基于干涉相位辅助的延迟多普勒雷达高度表的测高方法与流程

本发明属于雷达技术领域，特别涉及雷达高度表的测高方法，具体是一种基于干涉相位辅助的延迟多普勒雷达高度表的测高方法，可用于基于地形匹配的雷达高度表测高。

背景技术：

传统的雷达高度表应用于地形匹配导航时，其对地形匹配性能的主要影响在于：传统雷达高度表地面脚印大，其测量得到的高度是整个地面脚印(脉冲有限或者波束有限)内的所有地面的高度平均值。因此，传统雷达高度表的测高精度和地面分辨率都较低。由此将导致匹配定位时无法得到较高的定位精度。而美国研发的干涉延迟多普勒雷达高度表系统仅为双天线系统，由于航线左右两侧的等距地面单元的回波将重叠在一个距离单元内，双天线系统面临着正负干涉相位非相干叠加的问题，则难以有效提取地面单元的角度信息，无法区分航线左右两侧的等距地面单元的位置信息，无法提高雷达高度表的垂直航向的分辨率。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述方法存在的问题，提出一种精度更高的基于干涉相位辅助延迟多普勒雷达高度表的测高方法，以获取其余地面单元回波的相位，提高测高精度及分辨率。

本发明是一种基于干涉相位辅助的延迟多普勒雷达高度表测高方法，其特征在于，基于三天线系统，包括如下步骤：

(1)建立三天线系统的雷达高度表回波信号模型：干涉延迟多普勒雷达高度表的天线由3个垂直航迹分布的天线构成，天线之间的间距(基线长度)为d，由天线1向地面发射脉冲信号，天线1、2、3均接收来自地面的回波，建立的回波信号模型分别为s1(t)、s2(t)和s3(t)，它们都是和时间相关的回波信号；

开始对回波信号进行处理，

(2)确定检测门限：通过计算任意一个天线的噪声功率用于计算雷达回波信号的检测门限；

(3)对天线1划定干涉窗：根据计算得到的检测门限，在天线1的回波信号中搜索高于检测门限的峰值点位置，从峰值点位置距离单元开始，向回波前沿搜索，将所有信号幅度值高于检测门限的距离单元均划入干涉窗，当出现信号幅度小于检测门限的距离单元时停止搜索；干涉窗内所有的距离单元即干涉点均可用于雷达高度测量；

(4)天线2和天线3的干涉窗均以天线1干涉窗内的距离单元为准划定；

(5)干涉相位角θ(n)的提取：由三个天线的干涉窗内第n个距离单元的回波信号计算其对应的地面单元相对于天线1阵列法线的夹角θ(n)；

(6)雷达高度测量：根据干涉窗内的所有距离单元对应的地面单元到雷达的距离r及其对应地面单元相对于天线1阵列法线的夹角θ(n)，计算雷达高度，然后对所有计算得到的雷达高度求平均，得到雷达相对于地面的高度。

本发明采用三天线系统，解决了双天线系统面临着正负干涉相位非相干叠加的问题，提高了测角精度，进而提高了测量精度和分辨率。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明利用接收天线阵列的横向角度测量能力，测量出地面单元相对于天线阵列法线的夹角，提高了测高精度；

2、因为本发明采用三天线系统，解决了双天线系统面临着正负干涉相位非相干叠加的问题，提高了测角精度，进而提高了测量精度和分辨率；

3、相对于传统的测高算法，其运算量降低；

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明三天线中任意通道场景示意图；

图3是干涉延迟多普勒高度表几何关系图；

图4是干涉相位辅助高度估计几何示意图；

图5是干涉窗划定示意图；

图6是1000m高度仿真结果图；

图7是3000m高度仿真结果图；

图8是6000m高度仿真结果图；

具体实施方式

实施例1

现有的双天线干涉延迟多普勒雷达高度表系统，由于航线左右两侧的等距地面单元的回波将重叠在一个距离单元内，双天线系统面临着正负干涉相位非相干叠加的问题，则难以有效提取地面单元的角度信息，无法区分航线左右两侧的等距地面单元的位置信息，进而无法提高雷达高度表的垂直航向的分辨率。

另外，传统的测高算法如半功率点法，wsg方法，最小均方误差拟合高度估计方法等精度较低且运算量较大。

针对此现状，本发明展开了探讨与研究，提出一种基于干涉相位辅助的延迟多普勒雷达高度表测高方法，参见图1，本发明基于三天线系统，其中天线1用于发射和接收信号，天线2和天线3用于接收信号，以零多普勒频率通道为例，包括如下步骤：

(1)建立三天线系统的雷达高度表回波信号模型：干涉延迟多普勒雷达高度表的天线由3个垂直航迹分布的天线构成，天线之间的间距即基线长度为d，由天线1向地面发射脉冲信号，天线1、2、3均接收来自地面的回波，建立的回波信号模型分别为s1(t)、s2(t)和s3(t)，它们都是和时间相关的回波信号。

开始对回波信号进行处理，

(2)确定检测门限：通过计算任意一个天线的噪声功率用于计算雷达回波信号的检测门限。

为了划定检测门限，需要根据天线1或者天线2或者天线3的输出信号计算噪声功率，本例中选择天线1的输出信号计算噪声功率，然后根据噪声功率确定检测门限。

(3)对天线1划定干涉窗：根据计算得到的检测门限，在天线1的回波信号中搜索高于检测门限的峰值点位置，峰值点所对应的距离单元为干涉窗的一个边缘，参见图5，从峰值点位置距离单元开始，向回波前沿搜索，将所有信号幅度值高于检测门限的距离单元均划入干涉窗，当出现信号幅度小于检测门限的距离单元时停止搜索，此处为干涉窗的另一边缘。干涉窗内所有的距离单元即干涉点均可用于雷达高度测量。

(4)天线2和天线3的干涉窗均以天线1干涉窗内的距离单元为准划定。

(5)干涉相位角θ(n)的提取：由三个天线的干涉窗内第n个距离单元的回波信号计算其对应的地面单元相对于天线1阵列法线的夹角θ(n)。n属于干涉窗内的距离单元。为了提取干涉相位角，本发明重新构造一个新信号即天线2与天线3接收信号之和，大大降低了运算量，同时提高了测角精度。

(6)雷达高度测量：根据干涉窗内的所有距离单元对应的地面单元到雷达的距离r及其对应地面单元相对于天线1阵列法线的夹角θ(n)，计算雷达高度，然后对所有计算得到的雷达高度求平均，得到雷达相对于地面的高度。

传统的雷达高度表测量精度和分辨率都较低，而双天线干涉延迟多普勒雷达高度表面临着正负干涉相位非相干叠加的问题，则难以有效提取地面单元的角度信息。

本发明基于三天线的干涉延迟多普勒雷达高度表，解决了双天线系统无法有效获取混叠地面单元的角度信息的问题，可以有效获取地面单元的角度信息，更好的提高了雷达高度表的测量精度和空间分辨率。利用接收天线阵列的横向角度测量能力，测量出地面单元相对于天线阵列法线的夹角。

实施例2

基于干涉相位辅助的延迟多普勒雷达高度表测高方法同实施例1，本发明步骤(1)中的建立基于干涉相位辅助的延迟多普勒雷达高度表的回波信号模型：

参照图2，图2是三天线中任意通道场景示意图，沿垂直航向方向安置三个间隔相同的天线，天线1发送和接收信号，天线2、3用来接收信号，

天线1的回波信号模型：

天线2的回波信号模型：

天线3的回波信号模型：

式中，c为光速，λ为波长，lp为传播衰减，h为载机高度，g(ρ,φ)为极坐标ρ,φ对应的地面单元的天线增益，σ(ρ,φ)为极坐标ρ,φ对应的地面单位面积散射系数，pp(t)为点目标回波波形，r1(ρ,φ)为天线1到极坐标ρ,φ对应的地面单元的距离，d为基线长度，θ(ρ,φ)为极坐标ρ,φ对应的地面单元与天线1法线的夹角。

它们都是和时间相关的回波信号，本发明由于采用三天线系统，该雷达高度表具备横向测角能力，通过测量地面单元与天线阵列法线的夹角，进而计算出雷达高度。其中由于构造一种新的信号，使得计算量大大降低，由于对信号处理的时候采用多普勒锐化技术使得雷达高度表的空间分辨率提高。

本发明利用接收天线阵列的横向角度测量能力，测量出地面单元相对于天线阵列法线的夹角，提高了测高精度。

实施例3

基于干涉相位辅助的延迟多普勒雷达高度表测高方法同实施例1，步骤2中的任一天线的噪声功率计算，本例中以天线1的噪声功率为例：

其中，n1为噪声窗口起始距离单元序号，m为噪声窗口的长度，s1为天线1的接收信号，l为噪声窗口内距离单元的序号；

根据检测概率确定后续检测的门限ut：

式中pfa为检测概率。

本例中虽然用天线1的输出信号计算噪声功率，实际操作中也可以用天线2或者天线3的输出信号计算噪声功率，计算公式和天线1相同，用天线2或者天线3计算出的噪声功率也可以用来计算检测门限。

实施例4

基于干涉相位辅助的延迟多普勒雷达高度表测高方法同实施例1-3其中步骤(5)中对干涉相位角的提取，按如下方法进行：

(5.1)将干涉窗内的天线1、2、3的输出地面回波信号分别记为：

s1(n2-p+1),s1(n2-p+2),…,s1(n2)；

s2(n2-p+1),s2(n2-p+2),…,s2(n2)；

s3(n2-p+1),s3(n2-p+2),…,s3(n2)；

这里n2为峰值点的位置，p为干涉窗口内的距离单元个数；

(5.2)第n个(n∈[n2-p+1,n2])距离单元的对应地面单元相对于天线阵列法线的夹角θ(n)由下式计算：

在提取干涉相位角时，由于现有技术中采取共轭相乘法，运算量较大，本发明构造一个新信号，即天线2与天线3回波信号之和，再与天线1的回波信号进行比值处理，运算量大大降低，测角精度也较高。

实施例5

基于干涉相位辅助的延迟多普勒雷达高度表测高方法同实施例1-4，其中步骤(6)中所述所有距离单元对应的地面单元到雷达的距离r及其对应地面单元相对于天线1阵列法线的夹角θ(n)，计算雷达高度，按如下方法进行：

对所有计算得到的雷达高度求平均，得到雷达相对于地面的高度：

式中，n为干涉窗口内距离单元的序号，c为光速，b为信号带宽。

干涉窗内的所有距离单元都可以用来计算雷达高度，这样充分利用了干涉窗内的距离单元，大大提高了测高精度。

实施例6

基于干涉相位辅助的延迟多普勒雷达高度表测高方法同实施例1-5，

(1)建立基于干涉相位辅助的延迟多普勒雷达高度表的回波信号模型；

开始对回波信号进行处理，

(2)计算天线1的噪声功率估计和检测门限的计算：为了后续检测需要，在进行高度测量处理前需要先在远离回波前沿的地方开窗估计噪声功率。假定噪声窗口起始距离单元序号为n1，噪声窗口长度为m，s1为天线1的接收信号，l为噪声窗口内距离单元的序号，那么噪声功率为：

根据检测概率可以确定后续检测的门限：

其中pfa为检测概率。

(3)划定干涉窗：在回波信号中搜索高于检测门限的峰值点位置。那么，从峰值点位置距离单元开始，向回波前沿搜索，将所有信号幅度值高于检测门限的距离单元均划入干涉窗，当出现信号幅度小于检测门限的距离单元时停止搜索。

(4)干涉相位θ(n)的提取：计算第n个距离单元的对应地面单元相对于天线阵列法线的夹角θ(n)。

(5)雷达高度测量：根据干涉窗内的所有距离单元对应和距离及其对应地面单元相对于天线阵列法线的夹角估计载机的高度：

本发明的三天线干涉延迟多普勒雷达高度表，可以有效解决双天线系统存在正负干涉相位非相干叠加的问题，有效提取地面单元的角度信息，并且相对于传统的测高方法其测高精度更高，运算量更低，并且提高了雷达高度表垂直航向的分辨率。

下面给出一个更加完整和详细的例子，对本发明进一步说明，

实施例7

基于干涉相位辅助的延迟多普勒雷达高度表测高方法同实施例1-6，参见图1，本发明的实现方案包括有以下步骤：

步骤1、建立基于干涉相位辅助的延迟多普勒雷达高度表的信号模型:

参照图3，图3干涉延迟多普勒高度表几何关系图，沿垂直航向方向安置三个间隔相同的天线，天线1发送和接收信号，天线2、3用来接收信号，假定雷达高度表用于延迟多普勒处理的脉冲数为n，脉冲重复频率为fr，λ为波长，载机高度为h，载机速度为va，基线长度为d，在平坦地面假设条件下，假定第n个多普勒通道对应的地面条带范围为yn～yn+1，参见图2阴影部分的多普勒通道，yn和yn+1可以表示为：

对于高度估计而言，最佳选择是选择第n/2号多普勒通道(零多普勒频率)输出的信号进行处理。为了不失一般性，以与零多普勒通道相邻的第n/2+1号多普勒通道输出的信号为例,参见图4，图4下方阴影部分为多普勒通道，

由于在零多普勒频率附近存在以下近似关系：

为便于分析，假设地面散射单元仅分布在地面条带的中心线上即图4中a、b点所在直线上，a、b是关于航线对称的两个地面单元，第n/2+1号多普勒通道对应的中心线坐标为：

对天线接收回波分别进行下变频、脉冲压缩和延迟多普勒处理，

天线1的回波信号模型：

天线2的回波信号模型：

天线3的回波信号模型：

c为光速，λ为波长，lp为传播衰减，h为载机高度，g(x)为坐标为x对应的地面单元的天线增益，σ(x)为坐标x对应的地面单位面积散射系数，d为基线长度，θ(x)为坐标x对应的地面单元与天线1法线的夹角。对于地面上的同一个散射单元而言，天线2、3输出信号相比天线1将多出两个干涉相位项：e^{-j2πdsinθ(x)/λ}和e^{j2πdsinθ(x)/λ}。假定回波信号离散采样后的第i个距离单元对应的斜距为ri＝i·c/2b，如果能够计算回波信号某个距离单元在三个天线的干涉相位，则可以计算该距离单元对应的地面单元相对于天线阵列的夹角θ(x)，那么就可以由天线到地面单元的斜距r和地面单元相对于天线阵列的夹角θ(x)计算出雷达的高度：

参照图4，对于关于航线对称的两个地面单元a和b而言，其到雷达高度表的距离相等，其回波将叠加到同一个距离单元中。地面单元a和b相对于天线法线的夹角大小相等而符号正好相反。假定地面单元a和b的复散射系数为和因此，其在三个天线上的输出可以简化表示为：

为提取干涉相位，构造如下新信号：

此时再进行比值处理：

此时，就能够提取干涉相位角2πdsinθ(x)/λ，从而估计出地面单元相对于天线阵列法线的夹角，进而由斜距恢复载机的高度。

本发明相对于传统的测高算法，其运算量降低。

对回波信号进行处理，包括以下步骤：

步骤2、噪声功率估计和检测门限计算。为了后续检测需要，在进行高度估计处理前需要先在远离回波前沿的地方开窗估计噪声功率。假定窗口起始距离单元序号为n1，长度为m，那么噪声功率为：

根据检测概率可以确定后续检测的门限：

式中pfa为检测概率。

步骤3、参照图5，在回波信号中搜索高于检测门限的峰值点位置。假定峰值点所在距离单元序号为n2。那么，从n2号距离单元开始，向回波前沿搜索，将所有信号幅度值高于检测门限的距离单元均划入干涉窗，当出现信号幅度小于检测门限的距离单元时停止搜索。

步骤4、提取干涉相位角。参见图5，干涉窗内的天线1、2、3输出的地面回波信号分别记为：

s1(n2-p+1),s1(n2-p+2),…,s1(n2)；s2(n2-p+1),s2(n2-p+2),…,s2(n2)；s3(n2-p+1),s3(n2-p+2),…,s3(n2)，这里p为干涉窗口内的距离单元个数。参见图4，第n个(n∈[n2-p+1,n2])距离单元的对应地面单元相对于天线阵列法线的夹角由下式计算：

图4中，由于地面单元沿航线成对称，a和b相对于天线法线的夹角大小相等而符号相反，本发明只是利用了相位角的值。

步骤5、雷达高度测量。根据干涉窗内的所有距离单元对应和距离及其对应地面单元相对于天线阵列法线的夹角估计载机的高度：

式中，n为距离单元的序号，c为光速，b为信号带宽。

由于本例中是对第n/2+1号通道的信号进行处理，所有会有一个附加值，即ync。当取零多普勒频率通道时，该项为零。

本发明可通过以下仿真进一步验证。

实施例8

基于干涉相位辅助的延迟多普勒雷达高度表测高方法同实施例1-7，

实验场景：

本发明仿真场景如图2所示，其包括：3个天线，即天线1、天线2和天线3；雷达仿真参数：速度150m/s，功率2w，天线增益26db，频率6ghz，脉宽100mhz，dbs脉冲数16，基线长度0.08m。

实验内容与结果：

实验1、1000m高度测高仿真。在载机高度1000m条件下，仿真的延迟多普勒雷达高度表回波信号如图6(a)和(b)所示，图6(a)为回波信号干涉相位分布，图6(b)回波信号的时域图，选用了零多普勒频率通道的输出。对零多普勒通道输出信号分别使用常规半功率点高度估计方法、wsg高度估计方法、最小均方误差拟合高度估计方法和干涉相位辅助高度估计方法进行处理，得到的高度估计结果如图6(b)～图6(g)所示，其中图6(f)为本发明三通道干涉处理得到的干涉角，干涉角分布在1000m高度附近，曲线呈稳定状态。不同方法得到的高度估计均方根误差如表1所示，由于wsg算法利用了更多的回波能量其精度略高于半功率点算法，而最小均方误差拟合由于避免了波门间的比值运算，其精度高于wsg算法，而干涉相位辅助方法得到的精度最高。

表1、1000m条件高度估计精度

从表1可见本发明的干涉相位辅助方法获得的测量精度在低高度条件下最高。

实施例9

基于干涉相位辅助的延迟多普勒雷达高度表测高方法同实施例1-7，仿真条件和内容同实施例8.

实验2、在载机高度3000m条件下，仿真的延迟多普勒雷达高度表回波信号如图7(a)和(b)所示，图7(a)为回波信号干涉相位分布，图7(b)回波信号的时域图，选用了零多普勒通道的输出。对零多普勒通道输出信号分别使用常规半功率点高度估计方法、wsg高度估计方法、最小均方误差拟合高度估计方法和干涉相位辅助高度估计方法进行处理，得到的高度估计结果如图7(b)～图7(g)所示，其中图7(f)为三通道干涉处理得到的干涉角，干涉角分布在3000m高度附近，曲线呈稳定状态。不同方法得到的高度估计均方根误差如表2所示。与1000m高度类似，干涉相位辅助方法得到的精度最高，其次为由于最小均方误差拟合方法、wsg算法和半功率点算法。

表2、3000m条件高度估计精度

从表2可见本发明的干涉相位辅助方法获得的测量精度在中高度条件下最高。

实施例10

基于干涉相位辅助的延迟多普勒雷达高度表测高方法同实施例1-7，仿真条件和内容同实施例8。

实验3、在载机高度6000m条件下，仿真的延迟多普勒雷达高度表回波信号如图8(a)和(b)所示，图8(a)为回波信号干涉相位分布，图8(b)回波信号的时域图，选用了零多普勒通道的输出。对零多普勒通道输出信号分别使用常规半功率点高度估计方法、wsg高度估计方法、最小均方误差拟合高度估计方法和干涉相位辅助高度估计方法进行处理，得到的高度估计结果如图8(b)～图8(g)所示，其中图8(f)为三通道干涉处理得到的干涉角，干涉角分布在6000m高度附近，曲线呈稳定状态。不同方法得到的高度估计均方根误差如表3所示。同样，干涉相位辅助方法得到的精度最高，其次为由于最小均方误差拟合方法、wsg算法和半功率点算法。不过，这里干涉相位辅助方法相对最小均方误差拟合方法的优势减小，这主要是因为6000米高度信噪比降低引起相位估计精度降低较大。

表3、6000m条件高度估计精度

从表3可见本发明的干涉相位辅助方法获得的测量精度在高高度条件下最高，但是最小均方误差拟合精度也得到提高，但是其运算量太大。

综上，上述仿真结果表明，在不同高度上，本发明基于三天线干涉相位辅助高度估计方法的精度均为最优，且运算量小于最小均方误差拟合方法。最小均方误差的精度略低于干涉相位辅助方法但在中高高度上远远低于wsg方法和半功率点方法，且运算量较大，但是由于只需要一个天线，其系统设备量少于干涉相位辅助方法。wsg方法和半功率点方法只有在低高度条件下的精度才能接近干涉相位辅助方法和最小均方误差拟合方法。

简而言之，本发明公开的一种基于干涉相位辅助的延迟多普勒雷达高度表测高方法，主要解决传统算法测高精度和分辨率较低，双天线系统面临着正负干涉相位非相干叠加，导致难以有效提取地面单元的角度信息的问题。其实现步骤是：一、建立基于干涉相位辅助的延迟多普勒雷达高度表的信号模型；二、对回波信号进行处理，主要包括以下步骤：1)噪声功率估计和检测门限的计算；2)划定干涉窗，获取所有幅度值高于检测门限的地面距离单元；3)提取干涉相位，得到地面单元相对于天线阵列法线的夹角θ(n)；4)高度估计，根据干涉窗内的所有距离单元对应和距离及其对应地面单元相对于天线阵列法线的夹角估计载机的高度。本发明能有效解决双天线系统面临着正负干涉相位非相干叠加导致难以有效提取地面单元的角度信息的问题，可显著提高雷达高度表的测高精度以及高度表的性能，并且相对于传统的测高算法，其运算量降低，用于干涉多普勒雷达高度表的地形匹配。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。