角為θ a，架高為ha(l，陣元間隔為d，以第一根天線在海平面的投影點為坐標原點，D點為第m個陣元的地面投影點，E點為目標的地面投影點， 為等效地球半徑，Rt為目標距離，θ為搜索仰角，C點為地心，A點為第m個陣元，A點水平坐標和垂直坐標分別為hax(m)和hay(m)，T點為目標，T點水平坐標和垂直坐標分別為htx 和hty，G(m)表示D點與E點的水平距離，其中hax (m) = -d (m-1) cos θ a，m = 1，2L, Mhay (m) = ha0+d(m-l)sin θ a，m = 1，2L，M
權利要求
1.一種基于地形匹配的數字陣列米波雷達超分辨測高方法，包括以下步驟(1)從雷達回波中提取目標信號，并對該目標信號進行雜波對消和干擾對消處理，得到對消后目標信號；(2)使用波束形成法對對消后目標信號進行仰角粗測，得到目標信號的粗測仰角P；(3)根據目標信號的粗測仰角^確定最大似然的搜索范圍，當Vh于Ψ/2時，搜索范圍為0 Ψ，否則搜索范圍為識-^/2~^ + 1///2，其中Ψ表示半功率波束寬度；(4)在步驟C3)確定的搜索范圍內搜索，根據搜索仰角，確定各陣元對應的地面反射點坐標(4a)將反射區地面海拔按照1米間隔分層，根據搜索仰角，計算陣元在各層上的反射占.(4b)查找雷達陣地海拔圖上下兩側最近的反射點，記為a和b ； (4c)將a點和b點垂直投影到雷達陣地海拔圖，得到投影點c和d，利用c點和d點之間的陣地海拔數據做曲線擬合，得到曲線cd ；(4d)將直線ab和曲線cd的交點作為陣元在起伏地面上的反射點；(5)根據地面反射點，計算目標相對各陣元的直達波波程和反射波波程；(6)利用直達波波程和反射波波程，計算相應的直達導向矢量和多徑導向矢量；(7)使用直達導向矢量和多徑導向矢量計算合成導向矢量As As = Ad+Aj,其中Ad為直達導向矢量，Ai為多徑導向矢量；(8)計算合成導向矢量As的投影矩陣；(9)根據投影矩陣和對消后目標信號的協方差矩陣進行最大似然估計，得到目標精確仰角。
2.根據權利要求1所述的米波雷達超分辨測高方法，其中步驟( 所述的使用波束形成法對對消后目標信號進行仰角粗測，是通過如下公式進行φ = arg maxφ(l / abs(aH (φ)Ra(φ)))其中W為目標粗測仰角，arg max為尋找具有最大評分的參量，abs為求模運算， a(φ) = [ejK-0-smin(φ),ejK-l-sin(φ)L,ejk.(M-1).sin(φ)W]Tκ表示波數，M表示陣元個數，上標T表示轉置， 上標H表示共軛轉置，R為對消后信號的協方差矩陣。
3.根據權利要求1所述的米波雷達超分辨測高方法，其中步驟Ga)所述將反射區地面海拔按照1米間隔分層，根據搜索仰角，計算陣元在各層上的反射點，是通過如下公式進行
4.根據權利要求1所述的米波雷達超分辨測高方法，其中步驟( 所述計算目標相對各陣元的直達波波程和反射波波程，是通過如下三角公式進行
5.根據權利要求1所述的米波雷達超分辨測高方法，其中步驟(6)所述計算相應的直達導向矢量和多徑導向矢量，是通過如下公式進行
6.根據權利要求2所述的米波雷達超分辨測高方法，其中步驟(8)所述計算投影矩陣， 是通過如下公式進行
7.根據權利要求1所述的米波雷達超分辨測高方法，其中步驟(9)所述計算最大似然估計，是通過如下公式進行
全文摘要
本發明公開了一種基于地形匹配的數字陣列米波雷達超分辨測高方法，主要解決現有技術針對起伏陣地測高誤差較大的問題。其實現步驟對雷達接收的目標信號進行雜波對消和干擾對消處理，得到對消后目標信號；使用波束形成法對粗測目標仰角；根據粗測仰角確定最大似然的搜索范圍，并在搜索范圍內搜索；根據搜索仰角，計算各陣元對應的地面反射點坐標和目標相對各陣元的直達波波程和反射波波程；利用直達波波程和反射波波程，計算相應的直達導向矢量和多徑導向矢量；構造合成導向矢量并計算其投影矩陣；最后進行最大似然估計得到目標精確仰角。本發明將雷達陣地海拔參數和合成導向矢量引入超分辨測高中，提高了測高精度，可用于目標跟蹤。
文檔編號G01S7/40GK102288944SQ201110120849
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月12日 優先權日2011年5月12日
發明者朱偉, 楊明磊, 陳伯孝 申請人:西安電子科技大學