一种有源和无源融合定标方法及装置与流程

本发明涉及目标探测
技术领域：
，尤其涉及一种有源和无源融合定标方法及装置。
背景技术：
：雷达在正常工作一段时间后，某些参数可能发生变化，一般只有通过定标处理，才能确保从雷达图像提取准确的目标信息。针对空中/空天目标的探测识别需求，开展动目标的全极化测量误差校准研究是非常必要的。实际使用前，通常需要分析非系统因素及系统非理想因素对全极化雷达极化测量精度的影响，并通过定标实现提升动目标的测量精度。在传统的极化定标中，给出的定标方法是比较单一的，对于雷达运动目标的研究，往往存在极化定标误差大、定标精度差的问题。技术实现要素：本发明的目的是针对上述至少一部分缺陷，提出一种结合式极化定标方法，提高运动目标的极化定标精度，减小雷达运动目标的极化定标误差。为了实现上述目的，本发明提供了一种有源和无源融合定标方法，该方法包括如下步骤：s1、在雷达完成内校准的条件下，进行参数设置，设置发射信号；所述发射信号由信号源产生，包括两路正交的射频信号；s2、对所述发射信号加入发射通道的乘性误差及前向传播造成的时延，得到天线发射的全极化信号；s3、根据所述全极化信号，利用数字式有源标定器模拟理论极化散射矩阵，得到运动目标的后向散射信号；s4、对接收到的所述后向散射信号加入接收通道的乘性误差，并下变频至零频，完成采样存储，得到极化散射矩阵；s5、根据得到的极化散射矩阵，进行运动补偿和时延补偿；s6、对补偿后的极化散射矩阵进行无源极化定标，修正残留误差，得到校准后的目标极化散射矩阵，完成定标。优选地，所述步骤s1中，所述发射信号的表达式为：e(t)＝[eth(t)，etv(t)]t其中，eth(t)和etv(t)分别表示h极化发射通道和v极化发射通道发射的射频信号。优选地，所述步骤s2中，所述全极化信号的表达式为：其中，αh、αv分别表示h、v极化发射通道的幅度增益；τh、τv分别通过h、v极化发射通道后产生的时延；θh、θv分别表示h、v极化发射通道对信号产生的相移；h、v极化发射天线的实际增益用jones矢量描述为：βh(ζ，η)、βv(ζ，η)分别表示h、v极化发射天线在方位角ζ、俯仰角η上的主极化增益值；ρh(ζ，η)、ρv(ζ，η)分别表示h、v极化发射天线增益在方位角ζ、俯仰角η上的交叉极化分量与主极化分量的比值。优选地，所述步骤s3中，得到运动目标的后向散射信号表达式为：其中，表示极化散射矩阵，δ(τd，fd)表示考虑时延和多普勒频移的系统响应函数，et(t)表示发射信号，τd表示距离和径向速度造成的时延，fd表示距离和径向速度造成的多普勒频移，esh(t)表示发射h极化下的散射回波信号，esv(t)表示发射v极化下的散射回波信号；发射通道的乘性误差矩阵t的表达式为：多普勒频率fd的表达式为：ft为雷达发射信号频率，“+”代表目标正接近雷达运动，“-”代表目标正远离雷达运动。优选地，所述步骤s4中，对接收到的所述后向散射信号加入接收通道的乘性误差时，接收通道的乘性误差矩阵r的表达式为：r＝t′对于极化散射矩阵，其测量值s’与真实值s之间的关系为：s’＝rst+i＝rcrastatc+i其中，i表示加性误差，ra、ta分别为收、发过程中，由极化天线的交叉分量产生的天线误差矩阵，ra＝tat，ta的表达式为：rc、tc分别为收、发过程中，除天线之外的两路极化收、发通道不一致造成的极化通道误差矩阵，其表达式分别为：其中，αh′、αv′、θh′、θv′表示分别表示αh、αv、θh、θv的共轭转置。优选地，所述步骤s5中，进行运动补偿和时延补偿进一步包括：绘出四个极化通道的高分辨一维距离像；根据四个极化通道偏差距离计算时延；利用多普勒频移求解公式计算频移；带入信号接收回波中进行校准，完成补偿。优选地，所述步骤s6中，进行无源极化定标时，采用单个定标体或三个定标体进行定标。优选地，所述步骤s6中，采用单个定标体进行定标时，进一步包括如下步骤：s61、根据对极化散射矩阵测量误差来源分析，建立系统误差模型，表达式为：sm＝rsct+i其中，sm为目标测量的散射矩阵；i为加性误差；t为发射路径的乘性误差；r为接收路径的乘性误差；sc为目标真实的散射矩阵；s62、根据系统误差模型，得到去掉加性误差之后的极化散射矩阵，表达式为：m＝sm-i令δv＝rhv/rhh，δh＝rvh/rvv，且考虑单站的情况下，tvh/thh＝rhv/rhh＝δv，thv/tvv＝rvh/rvv＝δh，则去掉加性误差之后的极化散射矩阵的各个元素为：其中，δh和δv为归一化交叉极化分量，表示目标照射时的交叉极化误差；得到矩阵形式为：其中，和分别表示目标照射极化特性的归一化发射误差矩阵和接收误差矩阵，单站时互为转置；s63、以菱形二面角作为定标体，进行校准，则有：其中，和分别表示计算得到的菱形二面角的极化散射矩阵sdih和测量得到的菱形二面角的极化散射矩阵mdih的元素；菱形二面角的横滚角βc取值范围为15°＜βc＜75°；以mtar表示测量得到的待测目标的极化散射矩阵，则校准后的目标极化散射矩阵sc表达式为：优选地，所述方法还包括：s7、反演校准后的目标极化散射矩阵，与原设定值对比，计算误差。本发明还提供了一种有源和无源融合定标装置，包括：射频模块，用于在雷达完成内校准的条件下，进行参数设置，设置发射信号；所述发射信号由信号源产生，包括两路正交的射频信号；全极化模块，用于对所述发射信号加入发射通道的乘性误差及前向传播造成的时延，得到天线发射的全极化信号；有源模拟模块，用于根据所述全极化信号，利用数字式有源标定器模拟理论极化散射矩阵，得到运动目标的后向散射信号；采样模块，用于对接收到的所述后向散射信号加入接收通道的乘性误差，并下变频至零频，完成采样存储，得到极化散射矩阵；补偿模块，用于根据得到的极化散射矩阵，进行运动补偿和时延补偿；无源修正模块，用于对补偿后的极化散射矩阵进行无源极化定标，修正残留误差，得到校准后的目标极化散射矩阵，完成定标。本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种有源和无源结合的定标方法及装置，该方法首先分析非系统因素以及系统非理想因素对全极化雷达极化测量精度的影响，之后利用有源标定模拟目标动态参数，最后利用无源标定进行定量精确标校，该方法结合了有源和无源极化定标优势，有效提高定标精度，解决了有限静态条件下，雷达运动目标的极化定标误差大的问题。附图说明图1是本发明实施例中一种有源和无源融合定标方法步骤示意图；图2示出了本发明实施例中点目标运动对高分辨一维距离像的影响；图3示出了本发明实施例中点目标运动修正速度误差后的高分辨一维距离像；图4示出了本发明实施例中点目标运动误差对rcs图像的影响结果；图5示出了本发明实施例中典型球目标运动速度对高分辨一维距离像的影响；图6示出了本发明实施例中典型球目标运动修正目标运动速度对高分辨一维距离像的影响；图7示出了本发明实施例中典型球目标运动误差对rcs图像的影响结果；图8示出了本发明实施例中一种有源和无源融合定标装置结构示意图。图中：100：射频模块；200：全极化模块；300：有源模拟模块；400：采样模块；500：补偿模块；600：无源修正模块。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1所示，本发明实施例提供的一种有源和无源融合定标方法，包括如下步骤：s1、在雷达完成内校准的条件下，进行参数设置，设置发射信号，发射信号由信号源产生，包括两路正交的射频信号，二者以正交极化的形式从天线的两个发射通道发射。优选地，信号源产生的信号发射形式可由下式给出：采用频率步进信号，发射信号在时域中可以表示为如下形式：e(t)＝[eth(t)，etv(t)]t其中，eth(t)和etv(t)分别表示信号源产生的两路正交射频信号，即h极化发射通道和v极化发射通道发射的射频信号。s2、对发射信号加入发射通道的乘性误差及前向传播造成的时延，即目标运动速度的影响，得到天线发射的全极化信号。通常极化雷达的两路极化发射通道不一致，考虑到幅度、相位以及时延造成的不一致之后，优选地，发射信号可表示为如下形式：其中，αh、αv分别表示h、v极化发射通道的幅度增益；τh、τv分别通过h、v极化发射通道后产生的时延；θh、θv分别表示h、v极化发射通道对信号产生的相移。进一步地，对于双极化天线的某一通道而言，其增益中除主极化分量外还存在交叉极化分量，造成发射信号极化不纯，考虑到交叉极化分量的影响后，h、v极化发射天线的实际增益可用jones矢量描述，h、v极化发射天线的实际增益分别表示为：其中，βh(ζ，η)、βv(ζ，η)分别表示h、v极化发射天线在方位角ζ、俯仰角η上的主极化增益值；ρh(ζ，η)、ρv(ζ，η)分别表示h、v极化发射天线增益在方位角ζ、俯仰角η上的交叉极化分量与主极化分量的比值。进一步地，将发射通道的乘性误差考虑进去，得到的天线发射出去的全极化信号形式应为：s3、根据天线发射的全极化信号，利用数字式有源标定器模拟理论极化散射矩阵，得到运动目标的后向散射信号。此步骤s3旨在利用数字式有源标定器模拟理论极化散射矩阵，控制延时及相位，实现不同距离、不同速度的运动目标的模拟。优选地，设运动目标所在的方位角ζ0、俯仰角η0，由距离和径向速度造成的时延和多普勒频移为τd和fd，因此目标的后向散射可记为：其中，表示极化散射矩阵，δ(τd，fd)表示考虑时延和多普勒频移的系统响应函数，et(t)表示发射信号，τd表示距离和径向速度造成的时延，fd表示距离和径向速度造成的多普勒频移，esh(t)表示发射h极化下的散射回波信号，esv(t)表示发射v极化下的散射回波信号；发射通道的乘性误差矩阵t的表达式为：多普勒频率fd的表达形式为：ft为雷达发射信号频率，“+”代表目标正接近雷达运动，“-”代表目标正远离雷达运动。s4、对接收到的后向散射信号加入接收通道的乘性误差，并下变频至零频，完成采样存储，得到极化散射矩阵。发射的信号首先被发射通道的误差矩阵作用，然后被天线的增益误差作用，把这两者合称为t，它是一个乘性误差矩阵，在信号发射过程中引入。到达目标后，信号被目标的变极化效应(极化散射矩阵s)作用。同理，在信号返回的时候，也存在类似的但顺序相反的作用，它也是一个乘性误差矩阵，记为r，在信号接收过程中引入。信号的整个发射接收过程中产生了时延和多普勒频移。接收通道的乘性误差矩阵r的具体表达式如下：通过对信号收发过程的分析，可以得出对于极化散射矩阵而言，其测量值s’与真实值s之间的关系可表示如下：s’＝rst+i＝rcrastatc+i其中，i表示加性误差，是由周围环境的噪声或者干扰造成的，可在实验中通过减掉测量的背景而完成。ra、ta为收、发过程中，由极化天线的交叉分量产生的乘性误差矩阵，称为天线误差矩阵，由于收发采用同一部天线，根据天线的收发互易性，不难得出ra＝tat，因此只给出ta的具体形式：rc、tc是收、发过程中，除天线之外的两路极化收发通道不一致造成的乘性误差矩阵，称之为极化通道误差矩阵，其表达式分别为：αh′、αv′、θh′、θv′表示tc矩阵中各项对应参数的共轭转置，即αh′、αv′、θh′、θv′表示分别表示αh、αv、θh、θv的共轭转置。s5、根据得到的极化散射矩阵，进行运动补偿和时延补偿。优选地，进行运动补偿和时延补偿，具体包括如下步骤：绘出四个极化通道的高分辨一维距离像(hrrp)。四个极化通道即hh通道、vh通道、hv通道和vv通道。根据四个极化通道偏差距离计算时延。由于目标运动，会造成四个通道的图像不对准的情况，这时可以根据偏差的距离计算出时延。利用多普勒频移求解公式计算频移。多普勒频移的求解公式带入信号接收回波里面进行校准，完成补偿。s6、对补偿后的极化散射矩阵进行无源极化定标，修正残留误差，得到校准后的目标极化散射矩阵，完成定标。优选地，进行无源极化定标，定标方法一般有两种，即采用单个定标体和三个定标体的定标方法。进一步地，采用单定标的方法，具体步骤如下：s61、根据对极化散射矩阵测量误差来源分析，建立系统误差模型。优选地，系统误差模型的表达式为：sm＝rsct+i其中，sm为目标测量的散射矩阵；i为加性误差(矩阵)，包含馈源耦合、目标支架反射和微波暗室残余反射等；t为发射路径的乘性误差(矩阵)，其包含频响误差和交叉极化耦合误差，r为接收路径的乘性误差(矩阵)，其包含频响误差和交叉极化耦合误差，sc为目标真实的散射矩阵，这些矩阵均为2x2阶矩阵。s62、根据系统误差模型，得到去掉加性误差之后的极化散射矩阵。将系统误差模型中的加性误差矩阵移至等号左边，可得去掉加性误差之后的极化散射矩阵表达式为：m＝sm-i令δv＝rhv/rhh，δh＝rvh/rvv，且考虑单站的情况下，tvh/thh＝rhv/rhh＝δv，thv/tvv＝rvh/rvv＝δh，则去掉加性误差之后的极化散射矩阵各个元素可以写成：其中，δh和δv为归一化交叉极化分量，表示了目标照射时的交叉极化误差。写成矩阵形式为：式中，和分别表示目标照射极化特性的归一化发射误差矩阵和接收误差矩阵，单站时互为转置；aij(i，j＝h或v)是描述测量通道频响效应的4个独立参量，其包含了信号路径和可能的非互易微波电路的影响。由于互易性，标定参数的数量从8减到6个。s63、以菱形二面角作为定标体，进行校准。定标体采用菱形二面角，其既能提供较强的同极化回波，又能提供较强的交叉极化回波。具体校准可归纳为：其中，表示计算得到的菱形二面角的极化散射矩阵sdih的元素，表示测量得到的菱形二面角的极化散射矩阵mdih的元素。菱形二面角的横滚角βc一般取15°＜βc＜75°。若用mtar表示测量得到的待测目标的极化散射矩阵，则由上式得到校准后的目标极化散射矩阵sc为：这种校准方法适合于任何单站和准单站雷达系统。s7、反演校准后的目标极化散射矩阵，与原设定值对比，计算误差。将步骤s6中目标极化散射矩阵反演出来的值，与原设定值进行比较，计算误差。这里分别计算每个通道的误差及四个通道的总误差。每个极化通道的误差计算公式为：其中，smn，分别表示测量反演出的每个极化通道的散射值和原设定的值。mn代表四个通道的下标，即对应hh、hv、vh、vv通道。之后计算四个通道的总误差ec：根据每个通道的误差及四个通道的总误差进行分析，可确定该方法进行定标是否具有足够精度。本发明提供的有源和无源融合定标方法，利用了有源标定可以模拟目标动态参数和无源标定可以进行定量精确标校的技术特点，融合两类技术优势，开展有限静态条件下实现极化雷达综合标定与动态补偿算法研究。如何提升极化校准精度，对于后续的信号处理至关重要。本发明还结合具体的实施方式与仿真结果，对本发明提供的技术方案的性能进行了检验。在一个具体的实施方式中，本发明对点目标进行仿真，仿真参数设置如下表1所示：表1点目标仿真参数设置参数prt占空比snrδγr010e-60.125-0.00871000设置的极化散射矩阵为：s1＝[1,3-j；3-j,-1-j]。请参阅图2，考虑目标运动速度(v＝100m/s)的影响，图2(a)、图2(b)、图2(c)和图2(d)分别示出了hh、vh、hv、vv极化通道的高分辨一维距离像。其中，横坐标为距离，纵坐标为幅度。请参阅图3，图3示出了修正速度误差后的高分辨一维距离像，图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)分别示出了修正后hh、vh、hv、vv极化通道的高分辨一维距离像图，图3(e)示出了hh和vv极化通道比较结果，图3(f)示出了vh和hv极化通道比较结果，其中，横坐标为距离，纵坐标为幅度。考虑包含v(v＝100m/s)和r、t、i的所有误差的影响，得到未校准误差时的rcs图如图4(a)所示，修正v及r、t、i的影响，得到校准误差后的rcs图如图4(b)所示，其中，横坐标为距离，纵坐标为幅度。当考虑v及r、t、i矩阵所有因素的影响时，得到的四个通道的校准误差如下(散射矩阵归一化的结果)：0°旋转时(v＝100m/s)，hh通道散射矩阵总平均误差0；vh通道散射矩阵总平均误差0.051；hv通道散射矩阵总平均误差0.058；vv通道散射矩阵总平均误差0.045；总误差为0.08。上述结果显示采用本发明的方法定标后，校准效果很好。在另一个具体的实施方式中，本发明对典型球目标的实验结果分析。v＝500m/s时，hrrp结果如图5所示，图5(a)、图5(b)、图5(c)和图5(d)分别示出了hh、vh、hv、vv极化通道的高分辨一维距离像。其中，横、纵坐标分别为距离和幅度。修正速度造成的时延，对高分辨一维距离像的影响如图6所示，图6(a)示出了修正前hh、vv极化通道hrrp结果，图6(b)示出了修正后hh、vv极化通道hrrp结果，其中，横、纵坐标分别为距离和幅度。考虑包含v(v＝100m/s)和r、t、i的所有误差的影响，得到未校准误差时的rcs图如图7(a)所示，修正v及r、t、i的影响，得到校准误差后的rcs图如图7(b)所示，其中，横坐标为距离，纵坐标为幅度。当考虑v及r、t、i矩阵所有因素的影响时，得到的四个通道的校准误差如下(散射矩阵归一化的结果)：0°旋转时(v＝100m/s)，hh通道散射矩阵总平均误差0，vh通道散射矩阵总平均误差5.46×10-17，hv通道散射矩阵总平均误差1.12×10-16，vv通道散射矩阵总平均误差1.22×10-15，总误差为5.6×10-15。由以上仿真和实验结果的分析可见，本发明提出的方法的对散射矩阵的反演效果良好，精度较高，能够有效提升极化定标效果。综上，本发明公开了一种利用宽带有源和无源定标结合的定标方法，解决了有限静态条件下，雷达运动目标的极化定标误差问题。本发明利用有源标定技术先行实现雷达系统模拟动态校准，而后采用无源定标方法进行校准，交叉校验校准精度形成补偿。在雷达完成内校准的条件下，通常其发射机和接收机可以保持较高的幅相稳定度，此时在有限距离和静态场地条件利用数字有源标定器可以模拟长各类运动速度的固定psm目标散射特征信息，以此信息通过动态补偿法对雷达开展有源标定。之后，使用无源定标体对雷达进行二次标定，修正雷达通道泄露造成的测量互易性误差、定标体姿态定位误差及加性误差，达到有源/无源融合校准进而提高目标测试精度的目的。仿真和实验结果进一步验证了该方法的有效性。如图8所示，本发明还提供了一种有源和无源融合定标装置，包括：射频模块100、全极化模块200、有源模拟模块300、采样模块400、补偿模块500和无源修正模块600。其中，射频模块100用于在雷达完成内校准的条件下，进行参数设置，设置发射信号；所述发射信号由信号源产生，包括两路正交的射频信号，二者以正交极化的形式从天线的两个发射通道发射。全极化模块200用于对所述发射信号加入发射通道的乘性误差及前向传播造成的时延，得到天线发射的全极化信号。有源模拟模块300用于根据所述全极化信号，利用数字式有源标定器模拟理论极化散射矩阵，得到运动目标的后向散射信号。采样模块400用于对接收到的所述后向散射信号加入接收通道的乘性误差，并下变频至零频，完成采样存储，得到极化散射矩阵。补偿模块500用于根据得到的极化散射矩阵，进行运动补偿和时延补偿。无源修正模块600用于对补偿后的极化散射矩阵进行无源极化定标，修正残留误差，得到校准后的目标极化散射矩阵，完成定标。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。当前第1页12