宽带雷达三维干涉测量锥体目标微动参数估计方法与流程

本发明属于雷达
技术领域：
，特别涉及一种宽带雷达三维干涉测量锥体目标微动参数估计方法，适用于稳健估计锥体目标微动及几何参数。
背景技术：
弹道导弹已成为现代战争中的主导武器，而导弹飞行中段往往会伴有诱饵，弹头和诱饵等锥体目标微动特性因其质量分布不同而存在明显差异，因此估计锥体目标的微动参数成为导弹防御系统锥体目标识别重要技术；随着高分辨雷达技术和现代信号处理技术的不断发展，锥体目标的微动参数估计已由基于rcs序列的锥体目标微动参数估计逐渐发展到基于微多普勒序列、高分辨距离像序列的锥体目标参数估计等技术；结合相位测距等精细化处理技术，利用宽带雷达高分辨序列距离像的参数估计，近年来获得了广泛关注。锥体目标微动是在三维空间进行的，关键散射中心瞬时位置蕴含丰富的锥体目标运动几何信息，为三维干涉测量实现锥体目标微动参数估计提供基础；考虑到实际应用，雷达宽带波形工作脉冲重复频率通常为几百乃至几十赫兹，对目标微多普勒分析将存在模糊等处理问题，且实际中目标会不可避免地偏离电轴，即在斜视情况下，传统干涉测量算法重构锥体目标三维坐标将发生坐标扭曲，对锥体目标几何运动参数估计应用受限。技术实现要素：针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种宽带雷达三维干涉测量锥体目标微动参数估计方法，该种宽带雷达三维干涉测量锥体目标微动参数估计方法首先将l型天线阵列成像系统中各天线接收距离-慢时间回波进行干涉处理，通过求解二元二次非线性方程组并利用坐标变换来校正斜视引起的误差，重构出锥体目标各散射中心坐标曲线；接着利用α-β滤波方法对重构出的坐标曲线进行平滑，以达到改善三维轨迹估计的波动和阶跃误差；最后利用平滑后的坐标曲线优化求解弹道目标微动几何参数。为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。一种宽带雷达三维干涉测量锥体目标微动参数估计方法，包括以下步骤：步骤1，确定收发一体天线a、接收天线b和接收天线c，得到收发一体天线a和接收天线b在第k个散射中心处的干涉相位差和收发一体天线a和接收天线c在第k个散射中心处的干涉相位差：k为设定个数散射中心中任意一个且设定个数散射中心均在锥体目标上；步骤2，计算得到第k个散射中心的重构x轴坐标曲线、第k个散射中心的重构y轴坐标曲线和第k个散射中心的重构z轴坐标曲线；步骤3，确定平滑处理后第k个散射中心的重构x轴坐标曲线、平滑处理后第k个散射中心的重构y轴坐标曲线和平滑处理后第k个散射中心的重构z轴坐标曲线；步骤4，根据平滑处理后第k个散射中心的重构x轴坐标曲线、平滑处理后第k个散射中心的重构y轴坐标曲线和平滑处理后第k个散射中心的重构z轴坐标曲线，分别得到锥体目标的进动频率估计值锥体目标的进动角估计值锥体目标的半锥角估计值锥体目标的高度估计值以及锥体目标的底面半径估计值所述锥体目标进动频率估计值锥体目标的进动角估计值锥体目标半锥角估计值锥体目标的高度估计值以及锥体目标的底面半径估计值为一种宽带雷达三维干涉测量锥体目标微动参数估计结果。与现有技术相比，本发明的优点：第一，本发明将三维干涉测量的思想引入对锥体目标微动参数估计的工作中，利用l型天线阵列对锥体目标实现三维成像，并根据三维像对锥体目标微动及几何参数进行估计，克服了单基雷达仅能提取锥体目标在雷达视线方向上的微动分量的局限。第二，本发明重点分析了锥体目标在斜视情况下的三维干涉测量，解决了正视情况下成像畸变的问题。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。图1是本发明的一种宽带雷达三维干涉测量锥体目标微动参数估计方法流程图；图2是锥体目标运动模型示意图；图3是l型天线阵列成像系统几何结构图；图4是坐标系变换示意图；图5a是直接重构后x轴重构坐标示意图；图5b是直接重构后y轴重构坐标示意图；图5c是直接重构后z轴重构坐标示意图；图6a是斜视矫正后x轴重构坐标示意图；图6b是斜视矫正后y轴重构坐标示意图；图6c是斜视矫正后z轴重构坐标示意图；图7a是x轴理论坐标示意图；图7b是y轴理论坐标示意图图7c是z轴理论坐标示意图；图8a是平滑后x轴重构坐标示意图图8b是平滑后y轴重构坐标示意图；图8c是平滑后z轴重构坐标示意图；图9是重构空间三维运动轨迹示意图；图10是信噪比snr对参数估计影响示意图。具体实施方式参照图1，为本发明的一种宽带雷达三维干涉测量锥体目标微动参数估计方法流程图；其中所述宽带雷达三维干涉测量锥体目标微动参数估计方法，包括以下步骤：步骤1，建立锥体目标进动模型，获得tm时刻收发一体天线a接收到的第k个散射中心在快时间频域-慢时间的回波信号sadk(f,tm)、tm时刻接收天线b接收到的第k个散射中心在快时间频域-慢时间的回波信号sbdk(f,tm)和tm时刻接收天线c接收到的第k个散射中心在快时间频域-慢时间的回波信号scdk(f,tm)，并对两基线上天线对的接收回波信号进行干涉处理得到干涉相位差和1)锥体目标几何模型建立：锥体目标结构模型如图2所示，锥体目标的高度为h，锥体目标的底面半径为r，锥体目标的质心到其锥顶的距离为d，由进动运动形式可知，锥体目标的锥旋轴为wc，锥体目标的自旋轴为ws，锥体目标的进动角θ即为锥体目标的自旋轴ws和锥体目标的锥旋轴wc的夹角；确定宽带雷达，所述宽带雷达包括s个收发一体天线和s'个接收天线，s≥1，s'≥2；宽带雷达视线为rlos，锥体目标质心到锥体目标顶点的连线为锥体目标对称轴。锥体目标散射中心可划分为两大类：第一类为一般散射中心，这类散射中心固定在锥体目标本体上，不随宽带雷达视线rlos的改变而改变；第二类散射中心分布在锥体目标的底面边缘位置，随宽带雷达视线的改变而改变；如图2所示，锥体目标顶点为第一散射中心p1，所述第一散射中心p1为一般散射中心；宽带雷达视线rlos和锥体目标对称轴构成的平面，与锥体目标底面边缘的两个交点为锥体目标的两个等效散射中心，分别记为第二散射中心p2和第三散射中心p3。对于锥体目标通常认为只有三个散射中心起作用，分别是图2中的锥体目标顶点处的一般散射中心和锥体目标的两个等效散射中心；实际中由于遮挡效应，锥体目标的散射中心只有第一散射中心和靠近宽带雷达视线rlos的第二散射中心p2。2)锥体目标回波信号模型及干涉式三维成像：l型天线阵列成像系统几何结构如图3所示，以锥体目标质心为原点o建立参考坐标系oxyz，其中初始时刻锥体目标质心到锥体目标顶点的方向为z轴，以与初始时刻锥体目标对称轴共面且垂直于z轴的方向为y轴，并根据z轴和y轴使用右手定则确定出的方向为x轴，其中初始时刻为全时间t＝0时刻。任意选取宽带雷达上一个收发一体天线和两个接收天线，分别记为收发一体天线a、接收天线b和接收天线c。以收发一体天线a为原点建立雷达坐标系axyz，x轴平行于参考坐标系x轴，y轴平行于参考坐标系y轴，z轴平行于参考坐标系z轴。接收天线b在y轴上，与收发一体天线a构成沿y轴方向的干涉基线，记为第一干涉基线；接收天线c在x轴上，与收发一体天线a构成沿x轴方向的干涉基线，记为第二干涉基线，第一干涉基线的长和第二干涉基线的长都为l。锥体目标质心在雷达坐标系axyz下的坐标为(xo,yo,zo)，xo表示锥体目标质心在雷达坐标系axyz中x轴坐标，yo表示锥体目标质心在雷达坐标系axyz中y轴坐标，zo表示锥体目标质心在雷达坐标系axyz中z轴坐标；锥体目标质心的俯仰角是β，锥体目标质心的方位角是α，α∈[0,2π]；第k个散射中心在参考坐标系oxyz下的坐标为(xk,yk,zk)，xk为第k个散射中心在参考坐标系oxyz中x轴坐标，yk为第k个散射中心在参考坐标系oxyz中y轴坐标，zk为第k个散射中心在参考坐标系oxyz中z轴坐标，k＝1,2，第1个散射中心指代第一散射中心p1，第2个散射中心指代第二散射中心p2。收发一体天线a发射线性调频信号：其中，f0为收发一体天线a发射的线性调频信号载频信号，μ表示收发一体天线a发射的线性调频信号调频率，收发一体天线a以脉冲重复周期tp重复发射线性调频信号，发射线性调频信号的时间tm＝mtp，m＝1,2,…,100，即tm表示慢时间，表示快时间，t表示全时间，全时间t与快时间慢时间tm的关系为：收发一体天线a发射线性调频信号，所述线性调频信号照射到锥体目标后经由锥体目标反射后，得到每一个散射中心的反射回波信号，然后对每一个散射中心的反射回波信号分别进行解线调频处理，并采用快速傅里叶变换fft消除包络斜置、残余视频项后，得到tm时刻收发一体天线a接收到的每一个散射中心在快时间频域-慢时间的回波信号，其中tm时刻收发一体天线a接收到的第k个散射中心在快时间频域-慢时间的回波信号为sadk(f,tm)：其中，σk为第k个散射中心的散射系数，0＜σk＜2；λ表示收发一体天线a发射的线性调频信号波长，f表示对每一个散射中心的反射回波信号分别进行解线调频处理、并采用快速傅里叶变换fft后的时间频率，c表示光速，tp表示脉冲重复周期；r△ak(tm)＝rak(tm)-raref(tm)，rak(tm)表示tm时刻第k个散射中心到收发一体天线a的距离，raref(tm)为表示tm时刻收发一体天线a参考距离，raref(tm)＝rao(tm)，r△ak(tm)表示tm时刻第k个散射中心到收发一体天线a的距离与tm时刻收发一体天线a参考距离raref(tm)之间的差值，rao(tm)表示tm时刻锥体目标质心到收发一体天线a的距离。同理可以得到tm时刻接收天线b接收到的第k个散射中心在快时间频域-慢时间的回波信号sbdk(f,tm)和tm时刻接收天线c接收到的第k个散射中心在快时间频域-慢时间的回波信号scdk(f,tm)：其中，r△bk(tm)＝rbk(tm)-rbref(tm)，r△ck(tm)＝rck(tm)-rcref(tm)，rbk(tm)表示tm时刻第k个散射中心到接收天线b的距离，rbref(tm)为tm时刻接收天线b参考距离，rbref(tm)＝rbo(tm)，r△bk(tm)表示tm时刻第k个散射中心到接收天线b的距离与tm时刻接收天线b参考距离rbref(tm)之间的差值，rbo(tm)表示tm时刻锥体目标质心到接收天线b的距离；rck(tm)表示tm时刻第k个散射中心到接收天线c的距离，rcref(tm)为tm时刻接收天线c参考距离，rcref(tm)＝rco(tm)，r△ck(tm)表示tm时刻第k个散射中心到接收天线c的距离与tm时刻接收天线c参考距离rcref(tm)之间的差值，rco(tm)表示tm时刻锥体目标质心到接收天线c的距离。将tm时刻收发一体天线a接收到的第k个散射中心在快时间频域-慢时间的回波信号sadk(f,tm)、tm时刻接收天线b接收到的第k个散射中心在快时间频域-慢时间的回波信号sbdk(f,tm)和tm时刻接收天线c接收到的第k个散射中心在快时间频域-慢时间的回波信号scdk(f,tm)进行干涉处理，可得到tm时刻收发一体天线a和接收天线b在第k个散射中心处的干涉相位差和tm时刻收发一体天线a和接收天线c在第k个散射中心处的干涉相位差其中，△rab＝r△ak(tm)-r△bk(tm)，△rac＝r△ak(tm)-r△ck(tm)，angle(·)表示取复数相位，上标*表示取共轭操作。步骤2，通过利用穷举优化搜索的方法求解一个二元二次方程组求得锥体目标散射中心k的x维和y维坐标，并通过坐标变换求得散射中心k的z维坐标，进而得到tm时刻第k个散射中心的重构x轴坐标曲线tm时刻第k个散射中心的重构y轴坐标曲线和tm时刻第k个散射中心的重构z轴坐标曲线矫正因斜视导致的成像畸变问题、1)误差来源分析：以天线对ab接收信号模型为例，根据图3中锥体目标与收发一体天线a、接收天线b和接收天线c的几何关系，通过远场近似并做泰勒展开得到下式：其中，xo表示锥体目标质心在雷达坐标系axyz中x轴坐标，xk为第k个散射中心在参考坐标系oxyz中x轴坐标，l表示第一干涉基线的长或第二干涉基线的长。当远场正视情况下，有rak(tm)＝rbk(tm)＝rao(tm)＝rbo(tm)＝r0；r0表示t＝0时刻锥体目标质心到收发一体天线a的距离；当锥体目标在斜视情况下，由于锥体目标质心在雷达坐标系axyz中x轴坐标xo较大导致上式中的第二项误差不可忽略，第二项和第三项即为斜视引起的误差相位项；现有方法大多通过利用中心相位补偿误差相位项来解决斜视问题，然而中心相位易受噪声的影响，直接影响估计准确性和成像结果；本发明通过直接求解一个二元二次非线性方程组直接求得坐标值。2)斜视情况下三维成像：根据上文分析，斜视时由于误差相位项不可忽略，无法直接求得tm时刻第k个散射中心在参考坐标系下的坐标值，但可以通过求解一个二元二次非线性方程组得到tm时刻第k个散射中心在参考坐标系下的坐标值。类似上式，有：式中可做如下近似：rao(tm)+rco(tm)＝rao(tm)+rbo(tm)＝rak(tm)+rck(tm)＝rak(tm)+rbk(tm)＝2r0。根据锥体目标与收发一体天线a、接收天线b和接收天线c的几何关系，并做泰勒展开有：其中，xo表示锥体目标质心在雷达坐标系axyz中x轴坐标，yo表示锥体目标质心在雷达坐标系axyz中y轴坐标，zo表示锥体目标质心在雷达坐标系axyz中z轴坐标；xk为第k个散射中心在参考坐标系oxyz中x轴坐标，yk为第k个散射中心在参考坐标系oxyz中y轴坐标，zk为第k个散射中心在参考坐标系oxyz中z轴坐标，k＝1,2，第1个散射中心指代第一散射中心p1，第2个散射中心指代第二散射中心p2。进而得到二元二次方程：式中，f1和f2中的zk用第k个散射中心到收发一体天线a的斜距近似表示。则式为关于xk和yk二元二次方程组，通过穷举优化搜索法即可求得二元二次方程的解，进而得到tm时刻第k个散射中心在参考坐标系oxyz中x轴坐标xk和tm时刻第k个散射中心在参考坐标系oxyz中y轴坐标yk，对tm时刻第k个散射中心在参考坐标系oxyz中x轴坐标xk和tm时刻第k个散射中心在参考坐标系oxyz中y轴坐标yk分别利用曲线拟合算法后，分别得到tm时刻第k个散射中心的重构x轴坐标曲线和tm时刻第k个散射中心的重构y轴坐标曲线斜视时雷达视线与锥体目标对称轴存在较大夹角，散射中心到收发一体天线a的斜距不能直接近似为z轴坐标，在此只要进行一个坐标变换即可完成坐标校正；如图4所示，对参考坐标系(x,y,z)做两次坐标变换后得到雷达视线坐标系(w,u,v)，k为目标上一散射中心，o为锥体目标质心，β和α分别是俯仰角和方位角。首先以参考坐标系oxyz中z轴为旋转轴，将xoy顺时针旋转到wou′后，将参考坐标系oxyz变换到中间坐标系owu′z，其对应的旋转矩阵记为第一旋转矩阵m1：其中，α表示锥体目标质心的方位角，w表示xoy顺时针旋转后x轴的对应轴，u′表示xoy顺时针旋转后y轴的对应轴。然后再以中间坐标系owu′z中w轴为旋转轴，将zou′顺时针旋转β后，将zou′变换到vou，进而将中间坐标系owu′z变换到雷达视线坐标系owuv，其对应的旋转矩阵记为第二旋转矩阵m2：其中，β表示锥体目标质心的俯仰角，u表示zou′顺时针旋转β后u′轴的对应轴，v表示zou′顺时针旋转β后z轴的对应轴。通过两次坐标变换将参考坐标系oxyz转换成雷达视线坐标系owuv，进而得到：故得到tm时刻第k个散射中心在参考坐标系oxyz中z轴坐标zk：其中，wk表示第k个散射中心在雷达视线坐标系owuv中w轴坐标，uk表示第k个散射中心在雷达视线坐标系owuv中u轴坐标，vk表示第k个散射中心在雷达视线坐标系owuv中v轴坐标。对tm时刻第k个散射中心在参考坐标系oxyz中z轴坐标zk利用曲线拟合算法得到tm时刻第k个散射中心的重构z轴坐标曲线步骤3，利用α-β滤波算法对tm时刻第k个散射中心的重构x轴坐标曲线tm时刻第k个散射中心的重构y轴坐标曲线和tm时刻第k个散射中心的重构z轴坐标曲线进行平滑处理，改善重构tm时刻第k个散射中心的重构x轴坐标曲线tm时刻第k个散射中心的重构y轴坐标曲线和tm时刻第k个散射中心的重构z轴坐标曲线的波动和毛刺现象，进而得到平滑处理后tm时刻第k个散射中心的重构x轴坐标曲线xk(tm)、平滑处理后tm时刻第k个散射中心的重构y轴坐标曲线yk(tm)和平滑处理后tm时刻第k个散射中心的重构z轴坐标曲线zk(tm)。步骤4，结合锥体目标坐标曲线估计结果，估计锥体目标微动及几何参数。对上一节估计所得的平滑处理后tm时刻第k个散射中心的重构x轴坐标曲线xk(tm)、平滑处理后tm时刻第k个散射中心的重构y轴坐标曲线yk(tm)和平滑处理后tm时刻第k个散射中心的重构z轴坐标曲线zk(tm)分别做快速傅里叶变换fft后取最大值，进而得到第k个散射中心的微距曲线频谱fk，fk＝<max(fft(xk(tm)),fft(yk(tm)),fft(zk(tm)))>，k＝1,2，则锥体目标的进动频率估计值可表示为：将平滑处理后tm时刻第k个散射中心的重构x轴坐标曲线xk(tm)、平滑处理后tm时刻第k个散射中心的重构y轴坐标曲线yk(tm)和平滑处理后tm时刻第k个散射中心的重构z轴坐标曲线zk(tm)画在同一个三维坐标系中，可得到第k个散射中心瞬时分布信息的重构空间三维运动轨迹；其中，k＝1,2，第1个散射中心指代第一散射中心p1，第2个散射中心指代第二散射中心p2；进而得到第一散射中心p1瞬时分布信息的重构空间三维运动轨迹和第二散射中心p2瞬时分布信息的重构空间三维运动轨迹，所述第一散射中心p1瞬时分布信息的重构空间三维运动轨迹包括第一散射中心p1运动轨迹平面和第一散射中心p1所在位置，所述第二散射中心p2瞬时分布信息的重构空间三维运动轨迹包括第二散射中心p2运动轨迹平面和第二散射中心p2所在位置。令为第一散射中心p1运动轨迹平面的法向量，表示第一散射中心p1运动轨迹平面的法向量的模，||·||表示取模值操作；k表示t时刻第一散射中心p1所在位置，p为t时刻第二散射中心p2所在位置，则表示t时刻锥体目标的自旋轴ws所在位置向量，表示t时刻锥体目标的自旋轴ws所在位置向量的模，o为锥体目标质心，表示锥体目标母线长所在向量；为锥体目标母线长所在向量的模，且表示锥体目标母线长；那么锥体目标的进动角估计值可表示为：锥体目标的半锥角η为锥体目标母线长与锥体目标的自旋轴ws的夹角，锥体目标的半锥角估计值可表示为：其中，arccos表示反余弦函数。根据几何关系，锥体目标高度h即为锥体目标母线长在锥体目标的自旋轴ws上的投影，锥体目标的高度估计值可表示为：根据勾股定理即可得出锥体目标的底面半径估计值下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步说明。1、实验条件实验中各主要参数值设定如表1所示。表1锥体目标主要参数锥体目标高度h0.96m锥体目标质心到其底面距离h0.32m锥体目标底面半径r0.25m自旋频率fs2hz锥旋频率fz3hz摆动频率fv0hz锥体目标进动角β10°收发一体天线a发射信号为线性调频信号，参数如表2所示。表2宽带雷达的主要参数2、实验内容2.1)初始时刻锥体目标质心在雷达坐标系下的坐标为(2km,2km,10km)，首先对两基线上天线对的接收回波信号进行干涉处理得到干涉相位差，未校正斜视的锥体目标三维重构坐标如图5a、图5b和图5c所示，按步骤2中的方法解决斜视情况下的成像畸变问题，通过穷举搜索求解二元二次方程组并坐标变换获得锥体目标的重构三维坐标如图6a、图6b和图6c所示，锥体目标的理论三维坐标如图7a、图7b和图7c所示。2.2)依照步骤3中所述方法，利用α-β滤波对重构出的三维坐标曲线进行平滑，得到结果如图8a、图8b和图8c以及图9所示，图8a是平滑后x轴重构坐标示意图，图8b是平滑后y轴重构坐标示意图，图8c是平滑后z轴重构坐标示意图，，图9为重构空间三维运动轨迹示意图。2.3)按照步骤4中的方法，结合三维成像结果，估计锥体目标微动及几何参数。3、实验结果分析由图5a、图5b和图5c可以看出，由于斜视角的存在，三维重构坐标与真实值有较大偏差；由图7a、图7b和图7c明显得出，本发明方法能够较为准确的估计斜视情况下弹道目标的三维坐标。结合瞬时三维坐标估计值ife(tm)，瞬时三维坐标理论值ifr(tm)，给出下式定义估计结果的正确率：实验是在信噪比为20db条件下经行，所得结果记录在表3中表3曲线估计实验结果从表3中可以看出，在本发明的实验条件下，与图8a、图8b和图8c所示结果相同，本发明能够较为准确的重构出锥体目标的三维坐标；根据图9计算出的参数估计实验结果如表4所示。表4参数估计实验结果上述实验在snr为20db的实验条件下得出，为验证方法的稳定性，加入-15db-20db的噪声，并以下式定义估计相对误差：其中，a和分别代表锥体目标参数真实值与估计值，其他条件不变的情况下，在各信噪比下进行50次蒙特卡罗仿真实验，各参数估计相对误差如图10所示。表4可以看出，各参数估计值与实验模型参数设置值都较为接近；由图10可以看出，snr高于5db条件下，相对误差最大的参数估计值误差也在5％以内，说明本发明中所提方法具有有效性和稳定性。仿真结果表明本发明方法可有效重构锥体目标瞬时三维空间位置，验证了算法具有较好的噪声稳定性；本发明方法可广泛应用于锥体目标的参数估计、锥体目标识别等实际任务中。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。当前第1页12