CN105301593B - 一种基于双频rcs信息融合的飞行目标高度估计方法 - Google Patents

一种基于双频rcs信息融合的飞行目标高度估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双频RCS信息融合的飞行目标高度估计方法，包括：通过融合高频地波雷达双频信号回波强度信息，构造单基地体制高频地波雷达目标飞行高度和RCS信息完全可观测融合估计模型。在高频地波雷达双频工作模式下，对两个工作频率下低空飞行目标RCS信息进行组合和转换，实现双频信号回波信息的融合，提高了高度估计模型的可观测性，实现飞行目标高度和RCS的精确估计。

Description

一种基于双频RCS信息融合的飞行目标高度估计方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种基于双频RCS信息融合的飞行目标高度估计方法。
背景技术
高频地波雷达因其独特的点波传播衰减特性，可以超视距探测到地平线以外的舰船和飞机目标。
高频地波雷达因波长较长，天线阵地较大，难以在俯仰方向上构建垂直阵列，不能在俯仰方向上获得目标角度信息，因而不能区别两个处于同一距离但不同高度上的飞行目标。在工程应用中，还没有实现高频地波雷达飞行目标的高度估计。
现有目标飞行高度估计技术中，信号回波强度是目标高度和RCS的函数，存在多解的问题。现有高度估计技术只适用于低空飞行目标，不适用于高空飞行目标的高度估计。另外，现有技术都是在假定目标的高低空属性是已知的情况下进行高度估计的，但是真实情况下，目标的高低空属性信息却是未知的，因此得到的高度估计结果的准确性较差。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的为提供一种基于双频RCS信息融合的飞行目标高度估计方法，以解决现有技术中高度估计模型中多解以及估计结果准确性较差的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于双频RCS信息融合的飞行目标高度估计方法，包括：
在高频地波雷达双频工作模式下，对两个工作频率下低空飞行目标RCS信息进行组合和转换，并对双频信号回波信息进行融合；
利用双频模式下的两个信号回波强度构造目标飞行高度和RCS信息完全可观测融合估计模型；
通过状态滤波方法对目标飞行高度和RCS信息进行精确估计。
进一步的，假定高频地波雷达双频工作频率为f1和f2，那么在两个频率下的RCS比值定义为
其中，θ＝1°～180°。
进一步的，当得到某一频率下的目标RCS估计值，通过缓慢变化的RCS比值信息可以得到另一频率下目标的RCS信息。即假设得到估计值那么可以近似为
对于不同的飞机目标，可以通过数值建模得到随姿态角度变化的RCS比值信息库，RCS比值信息为两个不同频率下的RCS信息转换提供个了可能。
进一步的，所述高度和RCS融合估计模型的目标状态向量为
其中，h(k),vh(k)分别为k时刻目标飞行高度和高度方向上的变化速度，σt(k),为k时刻目标相对于T/R站的RCS和RCS变化速度。
进一步的，在高频波段，目标RCS相对于姿态角是一个慢变化信息，定义状态方程为
X(k)＝FX(k-1)+v(k-1)
其中，v(k-1)为零均值高斯白噪声，过程协方差为Q。状态转移矩阵表示为
进一步的，以地波雷达两个频率下的信号回波强度为量测值，定义量测方程为
其中，是工作频率为f1下的信号回波强度，是工作频率为f2下的信号回波强度，具体形式分别为
w(k)为均值为零，方差为R(k)的高斯白噪声。σ(f1)与σ(f2)的转换关系如下
σ(f2,θ)＝σc(f1,f2)·σ(f1,θ)；
转换系数σc(f1,f2)可通过对不同飞机用矩量法建模分析得到。那么，可以表示为
进一步的，以和做为量测值的量测向量是目标状态X(k)的非线性函数，利用扩展卡尔曼滤波算法对飞机目标飞行高度和RCS进行估计，其迭代形式为
状态预测和量测预测：
其中，H(k)为线性化量测矩阵
协方差预测：
P(k/k-1)＝FP(k-1/k-1)F'+Q(k)
量测预测协方差矩阵：
S(k)＝HkP(k/k-1)H'k+R(k)
增益：
K(k)＝P(k/k-1)H'kS-1(k)
状态更新方程：
更新协方差方程：
P(k/k)＝[I-K(k)Hk]P(k/k-1)[I+K(k)Hk]'-K(k)R(k)K(k)'
本发明的有益效果在于，对两个工作频率下低空飞行目标RCS信息进行组合和转换，实现双频信号回波信息的融合，提高了高度估计模型的可观测性，实现飞行目标高度和RCS的精确估计。
附图说明
图1为目标在低空区域不同高度上的传播衰减曲线图。
图2为本发明实施提供的一种双频RCS信息融合的飞行目标高度估计方法的步骤流程图。
图3为本发明实施例中提供的目标RCS随频率变化的特性图。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是，本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
本发明实施例一提供了一种估计飞行目标高度方法，步骤流程如图2所示，包括以下步骤：
步骤S1、在高频地波雷达双频工作模式下，对两个工作频率下低空飞行目标RCS信息进行组合和转换，并对双频信号回波信息进行融合；
步骤S2、利用双频模式下的两个信号回波强度构造目标飞行高度和RCS信息完全可观测融合估计模型；
步骤S3、通过状态滤波方法对目标飞行高度和RCS信息进行精确估计。
步骤S1中假定高频地波雷达双频工作频率为f1和f2，那么在两个频率下的RCS比值定义为
其中，θ＝1°～180°。
进一步的，目当得到某一频率下的目标RCS估计值，通过缓慢变化的RCS比值信息可以得到另一频率下目标的RCS信息。即假设得到估计值那么可以近似为
对于不同的飞机目标，可以通过数值建模得到随姿态角度变化的RCS比值信息库，RCS比值信息为两个不同频率下的RCS信息转换提供个了可能。
进一步的，所述高度和RCS融合估计模型的目标状态向量为
其中，h(k),vh(k)分别为k时刻目标飞行高度和高度方向上的变化速度，σt(k),为k时刻目标相对于T/R站的RCS和RCS变化速度。
进一步的，在高频波段，目标RCS相对于姿态角是一个慢变化信息，定义状态方程为
X(k)＝FX(k-1)+v(k-1)
其中，v(k-1)为零均值高斯白噪声，过程协方差为Q。状态转移矩阵表示为
进一步的，以地波雷达两个频率下的信号回波强度为量测值，定义量测方程为
其中，是工作频率为f1下的信号回波强度，是工作频率为f2下的信号回波强度，具体形式分别为
w(k)为均值为零，方差为R(k)的高斯白噪声。σ(f1)与σ(f2)的转换关系如下
σ(f2,θ)＝σc(f1,f2)·σ(f1,θ)
转换系数σc(f1,f2)可通过对不同飞机用矩量法建模分析得到。那么，可以表示为
进一步的，以和做为量测值的量测向量是目标状态X(k)的非线性函数，利用扩展卡尔曼滤波算法对飞机目标飞行高度和RCS进行估计，其迭代形式为
状态预测和量测预测：
其中，H(k)为线性化量测矩阵
协方差预测：
P(k/k-1)＝FP(k-1/k-1)F'+Q(k)
量测预测协方差矩阵：
S(k)＝HkP(k/k-1)H'k+R(k)
增益：
K(k)＝P(k/k-1)H'kS-1(k)
状态更新方程：
更新协方差方程：
P(k/k)＝[I-K(k)Hk]P(k/k-1)[I+K(k)Hk]′-K(k)R(k)K(k)'
在高频地波雷达双频工作模式下，对两个工作频率下低空飞行目标RCS信息进行组合和转换，实现双频信号回波信息的融合，提高了高度估计模型的可观测性，实现飞行目标高度和RCS的精确估计。
本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的改动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于双频RCS信息融合的飞行目标高度估计方法，其特征在于，包括：
在高频地波雷达双频工作模式下，对两个工作频率下低空飞行目标RCS信息进行组合和转换，并对双频信号回波信息进行融合；
利用双频模式下的两个信号回波强度构造目标飞行高度和RCS融合估计模型；
通过状态滤波方法对目标飞行高度和RCS信息进行精确估计；
假定高频地波雷达双频工作频率为f1和f2，那么在两个频率下的RCS比值定义为
其中，θ＝1°～180°；
当得到某一频率下的目标RCS估计值，通过缓慢变化的RCS比值信息可以得到另一频率下目标的RCS信息；即假设得到估计值那么近似为
对于不同的飞机目标，通过数值建模得到随姿态角度变化的RCS比值信息库，RCS比值信息为两个不同频率下的RCS信息转换提供了可能。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高度和RCS融合估计模型的目标状态向量为
其中，h(k),vh(k)分别为k时刻目标飞行高度和高度方向上的变化速度，σt(k)，为k时刻目标相对于T/R站的RCS和RCS变化速度。
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