CN110146873B - 分布式非相参雷达的目标位置和速度的估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了分布式非相参雷达的目标位置和速度的估计方法，该方法包括以下步骤：对多个雷达平台按接收平台进行分组，获得多组单基情况和双基情况，并获取每组的回波数据；选取一组发射接收对的雷达回波数据，形成该组的单基与双基的距离门‑多普勒通道的相互对应关系；通过恒虚警率检测，得到目标的估计位置，结合距离门‑多普勒通道的相互对应关系，确定目标位置，进而计算目标的速度。本发明利用多个接收平台接受的信息，根据相同位置的目标与杂波之间的距离门一致，而多普勒通道不一致的关系，利用对应关系估计出目标的位置，进而确定目标的多普勒频率和径向速度，减少了目标配对的次数，降低了目标参数估计的计算量。

Description

分布式非相参雷达的目标位置和速度的估计方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种分布式非相参雷达的目标位置和速度的估计方法，可用于估计目标的位置和速度，可以减少目标配对的次数，降低参数估计的计算量。

背景技术

随着雷达系统探测精度和探测威力的不断提高，需要传统相控阵雷达具有高功率、大孔径的特点，然而大规模相控阵雷达面临机动性差、造价昂贵等问题。为此，分布式相参雷达应运而生，分布式相参雷达的关键技术是协同多个小孔径雷达，通过信号级相参处理，等效获得大孔径雷达的探测性能。然而，分布式相参雷达工作时，目标需要满足一定的相参性条件，并且分布式相参雷达对时空同步和相位同步要求较高，实际雷达系统中，难以实现相位同步。

而分布式非相参雷达可以通过非相参处理，利用目标雷达散射截面积(RCS)的空间变化，获取目标检测和参数估计的分集增益。在目标回波的信噪比(SNR)较低的情况下，使用单个雷达的定位精度较差，同时容易引起虚警；使用多个单元雷达组成分布式相参雷达，可以提高目标定位精度同时增加目标的检测概率。将多个雷达接收到的回波信号融合检测还会带来其他好处，在目标雷达散射截面积不变的条件下，通过多个单元雷达的回波信号非相参融合检测，信号得到积累之后，相对于一个单元雷达，目标信号的SNR增益得到显著提高；在目标RCS存在起伏的条件下，利用空间分集，将多个单元雷达的回波信号非相参融合检测，可以避免目标RCS闪烁对检测性能的影响。

对于分布式非相参雷达，融合检测算法引起研究者的广泛关注，GUAN J等人较为详细地分析了恒虚警率(CFAR)的性能。JANARIAN N等人对有序类的CFAR检测以及基于NP准则的检测器进行了研究与分析。BRUYERE D P等人分别分析了多基地雷达自适应匹配滤波(AMF)和广义似然比检验(GLRT)检测器的性能。由于不同方向目标的多普勒信息不同，因此，LEHMANN N H等人进行了运动目标的检测性能的研究。MORELANDE M R等人分别研究了分布式多输入多输出雷达中多目标的定位算法以及检测算法。陈金立、韩亚红等人利用映像搜索法对目标定位过程中出现目标配对的问题进行研究，并在此基础上，提出一种可以在较短时间内完成目标定位的集中区域搜索配对的方法，但是，该方法并未对数据进行融合处理，使其在处理多个接收机接收的信息时，定位的目标位置准确性差。

综上所述，针对分布式非相参雷达的目标位置和速度估计的研究，虽然取得了一些进展，但是如何利用多个接收机接收的信息，提高目标参数估计的准确性仍然是亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种分布式非相参雷达的目标位置和速度的估计方法，本发明的技术原理为：利用多个接收平台接收的信息，根据相同位置的目标与杂波之间的距离门一致，而多普勒通道不一致的关系，利用距离门-多普勒的相互对应关系估计出目标的位置，进而确定目标的多普勒频率和径向速度，减少了目标配对的次数，降低了目标参数估计的计算量。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

分布式非相参雷达的目标位置和速度的估计方法，包括以下步骤：

步骤1，设定有M个雷达平台，其编号分别为1，2，…，M，每个雷达平台发射或接收信号，组合成M²个发射接收对；以相同接收平台作为分组依据，将M²个发射接收对分成M组，其中，1号雷达平台为接收平台的发射接收对，作为第1组，依次类推，M号雷达平台为接收端的发射接收对，作为第M组；每组包含1个单基情况和(M-1)个双基情况；分别获取每组的雷达回波数据X；

其中，所述单基情况为发射平台与接收平台相同的情况；双基情况为发射平台和接收平台不同的情况；

步骤2，选取第n组发射接收对的雷达回波数据X_n，获得第n组中的单基情况的距离多普勒数据和双基情况的距离多普勒数据，进而形成第n组的单基情况与双基情况的距离门-多普勒通道的相互对应关系。

步骤3，对第n组中的单基情况与双基情况分别进行恒虚警率检测(CFAR)，对应得到目标的估计位置，结合每组的单基情况与双基情况的距离门-多普勒通道的相互对应关系，确定目标位置；

分别对第n组中的单基、双基情况进行恒虚警率检测，找到两种情况下估计的目标位置，如表3和表4所示。再根据步骤2中确定的第n组中的单基情况下杂波的距离门和双基情况下杂波的距离门的相互对应关系，将估计的目标位置进行配对，得到候选目标点，进而得到目标位置。

具体步骤为：

首先，设定目标检测的门限值为ρ₀；

其次，获取目标的估计位置对应的单基情况下的检测量ρ₁和双基情况下的检测量ρ₂，进而得到候选目标点；

通过恒虚警率检测获得得到单基情况下估计的目标位置对应的检测量ρ₁和双基情况下候选目标点对应的检测量ρ₂，则每个估计的目标位置的总检测量为ρ＝ρ₁+ρ₂，当ρ≤ρ₀时，判断该估计的目标位置为杂波点，当ρ＞ρ₀时，判断该估计的目标位置为候选目标点。

最后，筛选出候选目标点中检测量最大的点为目标点，即获得目标位置；

步骤4，根据目标位置，确定单基情况下目标位置的距离门l_t1、多普勒频率f_t1和双基情况下目标位置的距离门l_t2和多普勒频率f_t2，进而得到目标的速度。

其具体步骤为：

首先，根据目标位置，采用第n组中的单基情况下杂波的距离门和双基情况下杂波的距离门的相互对应关系，即可得到单基情况下目标位置的距离门l_t1和双基情况下目标位置的距离门l_t2；

其次，计算单基情况下目标的多普勒频率f_t1和双基情况下目标的多普勒频率f_t2；

其中，λ表示波长，v_T表示接收平台的速度，cosα_T表示发射平台速度和雷达视线夹角的余弦，

为目标径向速度引起的多普勒频率，v_tt表示目标相对发射方向的径向速度；

表示由于发射平台运动引起的多普勒频移，

表示由于接收平台运动引起的多普勒频移，v_R表示发射平台的速度，cosα_R表示接收平台速度和雷达视线夹角的余弦，

表示目标相对发射平台运动引起的多普勒频移，

表示目标相对接收平台运动引起的多普勒频移，v_tr表示目标相对接收方向的径向速度；

通过联立单基情况下目标的多普勒频率计算公式和双基情况的目标的多普勒频率计算公式，求解得到目标相对发射方向的径向速度v_tt和目标相对接收方向的径向速度v_tr：

目标相对发射方向的径向速度和目标相对接收方向的径向速度即为目标的速度。

本发明中可以利用其他(M-1)组中回波数据对估计的目标位置和速度进行验证。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明有效地利用了多个接收平台的信息，根据相同位置的目标与杂波之间的距离门一致，而多普勒不一致的关系，利用距离门-多普勒的相互对应关系估计目标的位置，进而确定目标的多普勒频率和径向速度，与现有估计目标参数方法相比，本发明给出的基于距离门-多普勒的相互对应关系估计目标参数的方法计算量小，便于工程实现；

(2)本发明克服了现有目标参数估计方法由于无法利用多个平台的信息导致的目标参数估计不准确，并且本发明利用CFAR检测选出目标可能的位置进行匹配，减少了配对次数，具有很高的实用价值。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明分布式非相参雷达的目标位置和速度的估计方法的流程示意图；

图2(a)是本发明实施例中一发一收CFAR检测后估计的目标的位置图；

图2(b)是本发明实施例中二发一收CFAR检测后估计的目标的位置图；

图3(a)是本发明实施例中检测门限值为10dB时，估计的目标位置图；

图3(b)是本发明实施例中检测门限值为10dB时，估计的目标位置的检测量直方图；

图4(a)是本发明实施例中检测门限值为13dB时，估计的目标位置图；

图4(b)是本发明实施例中检测门限值为13dB时，估计的目标位置检测量直方图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明的实施例及效果作进一步详细描述。

步骤1，设定有M个雷达平台，其编号分别为1，2，…，M，每个雷达平台发射或接收信号，组合成M²个发射接收对；以相同接收平台作为分组依据，将M²个发射接收对分成M组，其中，1号雷达平台为接收平台的发射接收对，作为第1组，依次类推，M号雷达平台为接收平台的发射接收对，作为第M组；每组包含1个单基情况和(M-1)个双基情况；分别获取每组的雷达回波数据X；

其中，所述单基情况为发射平台与接收平台相同的情况；双基情况为发射平台和接收平台不同的情况；

步骤2，选取第n组发射接收对的雷达回波数据X_n，获得第n组中的单基情况的距离多普勒数据和双基情况的距离多普勒数据，进而形成第n组的单基情况与双基情况的距离门-多普勒通道的相互对应关系；其中，n＝1，2，…，M。

具体地，包含以下子步骤：

子步骤2.1，计算第n组中的单基情况的距离多普勒数据；

根据实际场景，考虑距离模糊的情况，单基情况下，雷达平台(x_s，y_s，z_s)到第i个杂波块的距离为

R_i＝r·ΔR/2；

其中，i表示杂波块的序号，i＝1，…，N_c，N_c为单基情况下杂波块的总个数，r表示单基情况下解模糊后对应的距离门序号，ΔR表示距离分辨率。

子步骤2.2，在三维坐标系中，计算第i个杂波块的位置坐标

其中，

表示第i个杂波块的俯仰角，θ_i为第i个杂波块的方位角；

子步骤2.3，随机选取第n组发射接收对中的第m个双基，计算第m个平台发射，第n个平台接收的双基距离d_mn：

其中，m≠n，m，n＝1，2，...，M，(x_m，y_m，z_m)表示发射平台的坐标，(x_n，y_n，z_n)表示接收平台的坐标；

进而得到第m个双基情况下对应的距离门编号：

l_mn＝d_mn/ΔR；

依次类推，根据单基距离门及其与每个双基之间的距离，确定第n组发射接收对中所有双基对应的距离门编号，进而得到第n组中的单基情况下杂波的距离门和双基情况下杂波的距离门的相互对应关系，参照图2所示。

步骤3，对第n组中的单基情况与双基情况分别进行恒虚警率检测，对应得到目标的估计位置，结合每组的单基情况与双基情况的距离门-多普勒通道的相互对应关系，确定目标位置；

分别对第n组中的单基、双基情况进行恒虚警率检测，找到两种情况下估计的目标位置，如表3和表4所示。再根据步骤2中确定的第n组中的单基情况下杂波的距离门和双基情况下杂波的距离门的相互对应关系，将估计的目标位置进行配对，得到候选目标点，进而得到目标位置。具体步骤为：

首先，设定检测门限值为ρ₀；

其次，获取目标的估计位置对应的单基情况下的检测量ρ₁和双基情况下的检测量ρ₂，进而得到候选目标点；

具体地，通过恒虚警率检测得到单基情况下估计的目标位置对应的检测量ρ₁和双基情况下候选目标点对应的检测量ρ₂，则每个估计的目标位置的总检测量为ρ＝ρ₁+ρ₂，当ρ≤ρ₀时，判断该估计的目标位置为杂波点，当ρ＞ρ₀时，判断该估计的目标位置为候选目标点。

最后，筛选出候选目标点中检测量最大的点为目标点，即获得目标位置。

步骤4，根据目标位置，确定单基情况下目标位置的距离门l_t1、多普勒频率f_t1和双基情况下目标位置的距离门l_t2和多普勒频率f_t2，进而得到目标的速度。

其具体步骤为：

首先，根据目标位置，采用第n组中的单基情况下杂波的距离门和双基情况下杂波的距离门的相互对应关系，即可得到单基情况下目标位置的距离门l_t1和双基情况下目标位置的距离门l_t2；

其次，计算单基情况下目标的多普勒频率f_t1和双基情况下目标的多普勒频率f_t2；

其中，λ表示载波波长，v_T表示接收平台的速度，cosα_T表示发射平台速度和雷达视线夹角的余弦，

为目标径向速度引起的多普勒频率，v_tt表示目标相对发射方向的径向速度；

表示由于发射平台运动引起的多普勒频移，

表示由于接收平台运动引起的多普勒频移，v_R表示发射平台的速度，cosα_R表示接收平台速度和雷达视线夹角的余弦，

表示目标相对发射平台运动引起的多普勒频移，

表示目标相对接收平台运动引起的多普勒频移，v_tr表示目标相对接收方向的径向速度；

最后，通过联立单基情况下目标的多普勒频率计算公式和双基情况的目标的多普勒频率计算公式，求解得到目标相对发射方向的径向速度v_tt和目标相对接收方向的径向速度v_tr：

目标相对发射方向的径向速度和目标相对接收方向的径向速度即为目标的速度。

本发明中可以利用其他(M-1)组中回波数据对估计的目标位置和速度进行验证。

仿真实验

本发明的目标参数估计效果可通过以下仿真实验进一步说明：

(1)杂波数据仿真及实验条件

在本实验中，对四个雷达平台进行仿真分析，它们的坐标分别为(0，0，8km)、(-100km，0，6km)、(-200km，0，6km)和(-300km，0，8km)，平台速度大小都为(100m/s，0，0)，阵元间距为d＝λ/2，其中，λ表示载波波长，仿真杂波数据脉冲个数为128，距离门个数为1000；本实验的仿真参数如表1所示：

表1仿真参数

波长	0.4m
		阵元数	8
目标真实位置	(-150km，200km，0)
		目标真实速度	(0，-20m/s，0)
阵元间距	0.2m
		重复频率	4000Hz
偏航角	0°
		信号带宽	4MHz
信噪比	5dB

(2)仿真内容

仿真1，设置检测门限值为10dB时，利用单基与双基情况的距离门-多普勒对应关系，估计目标的位置。结果如图3。其中，图3(a)为检测门限值为10dB时估计的目标位置，图3(b)为门限值为10dB时估计的目标位置的检测量。

设定第一个雷达平台为接收平台，从第一个雷达平台的回波数据中获取两个单基情况的距离多普勒单元，分别为(47，7)和(188，7)，通过本发明方法确定对应双基情况下的距离多普勒相互对应关系。

表1一发一收的距离多普勒单元对(47，7)

表2一发一收的距离多普勒单元对(188，7)

从表1以及表2中可以看出，单基情况的距离门和多普勒频率确定时，双基情况的距离门和多普勒频率也随之确定。

从图3(a)可以看出，门限为10dB时，估计得到的目标可能的位置有3个，通过检测量的大小选取检测量最大的位置为目标位置。

从图3(b)可以看出，在第三个估计的目标位置处，检测量的值最大，目标参数由一发一收情况的(675,9)、二发一收情况的(90,13)共同确定。表3给出了恒虚警率检测获得的估计的目标位置坐标和对应的单基和双基情况的距离门-多普勒相互对应关系，从表3结合图3(b)可以确定目标的位置为(-150.01km,200.01km,0)。

表3检测门限为10dB时，估计目标位置的坐标

表4检测门限为13dB时，估计的目标位置坐标

仿真2，设置检测门限为13dB时，利用单基与双基情况的距离门-多普勒对应关系，估计目标的位置，结果如图4。其中，图4(a)为门限值为13dB时，估计的目标的位置坐标，图4(b)为门限值为13dB时，检测量的大小。从图4(a)可以看出，两个估计的目标位置对应同一个坐标。从图4(b)可以看出，第2个估计目标的位置对应的检测量的值高于第1个估计的目标位置对应的检测量的值。表4给出了恒虚警率检测获得的估计的目标位置坐标和对应的单基和双基情况的距离门-多普勒相互对应关系，从表4结合图4(b)可以确定目标的位置为(-150.01km，200.01km，0)。

表5为目标真实速度与通过本发明方法估计的速度的比较，从表5可以看出，本发明较为准确地估计了目标的径向速度。

表5目标速度真实值和估计值比较

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.分布式非相参雷达的目标位置和速度的估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设定有M个雷达平台，其编号分别为1，2，…，M，每个雷达平台发射或接收信号，组合成M²个发射接收对；以相同接收平台作为分组依据，将M²个发射接收对分成M组，其中，1号雷达平台为接收平台的发射接收对，作为第1组，依次类推，M号雷达平台为接收平台的发射接收对，作为第M组；每组包含1个单基情况和M-1个双基情况；分别获取每组的雷达回波数据X；

其中，所述单基情况为发射平台与接收平台相同的情况；双基情况为发射平台和接收平台不同的情况；

步骤2，选取第n组发射接收对的雷达回波数据X_n，获得第n组中的单基情况的距离多普勒数据和双基情况的距离多普勒数据，进而形成第n组的单基情况与双基情况的距离门-多普勒通道的相互对应关系；其中，n＝1，2，…，M；

步骤3，对第n组中的单基情况与双基情况分别进行恒虚警率检测，对应得到目标的估计位置，结合每组的单基情况与双基情况的距离门-多普勒通道的相互对应关系，确定目标位置；

步骤4，根据目标位置，确定单基情况下目标位置的距离门l_t1、多普勒频率f_t1和双基情况下目标位置的距离门l_t2和多普勒频率f_t2，进而得到目标的速度；

步骤4中包含以下子步骤：

首先，根据目标位置，采用第n组中的单基情况下杂波的距离门和双基情况下杂波的距离门的相互对应关系，即可得到单基情况下目标位置的距离门l_t1和双基情况下目标位置的距离门l_t2；

其次，计算单基情况下目标的多普勒频率f_t1和双基情况下目标的多普勒频率f_t2；

其中，λ表示载波波长，v_T表示接收平台的速度，cosα_T表示发射平台速度和雷达视线夹角的余弦，

为目标径向速度引起的多普勒频率，v_tt表示目标相对发射方向的径向速度；

表示由于发射平台运动引起的多普勒频移，

表示由于接收平台运动引起的多普勒频移，v_R表示发射平台的速度，cosα_R表示接收平台速度和雷达视线夹角的余弦，

表示目标相对发射平台运动引起的多普勒频移，

表示目标相对接收平台运动引起的多普勒频移，v_tr表示目标相对接收方向的径向速度；

最后，通过联立单基情况下目标的多普勒频率计算公式和双基情况的目标的多普勒频率计算公式，求解得到目标相对发射方向的径向速度v_tt和目标相对接收方向的径向速度v_tr：

目标相对发射方向的径向速度v_tt和目标相对接收方向的径向速度v_tr即为目标的速度。

2.根据权利要求1所述的分布式非相参雷达的目标位置和速度的估计方法，其特征在于，步骤2包含以下子步骤：

子步骤2.1，计算第n组中的单基情况的距离多普勒数据；

根据实际场景，考虑距离模糊的情况，单基情况下，雷达平台(x_s，y_s，z_s)到第i个杂波块的距离R_i为

R_i＝r·ΔR/2；

其中，i表示杂波块的序号，i＝1，…，N_c，N_c为单基情况下杂波块的总个数，r表示单基情况下解模糊后对应的距离门序号，ΔR表示距离分辨率；

子步骤2.2，在三维坐标系中，计算第i个杂波块的位置坐标

其中，

表示第i个杂波块的俯仰角，θ_i为第i个杂波块的方位角；

子步骤2.3，随机选取第n组发射接收对中的第m个双基，计算第m个平台发射，第n个平台接收的双基距离d_mn：

其中，m≠n，m，n＝1，2，...，M，(x_m，y_m，z_m)表示发射平台的坐标，(x_n，y_n，z_n)表示接收平台的坐标；

进而得到第m个双基情况下对应的距离门编号l_mn为：

l_mn＝d_mn/ΔR；

依次类推，根据单基距离门及其与每个双基之间的距离，确定第n组发射接收对中所有双基对应的距离门编号，进而得到第n组中的单基情况下杂波的距离门和双基情况下杂波的距离门的相互对应关系。

3.根据权利要求1所述的分布式非相参雷达的目标位置和速度的估计方法，其特征在于，所述对第n组中的单基情况与双基情况分别进行恒虚警率检测，对应得到目标的估计位置，其具体步骤为：

首先，设定检测门限值为ρ₀；

其次，获取目标的估计位置对应的单基情况下的检测量ρ₁和双基情况下的检测量ρ₂，进而得到候选目标点；

最后，筛选出候选目标点中检测量最大的点为目标点，即获得目标位置。

4.根据权利要求3所述的分布式非相参雷达的目标位置和速度的估计方法，其特征在于，所述检测门限值为10-15dB。

5.根据权利要求3所述的分布式非相参雷达的目标位置和速度的估计方法，其特征在于，所述得到候选目标点的具体步骤为：

通过恒虚警率检测得到单基情况下估计的目标位置对应的检测量ρ₁和双基情况下候选目标点对应的检测量ρ₂，则每个估计的目标位置的总检测量为ρ＝ρ₁+ρ₂，当ρ≤ρ₀时，判断该估计的目标位置为杂波点，当ρ＞ρ₀时，判断该估计的目标位置为候选目标点。

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