CN107918115A

CN107918115A - 基于多径利用的雷达目标定位方法

Info

Publication number: CN107918115A
Application number: CN201710983123.5A
Authority: CN
Inventors: 张娟; 王梦娜; 张林让; 刘楠; 周宇
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2018-04-17
Anticipated expiration: 2037-10-20
Also published as: CN107918115B

Abstract

本发明公开了一种基于多径利用的雷达目标定位方法，主要解决现有技术在多径环境下对雷达点目标定位不准确的问题。其实现步骤是：1.产生发射信号得到回波数据；2.对回波数据处理得到不同路径的波达时间；3.建立雷达目标几何定位模型；4.将得到的不同路径波达时间带入建立的几何定位模型中；5.初始化起始搜索点；6.将几何定位模型与起始搜索点输入到搜索函数lsqnonlin，利用搜索函数lsqnonlin，搜索得到准确的目标位置；7.将搜索得到目标位置扩展到三维空间。本发明方法能有效利用多径信息，所建立的几何定位模型简单，成本较低，提高了定位精度，可用于对低空点目标的定位。

Description

基于多径利用的雷达目标定位方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种目标定位方法，可用于对低空点目标的定位。

背景技术

在多径环境下，使用雷达对点目标进行定位时，由于地海面及周围环境对电磁波的反射，从目标返回的回波信号通过不同路径到达雷达天线，产生多径效应。多径效应的存在，使得雷达对目标定位的精度降低，甚至产生虚假目标。通常来说，对于具有较大仰角的点目标，多路径分量从雷达天线副瓣进入，此时单脉冲雷达可以高精度定位。但是对于低仰角点目标，由于多路径信号进入和、差主波束，将出现较大的定位误差，甚至会导致定位失败。此时若使用传统的匹配滤波方法定位，由于受到多径信号的干扰，雷达将会误测出多个假目标，从而无法准确测出目标的真实位置。

对于多径的影响，传统的方法主要是抑制多径信号来获取目标的真实位置信息。比如：通过改变天线放置策略，使直达波信号和多径信号几乎同时到达天线，或设计地平面天线，遮挡来自天线下方的多径信号。但是这些方法的使用范围有一定限制，对不同路径的波达时间精准度有严格的要求，仅适合延迟较短的多径环境。同时，接收天线受多径信号的影响，雷达会误测出多个假目标，并存在着成本较高、处理复杂、适用范围小的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有方法的不足，提出一种基于多径利用的雷达目标定位方法，以避免假目标的出现，提高目标真实位置的检测准确性，同时降低成本和处理复杂度，扩大其适用范围。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)获取雷达发射信号s_t(t)的回波数据s_r(t)，得到不同路径的波达时间τ_A、τ_B、τ_AB，其中，τ_A为直达波的波达时间，τ_B为二阶多径的波达时间，τ_AB一阶多径的波达时间。

(2)建立雷达目标几何定位模型：

2a)建立站心坐标系，在站心坐标系中定义一部单基地雷达位置Q和点目标位置A：

Q＝[R_x,R_y]，A＝[A_x,A_y]；

2b)在站心坐标系中对反射面信息初始化，根据雷达位置关于反射面的对称位置，得到虚拟雷达的位置点P：

P＝[D_x,D_y]；

2c)根据单基地雷达位置Q、点目标位置A、虚拟雷达的位置P和反射面信息，建立数学模型表达式：

其中，第一个表达式是以Q＝[R_x,R_y]点为圆心的圆，是直达波信号的几何模型；

第二个表达式是以Q＝[R_x,R_y]、P＝[D_x,D_y]点为焦点的椭圆，是一阶多径信号的几何模型；

第三个表达式是以P＝[D_x,D_y]为圆心的圆，是二阶多径的几何模型；

c为电磁波在空间中的传播速度，[T_x,T_y]为要测量的目标位置；

(3)利用搜索函数lsqnonlin，搜索得到准确的目标位置：

3a)将步骤(1)中得到的不同路径波达时间τ_A、τ_B、τ_AB带入步骤(2)中建立的数学模型中：

3b)在站心坐标系中初始化起始搜索点：X0＝[X₀,Y₀]；

其中，X0＝[X₀,Y₀]为lsqnonlin函数的起始搜索点；

3c)将步骤3a)和步骤3b)的参数输入到搜索函数lsqnonlin中，搜索得到准确的目标位置；

(4)将搜索得到目标位置扩展到三维空间，得到雷达对低空目标的定位参数。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、检测位置准确。

在多径环境下，传统的匹配滤波方法将受到多径信号的干扰，且对各路径波达时间的准确度要求较高，无法准确测出目标的位置。本发明由于所建模型是对各路径波达时间的综合判断，因此，对各路径回波信号的波达时间准确度不敏感，可以准确地测出目标位置信息。

2、模型简单、成本低。

为减弱多径效应对目标定位的影响，传统方法是采取抑制多径效应的方法，需要多个接收天线来接收信号，并且对接收信号处理算法复杂。本发明是利用多径信息，建立雷达目标几何定位模型，根据各路径的波达时间与几何定位模型得到数学模型，由数学模型得到目标的真实位置，模型简单，成本较低。

3、本发明在原有的二维基础上可扩展到三维空间，符合实际要求。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是多径环境下雷达目标几何定位原理图；

图3是在设定的目标和环境参数下，用本发明得到反射面是水平状态下的定位结果图；

图4是在设定的目标和环境参数下，用本发明得到反射面是倾斜状态下的定位结果图。

具体实施方式

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1：获取雷达回波数据。

雷达发射信号s_t(t)，得到回波数据为s_r(t)：

其中为卷积符号，h_k(t)为直达波信道传输响应函数，h_k′(t)为多径信道传输响应函数，n(t)为接收机噪声信号，可看作高斯白噪声信号。

步骤2：根据回波数据得到不同路径的波达时间。

对接收到的回波数据s_r(t)进行匹配滤波，得到不同路径的波达时间τ_A、τ_B、τ_AB，其中，τ_A为直达波的波达时间，τ_B为二阶多径的波达时间，τ_AB一阶多径的波达时间。

步骤3：建立雷达目标几何定位模型。

参照图2，定义一部单基地雷达和点目标分别在Q点和A点处，假设目标的反射面为镜面反射，反射点在B点，此时，雷达、点目标、反射点构成二维场景，在该二维场景下建立雷达目标几何定位模型，步骤如下：

3a)建立站心坐标系：

站心坐标系是以雷达为原点，以雷达和雷达虚拟雷达的连线为x轴，以过雷达原点并垂直于雷达和雷达虚拟雷达的连线为y轴，以过雷达原点并垂直于xoy平面为z轴所建立的，由于雷达、点目标和反射点构成二维场景，可放置于xoy平面，因此，设置z等于0；

3b)在站心坐标系中定义一部单基地雷达位置Q和点目标位置A：

Q＝[R_x,R_y]，A＝[A_x,A_y]；

3c)在站心坐标系中对目标反射面信息初始化，设置目标反射面俯仰角和方位角，根据雷达位置关于目标反射面的对称位置，得到虚拟雷达的位置点P：

P＝[D_x,D_y]；

3d)参照图2，根据单基地雷达位置Q、点目标位置A、虚拟雷达的位置P和目标反射面之间的关系可以得到：

对于直达波时延τ_A，几何图是以Q点为圆心，以QA长度为半径的实线圆；

对于一阶多径时延τ_AB，由于QA+AB+BQ＝QA+AB+BP＝QA+AP，即QA+AP可以看成双基地雷达，即信号从真实雷达Q发出到目标，再由虚拟雷达P接收，得到以Q、P为焦点的虚线椭圆；

对于二阶多径时延τ_B，几何图是以P点为圆心，以AP长度为半径的虚线圆；

由上面τ_A、τ_AB、τ_B组成的几何图，建立数学模型表达式：

其中，第一个表达式是以Q(R_x,R_y)点为圆心的圆，是直达波信号的几何模型；

第二个表达式是以Q(R_x,R_y)、P(D_x,D_y)为焦点的椭圆，是一阶多径信号的几何模型；

第三个表达式是以P(D_x,D_y)为圆心的圆，是二阶多径的几何模型；

c为电磁波在空间中的传播速，[T_x,T_y]为要测量的目标位置。

步骤4：将步骤(2)中得到的不同路径波达时间τ_A、τ_B、τ_AB带入步骤(3)中建立的数学模型中。

步骤5：初始化起始搜索点X0＝[X₀,Y₀]。

对起始搜索点X0＝[X₀,Y₀]初始化时需要设定在雷达坐标上部，即高于雷达坐标，这样便于搜索目标位置，可设定为X0＝[X₀,Y₀]＝[R_x+a,R_y+b]，a,b取相对于雷达坐标[R_x,R_y]较小的任意数值。

步骤6：利用数学模型和起始搜索点搜索得到目标位置。

将步骤(4)中的数学模型与步骤(5)中的起始搜索点输入到搜索函数lsqnonlin中，利用搜索函数lsqnonlin，搜索得到目标位置。

所用的搜索函数lsqnonlin，是商用软件MATLAB中的优化工具自带函数，通过打开MATLAB软件，在优化工具中可找到该lsqnonlin函数。

步骤7：将搜索得到目标位置扩展到三维空间。

根据目标反射面与雷达、目标、反射点所组成的平面具有垂直关系的特性，可将雷达、点目标、反射点所组成的平面唯一确定在空间中，因此要得到目标的三维空间坐标，就需将站心坐标系进行坐标系平移、旋转等变换与地心坐标系重合，最终得到目标在地心坐标系下的坐标[A_x',A_y',A_z']，其实现步骤如下：

7a)根据地心坐标系与站心坐标系之间相对位置的坐标关系，得到平移矩阵D：

7b)根据两坐标系之间的旋转关系，得到旋转矩阵F：

7c)根据平移矩阵D、旋转矩阵F，得到目标在地心坐标系下的坐标[A_x',A_y',A_z']：

其中，符号*表示矩阵相乘，D^-1和F^-1表示对D矩阵和F矩阵进行求逆，[T_x,T_y,T_z]是目标在站心坐标系中的位置。

本发明的效果可通过以下仿真进一步验证。

1.实验条件：

设雷达参数相同、反射面参数不同，

参照图2中建好的坐标系，定义雷达的坐标矢量为Q＝[0,20000]m,假定目标的坐标矢量为A＝[20000,30000]m。

2.实验内容和结果：

实验1，在反射面为水平状态，各路径的波达时间为τ_A＝1.4907e-04s、τ_B＝1.3728e-04s、τ_AB＝1.4317e-04s的条件下，用本发明方法对低空点目标进行定位，结果如图3所示。

实验2，在反射面为倾斜状态，方位角α＝30°和俯仰角β＝45°，各路径的波达时间为τ_A＝4.6361e-04s、τ_B＝8.7261e-04s、τ_AB＝6.6811e-04s的条件下，用本发明方法对低空点目标进行定位，结果如图4所示。

从图3和图4可以看出，本发明方法仿真的目标位置结果与实验中所设置的目标位置差值大约为：[-2.5326,5.5583]m；对于目标距离雷达20km，此误差相对较小。证明本发明方法对低仰角多径环境下目标定位有很高的精度。

本发明不仅能对多径环境下的雷达点目标进行定位，而且在工程上容易实现。

Claims

1.一种基于多径利用的雷达目标定位方法，其特征在于利用多径信息对目标进行定位，包括：

(2)建立雷达目标几何定位模型：

Q＝[R_x,R_y]，A＝[A_x,A_y]；

P＝[D_x,D_y]；

(3)利用搜索函数lsqnonlin，搜索得到准确的目标位置：

3b)在站心坐标系中初始化起始搜索点：X0＝[X₀,Y₀]；

其中，X0＝[X₀,Y₀]为lsqnonlin函数的起始搜索点；

(4)将搜索得到目标位置扩展到三维空间，得到雷达对低空目标的定位坐标。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4)中将搜索得到目标位置扩展到三维空间，按如下步骤进行：

4a)根据地心坐标系与站心坐标系之间相对位置的坐标关系，得到平移矩阵D：

4b)根据地心坐标系与站心坐标系之间的旋转关系，得到旋转矩阵F：

4c)根据平移矩阵D和旋转矩阵F，得到目标在地心坐标系下的坐标[A_x',A_y',A_z']：

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3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤中2a)建立站心坐标系，是以雷达为原点，以雷达和雷达虚拟雷达的连线为x轴，以过雷达原点并垂直于雷达和雷达虚拟雷达的连线为y轴，以过雷达原点并垂直于xoy平面为z轴所建立的，且z等于0。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)中所用的搜索函数lsqnonlin，是商用软件MATLAB中的优化工具自带函数，通过打开MATLAB软件，在优化工具中可找到该lsqnonlin函数。