CN108761420B - 一种基于mems的船用固态导航雷达目标检测的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于MEMS的船用固态导航雷达目标检测的补偿方法，将MEMS惯性测量单元安装于雷达的横杆天线的旋转中心上，对MEMS惯性测量单元初始化，并建立误差模型进行补正，将采集到的MEMS三轴数据转换为角速度分量；根据角速度分量计算雷达平台相对于当地水平坐标系的三轴旋转角；通过三轴旋转角以及船用固态导航雷达天线增益的主瓣分布调整横杆天线发射增益，将横杆天线发射增益及有效峰值发射功率通过卡尔曼滤波补偿到雷达输入端接收的信号的信噪比，利用恒虚警率计算检测门限电压，将截取的检测目标信号结果输出。本发明充分利用MEMS惯性测量单元的特性，可以在自身船舶起伏不定的情况下，维持船用固态导航雷达目标检测的精准性与稳定性。

Description

一种基于MEMS的船用固态导航雷达目标检测的补偿方法

技术领域

本发明涉及船用导航雷达领域，具体是一种基于MEMS的船用固态导航雷达目标检测的补偿方法。

背景技术

船用导航雷达领域极其重视目标探测的准确性与稳定性，这也是衡量船用固态导航雷达性能的一个标准。船用固态导航雷达采用全固态发射机，天线的信号发射方向为竖直方向的扇形发射，至于扇形的大小和天线的设计有关，扇形区域内为主瓣方向，扇形区域外至与天线平行的区域属于天线的旁瓣，天线的后方属于天线的背瓣。当雷达上下起伏时，天线检测目标时采用的发射功率发生相对应的变化。而在当前海洋环境中，由于大风大浪等自然因素的影响，极有可能造成自身船体(即载体)上下颠簸，使得导航雷达天线的发射波部分偏离发射角度。这种情况下会造成导航雷达天线的发射波主要增益发生变化，直接改变船用固态导航雷达接收的信噪比(SNR)。

现有的对起伏目标的检测主要是根据Swerling提出的五种Swerling模型，其中典型的文献是《Probability of Detection for Fluctuating Targets》(发表于《IRETransactions on Information Theory》，1960年4月，第六卷，269-308页)，该方法的理论是：目标的幅度是根据多个自由度的χ²概率密度函数独立变化的。但该方法只是对检测目标的起伏进行了分析，基于自身船体的起伏并没有在其中考虑，而目标起伏与自身起伏会减小信噪比，或等效降低检测概率，使得部分有用信号丢失，导致探测目标不连续，系统性能大幅下降。因此，如何估计出当前天线发射增益的变化，提高船用固态导航雷达的探测准确性及稳定性成为亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种基于MEMS的船用固态导航雷达目标检测的补偿方法，该方法首先将MEMS惯性测量单元安装于船用固态导航雷达的横杆天线的旋转中心上，对MEMS惯性测量单元初始化，并建立误差模型进行补正，将采集到的MEMS三轴数据转换为角速度分量；根据角速度分量计算雷达平台相对于载体所处的当地水平坐标系的三轴旋转角；通过三轴旋转角以及船用固态导航雷达天线增益的主瓣分布，调整横杆天线发射增益，将横杆天线发射增益及有效峰值发射功率通过卡尔曼滤波补偿到船用固态导航雷达输入端接收的信号的信噪比，利用恒虚警率计算检测门限电压V_T，最后将截取的检测目标信号结果输出。本发明充分利用MEMS惯性测量单元的特性，可以在自身船舶起伏不定的情况下，维持船用固态导航雷达目标检测的精准性与稳定性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于MEMS的船用固态导航雷达目标检测的补偿方法，包含以下步骤：

步骤一：将MEMS惯性测量单元安装于船用固态导航雷达的横杆天线的旋转中心，对 MEMS惯性测量单元初始化，采集零点输出值，建立误差模型进行修正；

步骤二：将船用固态导航雷达开机，带动横杆天线和MEMS惯性测量单元旋转，采集MEMS惯性测量单元输出的载体相对于雷达平台坐标系的旋转角速度在载体坐标系上的角速度分量

步骤三：将角速度分量

结合四元数Q，通过解算四阶龙格库塔法微分方程更新四元数Q，计算雷达平台相对于载体所处的当地水平坐标系的三轴旋转角；

步骤四：根据三轴旋转角与船用固态导航雷达天线增益的主瓣分布，调整横杆天线发射增益G_n(θ)，G_n(θ)的表达式为：

式(1)中，P₁为理想情况下，横杆天线在一定位置下发射一定功率后测得的理想接收功率；P₂为实际情况下，横杆天线在同样位置发射同样功率后测得的实际接收功率；

为横杆天线逆时针向上旋转θ角度后的有效接收功率；

步骤五：利用横杆天线发射增益及有效峰值发射功率补偿船用固态导航雷达输入端接收的信号的信噪比，对船用固态导航雷达输入端接收的信号的信噪比补正的表达式为：

式(2)中，SNR为补正的信噪比，σ^′为SNR的方差；SNR₁为实际的船用固态导航雷达输入端接收的信号的信噪比，σ₁为SNR₁的方差；SNR₂(θ)为理论计算得出的船用固态导航雷达输入端接收的信号的信噪比，σ₂为SNR₂(θ)的方差；

式(2)中，SNR₂(θ)的表达式为：

SNR₂(θ)＝ρG_n ²(θ)P_t(θ) (3)

式(3)中，P_t(θ)为横杆天线逆时针向上旋转θ角度后雷达发射的有效峰值功率，ρ为比例，ρ的表达式为：

式(4)中，σ为目标雷达散射截面面积，R为目标距离，τ为发射脉宽，λ为雷达波长，K为波尔茨曼常数，T_s为雷达系统噪声温度，L_s为系统损耗；

步骤六：利用恒虚警率计算检测门限电压V_T，根据检测门限电压V_T的值截取目标信号，其中检测门限电压V_T的表达式为：

式(5)中，P_fa为虚警概率，取噪声为高斯噪声，Ψ²为高斯噪声方差；

步骤七：重复执行步骤二～步骤六，维持船用固态导航雷达目标检测的精准性与稳定性。

步骤二中，横杆天线的初始转速为24～60rpm。

当θ∈(-20°，20°)时，船用固态导航雷达的有效峰值发射功率在最大峰值发射功率的一半以上，此时判断θ为有效数据；当检测到|θ|>20°时，船用固态导航雷达处于非正常工作环境，输出标志位到雷达的终端显示器。

步骤六中，高斯噪声方差Ψ²的表达式为：

式(6)中，A为回波信号的幅值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明充分利用船用固态导航雷达横杆天线的旋转，对MEMS惯性测量单元进行实时校准，减小MEMS的数据误差。

(2)本发明充分利用MEMS惯性测量单元提供的信息，对MEMS测得的数据进行误差消除，同时也可以用于姿态更新。

(3)基于算法分析，本发明调整了横杆天线发射增益的数值以及有效峰值发射功率的数值，可以为信号处理系统提供参考标准，提高信号处理系统的工作效率。

(4)基于效果分析，本发明设计的结合MEMS惯性测量单元的船用固态导航雷达目标检测的补偿方法，经过卡尔曼滤波调整信噪比后，在船体起伏的情况下能够有效提升雷达系统中目标检测的精准性与稳定性。

(5)本发明方法监测自身船体的起伏情况，当自身船体处于过度起伏下，提醒终端显示器，可有效减少因船体过度起伏而检测不到目标所造成的事故。

附图说明

图1为本发明方法的基本流程图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例的基于MEMS的船用固态导航雷达目标检测的补偿方法，其基体流程图见图1，该方法包括以下几个部分：

1、船用固态导航雷达的姿态解算

角速度传感器的优点是不受四轴振动影响，信号中噪声很小。角度通过对角速度积分而得。一般情况在短时间内比较准确，长时间内会有积分漂移误差(甚至是积分饱和)。因此需要与加速度计融合来确保姿态角的正确。

将通过MEMS惯性测量单元测得的加速度的原始数据归一化，得到单位加速度，这是为了与单位四元数相对应。原始数据a_x、a_y、a_z分别表示归一化后载体坐标系相对于惯性坐标系的三轴加速度。

设载体坐标系相对雷达平台坐标系的转动四元数为：

Q＝q₀+q₁i_b+q₂j_b+q₃k_b

其中i_b、j_b、k_b分别表示载体坐标系的坐标轴X、Y、Z的单位矢量。

通过从载体坐标系到地面坐标系的转换，将地面坐标系的重力转换为载体坐标系：

向量叉积得出姿态误差，其表达式为：

[e_x e_y e_z]^T＝[v_x v_y v_z]^T*[a_x a_y a_z]^T

式中[v_x v_y v_z]^T表示重力加速度在载体轴上的分量。

用叉乘误差和PI控制器修正陀螺零偏，通过调整K_p、K_i两个参数，可以控制加速度计修正陀螺仪积分姿态角速度。

所涉及的修正陀螺仪积分姿态角速度的表达式为：

所涉及到的载体相对于雷达平台坐标系的旋转角速度在载体坐标系上的角速度分量

其表达式为：

式中，

表示载体相对于惯性坐标系的旋转角速度在载体坐标系上的分量，即MEMS 惯性测量单元输出的角速度值，

表示地球自转角速度，

表示当前位置载体运行的角速度。

Q的即时修正可通过解下面的四元数微分方程来实现：

即时修正的四元数与运动物体姿态角存在如下关系：

式中，φ为载体对称平面与通过载体纵轴的铅垂平面间的夹角，右滚为正；θ为载体轴与地平面(即水平面)之间的夹角，目标抬头为正；ψ为载体轴在水平面上的投影与地轴之间的夹角，以载体右偏为正。

当θ∈(-20°，20°)时，船用固态导航雷达的有效峰值发射功率在最大峰值发射功率的一半以上，此时判断θ为有效数据；当检测到|θ|>20°时，船用固态导航雷达处于非正常工作环境，输出标志位到雷达的终端显示器。

2、横杆天线发射增益的计算

船用固态导航雷达的姿态解算结束后，根据横杆天线逆时针向上旋转的角度θ与船用固态导航雷达天线增益的主瓣分布来调整横杆天线发射增益G_n(θ)，G_n(θ)的表达式为：

其中，P₁为理想情况下，横杆天线在一定位置下发射一定功率后测得的理想接收功率；P₂为实际情况下，横杆天线在同样位置发射同样功率后测得的实际接收功率；

为横杆天线逆时针向上旋转θ角度后的有效接收功率。

3、补偿输入端的信噪比

根据雷达原理，在跟踪状态下雷达方程的形式有如下表示：

其中，SNR为雷达输入端补正的信噪比，P_t为雷达发射的峰值功率，G为天线增益，σ为目标雷达散射截面面积，R为目标距离，τ为发射脉宽，λ为雷达波长，K为波尔茨曼常数，T_s为雷达系统噪声温度，L_s为系统损耗。

针对某一个物体，横杆天线逆时针向上旋转θ角度后，理论上计算得出船用固态导航雷达输入端接收的信号的信噪比的表达式为：

SNR₂(θ)＝ρG_n ²(θ)P_t(θ)

其中，

P_t(θ)为横杆天线逆时针向上旋转θ角度后雷达发射的有效峰值功率，G_n ²(θ)为G_n(θ)的平方。

所涉及的对船用固态导航雷达输入端接收的信号的信噪比补正的表达式为：

式中，SNR为补正的信噪比，σ^′为SNR的方差；SNR₁为实际的船用固态导航雷达输入端接收的信号的信噪比，σ₁为SNR₁的方差；SNR₂(θ)为理论计算得出的船用固态导航雷达输入端接收的信号的信噪比，σ₂为SNR₂(θ)的方差。

4、计算检测门限电压

由于噪声的存在，在讨论雷达的探测概率时，必须考虑在没有信号而噪声电平超过检测门限电压时所产生的虚警概率。

取回波信号的幅值为A的正弦信号，其功率为

一般取噪声为高斯噪声，Ψ²为噪声方差，所涉及到的高斯噪声方差的表达式为：

虚警概率P_fa定义为当雷达中只有噪声出现时，信号s(t)的样本超过检测门限电压V_T的概率，表达式为：

所涉及的检测门限电压V_T的表达式为：

保持恒虚警率的一个固定值，计算检测门限电压V_T，根据检测门限电压V_T的值截取目标信号。

重复执行以上步骤，维持船用固态导航雷达目标检测的精准性与稳定性。

Claims (4)

1.一种基于MEMS的船用固态导航雷达目标检测的补偿方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：将MEMS惯性测量单元安装于船用固态导航雷达的横杆天线的旋转中心，对MEMS惯性测量单元初始化，采集零点输出值，建立误差模型进行修正；

步骤二：将船用固态导航雷达开机，带动横杆天线和MEMS惯性测量单元旋转，采集MEMS惯性测量单元输出的载体相对于雷达平台坐标系的旋转角速度在载体坐标系上的角速度分量

步骤三：将角速度分量

结合四元数Q，通过解算四阶龙格库塔法微分方程更新四元数Q，计算雷达平台相对于载体所处的当地水平坐标系的三轴旋转角；

步骤四：根据三轴旋转角与船用固态导航雷达天线增益的主瓣分布，调整横杆天线发射增益G_n(θ)，G_n(θ)的表达式为：

式(1)中，P₁为理想情况下，横杆天线在一定位置下发射一定功率后测得的理想接收功率；P₂为实际情况下，横杆天线在同样位置发射同样功率后测得的实际接收功率；

为横杆天线逆时针向上旋转θ角度后的有效接收功率；

步骤五：利用横杆天线发射增益及有效峰值发射功率补偿船用固态导航雷达输入端接收的信号的信噪比，对船用固态导航雷达输入端接收的信号的信噪比补正的表达式为：

式(2)中，SNR为补正的信噪比，σ′为SNR的方差；SNR₁为实际的船用固态导航雷达输入端接收的信号的信噪比，σ₁为SNR₁的方差；SNR₂(θ)为理论计算得出的船用固态导航雷达输入端接收的信号的信噪比，σ₂为SNR₂(θ)的方差；

式(2)中，SNR₂(θ)的表达式为：

SNR₂(θ)＝ρG_n ²(θ)P_t(θ) (3)

式(3)中，P_t(θ)为横杆天线逆时针向上旋转θ角度后雷达发射的有效峰值功率，ρ为比例，ρ的表达式为：

式(4)中，σ为目标雷达散射截面面积，R为目标距离，τ为发射脉宽，λ为雷达波长，K为波尔茨曼常数，T_s为雷达系统噪声温度，L_s为系统损耗；

步骤六：利用恒虚警率计算检测门限电压V_T，根据检测门限电压V_T的值截取目标信号，其中检测门限电压V_T的表达式为：

式(5)中，P_fa为虚警概率，取噪声为高斯噪声，Ψ²为高斯噪声方差；

步骤七：重复执行步骤二～步骤六，维持船用固态导航雷达目标检测的精准性与稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的船用固态导航雷达目标检测的补偿方法，其特征在于，步骤二中，横杆天线的初始转速为24～60rpm。

3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的船用固态导航雷达目标检测的补偿方法，其特征在于，当θ∈(-20°，20°)时，船用固态导航雷达的有效峰值发射功率在最大峰值发射功率的一半以上，此时判断θ为有效数据；当检测到|θ|>20°时，船用固态导航雷达处于非正常工作环境，输出标志位到雷达的终端显示器。

4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的船用固态导航雷达目标检测的补偿方法，其特征在于，步骤六中，高斯噪声方差Ψ²的表达式为：

式(6)中，A为回波信号的幅值。

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