一种实波束前视扫描雷达目标二维定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种实波束前视扫描雷达目标二维定位方法，包括以下步骤：S1：成像系统参数初始化，计算成像区域任意点目标与运动平台的距离，设置实波束扫描雷达点目标仿真参数；S2：进行距离向匹配滤波；S3：进行距离向运动补偿处理；S4：对扫描雷达方位向回波信号进行建模；S5：构造加权最小二乘目标函数；S6：进行目标方位定位。本发明利用发射信号和天线方向图参数信息，将目标幅度估计问题转化为目标函数关于加权向量wn的最优解的问题，通过求解目标函数的最优解求解出目标方位维的位置信息；有效的解决了运动平台前视作用区域中目标方位维定位精度低的问题，实现了运动平台前视区域目标距离维和方位维的二维精确定位。
【专利说明】一种实波束前视扫描雷达目标二维定位方法
【技术领域】
[0001]本发明属于雷达【技术领域】，特别涉及一种实波束前视扫描雷达目标二维定位方法。
【背景技术】
[0002]雷达由于不受恶劣天气因素的影响，并能够全天时工作，因此在军事侦察、海洋及水文观测、陆/海追踪与救援等军用和民用领域发挥了不可或缺的作用。对实现运动平台前视区域目标的精确定位，对敌我目标侦察与探测、目标追踪与打击、海面目标搜救等功能的实现具有重要的意义。
[0003]运动平台前视区域目标的距离维高精度定位可以通过发射大带宽的线性调频信号和使用脉冲压缩技术处理实现。然而对于前视成像区域的方位维，由于平台与成像区域内目标相对运动产生的多普勒频率梯度几乎为零，使得现有的合成孔径等成像技术很难实现方位维目标的准确定位只能通过扫描成像的方式获得方位维目标的低精度定位结果。由于该方式目标位置的定位和和幅度的估计精度低，严重影响了运动平台的侦察、监视、定位和识别能力。
[0004]针对运动平台前视区域二维目标定位问题，特别是如何提高方位维目标的定位能力，一般采用两种方法。其一如文献:Blair W D, Brandt-Pearce M.Monopulse DOAestimat1n of two unresolved Rayleigh targets[J].Aerospace and ElectronicSystems, IEEE Transact1ns on, 2001, 37 (2):452-469.所米用单脉冲技术进行方位维处理。该技术基于单脉冲测角原理，主要适用于单个强点目标的定位，虽然对特定条件下的两点目标有效，但对于存在多散射中心的复杂目标环境下，目标定位会存在严重偏差，甚至会产生虚假目标等现象；其二如文献:Mahafza B R, Knight D L, Audeh N F.Forward-lookingSAR imaging using a linear array with transverse mot1n[C]//Southeastcon' 93, Proceedings.，IEEE.1EEE, 1993:4 p.的方法,该文章提出一种线性阵列合成孔径雷达前视成像方法，利用线性阵列与前视区域内目标之间的相对运动产生多普勒带宽，再利用匹配滤波技术实现目标方位定位。但该方法需要尽量长的线阵以增加孔径尺寸，同时，由于前视区域内目标的多普勒带宽很小，能够获得的目标定位精度依然有限。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过求解目标函数的最优解求解出目标方位维的位置信息，有效的解决了运动平台前视作用区域中目标方位维定位精度低的问题，实现了运动平台前视区域目标距离维和方位维的二维精确定位的实波束前视扫描雷达目标二维定位方法。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种实波束前视扫描雷达目标二维定位方法，包括以下步骤:
[0007]S1:成像系统参数初始化，计算成像区域任意点目标与运动平台的距离，设置实波束扫描雷达点目标仿真参数；
[0008]S2:进行距离向匹配滤波；
[0009]S3:进行距离向运动补偿处理；
[0010]S4:对扫描雷达方位向回波信号进行建模；
[0011]S5:构造加权最小二乘目标函数；
[0012]S6:进行目标方位定位。
[0013]进一步地，所述的步骤SI中计算成像区域任意点目标与运动平台的距离的具体方法为:运动平台零时刻位置记为(0，0，h)，运动平台沿y轴运动，运动速度为V，目标相对平台的方位角记为q，雷达天线下视角记为炉，雷达天线扫描速度记为ω ;则〖时刻时运动平台与场景中目标距离通过系统参数表示为:
[0014]
【权利要求】
1.一种实波束前视扫描雷达目标二维定位方法，其特征在于:包括以下步骤: S1:成像系统参数初始化，计算成像区域任意点目标与运动平台的距离，设置实波束扫描雷达点目标仿真参数； S2:进行距离向匹配滤波； 53:进行距离向运动补偿处理； 54:对扫描雷达方位向回波信号进行建模； 55:构造加权最小二乘目标函数； S6:进行目标方位定位。
2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于:所述的步骤SI中计算成像区域任意点目标与运动平台的距离的具体方法为:运动平台零时刻位置记为(O，O，h)，运动平台沿y轴运动，运动速度为V，目标相对平台的方位角记为q，雷达天线下视角记为P，雷达天线扫描速度记为ω ;则t时刻时运动平台与场景中目标距离通过系统参数表示为:
其中，R0为运动平台与目标之间的初始距离； 设置实波束扫描雷达点目标仿真参数的具体方法为:假设在扫描区域中同一距离R处的不同方位采样位置上都幅值，令产生这些运动幅值的目标的位置参数为θ =(θ I, θ 2....ΘΝ)，幅度参数为σ = (O1, σ2，...，σ Ν)，雷达发射信号为线性调频信号，扫描雷达作用区域的回波经过相干解调记为S(t，τ):
其中，τ为距离向时间变量，rect(.)和a(.)分别代表距离时间窗和方位时间窗，K是发射信号的时间调频斜率，c为光速，R( τ )代表运动平台与成像区域内各目标之间的距离变化； 扫描雷达成像区域的方位时间向量记为:
Ta = [-PRI.Na/2, -PRI.(Na/2-l)，…，PRI.(Na/2_1)] 距离时间向量为:
Tr = [-l/fr.Nr/2, -l/fr.(Nr/2-l)，…，l/fr.(Nr/2-l)] 其中f；为距离向采样率，PRI为发射信号脉冲重复间隔，Na为方位向采样点数，队为距离向采样点数。
3.根据权利要求2所述的定位方法，其特征在于:所述的步骤S2中距离向匹配滤波具体包括以下子步骤: 521:对经过相干解调的回波S(t，τ)进行距离向脉冲压缩处理，获得距离维目标高分辨率，并通过距离向FFT得到距离向频域、方位向时域的回波信号S(f,，τ):
522:构造距离向匹配滤波函数H(f；):
S23:将H(f；)与回波信号S(f；，τ)相乘得到距离压缩后的距离向频域、方位向时域的回波信号31%，τ):
4.根据权利要求3所述的定位方法，其特征在于:所述的步骤S3中进行距离向运动补偿处理具体包括以下子步骤: 531:将步骤SI中旧
进行泰勒展开; 532:忽略展开后的距离关系表达式中的二次项，同时由于与P较小，所以cosp?l，cos Θ ^ I,因此,使得 R(x, y, t) ^ R0-Vt ； 533:构造距离徙动因子H(f；，t):
S34:将H(f；，t) ^S1 (fr, τ)相乘消除雷达平台运动造成的距离徙动，并进行距离向IFFT变换得到高距离定位精度和低方位定位精度的二维时域信号S2 (t，τ):
5.根据权利要求4所述的定位方法，其特征在于:所述的步骤S4中建模的具体方法为:对于各距离单元，方位扫描成像的回波模型及处理方式是相同的，因此任意选取任一距离单元的回波数据进行信号建模，方位向回波信号向量y表示为:
为方向矩
阵，由各个方位采样点对应的方向向量组成，a(n) = La1,…，aN] e Rixi为天线方向图序列，N为一个波束宽度的采样点数,X = [X1,..., Xn]表示方位向离散目标的幅度信息，M为方位向采样点数，y = Ly1,...，yM]为方位向接收的回波信号，η为附加噪声向量。
6.根据权利要求5所述的定位方法，其特征在于:所述的步骤S5中构造加权最小二乘目标函数的具体方法为:对该距离单元的第η个目标，构造MX I维的加权向量Wn，令
，并建立求该目标幅值的目标函数的最小二乘解:
其中，K为扫描雷达扫过目标场景的扫描次数，Xn为第η个目标的幅值，展开目标函数得到:
其中
，为信号的协方差矩阵，令
则上式化简为:
7.根据权利要求6所述的定位方法，其特征在于:所述的步骤S6中进行目标方位定位具体包括以下子步骤: S61:求等式J(W) = WfRw? +|x 一wfg「一w=ggHwn关于Xn的导数并令其导数为零，得到关于Xn幅度最优估计函数:
=W^g; S62:将等式=W^g的目标幅度最优估计函数代入到式
，得到重构后的目标函数:
S63:求目标函数关J1(W)关于加权向量wn的最优解，其计算方法为:求目标函数关J1 (W)关于Wn的导数并令其为零，得到关于Wn的最优解:
564:将Wn的计算结果代入到等式
?中，得到关于Xn的幅度为:
S65:利用步骤S63和S64的方法计算出该距离单元的所有目标幅度，并定位目标的角度，实现目标方位维的精确定位，再将算法应用到整个扫描雷达作用区域中，逐距离单元对整个面目标场景处理，实现成像区域内目标的二维精确定位。
8.根据权利要求5所述的定位方法，其特征在于:所述的方位向采样点数M的计算方法为:
其中，PRF为脉冲重复频率，ω为扫描速度，Φ为扫描范围。
【文档编号】G06F19/00GK104166134SQ201410422691
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月25日 优先权日:2014年8月25日
【发明者】张寅 , 黄钰林, 王月, 李 杰, 武俊杰, 杨建宇, 李文超 申请人:电子科技大学