系留气球载相控阵雷达在多目标下分辨空地目标的方法
【专利摘要】本发明公开了一种系留气球载相控阵雷达在多目标下分辨空地目标的方法，主要解决现有系留气球载相控阵雷达无法从距离、速度和角度上分辨空地多目标的问题。其实现步骤为：1、对各阵元接收到的回波进行信号处理与检测，得到目标的距离信息和所处的角度范围；2、根据目标的距离信息与雷达距离分辨率，计算地杂波的下俯角范围；3、根据目标的距离信息与所处的角度范围，运用阵列超分辨角度估计方法，精确估计各个目标的俯仰角信息；4、将各目标的俯仰角与地杂波下俯角范围进行比较，得到各目标的分辨结果。本发明能精确估计各目标的俯仰角，并利用目标俯仰信息实现空地多目标分辨，可用于提高系留气球载相控阵雷达对低空目标的侦察能力。
【专利说明】系留气球载相控阵雷达在多目标下分辨空地目标的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及雷达【技术领域】，具体说是一种多目标情况下系留气球载相控阵雷达分辨空地目标的方法，可用于预警探测、通信中继、电子干扰、防灾减灾和公共安全。
【背景技术】
[0002]系留气球工作时悬浮在数千米的高空，可作为浮空平台搭载预警雷达系统，组成系留气球载雷达，进行下视探测。其克服了地基雷达易受地球曲率和地物遮蔽等影响的固有缺点，大大提高了侦察探测距离，同时，相比于预警飞机，可获得更高的效费比，是现今侦查巡航导弹、低空突防飞行器等低空低速目标的重要手段之一。
[0003]由于系留气球载相控阵雷达通常需要对检测到的低空目标和地面目标进行不同的后续处理，因此，系留气球载相控阵雷达首先要分辨出多个目标，再判断出多个目标中，哪些属于空中目标，哪些属于地面目标。常规雷达系统中，对多个目标进行分辨主要依靠的处理方式有:距离维处理、多普勒维处理、角度维处理等。利用上述处理方式实现多目标分辨，首先要求多个目标的信息能在某一维或某几维被分离，再根据分离后的各个目标的信息，利用单目标判别方法分别对每个目标进行判别，以实现多目标分辨。
[0004]但是，由于系留气球载相控阵雷达工作在下视方式，车辆等地面运动目标同样会被雷达探测到。对于距离维分辨，由于系留气球载相控阵雷达的俯仰维距离环经过地面，若地面目标与低空目标处于同一个俯仰维距离环内，即与雷达的径向距离相同，将无法通过距离维的信号处理分离各个目标的信息，因此，无法依靠距离维处理实现空地目标分辨。
[0005]同时，低空目标距离地面高度一般在几百米左右，在非向站飞行时，低空目标相对系留气球载相控阵雷达的径向速度与地面运动目标相对系留气球载相控阵雷达的径向速度通常很接近，空地目标的多普勒频率可能会落入同一个多普勒通道中，即无法通过多普勒维的信号处理分离各个目标的回波信息。此时，在上述距离维处理无法分辨空地目标的情况下，同样也无法依靠多普勒维处理实现空地目标的分辨。
[0006]在上述距离维处理和多普勒维处理均不能实现空地目标分辨的情况下，考虑到同一个俯仰维距离环中，低空目标与地面运动目标的俯仰角不同，而地面运动目标的俯仰角与同一距离单元中的地面下俯角相同，故可尝试在角度维分离多个目标的信息，将问题转化为单目标判别问题。但实际情况中，各目标俯仰角差异较小，现有系留气球载相控阵雷达所使用的大多是常规的相控阵角度估计方法，此方法不具备足够的分辨率，无法精确估计各目标的俯仰角，即不能很好的在角度维分离各目标的信息，因此，现有系留气球载相控阵雷达无法利用各目标的俯仰角信息实现角度维的多目标分辨。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种系留气球载相控阵雷达在多目标下分辨空地目标的方法，以精确估计各目标的俯仰角，实现对空地多目标的分辨。
[0008]本发明的技术方案是这样实现的:[0009]一、技术原理
[0010]相控阵雷达在俯仰维拥有较多的自由度，在对各个接收通道积累多次相关的脉冲重复周期数据后，首先进行距离维和多普勒维的处理，再通过距离和多普勒二维检测，分离目标与地杂波信息，对地杂波下俯角的范围和各目标进行角度估计，最后将每个目标的俯仰角与地杂波下俯角的范围进行比较，得出判别结果，实现空地多目标的分辨。本发明中，由于对地面下俯角的范围进行估计时，不存在分辨的要求，故应用常规的相控阵角度估计方法对地面下俯角进行估计，而在估计各目标的俯仰角时，则使用超分辨相控阵角度估计方法，以精确估计各目标的俯仰角。
[0011]二、技术方案
[0012]根据上述原理，本发明的技术方案包括如下步骤:
[0013](I)对相控阵雷达俯仰维各个阵元接收到的回波信号进行脉冲压缩，得到每一个脉冲重复周期的脉冲压缩结果Xm(n) = [xlm(n), x2m(η),.., xim(η),..., XlimOi) ]τ,其中，m表示脉冲重复周期序号，m = 1，2，...，M，M为一个相干积累周期中所包含的脉冲个数，η为距离单元的序号，η = 1，2，...，N，N为一个脉冲重复周期中的距离单元数，Xini (η)表示第m次脉冲重复周期中第i个阵元的脉冲压缩结果，i为阵元编号，i = 1，2，...，L，L为等距均匀线阵的阵元个数，[.]τ表示转置；
[0014](2)对每一个脉冲重复周期中的脉冲压缩结果X111(Ii)在俯仰维做多约束方向的数字波束形成，得到每个约束方向的M路合成信号，其中，表示一个俯仰维约束方向，e = 1，2，...，E，E表示俯仰维约束方向的个数；
[0015](3)对每个约束方向的M路合成信号八-力7)进行三脉冲对消杂波抑制及相干积累，得到每个约束方向的距离-多普勒二维图，即R-D图；
[0016](4)对每个约束方向的R-D图，沿距离维和多普勒维进行二维恒虚警率检测，记录出现目标的R-D图所对应的波束指向Vt和目标所在距离单元nt ；
[0017](5)在每一个脉冲重复周期的脉冲压缩结果Xm(η)中，提取目标所在距离单元11,的脉冲压缩结果Xm(nt)，记为快拍Zm = Xm(nt)，将所有快拍组成快拍矩阵Z =[Z1Z2...zm...ζΜ],其中，m = I, 2,..., M ；
[0018](6)将快拍矩阵Z中的M列数据直接相加，得到L个阵元在多普勒维的零通道数据，用此L个数据组成用于估计地杂波下俯角的一组数据向量V = [V1, V2,..., Vi,..., vL]τ，其中Vi表示第i个阵元的多普勒零通道数据，i = 1，2，...，L;
[0019](7)根据距离单元nt和雷达距离分辨率，得到以距离单元nt为中心的分辨单元，记为I，由目标所在的距离单元nt与雷达距离分辨率，计算分辨单元中的远端下俯角Θ f与近端下俯角Θ。；
[0020](8)根据远端下俯角0f与近端下俯角Θ。，对数据向量V使用阵列角度估计方法，得到距离单元nt中地杂波下俯角的范围:9min?Θ.，其中，0min= 0g-e , θ_= θ8+ε ,eg是由阵列角度估计方法直接估计得到的地杂波下俯角，ε为角度偏差量，其取值与该距离单元的杂噪比以及实际中关于地杂波空间分布的先验知识有关；
[0021](9)对步骤5中的快拍矩阵Z做三脉冲对消杂波抑制，得到不含杂波的快拍矩阵U，其中，不含杂波的快拍矩阵U是L行T列的矩阵，L是阵元数，T表示三脉冲对消杂波抑制后得到的脉冲个数，T = M-2 ；
[0022](10)根据不含杂波的快拍矩阵U，得到目标的协方差矩阵W，应用信源数估计方法,计算距离单元nt中所包含的空地目标个数Q ；
[0023](11)根据空地目标个数Q，估计每个目标的俯仰角Θ q，其中，q = 1，2，...，Q ;
[0024](12)将每个目标的俯仰角分别与步骤8得到的地杂波下俯角范围Qmin~θ_进行比较，若Qmin≤θq≤θmax，则判定该目标为地面目标，否则，判定该目标为空中目标。
[0025]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0026]1、本发明由于在系留气球载相控阵雷达上使用阵列超分辨角度估计算法，使系留气球载相控阵雷达具备了对多个目标的俯仰角进行精确估计的能力。
[0027]2、本发明由于利用俯仰信息分辨空地目标，有效解决了现有系留气球载相控阵雷达无法在多目标情况下实现空地目标分辨的问题。
[0028]3、本发明由于使用零多谱勒通道的数据估计地杂波的下俯角，充分利用了零多普勒通道中地杂波的高杂噪比，因此可以较准确的估计出地杂波的下俯角。
[0029]4、本发明由于将实际地杂波下俯角作为对应距离单元的地面下俯角，有效地克服了采用三角函数关系计算地面下俯角时，结果受地形起伏影响较大的缺点。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是本发明使用的场景布局图；
[0031 ] 图2是本发明的实现流程图；
[0032]图3是本发明约束多个波束的空域模拟示意图；
[0033]图4是本发明中分辨单元与距离单元关系示意图；
[0034]图5是用本发明方法和常规阵列角度估计方法对角度的估计结果比较图；
[0035]图6是本发明方法实现多目标分辨的统计性能仿真图；
[0036]图7是本发明中空中目标被正确分辨的概率随空中目标下俯角变化的仿真结果图。
【具体实施方式】
[0037]参照图1，本发明使用的场景包括:一个系留气球载相控阵雷达、一个低空目标、一个地面目标和目标所在距离单元中的地杂波，主要场景参数有:系留气球载相控阵雷达的高度H，雷达阵元数L，目标距离雷达的径向距离R ;雷达工作参数有:雷达发射信号的带宽B，雷达采样频率fs。
[0038]参照图2，本发明的实施步骤如下:
[0039]步骤1、对相控阵雷达俯仰维各阵元接收信号进行脉冲压缩。
[0040]对相控阵雷达俯仰维各个阵元接收到的回波信号进行脉冲压缩，得到每一个脉冲重复周期的脉冲压缩结果 Xm (n) = [Xlm (n), X2m (η),.., xim (η),..., XljllOi) ]τ,其中，m 表示脉冲重复周期序号，m = 1，2，...，M，M为一个相干积累周期中所包含的脉冲个数，η为距离单元的序号，η = 1，2，...，Ν，N为一个脉冲重复周期中的距离单元数，Xini (η)表示第m次脉冲重复周期中第i个阵元的脉冲压缩结果，i为阵元编号，i = 1，2，...，L，L为等距均匀线阵的阵元个数，[.]τ表示转置。[0041]步骤2、对每一个脉冲重复周期中的脉冲压缩结果Xni(η)在俯仰维做多约束方向的数字波束形成。
[0042]2a)设系留气球载雷达在俯仰维的探测范围为Vmin~，在该探测范围内以半功率波束宽度Va5为间隔，均匀选择多个俯仰方向Vy其对应的空域导向矢量:
[0043]
【权利要求】
1.一种系留气球载相控阵雷达在多目标下分辨空地目标的方法，包括如下步骤: (1)对相控阵雷达俯仰维各个阵元接收到的回波信号进行脉冲压缩，得到每一个脉冲重复周期的脉冲压缩结果 Xm (n) = [Xlm (n), X2m (η),...，xim (η),...，XljllOi) ]τ,其中，m 表示脉冲重复周期序号，m = 1，2，...，M，M为一个相干积累周期中所包含的脉冲个数，η为距离单元的序号，η = 1，2，...，Ν，N为一个脉冲重复周期中的距离单元数，Xini (η)表示第m次脉冲重复周期中第i个阵元的脉冲压缩结果，i为阵元编号，i = 1，2，...，L，L为等距均匀线阵的阵元个数，[.]τ表示转置； (2)对每一个脉冲重复周期中的脉冲压缩结果X111(Ii)在俯仰维做多约束方向的数字波束形成，得到每个约束方向的M路合成信号(?)其中，表示一个俯仰维约束方向，e=1，2，...，E，E表示俯仰维约束方向的个数； (3)对每个约束方向的M路合成信号)W?(?)进行三脉冲对消杂波抑制及相干积累，得到每个约束方向的距离-多普勒二维图，即R-D图； (4)对每个约束方向的R-D图，沿距离维和多普勒维进行二维恒虚警率检测，记录出现目标的R-D图所对应的波束指向Vt和目标所在距离单元nt ； (5)在每一个脉冲重复周期的脉冲压缩结果Xm(η)中，提取目标所在距离单元nt的脉冲压缩结果Xm (nt),记为快拍zm = Xm (nt),将所有快拍组成快拍矩阵Z = [Z1Z2...zm...zM],其中，m = I, 2,..., M ； (6)将快拍矩阵Z中的M列数据直接相加，得到L个阵元在多普勒维的零通道数据，用此L个数据组成用于估计地杂波下俯角的一组数据向量V = [V1, V2,..., Vi,..., vJT，其中Vi表示第i个阵元的多普勒零通道数据，i = 1，2，...，L ; (7)根据距离单元nt和雷达距离分辨率，得到以距离单元nt为中心的分辨单元，记为nr,由目标所在的距离单元nt与雷达距离分辨率，计算分辨单元中的远端下俯角Θ f与近端下俯角Θ。； (8)根据远端下俯角Qf与近端下俯角θc。，对数据向量V使用阵列角度估计方法，得到距离单元nt中地杂波下俯角的范围:θmin~θmax，其中，θ min= θ g- ε , θ max = θ g+ ε , θ g是由阵列角度估计方法直接估计得到的地杂波下俯角，ε为角度偏差量，其取值与该距离单元的杂噪比以及实际中关于地杂波空间分布的先验知识有关； (9)对步骤5中的快拍矩阵Z做三脉冲对消杂波抑制，得到不含杂波的快拍矩阵U,其中，不含杂波的快拍矩阵U是L行T列的矩阵，L是阵元数，T表示三脉冲对消杂波抑制后得到的脉冲个数，T = Μ-2 ； (10)根据不含杂波的快拍矩阵U，得到目标的协方差矩阵W，应用信源数估计方法，计算距离单元nt中所包含的空地目标个数Q ; (11)根据空地目标个数Q，估计每个目标的俯仰角θq，其中，q = 1, 2,..., Q ； (12)将每个目标的俯仰角分别与步骤8得到的地杂波下俯角范围Qmin~θmax进行比较，若Qmin≤0q≤θmax，则判定该目标为地面目标，否则，判定该目标为空中目标。
2.根据权利要求1所述的系留气球载相控阵雷达在多目标下分辨空地目标的方法，其中所述步骤(3)中对每个约束方向的M路合成信号-V?进行三脉冲对消杂波抑制，按如下步骤进行:3a)记三脉冲对消杂波抑制所用的滤波器F = &(|，111，112]'滤波器？的系数分别为：& = 1,1^ = -2, h2 = 1,其中，[? ]T 表示转置；3b)将约束方向L的M路合成信号垛>)通过步骤3a)中的滤波器F，得到该约束方 向的三脉冲对消结果U"):yWe(P+1}(n)其中，
3.根据权利要求1所述的系留气球载相控阵雷达在多目标下分辨空地目标的方法，其 中步骤（8)所述的根据远端下俯角ef与近端下俯角0。，对数据向量v使用阵列角度估计 方法，得到距离单元nt中地杂波下俯角的范围：emin?0_，按如下步骤进行：8a)由远端下俯角0f和近端下俯角0。，构造地杂波下俯角的搜索范围ef?0。； 8b)在地杂波下俯角的搜索范围ef?0。中，均匀选择G个角度，记为％，构造导向矢 量咖"):
4.根据权利要求1所述的系留气球载相控阵雷达在多目标下分辨空地目标的方法，其 中步骤（10)所述的根据不含杂波的快拍矩阵u，得到目标的协方差矩阵w，按如下公式计 算：
5.根据权利要求1所述的系留气球载相控阵雷达在多目标下分辨空地目标的方法，其中步骤(10)所述的应用信源数估计方法，计算距离单元nt中所包含的空地目标个数Q，按如下步骤进行: IOa)对协方差矩阵W进行特征分解，得到L个特征值，记为α τ，其中，τ = 1，2，...，L，L是阵元数； IOb)从I~L的所有整数中搜索目标的个数β。，其中，σ = 1，2，...，L; 10c)对每个β。，计算对应的代价函数值Μβσ):
【文档编号】G01S7/41GK103529437SQ201310482277
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月15日 优先权日:2013年10月15日
【发明者】苏洪涛, 刘子威, 刘宏伟, 胡勤振 申请人:西安电子科技大学