CN104155631B - 基于机载雷达杂波谱宽度的自适应脉冲个数分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于杂波谱宽度的自适应脉冲个数分配方法，属于雷达探测技术领域。其实现步骤为：1)根据地杂波谱宽度及机载雷达工作参数确定出不同雷达波束指向时的杂波谱宽度；2)由不同雷达波束指向时的杂波谱宽度得到所需滤波器的通带带宽；3)按照不同雷达波束指向下所需滤波器的通带带宽，给出不同雷达波束指向下的发射脉冲个数。实现在不同雷达波束指向时，系统滤波器特性同杂波特性相匹配的问题，改善了机载雷达的目标探测性能。

Description

基于机载雷达杂波谱宽度的自适应脉冲个数分配方法

技术领域

本发明属于雷达探测技术领域，尤其涉及一种基于机载雷达杂波谱宽度的自适应脉冲个数分配方法。

背景技术

机载雷达在预警、地面成像等领域具有重要应用，其通过将雷达系统放置在位于高空的运动机载平台上，达到对地面低速目标的探测及对地面环境的成像。但是，由于载机的运动，导致雷达接收到的地杂波信号的频谱不再位于零频，并且杂波谱宽度随着载机的运动速度、雷达波束的指向等因素发生较大的改变。在这种情况下，由于一般雷达系统中，雷达在各个方向发射的脉冲个数是相等的，因此雷达波束指向不同方向时，系统所采用的滤波器特性就不能同各个方向上的杂波信号的频谱相匹配，引起相邻反射区域杂波信息的相互干扰。特别是地面存在诸如广播电视塔等强有源干扰时，其对周围环境的感知造成严重影响。

认知雷达是一种近年来提出的新体制雷达系统，其通过在线或离线的方式对雷达工作环境进行感知，并根据感知到的环境信息调整雷达工作参数，以使在特定环境下雷达系统的性能达到最优。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于机载雷达杂波谱宽度的自适应脉冲个数分配方法，以使雷达波束指向不同方向时，系统滤波器特性同杂波谱宽度相匹配，提高机载雷达对地面环境的感知能力，改善机载雷达的目标探测性能。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种基于机载雷达杂波谱宽度的自适应脉冲个数分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，由雷达发射信号波长λ，雷达天线在方位维的等效物理孔径D₀，求取雷达在方位维的3分贝波束宽度B；设定雷达的第k个方位波束指向k＝1，2，…，N，N为雷达波束指向个数，设定雷达的波束仰角指向θ₀及载机的飞行速度v，计算第k个方位波束指向上的杂波谱展宽量σ_k；由雷达在方位维的3分贝波束宽度B，第k个方位波束指向上的杂波谱展宽量σ_k及地杂波自身具有的杂波谱宽度σ_g，确定出第k个方位波束指向上的杂波谱宽度B_k；

步骤2，根据第k个方位波束指向上的杂波谱宽度B_k，得到第k个方位波束指向上滤波器的通带带宽Δω_k。

步骤3，由第k个方位波束指向上滤波器的通带带宽Δω_k，得到雷达在第k个波束指向上的发射脉冲个数ρ为滤波器的窗函数的常系数，表示不小于u的最小整数。

上述技术方案的特点和进一步改进在于：

(1)步骤1包括以下子步骤：

(1a)由雷达发射信号波长为λ，雷达天线在方位维的等效物理孔径为D₀，得到雷达在方位维的3分贝波束宽度

设定雷达的第k个方位波束指向根据雷达在方位维的3分贝波束宽度B及雷达的第k个方位波束指向设定第k个方位波束指向上的角度搜索范围

(1b)根据第k个方位波束指向上的角度搜索范围构建雷达在第k个方位波束指向上的杂波谱展宽量σ_k为：

其中，λ为雷达发射信号波长，v为载机的飞行速度，θ₀为雷达的波束仰角指向，为第k个方位波束指向上的角度搜索范围；

(1c)由第k个方位波束指向的杂波谱展宽量σ_k，得到第k个方位波束指向上的杂波谱宽度B_k为：

$B_k=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_g^2+{\mathrm{\σ}}_k^2},$

其中σ_g表示地杂波自身具有的杂波谱宽度。

(2)步骤2包括以下子步骤：

(2a)根据雷达的发射脉冲重复频率f，及第k个方位波束指向上的杂波谱宽度B_k，得到第k个方位波束指向上的归一化杂波谱宽度

(2b)由第k个方位波束指向上的归一化杂波谱宽度得到第k个方位波束指向上滤波器的通带带宽

(3)步骤3包括以下子步骤：

(3a)利用第k个方位波束指向上滤波器的通带带宽Δω_k，求取第k个方位波束指向上滤波器的阶数其中，表示不小于u的最小整数，ρ为滤波器的窗函数的的常系数；

(3b)由第k个方位波束指向上滤波器的阶数l_k，得到雷达在第k个波束指向上的发射脉冲个数n_k＝l_k。

与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。本发明与现有方法相比，具有以下优点：

1.本发明方法利用静止地杂波的功率谱特性、雷达的工作参数以及载机平台的运动参数等先验信息，设计一组与不同波束指向下，接受杂波功率谱特性相匹配的滤波器，提高了雷达对地面杂波环境的感知能力；

2.本发明方法可根据感知出的地面环境信息，即地杂波自身具有的杂波谱宽度，实时的更新不同波束指向下的发射脉冲个数，保证系统具有优良的工作性能。

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本发明的实施流程图；

图2为雷达波束指向30°、60°和87°时，雷达接收杂波的功率谱特性图，横坐标表示杂波的多普勒，单位为赫兹，纵坐标表示杂波的归一化功率谱；

图3为雷达波束指向30°、60°和87°时，各波束指向上滤波器的幅度响应图；横坐标表示频率，单位为赫兹，纵坐标表示滤波器的归一化幅度响应；

图4为采用本发明方法和传统在各波束指向上发射相同脉冲的方法对地面强杂波环境的感知结果，横坐标表示距离单元号，纵坐标表示雷达波束方位指向，单位为度。

具体实施方式

参照图1，说明本发明的一种基于机载雷达杂波谱宽度的自适应脉冲个数分配方法，包括以下步骤：

步骤1，由雷达发射信号波长λ，雷达天线在方位维的等效物理孔径D₀，求取雷达在方位维的3分贝波束宽度B；设定雷达的第k个方位波束指向k＝1，2，…，N，N为雷达波束指向个数，雷达的波束仰角指向θ₀及载机的飞行速度v，计算第k个方位波束指向上的杂波谱展宽量σ_k；由雷达在方位维的3分贝波束宽度B，第k个方位波束指向上的杂波谱展宽量σ_k及地杂波自身具有的杂波谱宽度σ_g，确定出第k个方位波束指向上的杂波谱宽度B_k；

(1a)由雷达发射信号波长为λ，雷达天线在方位维的等效物理孔径为D₀，得到雷达在方位维的3分贝波束宽度

设定雷达的第k个方位波束指向根据雷达在方位维的3分贝波束宽度B及雷达的第k个方位波束指向设定第k个方位波束指向上的角度搜索范围

(1b)根据第k个方位波束指向上的角度搜索范围构建雷达在第k个方位波束指向上的杂波谱展宽量σ_k为：

其中，λ为雷达发射信号波长，v为载机的飞行速度，θ₀为雷达的波束仰角指向，为第k个方位波束指向上的角度搜索范围；

(1c)由第k个方位波束指向的杂波谱展宽量σ_k，得到第k个方位波束指向上的杂波谱宽度B_k为：

$B_k=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_g^2+{\mathrm{\σ}}_k^2},$

其中σ_g表示地杂波自身具有的杂波谱宽度。

步骤2，根据第k个方位波束指向上的杂波谱宽度B_k，得到第k个方位波束指向上滤波器的通带带宽Δω_k。

(2a)根据雷达的发射脉冲重复频率f，及第k个方位波束指向上的杂波谱宽度B_k，得到第k个方位波束指向上的归一化杂波谱宽度

(2b)由第k个方位波束指向上的归一化杂波谱宽度得到第k个方位波束指向上滤波器的通带带宽

步骤3，由第k个方位波束指向上滤波器的通带带宽Δω_k，得到雷达在第k个波束指向上的发射脉冲个数ρ为滤波器的窗函数的常系数；

(3a)利用第k个方位波束指向上滤波器的通带带宽Δω_k，求取第k个方位波束指向上滤波器的阶数其中，表示不小于u的最小整数，ρ为由设计滤波器时所选用的窗函数的类型决定的常系数；

步骤3a)利用滤波器的窗函数设计法设计满足要求的滤波器阶数。

(3b)由第k个方位波束指向上滤波器的阶数l_k，得到雷达在第k个波束指向上的发射脉冲个数n_k＝l_k。

本发明通根据静止地杂波的功率谱特性及机载雷达工作参数等先验信息，在雷达波束指向不同方向时，设计同该方向上的杂波谱宽度相匹配的滤波器带宽，并且利用地杂波自身具有的杂波谱宽度即通过对杂波环境的感知，自适应的分配雷达在不同波束指向上的发射脉冲个数，提高雷达对地面环境的感知能力，改善雷达的目标探测性能。

本发明的效果可通过以下仿真实验进一步说明：

1、仿真条件

本发明仿真实验中软件仿真平台为MATLAB R2010a，实验中设定雷达发射信号波长λ＝0.23m，发射脉冲重复频率f＝4000Hz，雷达在方位维的等效物理孔径D₀＝16λ，载机飞行速度v＝200m/s，地杂波自身具有的杂波谱宽度σ_g＝15Hz。

2、仿真内容及结果

仿真1，本仿真实验给出在不同的雷达波束方位指向下，雷达接收杂波的杂波谱宽度。在上述条件下，设定地杂波自身具有的功率谱为高斯型功率谱，且地杂波自身具有的杂波谱宽度σ_g＝15Hz，雷达在俯仰维发射宽波束，且雷达的波束仰角指向θ₀＝30°，以载机的机头方向为方位0°，雷达波束方位指向分别取30°、60°和87°，得到雷达不同方位波束指向下接受到的杂波功率谱如图2所示；由雷达发射信号波长λ及雷达天线在方位维的等效物理孔径D₀，得到雷达在方位维的波束宽度B＝3.125°，将角度区间(0°，87°)以3°为间隔进行等间隔划分，得到雷达波束指向每一角度区间时的杂波谱宽度和发射脉冲个数如表1所示。

表1

波束指向(°)	0	3	6	9	12	15	18	21	24	27
											谱宽度(Hz)	20.6	22.1	24.6	27.5	30.9	34.5	38.3	42.1	46.0	49.7
发射脉冲数	194	180	162	145	129	115	104	95	87	80
											波束指向(°)	30	33	36	39	42	45	48	51	54	57
谱宽度(Hz)	53.5	57.1	60.7	64.1	67.4	70.6	73.5	76.3	78.9	81.3
											发射脉冲数	74	70	65	62	59	56	54	52	50	49
波束指向(°)	60	63	66	69	72	75	78	81	84	87
											谱宽度(Hz)	83.6	85.5	87.3	88.9	90.2	91.3	92.1	92.7	93.1	93.2
发射脉冲数	47	46	45	45	44	43	43	43	42	42

由图2和表1可知，在不同的方位波束指向下，雷达接收到的杂波功率谱宽度有很大的差别，且波束方位指向同载机机头方向夹角越小，杂波谱的宽度越窄，发射的脉冲数越多，反之亦然。

仿真2，本仿真实验根据不同雷达方位波束指向时的杂波谱宽度，设计同该方向的杂波特性相匹配的滤波器。在上述条件下，设定雷达在俯仰维发射宽波束，且雷达的波束仰角指向θ₀＝30°，以载机的机头方向为方位0°，雷达波束方位指向分别取30°、60°和87°，在根据杂波特性利用窗函数法设计滤波器时，窗函数类型选取为矩形窗，此时常系数ρ＝2，得到不同雷达波束指向上的滤波器特性如图3所示。

由图3可知，当雷达波束方位指向为30°时，设计出的滤波器的3分贝带宽为46Hz，当雷达波束方位指向为60°时，设计出的滤波器的3分贝带宽为73Hz，当雷达波束方位指向为87°时，设计出的滤波器的3分贝带宽为85Hz，

具体分析，表1中，雷达波束方位指向为30°时，雷达接收的杂波功率谱宽度为53.5Hz，雷达接收的杂波功率谱宽度仅比设计出的滤波器的3分贝带宽大7.5Hz，如果使用设计出的滤波器对雷达接收杂波进行滤波，能够在保证该方位上的杂波通过滤波器的同时，有效滤除从其它方位进入雷达接收机的杂波信号，即设计出的滤波器通带特性和该方向上雷达接收杂波的谱宽度是匹配的，基于相同分析，在雷达波束方位指向为60°和87°时，设计出的滤波器通带特性和该方向上雷达接收杂波的谱宽度是匹配的。

可见，当雷达波束指向不同的方位时，设计出的滤波器同相应方位上的杂波特性即杂波的谱宽度都是匹配的。

仿真3，本仿真实验采用本发明方法和传统在各波束指向上发射相同脉冲的方法在不同雷达波收指向下的发射脉冲分配方法，对含有强杂波点的地面环境进行感知。在上述条件下，设定地面含有5个强杂波点，强杂波点功率为噪声功率的10⁴倍，即杂噪比CNR＝40dB，各个强杂波点所在的波束指向分别为(63°，36°，21°，81°，54°)，所在的距离单元号分别为(4，20，60，120，165)，采用本发明方法和传统方法对强杂波点的感知结果如图4所示，其中图4(a)为原始杂波场景，图4(b)为传统方法感知结果，图4(c)为本发明方法的感知结果。

对比图4(a)、4(b)和4(c)可知，采用传统方法对地面环境进行感知时，地面强杂波点对与其相邻的距离单元具有明显影响，如图4(b)所示，感知结果中除在原始强杂波点位置信号幅度较大(归一化幅度为1)外，在原始强杂波单元的相邻位置(如方位波束指向33°，距离单元20处)，也有较强的信号(归一化幅度为0.91)，即传统在各波束指向上发射相同脉冲的方法下，强杂波点对相邻位置的杂波环境感知影响较大；采用传统方法对地面环境进行感知时，在原始强杂波单元的相邻位置，回波信号则很弱(归一化幅度0.05)，即本发明方法下，强杂波点对相邻位置的杂波环境感知影响很小，综上，本发明方法给出的脉冲分配方法，能够更精确对杂波环境进行感知。

综上可知，本发明方法能有效用于杂波环境的感知，提高雷达的探测性能。

Claims (4)

1.一种基于机载雷达杂波谱宽度的自适应脉冲个数分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，由雷达发射信号波长λ，雷达天线在方位维的等效物理孔径D₀，求取雷达在方位维的3分贝波束宽度B；设定雷达的第k个方位波束指向k＝1，2，…，N，N为雷达波束指向个数，设定雷达的波束仰角指向θ₀及载机的飞行速度v，计算第k个方位波束指向上的杂波谱展宽量σ_k；由雷达在方位维的3分贝波束宽度B，第k个方位波束指向上的杂波谱展宽量σ_k及地杂波自身具有的杂波谱宽度σ_g，确定出第k个方位波束指向上的杂波谱宽度B_k；

步骤2，根据第k个方位波束指向上的杂波谱宽度B_k，得到第k个方位波束指向上滤波器的通带带宽Δω_k；

步骤3，由第k个方位波束指向上滤波器的通带带宽Δω_k，得到雷达在第k个波束指向上的发射脉冲个数ρ为滤波器的窗函数的常系数，表示不小于u的最小整数。

2.根据权利要求1所述的一种基于机载雷达杂波谱宽度的自适应脉冲个数分配方法，其特征在于，步骤1包括以下子步骤：

(1a)由雷达发射信号波长为λ，雷达天线在方位维的等效物理孔径为D₀，得到雷达在方位维的3分贝波束宽度

设定雷达的第k个方位波束指向根据雷达在方位维的3分贝波束宽度B及雷达的第k个方位波束指向设定第k个方位波束指向上的角度搜索范围

(1b)根据第k个方位波束指向上的角度搜索范围构建雷达在第k个方位波束指向上的杂波谱展宽量σ_k为：

其中，λ为雷达发射信号波长，v为载机的飞行速度，θ₀为雷达的波束仰角指向，为第k个方位波束指向上的角度搜索范围；

(1c)由第k个方位波束指向的杂波谱展宽量σ_k，得到第k个方位波束指向上的杂波谱宽度B_k为：

$B_k=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_g^2+{\mathrm{\σ}}_k^2},$

其中σ_g表示地杂波自身具有的杂波谱宽度。

3.根据权利要求1所述的一种基于机载雷达杂波谱宽度的自适应脉冲个数分配方法，其特征在于，步骤2包括以下子步骤：

(2a)根据雷达的发射脉冲重复频率f，及第k个方位波束指向上的杂波谱宽度B_k，得到第k个方位波束指向上的归一化杂波谱宽度

(2b)由第k个方位波束指向上的归一化杂波谱宽度得到第k个方位波束指向上滤波器的通带带宽

4.根据权利要求1所述的一种基于机载雷达杂波谱宽度的自适应脉冲个数分配方法，其特征在于，步骤3包括以下子步骤：

(3a)利用第k个方位波束指向上滤波器的通带带宽Δω_k，求取第k个方位波束指向上滤波器的阶数其中，表示不小于u的最小整数，ρ为滤波器的窗函数的的常系数；

(3b)由第k个方位波束指向上滤波器的阶数l_k，得到雷达在第k个波束指向上的发射脉冲个数n_k＝l_k。