CN106291487A - 一种基于agc电压和回波数据的雷达接收功率和rcs估计方法 - Google Patents

一种基于agc电压和回波数据的雷达接收功率和rcs估计方法 Download PDF

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Abstract

一种基于AGC电压和回波数据的雷达接收功率和RCS估计方法，利用标定的方式，获得雷达发射检波电压与雷达发射功率的标定关系、雷达AGC电压与接收机增益的标定关系、接收机增益与回波幅度融合信息与雷达接收功率的标定关系，在雷达跟踪状态下利用AGC电压和回波数据根据标定关系估计雷达接收功率，利用估计的雷达接收功率和测量的目标距离信息估计目标RCS信息。本发明接收功率估计动态范围大、RCS估计精度高、工程实现简单、实时性好、计算量小。

Description

一种基于AGC电压和回波数据的雷达接收功率和RCS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AGC电压和回波数据的雷达接收功率和RCS估计方法。
背景技术
雷达接收功率可以实时反应当前跟踪目标的回波强度和继续可以跟踪的作用距离，也可以用于目标雷达散射截面积(RCS)的计算。其中，目标RCS可以用于获取目标的雷达特性，也可以用于目标的分类和识别。
雷达通过天线接收信号后，需要经过高频接收机、中频接收机，然后到达信号处理机进行模数转换和信号处理得到回波数据。对回波数据的处理可以检测、识别和跟踪目标，同时获取目标的信息。其中，中频接收机有数字自动增益控制(AGC)，使接收机的增益随着信号的强弱进行调整，保持输出到信号处理机的信号幅度恒定在一定范围。因此，信号处理机得到的回波数据并不能直接反应雷达接收到信号的功率，其受到高频接收机增益、中频接收机数字AGC、信号处理算法的影响。但是，可以利用数字AGC电压值和回波数据估计雷达的接收功率。根据此接收功率和雷达测量的目标距离信息，可以得到目标的RCS信息。
当前，雷达接收功率估计的方法主要有两种：一是利用接收机的AGC电压值来估计，如专利文献《一种基于自动增益控制电压修正的目标RCS标定方法》(申请号：CN201410425832，公开号：CN104215949)，但在雷达接收信号较弱或较强时，AGC已经不起控的情况下，无法利用此方法估计雷达接收功率；二是通过信号处理机A/D值标定的方式，如文献《天气雷达接收功率标定的检验方法探讨》(“气象”，Vol.28，No.4，Apr.2002)，该方法存在雷达接收功率测量动态范围较小的缺陷，在AGC起控后A/D值基本恒定。
雷达在线估计目标RCS的方法主要包括：利用接收功率和位置信息估计和利用特征模板估计。其中，根据雷达方程可知，第一种方法的重点是接收功率的估计，但专利文献《一种雷达跟踪状态下预测目标RCS的方法》(申请号：CN201410289649，公开号：CN104076342)利用回波幅度和目标距离信息估计，重点介绍的是利用预测和滤波的方法估计RCS，专利文献《一种基于位置指纹的高空目标飞行高度和雷达截面积估计方法》(申请号：CN201510325672，公开号：CN105116393)利用位置信息和回波幅度估计，重点介绍的是位置信息的获取，没有介绍根据实际雷达系统估计回波幅度的问题；文献《对空情报雷达目标RCS估计方法》(“现代雷达”，Vol.36，No.3，Mar.2014)利用接收信噪比和目标距离信息估计目标RCS，但由于模数转换动态范围有限，存在目标信号较强时，接收信噪比不再随接收功率的变化而变化，进而影响目标RCS的估计；第二种方法是构建RCS特征模板来估计目标RCS，如专利文献《针对舰船的雷达散射截面检测方法》(申请号：CN200910081202，公开号：CN101526611)等，此种方法复杂性较高。
发明内容
本发明提供一种基于AGC电压和回波数据的雷达接收功率和RCS估计方法，接收功率估计动态范围大、RCS估计精度高、工程实现简单、实时性好、计算量小。
为了达到上述目的，本发明提供一种基于AGC电压和回波数据的雷达接收功率和RCS估计方法，包含以下步骤：
步骤S1、利用标定的方式，获得雷达发射检波电压与雷达发射功率的标定关系、雷达AGC电压与接收机增益的标定关系、接收机增益与回波幅度融合信息与雷达接收功率的标定关系；
步骤S2、在雷达跟踪状态下利用AGC电压和回波数据根据标定关系估计雷达接收功率；
所述的雷达跟踪状态是指雷达实时发射信号并接收回波信号；
步骤S3、利用估计的雷达接收功率和测量的目标距离信息估计目标RCS信息。
所述的标定关系包含多项式拟合关系曲线和映射表，所述的根据标定关系估计是指：利用多项式拟合关系曲线计算或利用映射表查找并插值计算。
所述的步骤S1中，标定方法包含以下步骤：
步骤S1.1、标定雷达发射检波电压与雷达发射功率的关系；
雷达发射检波电压v1与雷达发射功率Pt的关系可用多项式Pt＝y1(v1)拟合关系曲线表示，或建立映射表表示雷达发射检波电压v1与雷达发射功率Pt的关系；
步骤S1.2、断开雷达高频接收机收发端口与天线的连接，在高频接收机输入端口输入不同工作模式对应不同脉宽不同功率的雷达回波模拟信号；
步骤S1.3、标定不同工作模式对应不同脉宽条件下雷达AGC电压与接收机增益的关系，并根据标定关系计算获得接收机增益；
雷达AGC电压v2与接收机增益G的关系用多项式G＝y2(v2)拟合关系曲线表示，或建立映射表表示雷达AGC电压v2与接收机增益G的关系；
步骤S1.4、雷达信号处理机采集经过高频接收机、中频接收机增益调整后的回波信号得到回波数据，处理后得到回波数据的回波幅度信息；
步骤S1.5、将接收机增益和回波幅度信息融合，得到融合信息p；
步骤S1.6、标定不同工作模式对应不同脉宽条件下接收机增益与回波幅度融合信息与雷达接收功率的关系；
接收机增益与回波幅度融合信息p与雷达接收功率Pr的关系用多项式Pr＝y3(p)拟合关系曲线表示，或建立映射表表示接收机增益与回波幅度融合信息p与雷达接收功率Pr的关系。
所述的步骤S1中，所述的回波幅度信息为dB形式。
所述的步骤S2中，在雷达跟踪状态下估计雷达接收功率的步骤包含以下步骤：
步骤S2.1、利用AGC电压根据标定关系获取接收机增益；
测量雷达AGC电压v2，根据关系式G＝y2(v2)计算或利用映射表查找并插值计算得到当前雷达接收机增益G；
步骤S2.2、根据雷达回波数据获取回波幅度信息；
步骤S2.3、将接收机增益与回波幅度信息融合获得融合信息；
步骤S2.4、利用融合信息根据标定关系估计雷达接收功率；
根据关系式Pr＝y3(p)计算或利用映射表查找并插值计算得到雷达接收功率Pr。
所述的步骤S2中，对雷达接收功率Pr进行滤波处理，获得当前时刻接收功率Pr_k，将该当前时刻接收功率Pr_k作为雷达接收功率Pr，用于计算目标RCS信息。
所述的步骤S3中，估计目标RCS信息的步骤包含以下步骤：
步骤S3.1、利用雷达发射检波电压根据标定关系获取雷达发射功率；
测量雷达发射检波电压v1，根据关系式Pt＝y1(v1)计算或利用映射表查找并插值计算得到雷达发射功率Pt；
步骤S3.2、根据雷达回波数据测量得到目标距离信息；
步骤S3.3、根据雷达发射功率、目标距离信息和估计的雷达接收功率在线实时估计目标RCS信息；
雷达目标RCS值S：
S = ( 4 π ) 3 Pr R 4 PtG t 2 λ 2
其中，Pr为雷达接收功率，R为目标距离信息，Pt为雷达发射功率，Gt为雷达收发天线的增益，λ为雷达信号的波长。
所述的步骤S3中，对雷达目标RCS值S进行滤波处理，得到目标的RCS估计结果S_k。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1、本发明结合利用AGC电压和回波数据估计雷达接收功率，AGC是否起控对估计结果影响不大，在AGC起控时利用AGC电压估计雷达接收功率；在AGC不起控时，利用回波数据估计雷达接收功率，因此本方法具备接收功率估计动态范围大的优势；
2、本发明采用先标定后使用的方式，利用标定获得AGC电压与接收机增益的关系、发射检波电压与雷达发射功率的关系、AGC电压和回波幅度融合信息与雷达接收功率的关系，避免系统增益关系复杂和计算任务大，具备接收功率估计易于工程实现的优势；
3、本发明在估计雷达接收功率和RCS信息时不影响雷达正常工作，且能实时预判雷达跟踪当前目标的最大作用距离；
4、雷达在跟踪状态下利用估计的雷达接收功率和测量的目标距离信息估计目标RCS信息，具备实时性好、计算量小和估计精度高等优势；
5、本发明能同时估计雷达接收功率和目标RCS信息，可以获取目标更多的有效信息，便于后续雷达上位机对目标的分类识别和动作决策。
附图说明
图1是典型的RCS测量系统的结构示意图。
图2是雷达系统的结构示意图。
图3是本发明提供的一种基于AGC电压和回波数据的雷达接收功率和RCS估计方法的流程图。
图4是本发明中标定方法的流程图。
图5是本发明中估计雷达接收功率的流程图。
图6是本发明中估计目标RCS信息的流程图。
图7是不同脉冲宽度对应工作模式的雷达接收功率估计实测结果图。
具体实施方式
以下根据图1～图7，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，是典型的RCS测量系统的结构示意图，由信号源产生相应频率的射频信号，经发射机、发射天线到达目标或模型，然后反射回接收天线，再通过接收机、频谱仪到达控制及数据采集处理系统，根据采集的数据测量目标的RCS信息，隐身转台是为了测量目标不同角度的RCS信息。
如图2所示，雷达系统包含电性连接的天线，发射机，微波源，高频接收机，中频接收机和信号处理机，能够采集和处理数据，可以将雷达系统应用于跟踪目标过程中估计目标的RCS信息，该雷达系统具备AGC电压反馈和发射检波电压反馈能力，从而具备接收功率估计和目标RCS估计能力。
如图3所示，本发明提供一种基于AGC电压和回波数据的雷达接收功率和RCS估计方法，包含以下步骤：
步骤S1、利用标定的方式，获得雷达发射检波电压与雷达发射功率的标定关系、雷达AGC电压与接收机增益的标定关系、接收机增益与回波幅度融合信息与雷达接收功率的标定关系；
所述的标定关系包含多项式拟合关系曲线和映射表；
步骤S2、在雷达跟踪状态下利用AGC电压和回波数据根据标定关系估计雷达接收功率；
所述的雷达跟踪状态是指雷达实时发射信号并接收回波信号；
所述的根据标定关系估计是指：利用多项式拟合关系曲线计算或利用映射表查找并插值计算；
步骤S3、利用估计的雷达接收功率和测量的目标距离信息估计目标RCS信息。
如图4所示，所述的步骤S1中，标定方法包含以下步骤：
步骤S1.1、标定雷达发射检波电压与雷达发射功率的关系；
雷达发射检波电压v1与雷达发射功率Pt的关系可用多项式Pt＝y1(v1)拟合关系曲线表示，或建立映射表表示雷达发射检波电压v1与雷达发射功率Pt的关系；
在标定过程中记录当前雷达的发射检波电压v1，同时测量雷达发射功率Pt，这两组数据具备一一对应关系，据此建立映射表；
步骤S1.2、断开雷达高频接收机收发端口与天线的连接，在高频接收机输入端口输入不同工作模式对应不同脉宽不同功率的雷达回波模拟信号；
步骤S1.3、标定不同工作模式对应不同脉宽条件下雷达AGC电压与接收机增益的关系，并根据标定关系计算获得接收机增益；
雷达AGC电压v2与接收机增益G的关系用多项式G＝y2(v2)拟合关系曲线表示，或建立映射表表示雷达AGC电压v2与接收机增益G的关系；
在标定过程中记录当前雷达的AGC电压v2，同时测量雷达的接收机增益G，这两组数据具备一一对应关系，据此建立映射表；
根据标定关系计算获得接收机增益的步骤包含：根据雷达AGC电压值v2利用多项式拟合关系曲线计算或利用查找映射表插值计算获得接收机增益G；
步骤S1.4、雷达信号处理机采集经过高频接收机、中频接收机增益调整后的回波信号得到回波数据，处理后得到回波数据的回波幅度信息；
其中，将回波幅度信息转换成dB形式；
步骤S1.5、将接收机增益和回波幅度信息融合，得到融合信息p；
融合策略有多种，最简单的融合方式是两者相加；
步骤S1.6、标定不同工作模式对应不同脉宽条件下接收机增益与回波幅度融合信息与雷达接收功率的关系；
接收机增益与回波幅度融合信息p与雷达接收功率Pr的关系用多项式Pr＝y3(p)拟合关系曲线表示，或建立映射表表示接收机增益与回波幅度融合信息p与雷达接收功率Pr的关系；
在标定过程中记录当前的融合信息p，同时记录输入雷达高频接收机输入端口的雷达接收功率Pr，这两组数据具备一一对应关系，据此建立映射表。
如图5所示，所述的步骤S2中，在雷达跟踪状态下估计雷达接收功率的步骤包含以下步骤：
步骤S2.1、利用AGC电压根据标定关系获取接收机增益；
测量雷达AGC电压v2，根据关系式G＝y2(v2)计算或利用映射表查找并插值计算得到当前雷达接收机增益G；
步骤S2.2、根据雷达回波数据获取回波幅度信息；
步骤S2.3、将接收机增益与回波幅度信息融合获得融合信息；
步骤S2.4、利用融合信息根据标定关系估计雷达接收功率；
根据关系式Pr＝y3(p)计算或利用映射表查找并插值计算得到雷达接收功率Pr；
对雷达接收功率Pr进行滤波处理，获得当前时刻接收功率Pr_k，将该当前时刻接收功率Pr_k作为雷达接收功率Pr，用于计算目标RCS信息。
如图6所示，所述的步骤S3中，估计目标RCS信息的步骤包含以下步骤：
步骤S3.1、利用雷达发射检波电压根据标定关系获取雷达发射功率；
测量雷达发射检波电压v1，根据关系式Pt＝y1(v1)计算或利用映射表查找并插值计算得到雷达发射功率Pt；
步骤S3.2、根据雷达回波数据测量得到目标距离信息；
步骤S3.3、根据雷达发射功率、目标距离信息和估计的雷达接收功率在线实时估计目标RCS信息；
雷达目标RCS值S：
S = ( 4 π ) 3 Pr R 4 PtG t 2 λ 2
其中，Pr为雷达接收功率，R为目标距离信息，Pt为雷达发射功率，Gt为雷达收发天线的增益，λ为雷达信号的波长；
对雷达目标RCS值S进行滤波处理，得到目标的RCS估计结果S_k。
图7为不同脉冲宽度对应工作模式的雷达接收功率估计实测结果图。图中，横坐标表示实际输入雷达系统的信号功率，纵坐标表示通过本发明估计的雷达接收功率(没有滤波的单次估计结果)，工作模式1、2和3分别表示远距、中距和近距对应的信号脉宽由大到小的情况，从图中可以看出，雷达接收功率估计精度较高，动态范围达100dB，且脉冲宽度越宽，AGC电压越准确，对应的雷达接收功率估计精度越高，如图中工作模式1对应的曲线。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1、本发明结合利用AGC电压和回波数据估计雷达接收功率，AGC是否起控对估计结果影响不大，在AGC起控时利用AGC电压估计雷达接收功率；在AGC不起控时，利用回波数据估计雷达接收功率，因此本方法具备接收功率估计动态范围大的优势；
2、本发明采用先标定后使用的方式，利用标定获得AGC电压与接收机增益的关系、发射检波电压与雷达发射功率的关系、AGC电压和回波幅度融合信息与雷达接收功率的关系，避免系统增益关系复杂和计算任务大，具备接收功率估计易于工程实现的优势；
3、本发明在估计雷达接收功率和RCS信息时不影响雷达正常工作，且能实时预判雷达跟踪当前目标的最大作用距离；
4、雷达在跟踪状态下利用估计的雷达接收功率和测量的目标距离信息估计目标RCS信息，具备实时性好、计算量小和估计精度高等优势；
5、本发明能同时估计雷达接收功率和目标RCS信息，可以获取目标更多的有效信息，便于后续雷达上位机对目标的分类识别和动作决策。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种基于AGC电压和回波数据的雷达接收功率和RCS估计方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1、利用标定的方式，获得雷达发射检波电压与雷达发射功率的标定关系、雷达AGC电压与接收机增益的标定关系、接收机增益与回波幅度融合信息与雷达接收功率的标定关系；
步骤S2、在雷达跟踪状态下利用AGC电压和回波数据根据标定关系估计雷达接收功率；
所述的雷达跟踪状态是指雷达实时发射信号并接收回波信号；
步骤S3、利用估计的雷达接收功率和测量的目标距离信息估计目标RCS信息。
2.如权利要求1所述的基于AGC电压和回波数据的雷达接收功率和RCS估计方法，其特征在于，所述的标定关系包含多项式拟合关系曲线和映射表，所述的根据标定关系估计是指：利用多项式拟合关系曲线计算或利用映射表查找并插值计算。
3.如权利要求2所述的基于AGC电压和回波数据的雷达接收功率和RCS估计方法，其特征在于，所述的步骤S1中，标定方法包含以下步骤：
步骤S1.1、标定雷达发射检波电压与雷达发射功率的关系；
雷达发射检波电压v1与雷达发射功率Pt的关系可用多项式Pt＝y1(v1)拟合关系曲线表示，或建立映射表表示雷达发射检波电压v1与雷达发射功率Pt的关系；
步骤S1.2、断开雷达高频接收机收发端口与天线的连接，在高频接收机输入端口输入不同工作模式对应不同脉宽不同功率的雷达回波模拟信号；
步骤S1.3、标定不同工作模式对应不同脉宽条件下雷达AGC电压与接收机增益的关系，并根据标定关系计算获得接收机增益；
雷达AGC电压v2与接收机增益G的关系用多项式G＝y2(v2)拟合关系曲线表示，或建立映射表表示雷达AGC电压v2与接收机增益G的关系；
步骤S1.4、雷达信号处理机采集经过高频接收机、中频接收机增益调整后的回波信号得到回波数据，处理后得到回波数据的回波幅度信息；
步骤S1.5、将接收机增益和回波幅度信息融合，得到融合信息p；
步骤S1.6、标定不同工作模式对应不同脉宽条件下接收机增益与回波幅度融合信息与雷达接收功率的关系；
接收机增益与回波幅度融合信息p与雷达接收功率Pr的关系用多项式Pr＝y3(p)拟合关系曲线表示，或建立映射表表示接收机增益与回波幅度融合信息p与雷达接收功率Pr的关系。
4.如权利要求3所述的基于AGC电压和回波数据的雷达接收功率和RCS估计方法，其特征在于，所述的步骤S1中，所述的回波幅度信息为dB形式。
5.如权利要求3或4所述的基于AGC电压和回波数据的雷达接收功率和RCS估计方法，其特征在于，所述的步骤S2中，在雷达跟踪状态下估计雷达接收功率的步骤包含以下步骤：
步骤S2.1、利用AGC电压根据标定关系获取接收机增益；
测量雷达AGC电压v2，根据关系式G＝y2(v2)计算或利用映射表查找并插值计算得到当前雷达接收机增益G；
步骤S2.2、根据雷达回波数据获取回波幅度信息；
步骤S2.3、将接收机增益与回波幅度信息融合获得融合信息；
步骤S2.4、利用融合信息根据标定关系估计雷达接收功率；
根据关系式Pr＝y3(p)计算或利用映射表查找并插值计算得到雷达接收功率Pr。
6.如权利要求5所述的基于AGC电压和回波数据的雷达接收功率和RCS估计方法，其特征在于，所述的步骤S2中，对雷达接收功率Pr进行滤波处理，获得当前时刻接收功率Pr_k，将该当前时刻接收功率Pr_k作为雷达接收功率Pr，用于计算目标RCS信息。
7.如权利要求6所述的基于AGC电压和回波数据的雷达接收功率和RCS估计方法，其特征在于，所述的步骤S3中，估计目标RCS信息的步骤包含以下步骤：
步骤S3.1、利用雷达发射检波电压根据标定关系获取雷达发射功率；
测量雷达发射检波电压v1，根据关系式Pt＝y1(v1)计算或利用映射表查找并插值计算得到雷达发射功率Pt；
步骤S3.2、根据雷达回波数据测量得到目标距离信息；
步骤S3.3、根据雷达发射功率、目标距离信息和估计的雷达接收功率在线实时估计目标RCS信息；
雷达目标RCS值S：
S = ( 4 π ) 3 PrR 4 PtG t 2 λ 2
其中，Pr为雷达接收功率，R为目标距离信息，Pt为雷达发射功率，Gt为雷达收发天线的增益，λ为雷达信号的波长。
8.如权利要求7所述的基于AGC电压和回波数据的雷达接收功率和RCS估计方法，其特征在于，所述的步骤S3中，对雷达目标RCS值S进行滤波处理，得到目标的RCS估计结果S_k。
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