CN103412302A - 基于先验知识的多载频miso雷达目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于先验知识的多载频MISO雷达目标定位方法，主要解决现有技术中目标距离速度耦合严重而目标速度无法获得的问题。本发明实现的步骤如下，（1）接收目标回波信号；（2）预处理；（3）确定目标粗测距离；（4）综合脉冲与孔径处理；（5）确定目标距离;（6）目标定位。本发明利用辅助雷达的先验知识确定目标方位角和目标距离，避免了单个调频周期内无法求解目标速度，进一步精确求解目标距离的问题，适用于在实际应用中要求信号处理数据率较高的情况。可用于多载频MISO雷达对空中目标定位。

Description

基于先验知识的多载频MISO雷达目标定位方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及目标定位技术领域中的一种基于先验知识的多输入单输出(Multiply Input Single Output,MISO)雷达高精度目标定位方法。本发明利用辅助雷达的先验知识确定目标方位角和目标距离，将目标方位角和目标距离作为目标的估计位置，用于多载频MISO雷达对空中目标的高精度定位。

背景技术

多载频MISO雷达是发射端采用辐射正交波形的多天线阵列，接收端采用单根天线的雷达系统。在某些应用中，需要让小型机动平台（飞机或舰船）对目标进行定位，但这种平台往往由于体积小而无法放置大孔径的天线阵列，甚至只能架设单根天线，这使其对目标的定位造成了很大局限。如果在地面固定放置大型阵列作为发射站，小机动平台的单根天线作为接收站，用它求解目标与接收站及地面发射站的距离和以及角度信息，并与地面站发送来的导弹本身位置信息等结合，推算出弹、目的相对位置关系，对目标进行跟踪定位。

线性调频连续中断波雷达具有高距离分辨率、大时宽带宽积等特点，可实现目标高分辨检测、精确定位。双基地稀布阵雷达兼顾双基地和FMICW雷达的优点，具有抗干扰性、抗截获性能好及高机动、高分辨等特点。对动目标进行检测时，由于目标速度的存在，导致回波多普勒频谱展宽，从而使雷达测速精度和目标检测性能下降，为了避免目标速度引起的距离误差，必须求出目标运动速度，补偿发射载频差不同引起的多普勒频差，否则无法完成综合处理。

清华大学在其申请的专利“一种同时测量高速运动目标的速度和距离的方法”（专利申请号201010209956.4，公布号CN 102121989）中公开了一种基于单脉冲回波信号来同时进行高速运动目标测距和测速的方法。该方法的实现步骤为：1）构造参考扩展频谱，对接收回波信号进行脉冲压缩，并在脉压结果中检测目标；2）将所提的目标区域返回到频率域，通过目标脉压谱与发射基带谱相关得到目标的多普勒偏移，测量目标的径向速度；3）将目标脉压谱乘以扩展参考谱，对目标回波解脉压，结合目标多普勒频移的估计，得到目标距离的估计。该方法存在的不足是，被处理的信号要求包含多个调频周期，在实际应用中如果数据率要求较高，无法利用多个调频周期，则算法失效。

F.Berizzil等人在论文“A Range Profiling Technique for Synthetic Wideband Radar”（《IET Radar Sonar Naving》，Vol.21No.5,pp.334-337,2008.）公开了一种基于最小熵法求解目标速度的方法。该方法利用收敛准则来获得速度补偿量。首先，对接收回波信号进行解调频处理。然后，利用收敛准则进行一次搜索来获得速度补偿量，并求出目标速度。该方法存在的不足是，运算量庞大，实时性较差，并且会因为噪声干扰仅收敛到局部最优解，无法得到真实的速度补偿量。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于先验知识的多载频MISO雷达目标定位方法。本发明无需求解目标速度，也无需对速度进行补偿，只需利用辅助雷达的先验知识确定目标距离和方位角，完成高精度目标定位。

本发明的基本思路是：接收目标回波信号，对信号进行预处理，确定目标粗测距离，综合脉冲与孔径处理，确定目标距离，目标定位。

实现本发明目的的具体步骤如下：

（1）接收目标回波信号：

小型机动平台的单根天线接收多载频MISO雷达地面阵列发射的目标回波信号；

（2）预处理：

2a）将目标回波信号与其发射基准信号进行解调频处理，得到非线性调频信号;

2b）用低通滤波器，对非线性调频信号进行通道分离，得到多个单频信号；

2c）对单频信号分别做距离压缩处理，在距离搜索范围内形成一个窄波束，将该窄波束的最大值点所对应的距离单元的信号作为目标信号；

（3）确定目标粗测距离：

3a）确定目标回波信号的距离单元长度；

3b）用辅助雷达提供的目标距离先验知识对距离单元进行整除，得到的整数商，将该整数商作为目标距离单元，将该距离单元的中心位置作为目标的粗测距离；

（4）综合脉冲与孔径处理：

4a）将步骤2c）获得的目标信号进行综合脉冲与孔径处理，得到距离-角度联合谱；

4b）将联合谱的最大值点对应的目标信息，作为目标估计方位角；

4c）将距离-角度联合谱的最大值点所对应的距离信息作为精测距离；

（5）确定目标估计距离：

5a）确定精测距离和先验知识的约束条件；

5b）用精测距离减去先验知识，将两者的差值代入约束条件，判断两者的差值是否满足约束条件；若满足约束条件，则将该精测距离作为目标估计距离；若不满足约束条件，则执行步骤5c）；

5c）比较精测距离与先验知识的大小，当精测距离大于先验知识时，用精测距离减去一个距离单元长度，得到两者的差值，将该差值作为目标估计距离；当精测距离小于先验知识时，用精测距离加上一个距离单元长度，得到两者的和值，将该和值作为目标估计距离；

（6）目标定位：

将目标方位角和目标距离作为目标的估计位置，对目标进行定位。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明利用辅助雷达的先验知识确定目标距离和方位角，克服了现有技术中单个调频周期内无法求解目标速度的缺点，使得本发明具有易于工程实现的优点。

第二，由于本发明在信号处理过程中受目标速度的影响很小，克服了现有技术中目标高速运动测距误差大的缺点，使得本发明具有目标定位准确的优点。

第三，由于本发明在信号处理过程中不限制信号形式，克服了现有技术中多个调频周期处理计算量大的缺点，无需用相参积累求解目标速度，使得本发明具有运算速度快的优点。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明中目标距离单元划分及其中心位置示意图；

图3是本发明中先验知识与目标真实位置在同一个距离单元时的距离方位图；

图4是本发明中先验知识与目标真实位置不在同一个距离单元时的距离方位图；

图5是本发明目标速度不同时的估计目标距离的距离主截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参照附图1，本发明的具体步骤如下。

步骤1，接收目标回波信号。

小型机动平台的单根天线接收多载频MISO雷达地面阵列发射的目标回波信号；

步骤2，预处理。

将目标回波信号与其发射基准信号进行解调频处理，得到非线性调频信号。用低通滤波器对上述信号进行通道分离，得到多个单频信号。对单频信号分别做距离压缩处理，在距离搜索范围内形成一个窄波束，将该窄波束的最大值点所对应的距离单元的信号作为目标信号。

步骤3，确定目标粗测距离。

利用下式，确定目标回波信号的距离单元长度：

ΔR=c/Δf

其中，ΔR表示目标回波信号的距离单元长度，c表示光速，Δf表示多载频MISO雷达地面阵列载频差。

辅助雷达提供目标距离的先验知识和该雷达的测距精度，用目标距离的先验知识对距离单元进行整除，得到的整数商为目标距离单元，将该距离单元的中心位置作为目标的粗测距离。

根据距离单元长度，将目标粗测距离划分为七个距离单元，参照附图2，图2中从左至右每一个黑色矩形分别代表第一个、第二个、第三个、第四个、第五个、第六个、第七个距离单元。上述每一个距离单元的取值范围分别为：-3km～3km、3km～9km、9km～15km、15km～21km、21km～27km、27km～33km、33km～39km。图2中的虚线代表每一个距离单元的中心位置，虚线上方的数字为对应距离单元中心的距离。

在本发明的实施例中，如果辅助雷达给定目标距离的先验知识Rs=26.8km，一个距离单元的长度为ΔR=6km，由先验知识可以确定目标在第5个距离单元。

步骤4，综合脉冲与孔径处理。

将目标信号进行综合脉冲与孔径处理，得到距离-角度联合谱。综合脉冲与孔径处理，是将目标信号乘以匹配滤波因子，其中匹配滤波因子由下式获得：

f=exp{j2π[f_kΔτ_k-f_kτ_r0]}

其中，f表示匹配滤波因子，exp{}表示以自然对数为底的指数函数，j表示虚数，π表示圆周率，f_k表示多载频MISO雷达地面阵列的第k个天线的载频，Δτ_k表示多载频MISO雷达地面阵列的第k个阵元与多载频MISO雷达地面阵列的第1个阵元的时延，τ_r0表示目标回波信号与多载频MISO雷达地面阵列的第1个阵元的时延。

将联合谱的最大值点所对应的目标信息作为目标估计方位角，将联合谱的最大值点所对应的距离信息作为精测距离。

步骤5，确定目标估计距离。

确定精测距离和先验知识的约束条件。一般雷达的距离测量都服从正态分布，根据“3σ”法则可知，约束条件表示如下：

|Ra-Rs|<3(σ₁+σ₂)

其中，Ra表示精测距离，Rs表示先验知识，σ₁表示辅助雷达的测距精度，σ₂表示多载频MISO雷达的测距精度。

用精测距离减去先验知识，将两者的差值代入约束条件，判断两者的差值是否满足约束条件若满足约束条件，说明先验知识确定的目标距离单元与目标真实位置位于同一个距离单元，将该精测距离作为目标估计距离。参照附图3，先验知识与目标真实位置在同一个距离单元；若不满足约束条件，目标在某两个距离单元边界点附近，辅助雷达提供的先验知识位于目标真实位置的下一个距离单元（或者上一个距离单元），此时估计出的目标距离与目标真实位置相差一个距离单元，因此需要比较精测距离与先验知识的大小。

当精测距离大于先验知识时，用精测距离减去一个距离单元长度，得到两者的差值，将该差值作为目标估计距离；当精测距离小于先验知识时，用精测距离加上一个距离单元长度，得到两者的和值，将该和值作为目标估计距离，比较关系式可表示如下：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Ra}-\mathrm{Rs}>3({\mathrm{\&sigma;}}_1+{\mathrm{\&sigma;}}_2);& \mathrm{Re}=\mathrm{Ra}-\mathrm{\&Delta;R}\\ \mathrm{Rs}-\mathrm{Ra}>3({\mathrm{\&sigma;}}_1+{\mathrm{\&sigma;}}_2);& \mathrm{Re}=\mathrm{Ra}+\mathrm{\&Delta;R}\end{array}\right.$

其中，Ra表示精测距离，Rs表示先验知识，σ₁表示辅助雷达的测距精度，σ₂表示多载频MISO雷达的测距精度，Re表示目标估计距离。

步骤6，目标定位。

将目标方位角和目标距离作为目标的估计位置，对目标进行定位。

下面结合仿真图对本发明的效果做进一步的描述。

1.仿真条件：

本发明的仿真是在MATLAB R2010a的软件环境下进行的。

2.仿真内容：

本发明仿真实验发射经过遗传算法优化，不存在模糊角度模糊，目标信号方向为θ=5.5°，一个距离单元的长度ΔR=6km，辅助雷达的距离分辨率δ=150m，本雷达的距离分辨率δ=300m，图3中，目标距离R0=29km，辅助雷达提供的先验知识Rs=32km；图4中，目标距离R0=27.2km，辅助雷达提供的先验知识Rs=26.8km，图5中目标速度分别为v=300m/s,600m/s,1200m/s。

3.仿真效果分析：

图3为先验知识与目标真实位置在同一个距离单元时的距离方位图，其中，x轴表示目标的方位搜索范围，y轴表示目标距离搜索范围，z轴表示信号幅度。先验知识对应的距离单元是目标所在的距离单元，图3表示这种情况下目标的方位信息和距离信息的联合谱。

从图3中可以看出窄脉冲对应的位置对应目标估计方位角θ=5.5°，精测距离Re=28.95km。参照步骤5，目标在第6个距离单元，先验知识对应的距离单元是第6个距离单元因此目标估计距离为Re=Ra=28.95km。

图4为先验知识与目标真实位置在不同距离单元时的距离方位图，其中，x轴表示目标的方位搜索范围，y轴表示目标距离搜索范围，z轴表示信号幅度。先验知识对应的距离单元不是目标所在的距离单元，图4表示这种情况下目标的方位信息和距离信息的联合谱。

从图4中可以看出窄脉冲对应的位置对应目标估计方位角θ=5.5°，精测距离Re=21.15km。参照步骤5，目标在第6个距离单元，先验知识对应的距离单元是第5个距离单元，精测距离与真实位置相差一个距离单元，因此目标估计距离为Re=Ra+ΔR=21.15+6=27.15km。

图5为目标速度不同时的估计目标距离的距离主截面图，其中横轴表示目标距离搜索范围，纵轴表示信号幅度，图5中带有圆圈的曲线、无标志的曲线、带有星号的曲线分别表示目标速度为v=300m/s，600m/s，1200m/s时，目标距离搜索范围随信号幅度变化趋势。

从图5可以看出，当目标速度分别为v=300m/s，600m/s，1200m/s时，利用本发明所估计的目标距离是相等的，由此说明本发明不受目标速度的影响。即使目标速度很大时，也可用本发明估计目标距离。

Claims (4)

1.一种基于先验知识的多载频MISO雷达目标定位方法，包括如下步骤：

（1）接收目标回波信号：

小型机动平台的单根天线接收多载频MISO雷达地面阵列发射的目标回波信号；

（2）预处理：

2a）将目标回波信号与其发射基准信号进行解调频处理，得到非线性调频信号；

2b）用低通滤波器，对非线性调频信号进行通道分离，得到多个单频信号；

2c）对单频信号分别做距离压缩处理，在距离搜索范围内形成一个窄波束，将该窄波束的最大值点所对应的距离单元的信号作为目标信号；

（3）确定目标粗测距离：

3a）确定目标回波信号的距离单元长度；

3b）用辅助雷达提供的目标距离先验知识对距离单元进行整除，得到的整数商，将该整数商作为目标距离单元，将该距离单元的中心位置作为目标的粗测距离；

（4）综合脉冲与孔径处理：

4a）将步骤2c）获得的目标信号进行综合脉冲与孔径处理，得到距离-角度联合谱；

4b）将联合谱的最大值点对应的目标信息，作为目标估计方位角；

4c）将距离-角度联合谱的最大值点所对应的距离信息作为精测距离；

（5）确定目标估计距离：

5a）确定精测距离和先验知识的约束条件；

5b）用精测距离减去先验知识，将两者的差值代入约束条件，判断两者的差值是否满足约束条件；若满足约束条件，则将该精测距离作为目标估计距离；若不满足约束条件，则执行步骤5c）；

5c）比较精测距离与先验知识的大小，当精测距离大于先验知识时，用精测距离减去一个距离单元长度，得到两者的差值，将该差值作为目标估计距离；当精测距离小于先验知识时，用精测距离加上一个距离单元长度，得到两者的和值，将该和值作为目标估计距离；

（6）目标定位：

将目标方位角和目标距离作为目标的估计位置，对目标进行定位。

2.根据权利要求1所述的基于先验知识的多载频MISO雷达目标定位方法，其特征在于，步骤3a）中所述目标回波信号的距离单元长度由下式计算确定：

ΔR=c/Δf

其中，ΔR表示目标回波信号的距离单元长度，c表示光速，Δf表示多载频MISO雷达地面阵列载频差。

3.根据权利要求1所述的基于先验知识的多载频MISO雷达目标定位方法，其特征在于，步骤（4）中所述的综合脉冲与孔径处理，是将目标信号乘以匹配滤波因子，其中匹配滤波因子由下式获得：

f=exp{j2π[f_kΔτ_k-f_kτ_r0]}

其中，f表示匹配滤波因子，exp{}表示以自然对数为底的指数函数，j表示虚数，π表示圆周率，f_k表示多载频MISO雷达地面阵列的第k个天线的载频，Δτ_k表示多载频MISO雷达地面阵列的第k个阵元与多载频MISO雷达地面阵列的第1个阵元的时延，τ_r0表示目标回波信号与多载频MISO雷达地面阵列的第1个阵元的时延。

4.根据权利要求1所述的基于先验知识的多载频MISO雷达目标定位方法，其特征在于，步骤5a）中所述精测距离与先验知识的约束条件由下式计算获得：

|Ra-Rs|<3(σ₁+σ₂)

其中，Ra表示精测距离，Rs表示先验知识，σ₁表示辅助雷达的测距精度，σ₂表示多载频MISO雷达的测距精度。

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