基于多径利用的雷达直接三维空间目标定位方法与流程

本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种目标定位方法，可用于对雷达点目标在三维空间直接进行定位。

背景技术：

在多径环境下，使用雷达对点目标进行定位时，由于地海面及周围环境对电磁波的反射，从目标返回的回波信号通过不同路径到达雷达天线，产生多径效应。多径效应的存在，使得雷达对目标定位的精度降低，甚至产生虚假目标。通常来说，对于具有较大仰角的点目标，多路径分量从雷达天线副瓣进入，此时单脉冲雷达可以高精度定位。但是对于低仰角点目标，由于多路径信号进入和、差主波束，将出现较大的定位误差，甚至会导致定位失败。此时若使用传统的匹配滤波方法定位，由于受到多径信号的干扰，雷达将会误测出多个假目标，从而无法准确测出目标的真实位置。

对于多径的影响，传统的方法主要是抑制多径信号来获取目标的真实位置信息。比如：通过改变天线放置策略，使直达波信号和多径信号几乎同时到达天线，或设计地平面天线，遮挡来自天线下方的多径信号。但是这些方法的使用范围有一定限制，对不同路径的波达时间精准度有严格的要求，仅适合延迟较短的多径环境。同时，接收天线受多径信号的影响，雷达会误测出多个假目标，并存在着成本较高、处理复杂、适用范围小的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有方法的不足，提出一种基于多径利用的雷达直接三维空间目标定位方法，以避免假目标的出现，提高目标真实位置的检测准确性，同时降低成本和处理复杂度，扩大其适用范围。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)获取雷达发射信号st(t)的回波数据sr(t)，得到不同路径的波达时间τa、τb、τab，其中，τa为直达波的波达时间，τb为二阶多径的波达时间，τab一阶多径的波达时间：

(2)建立雷达目标几何定位模型：

2a)建立坐标系，在坐标系中定义一部单基地雷达位置q和点目标位置a：

q＝[rx,ry,rz]，a＝[ax,ay,az]；

2b)在坐标系中对点目标反射面信息初始化，根据雷达位置关于反射面的对称位置，得到虚拟雷达的位置点p：

p＝[dx,dy,dz]；

2c)根据单基地雷达位置q、点目标位置a、虚拟雷达的位置p和点目标反射面信息，建立数学模型表达式：

其中，第一个表达式是以q＝[rx,ry,rz]点为球心的球，是直达波信号的几何模型；

第二个表达式是以q＝[rx,ry,rz]、p＝[dx,dy,dz]点为焦点的旋转椭球体，是一阶多径信号的几何模型，此几何模型是以y轴为旋转轴建立的；

第三个表达式是以p＝[dx,dy,dz]为球心的球，是二阶多径的几何模型；

c为电磁波在空间中的传播速度，[tx,ty,tz]为要测量的目标位置；

(3)将步骤(1)中得到的不同路径波达时间τa、τb、τab带入步骤(2)中建立的数学模型中，联立将得到由直达波信号的几何模型球体、一阶多径的几何模型旋转椭球体和二阶多径几何模型球体三者相交的平面圆；

(4)根据点目标的多径信号到达角度，得到由雷达位置q、点目标位置a和虚拟雷达的位置p组成的∠aqp；

(5)根据步骤(3)中的圆平面方程与步骤(4)中角∠aqp的大小，得到目标位置。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、检测位置准确度高。

在多径环境下，传统的匹配滤波方法将受到多径信号的干扰，且对各路径波达时间的准确度要求较高，无法准确测出目标的位置。本发明由于所建模型是对各路径波达时间和多径角度信息的综合判断，因此，对各路径回波信号的波达时间准确度不敏感，可以准确地测出目标位置信息。

2、模型简单、成本低。

为减弱多径效应对目标定位的影响，传统方法是采取抑制多径效应的方法，需要多个接收天线来接收信号，并且对接收信号处理算法复杂。本发明是利用多径信息，建立雷达目标几何定位模型，根据各路径的波达时间与几何定位模型得到数学模型，由数学模型得到目标的真实位置，模型简单，成本较低。

3、本发明利用点目标多径信息对点目标直接三维空间定位。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是多径环境下雷达目标几何定位原理图；

图3是在设定的目标和环境参数下，用本发明得到反射面是水平状态下的定位结果图；

图4是在设定的目标和环境参数下，用本发明得到反射面是倾斜状态下的定位结果图。

具体实施方式

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1：获取雷达回波数据。

根据雷达发射信号st(t)，得到回波数据为sr(t)：

其中为卷积符号，hk(t)为直达波信道传输响应函数，hk′(t)为多径信道传输响应函数，n(t)为接收机噪声信号，可看作高斯白噪声信号。

步骤2：根据回波数据得到不同路径的波达时间。

对接收到的回波数据sr(t)进行匹配滤波，得到不同路径的波达时间τa、τb、τab，其中，τa为直达波的波达时间，τb为二阶多径的波达时间，τab一阶多径的波达时间。

步骤3：建立雷达目标几何定位模型。

参照图2，定义一部单基地雷达和点目标分别在q点和a点处，初始化目标的反射面信息，假设目标的反射面为镜面反射，根据反射面信息得到雷达关于反射面对称的虚拟雷达的位置p，根据雷达位置q、虚拟雷达的位置p和不同路径的波达时间τa、τb、τab，建立雷达目标几何定位模型，步骤如下：

3a)建立坐标系；

3b)在坐标系中定义一部单基地雷达位置q和点目标位置a：

q＝[rx,ry,rz]，a＝[ax,ay,az]；

3c)在坐标系中对目标反射面信息初始化，设置目标反射面俯仰角和方位角，根据雷达位置关于目标反射面的对称位置，得到虚拟雷达的位置点p：

p＝[dx,dy,dz]；

3d)参照图2，根据单基地雷达位置q、点目标位置a、虚拟雷达的位置p和目标反射面之间的关系可以得到：

对于直达波时延τa，其几何图是以q点为球心，以qa长度为半径的实线球；

对于一阶多径时延τab，由于qa+ab+bq＝qa+ab+bp＝qa+ap，即qa+ap可以看成双基地雷达，即信号从真实雷达q发出到目标，再由虚拟雷达p接收，其几何图是以q、p为焦点椭圆绕y轴旋转的旋转椭球体；

对于二阶多径时延τb，其几何图是以p点为球心，以ap长度为半径的实线球；

由上面τa、τab、τb组成的几何图，建立数学模型表达式：

其中，第一个表达式是以q＝[rx,ry,rz]点为球心的球，是直达波信号的几何模型；

第二个表达式是以q＝[rx,ry,rz]、p＝[dx,dy,dz]点为焦点的椭圆绕y轴旋转椭球体，是一阶多径信号的几何模型，此几何模型是以y轴为旋转轴建立的；

第三个表达式是以p＝[dx,dy,dz]为球心的球，是二阶多径的几何模型；

c为电磁波在空间中的传播速度，[tx,ty,tz]为要测量的目标位置。

步骤4：构建平面圆。

将步骤(2)中得到的不同路径波达时间τa、τb、τab带入步骤(3)中建立的数学模型中，得到步骤3d)中＜1＞,＜2＞,＜3＞三个表达式，联立＜1＞,＜2＞,＜3＞三个表达式将得到由直达波信号的几何模型球体、一阶多径的几何模型旋转椭球体和二阶多径的几何模型球体三者相交的平面圆：

此平面圆的方程为tx²+tz²＝r²，r为平面圆的半径，r的大小是由不同路径的波达时间τa、τb、τab决定。

步骤5：根据点目标的多径信号到达角度，得到由雷达位置q、点目标位置a和虚拟雷达位置p组成的∠aqp。

步骤6：确定目标位置坐标。

6a)根据步骤(4)中的圆平面方程tx²+tz²＝r²与步骤(4)中∠aqp的大小，得到一过雷达点q且角度为∠aqp大小的射线，由此射线与圆平面方程tx²+tz²＝r²的交点得到目标的x轴坐标tx和z轴坐标tz；

6b)由步骤3d)中的式＜1＞和式＜3＞得到目标位置[tx,ty,tz]：

6b1)根据∠aqp大小，得到一条过雷达点q且角度为∠aqp大小的射线，由此射线与圆平面方程tx²+tz²＝r²的交点得到目标的x轴坐标tx和z轴坐标tz；

6b2)将步骤3d)中直达波信号的几何模型球体方程＜1＞与二阶多径几何模型球体方程＜3＞进行联立求解，确定ty坐标，完成对目标位置的定位。

本发明的效果可通过以下仿真进一步验证。

1.实验条件：

设雷达参数相同、反射面参数不同，

参照图2中建好的坐标系，定义雷达的坐标矢量为q＝[0,-5000,0]m,假定目标的坐标矢量为a＝[3000,-4000,5000]m。

2.实验内容和结果：

实验1，在反射面为水平状态，各路径的波达时间为τa＝3.9441e-05s、τb＝7.1492e-05s、τab＝4.0825e-05s的条件下，用本发明方法对低空点目标进行定位，结果如图3所示。

实验2，在反射面为倾斜状态，其方位角α＝30°和俯仰角β＝45°，各路径的波达时间为τa＝4.6361e-05s、τb＝8.7261e-05s、τab＝6.6811e-05s的条件下，用本发明方法对低空点目标进行定位，结果如图4所示。

从图3和图4可以看出，本发明方法仿真的目标位置结果与实验中所设置的目标位置差值大约为：[2.0326,-1.5583,3.0546]m；对于目标距离雷达超过10km，此误差相对较小。证明本发明方法对低仰角多径环境下目标定位有很高的精度。

本发明不仅能对多径环境下的雷达点目标进行定位，而且在工程上容易实现。