CN106526583B - 一种基于天线方向图信息的地面运动目标定位方法 - Google Patents

一种基于天线方向图信息的地面运动目标定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于天线方向图信息的地面运动目标定位方法，该方法包括：(1)求取距离脉压后的和通道数据和距离脉压后的差通道数据；(2)求出实际情况下天线波束宽度内的和、差测角曲线；(3)计算出理想情况下的和、差天线方向图，并求出理想情况下天线波束宽度内的和、差测角曲线；(4)计算实际的和、差测角曲线与理想的和、差测角曲线的相位误差；(5)对实际测角曲线进行相位误差补偿，求出经过相位补偿后的改进的测角曲线；(6)求出目标相对于波束中心的角度偏移量；(7)求出目标在空间的真实几何位置，实现对检测到的所有点目标的精确定位。通过本发明大大地提高了位置精度，测试效果更加稳定。

Description

一种基于天线方向图信息的地面运动目标定位方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种基于天线方向图信息的地面运动目标定位方法。
背景技术
机载雷达通过发射大的时宽带宽积信号来提高距离向分辨率，利用载机平台与地面目标的相对运动而引起的多普勒频移来提高方位向分辨率，合成孔径雷达(SyntheticAperture Radar,SAR)作为一种对地观测的重要传感器系统，具有全天候、全天时、高分辨的特点，通过与地面动目标检测(Ground Moving Target Indication,GMTI)相结合的SAR-GMTI技术，可以很好的实现对地面静止场景和感兴趣的运动目标的检测，然后，当雷达工作在SAR-GMTI模式时，雷达波束通常是固定不动的，当目标脱离雷达波束视线时，雷达很难做到对感兴趣目标的实时跟踪，为了实现对感兴趣的运动目标的多视角检测与跟踪，国内外学者提出了Scan-GMTI技术，即将雷达波束工作在扫描模式下，通过一个窄波束对360°空域进行扫描，并在各个视角下分别进行成像与动目标检测，通过多视角的成像与检测提高对地面运动目标的检测能力。
由于载机平台的运动，地面杂波谱会产生展宽，因此需要采用沿航迹干涉(AlongTrack Interferometry,ATI)，相位中心偏置天线(Displaced Phase Center Antenna,DPCA)，空时自适应处理(Space-Time Adaptive Processing,STAP)及其降维形式进行杂波抑制，杂波抑制完成之后，就需要对目标进行定位，由于天线加工工艺，天线阵元位置以及通道特性的影响，各个接收通道之间的幅相特性并不是完全一致的，引起运动目标定位精度的大幅度下降，对后期的对地精确打击造成了很大影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：由于天线加工工艺，天线阵元位置以及通道之间的幅相特性并不是完全一致的影响，从而引起运动目标定位精度的大幅度下降。
为解决上面的技术问题，本发明提供了一种基于天线方向图信息的地面运动目标定位方法，该方法步骤包括如下：
S1，对机载雷达的原始回波信号的和通道数据、差通道数据分别进行距离向的脉冲压缩和距离走动校正处理，得到距离脉压后的和通道数据、距离脉压后的差通道数据；
S2，根据实际的雷达系统参数对和、差通道的天线方向图进行建模，得到理想情况下的和、差测角曲线在天线波束宽度内的测角曲线K；
S3，将微波暗室实测得到的和通道数据SΣ以及微波暗室实测得到差通道数据SΔ进行和、差测角，得到实际情况下的和、差测角曲线在天线波束宽度内的测角曲线K'；
S4，根据实际的和、差测角曲线K'与理想的和、差测角曲线K利用最小二乘准则计算出相位误差
S5，根据相位误差求出最小二乘相位补偿因子对实际情况下的和、差通道的测角曲线乘以相位补偿因子得到相位误差补偿后在天线波束宽度内的改进测角曲线
S6，对和通道数据中的数据进行单元恒虚警检测，对经过恒虚警检测后的和通道数据与步骤S1中的距离脉压后的差通道数据进行相位补偿，然后利用S5中改进的测角曲线K”对检测后的和通道目标数据以及与和通道目标数据相对应的差通道目标数据进行和、差测角，求出目标相对于波束中心的角度偏移量；
S7，依据S6中的角度偏移量以及目标当时所在的波束中心角，求出目标在空间的真实几何位置，实现对检测到的所有点目标的精确定位。
本发明的有益效果：通过这样的方法，天线阵元位置以及通道之间的幅相特性能够调节到完全一致的水平，从而使得运动目标定位精度的大幅度提升。
进一步，所述的S2的测角曲线K和所述的S3中的测角曲线K'均是在天线波束宽度内测得的。
进一步，步骤S2中，所述理想情况下的和、差测角曲线在天线波束宽度内的测角曲线K，其表达式为：
其中，j是虚数单位，θi表示天线波束在第i个波束指向的波束中心角，D表示天线孔径长度，λ为天线波长，δθ为相对于波束中心的角度偏移量。
进一步，步骤S3中，所述实际情况下的和、差测角曲线在天线波束宽度内的测角曲线K'，其表达式为：
其中，其中A1和A2分别表示通道1和通道2的幅度误差，和表示通道1和通道2的相位误差，和分别表示由于通道失配所引起的和通道信号与差通道信号，j是虚数单位。
进一步，步骤S4中，所述实际的天线方向图与理想的天线方向图的相位误差角采用最小二乘准则求得，并且满足如下约束关系式
进一步，步骤S5中，所述对实际测角曲线进行补偿，得到在天线波束宽度内的改进测角曲线K”，即
其中
D表示天线孔径长度，λ为天线波长,j是虚数单位。
有益效果：利用了实际方向图与理想方向图之间的相位差异，拟合出实际天线方向图的鉴角曲线，利用相位差异对机载雷达的回波数据进行补偿，通过实际的鉴角曲线对前视场景进行单脉冲测角，得到的实测测试位置更加稳健，位置更精确。
进一步，步骤S6中，具体为设检测出的目标所在的和、差通道数据分别为与TΔ,l(m,n)，其中m表示第m个距离单元，m为(1、2、3、…、m、…、M)，n表示第n个脉冲单元，n为(1、2、3、…、n、…N)，l表示第l个目标，l为(1、2、3、…、l、…、L)，对恒虚警检测到的第l个目标乘以相位补偿因子进行相位补偿，然后采用改进的测角曲线K”对恒虚警检测到的目标进行采用和、差测角，得到第l个目标相对于第i个波束中心角θi的偏离量δθl。
进一步，所述第l个点目标在m个距离单元第n个脉冲，其相对于主波束的角度偏离量为δθl，δθl采用下式求解：
D表示天线孔径长度，λ为天线波长，atan(·)表示求反正切值，imag(·)表示求虚部运算。其中θi表示第i个波束中心。
进一步，所述的S7，具体为该点目标在空间的真实位置θl＝θi+δθl，其中θi表示第i个波束中心，θl是表示目标l点的位置。
进一步，所述S7还包括：对S6中检测到的L个点目标采用改进的测角曲线K”进行测角，求得点目标在空间的真实位置θl＝θi+δθl，直至第i个波束内的所有L个目标处理完毕，i为(1、2、3、…、i、…、I)，对I个波束内的所有目标进行目标的检测与定位，直至所有的波束处理完毕。
附图说明
图1是本发明的地面运动目标定位方法流程图；
图2是传统方法的单脉冲测角曲线示意图；
图3是本发明方法的单脉冲测角曲线示意图；
图4是传统方法的动目标定位结果示意图；
图5是本发明方法的动目标定位结果示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例
如附图1所示的，一种基于天线方向图信息的地面运动目标定位方法，该方法步骤包括如下：
S1，对机载雷达的原始回波信号的和通道数据、差通道数据分别进行距离向的脉冲压缩和距离走动校正处理，得到距离脉压后的和通道数据、距离脉压后的差通道数据；
S2，根据实际的雷达系统参数对和、差通道的天线方向图进行建模，得到理想情况下的和、差测角曲线在天线波束宽度内的测角曲线K；
理想情况下的和、差测角曲线在天线波束宽度内的测角曲线K，其表达式为：
其中，θi表示天线波束在第i个波束指向的波束中心角，D表示天线孔径长度，λ为天线波长，δθ为相对于波束中心的角度偏移量，j是虚数单位。
S3，将微波暗室实测得到的和通道数据SΣ以及微波暗室实测得到差通道数据SΔ进行和、差测角，得到实际情况下的和、差测角曲线在天线波束宽度内的测角曲线K'；
实际情况下的和、差测角曲线在天线波束宽度内的测角曲线K'，其表达式为：
其中，j是虚数单位，其中A1和A2分别表示通道1和通道2的幅度误差，和表示通道1和通道2的相位误差，和分别表示由于通道失配所引起的和通道信号与差通道信号。
S4，根据实际的和、差测角曲线K'与理想的和、差测角曲线K利用最小二乘准则计算出相位误差此处的相位误差是先假设，满足下面的方程式的，通过联结步骤S5的两条方程，两个未知数，可以求解出(K”)，然后再求出
实际的天线方向图与理想的天线方向图的相位误差角采用最小二乘准则求得，并且满足如下约束关系式
S5，根据相位误差求出最小二乘相位补偿因子对实际情况下的和、差通道的测角曲线乘以相位补偿因子得到相位误差补偿后在天线波束宽度内的改进测角曲线
对实际测角曲线进行补偿，得到在天线波束宽度内的改进测角曲线K”，
即
其中
D表示天线孔径长度，λ为天线波长,j是虚数单位。
S6，对和通道数据中的数据进行单元恒虚警检测，对经过恒虚警检测后的和通道数据与步骤S1中的距离脉压后的差通道数据进行相位补偿，然后利用改进的测角曲线K”对检测后的和通道目标数据以及与和通道目标数据相对应的差通道目标数据进行和、差测角，求出目标相对于波束中心的角度偏移量；
其具体为设检测出的目标所在的和、差通道数据分别为TΣ,l(m,n)与TΔ,l(m,n)，其中m表示第m个距离单元，m为(1、2、3、…、m、…、M)，n表示第n个脉冲单元，n为(1、2、3、…、n、…N)，l表示第l个目标，l为(1、2、3、…、l、…、L)，对恒虚警检测到的第l个目标乘以相位补偿因子进行相位补偿，然后采用改进的测角曲线K”对恒虚警检测到的目标进行采用和、差测角，得到第l个目标相对于第i个波束中心角θi的偏离量δθl。
第l个点目标在m个距离单元第n个脉冲，其相对于主波束的角度偏离量为δθl，δθl采用下式求解：
D表示天线孔径长度，λ为天线波长，atan(·)表示求反正切值，imag(·)表示求虚部运算，其中θi表示第i个波束中心。
S7，依据S6中的角度偏移量以及目标当时所在的波束中心角，求出目标在空间的真实几何位置，实现对检测到的所有点目标的精确定位。
其具体为该点目标在空间的真实位置θl＝θi+δθl，其中θi表示第i个波束中心，θl是表示目标l点的位置；
对S6中检测到的L个点目标采用改进的测角曲线K”进行测角，求得点目标在空间的真实位置θl＝θi+δθl，直至第i个波束内的所有L个目标处理完毕，i为(1、2、3、…、i、…、I)，对I个波束内的所有目标进行目标的检测与定位，直至所有的波束处理完毕。
1)仿真实验环境：
实验环境：MATLAB R2009b,Intel(R)Pentium(R)2CPU 2.7GHz，Window 7旗舰版。
2)仿真实验内容及结果分析：
将机载雷达获取的回波数据，在仿真实验环境下，分别应用传统的单脉冲干涉动目标定位方法和本发明方法进行目标定位。图2和图3分别是原始的测角曲线和本发明方法所提的改进的测角曲线。采用这两种测角曲线分别对检测到的运动目标进行定位，定位结果如图4和图5所示。成像角度范围是载机正前方正负15°的范围。
从图2可以看出，由于受接收通道的幅相误差的影响，原始的测角曲线的斜率较小，测角曲线的一部分能量泄漏到了实部，这意味着对于和、差比值较小的一些点目标很难准确估计出其角度偏移量。
从图3可以看出，经过相误差补偿之后，改进的测角曲线的斜率变大，这意味着对不同的和、差比值的点目标其对应的其角度偏移量的区分度变大。
从图4中可以看出，由于受实际天线方向图相位误差影响，传统的单脉冲干涉动目标定位方法具有一定的模糊性，特别是目标定位比较分散。
从图5中可以看出，本发明方法的动目标定位结果中，目标航迹的显示更加集中，说明本发明方法具有稳健性，可以提高动目标的定位精度。
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于天线方向图信息的地面运动目标定位方法，其特征在于,该方法包括如下步骤：
S1，对机载雷达的原始回波信号的和通道数据、差通道数据分别进行距离向的脉冲压缩和距离走动校正处理，得到脉冲压缩和距离走动校正后的和通道数据、差通道数据；
S2，根据实际的雷达系统参数对和、差通道的天线方向图进行建模，得到理想情况下的和、差测角曲线在天线波束宽度内的测角曲线K；
S3，将微波暗室实测得到的和通道数据SΣ以及微波暗室实测得到差通道数据SΔ进行和、差测角，得到实际情况下的和、差测角曲线在天线波束宽度内的测角曲线K'；
S4，根据实际的和、差测角曲线K'与理想的和、差测角曲线K，利用最小二乘准则计算出相位误差
S5，根据相位误差求出最小二乘相位补偿因子令实际情况下的和、差通道的测角曲线乘以相位补偿因子得到相位误差补偿后在天线波束宽度内的改进测角曲线
S6，对和通道数据中的数据进行单元恒虚警检测，检测出目标，利用相位补偿因子对检测后的和通道目标数据以及与和通道目标数据相对应的差通道目标数据进行相位补偿，然后利用S5中改进的测角曲线K”对检测后的和通道目标数据以及与和通道目标数据相对应的差通道目标数据进行和、差测角，求出目标相对于波束中心的角度偏移量；
S7，依据S6中的角度偏移量以及目标当时所在的波束中心角，求出目标在空间的真实几何位置，实现对检测到的所有点目标的精确定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于天线方向图信息的地面运动目标定位方法，其特征在于，
步骤S2中，所述理想情况下的和、差测角曲线在天线波束宽度内的测角曲线K，其表达式为：
其中，j是虚数单位，θi表示天线波束在第i个波束指向的波束中心角，D表示天线孔径长度，λ为天线波长，δθ为相对于波束中心的角度偏移量。
3.根据权利要求2所述的一种基于天线方向图信息的地面运动目标定位方法，其特征在于，
步骤S3中，所述实际情况下的和、差测角曲线在天线波束宽度内的测角曲线K'，其表达式为：
其中，其中A1和A2分别表示和通道和差通道的幅度误差，和表示和通道和差通道的相位误差，和分别表示由于通道失配所引起的和通道信号与差通道信号，θi是第i个波束指向的波束中心角，j是虚数单位。
4.根据权利要求1所述的一种基于天线方向图信息的地面运动目标定位方法，其特征在于，
步骤S4中，所述相位误差采用最小二乘准则求得，并且满足如下约束关系式，
5.根据权利要求3所述的一种基于天线方向图信息的地面运动目标定位方法，其特征在于，步骤S5中，对实际情况下的和、差通道测角曲线进行补偿，得到在天线波束宽度内的改进测角曲线K”，即
其中
D表示天线孔径长度，λ为天线波长,j是虚数单位。
6.根据权利要求1所述的一种基于天线方向图信息的地面运动目标定位方法，其特征在于，步骤S6，设检测出的目标所在的和、差通道数据分别为TΣ,l(m,n)与TΔ,l(m,n)，其中m表示第m个距离单元，m为1、2、3、…、m、…、M，n表示第n个脉冲单元，n为1、2、3、…、n、…、N，l表示第l个目标，l为1、2、3、…、l、…、L，对恒虚警检测到的第l个目标乘以相位补偿因子进行相位补偿，然后采用改进的测角曲线K”对恒虚警检测到的目标进行和、差测角，得到第l个目标相对于第i个波束中心角θi的偏移量δθl。
7.根据权利要求6所述的一种基于天线方向图信息的地面运动目标定位方法，其特征在于，第l个目标在m个距离单元第n个脉冲，其相对于第i个波束中心角θi的偏移量为δθl，δθl采用下式求解：
D表示天线孔径长度，λ为天线波长，arctan(·)表示求反正切值，imag(·)表示求虚部运算，其中θi表示第i个波束中心角。
8.根据权利要求7所述的一种基于天线方向图信息的地面运动目标定位方法，其特征在于，所述的S7，具体为该点目标在空间的真实位置θl＝θi+δθl，其中θi表示第i个波束中心角，θl是表示目标l点的波束中心角。
9.根据权利要求8所述的一种基于天线方向图信息的地面运动目标定位方法，其特征在于，所述S7还包括：对S6中检测到的L个点目标采用改进的测角曲线K”进行测角，求得点目标在空间的真实位置θl＝θi+δθl，直至第i个波束内的所有L个目标处理完毕，i为1、2、3、…、i、…、I，对I个波束内的所有目标进行目标的检测与定位，直至所有的波束处理完毕。
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