CN110515076A - 一种基于相推测距和相推测角的宽带雷达目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于相推测距与相推测角的宽带雷达目标定位方法，具体过程为:获取各通道一维高分辨率距离像；基于所述各通道一维高分辨距离像，获取相推测距的结果；针对任意两通道所对应的一维高分辨率距离像，计算其互相关结果，并根据其计算无模糊干涉相位；根据无模糊干涉相位，获得目标相推测角结果；基于目标相推测距和相推测角的结果，完成目标的定位。本发明方法基于相推测距和相推测角理论，能够实现短基线条件下的空间目标高精度定位，提高了短基线雷达系统的空间目标定位性能。

Description

一种基于相推测距和相推测角的宽带雷达目标定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于相推测距和相推测角的宽带雷达目标定位方法，属于信号处理技术领域。

背景技术

空间目标定位是一个既古老而又不断创新的课题，目前基于长基线条件下的定位算法已相对成熟，如到达时间(Time of Arrival,TOA)法，到达时差(Time Difference ofArrival,TDOA)法，到达角(Angle of Arrival,AOA)法。当基线较短时，上述方法的定位精度急剧恶化，因此需要讨论短基线条件下的目标定位算法，这类算法适用于对基线有特殊要求的应用场景，如矢量脱靶量测量、空间交汇对接等。目前短基线条件下的定位方法主要有多普勒频率-相位差法与瞬时距离交汇定位法，其中多普勒频率-相位差法需要求解一个约束非线性优化问题，因此计算量大，同时该方法对系统观测的相参时间要求较长，测量精度易受目标起伏的影响；瞬时距离交汇定位法对测距精度要求较高，国外主要采用冲激雷达，冲激雷达具有很高的测距精度，但其对发射设备的瞬时功率、数字接收设备的带宽和采样率的要求都很高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于相推测距与相推测角的宽带雷达目标定位方法，该方法通过多基线干涉测向求得目标方位角和俯仰角，再结合目标到阵元的高精度相推测距信息，即可得到空间目标定位结果。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于相推测距与相推测角的宽带雷达目标定位方法，具体过程为:

获取各通道一维高分辨率距离像；

基于所述各通道一维高分辨距离像，获取相推测距的结果；

针对任意两通道所对应的一维高分辨率距离像，计算其互相关结果，并根据其计算无模糊干涉相位；

根据无模糊干涉相位，获得目标相推测角结果；

基于目标相推测距和相推测角的结果，完成目标的定位。

进一步地，本发明所述模糊干涉相位获得的过程为：

针对任意两通道所对应的一维高分辨率距离像，计算其互相关结果；

对互相关包络峰值测量结果进行多项式平滑，获得互相关输出的时延估计及其对应的相位

取互相关包络峰值的相位进行差分、缠绕，然后进行累加后求取无模糊相位的相位序列

根据时延估计及其对应的相位及相位序列计算无模糊干涉相位。

进一步地，本发明计算无模糊干涉相位为：

当目标运动的角速度不是很大时，上式中

否则，

其中，M表示所使用的帧的数量，l与m表示帧序号,f_c表示信号中心频率。

进一步地，本发明当目标运动的角速度不是很大时的情况为满足-π≤Δ{Φ^(i,k)(t_m)}＜π。

有益效果

对比已有技术，本发明方法基于相推测距和相推测角理论，能够实现短基线条件下的空间目标高精度定位，克服了传统方法在短基线情况下精度恶化的问题，提高了短基线雷达系统的空间目标定位性能。

本发明在相推测角中，通过联合使用M帧信号来计算进而计算无模糊干涉相位，这样可以降低解相位模糊时对信噪比的要求。

附图说明

图1为本发明所提出的方法的实现流程图；

图2为目标位置示意图；

图3为采用正三角锥构型的单发四收雷达三维空间坐标系的示意图；

图4为采用正方形构型的单发四收雷达三维空间坐标系的示意图；

图5为使用本发明方法测得的子弹轨迹；

图6为使用本发明方法测得的子弹落靶点与全站仪标定的落靶点；

图7为使用本发明方法测得的子弹落靶点与全站仪标定的落靶点间的误差。

具体实施方式

本发明针对传统方法在短基线情况下定位精度恶化的问题，提出了一种基于相推测距与相推测角的宽带雷达目标高精度定位方法，下面结合附图对本发明进行详细描述。

本发明方法是通过下述技术方案实现的，实现流程图如图1所示：

使用单发多收的天线配置，发射天线发射射频宽带波形，多路接收天线同时接收回波，发射天线与每个接接收天线通道形成一个收发通道。记c为光速，f_c为发射信号中心频率，B为发射信号带宽，T为发射信号的帧长，t为全时间，t_m＝mT为慢时间，m＝1，2，...,M表示信号帧序号，M表示所使用的帧的数量，为快时间。设发射天线在直角坐标系下的位置向量为P_T＝(x_T,y_T,z_T)，i为接收天线序号，接收天线位置向量为目标的位置示意图如图2所示，其方向向量为其中θ为目标俯仰角，为目标方位角，θ∈[0,π)，目标到原点距离为R，位置向量为P＝Rr，目标到发射天线与第i个接收天线的距离和为j为虚数符号，上标T为矩阵转置符号。

本发明给出的一种基于相推测距与相推测角的宽带雷达目标定位方法，包括如下步骤：

步骤一，各个通道的一维高分辨成像。经速度补偿和相参脉压后，第i帧的一维高分辨距离像(HRRP)可表示为：

其中幅度已做归一化处理。

步骤二，获取任意一路通道的相推测距结果。以第1路通道为例，采用基于距离像互相关的相推测距方法，其距离像互相关输出结果为：

则互相关输出的时延为峰值点相位为可见互相关时延与峰值点相位之间存在对应关系，二者相差一个比例系数2πf_c。相推测距中，由于互相关时延与峰值点相位之间存在对应关系，故可采用包络测量的时延结果来解相位模糊，解模糊后的相位乘以后就是目标距离的差分值，再对差分值进行累加即可求得目标距离。其中包络测量通过波形分析法实现。下面简要介绍相推测距的实现流程。

对互相关包络峰值测量结果τ_p(t_m)进行多项式平滑，结果记为即是互相关输出的时延的估计，其所对应的相位为

定义Δ{}为差分算符，W{}为缠绕算符，二者定义如下

其中，k为使的整数。

记互相关峰值点的无模糊相位为

可见互相关峰值点的相位与目标距离值差分相对应，则取互相关包络峰值的相位，该相位即为Φ(t_m)缠绕后的结果，为

其中Im{}与Re{}分别表示取虚部与取实部运算，K₁用来表示对Φ(t_m)做缠绕运算时的整数序列。在目标运动速度较大，使得Φ(t_m)不满足-π≤Φ(t_m)＜π时，K₁不恒等于0。但若目标加速度不是很大，则可考虑对Φ(t_m)序列进行一维相位解缠，来获得包含无模糊相位的相位序列。

根据一维相位解缠原理，对于缠绕相位的差分结果再次进行缠绕运算，之后的结果就等于对无模糊相位差分结果的缠绕，即式(7)成立

W{Δ{Ψ(t_m)}}＝W{Δ{Φ(t_m)}}＝Δ{Φ(t_m)}+2πK₂(t_m) (7)

其中K₂用来表示对Δ{Φ(t_m)}做缠绕运算时的整数序列。

那么，再对上式的结果进行累加，即按式(8)求相位序列Ψ_uw(t_l)

就可以获得包含无模糊相位的相位序列。上式可进一步写为

无缠绕相位差分ΔΦ(t_m)对应目标相邻帧距离差分的差分，当目标运动加速度不是很大，可以保证-π≤Δ{Φ(t_m)}＜π时，为0，此时相位序列Ψ_uw(t_l)与无模糊相位Φ(t_l)之间只相差一个常数2πK₁(t₁)，故只需估计K₁(t₁)即可获得无模糊相位；如果目标速度较大，-π≤Δ{Φ(t_m)}＜π的条件不满足，则需要确定的值，来获得无模糊相位。其中，K₂的值可用下式确定

其中，为向下取整。K(t₁)的值可通过最小化解缠相位Ψ_uw(t_l)与之差的平均值来获得，即

得到K₁(t₁)与K₂后，即可按照下式计算距离差分结果

相推测距通过相邻帧距离增量累加来实现，其结果为

其中，为t₁时刻1通道的包络测距结果。对相推测距结果进行多项式平滑滤波可以进一步抑制噪声的影响，滤波后的结果记为

步骤三，求取多组基线的无模糊干涉相位。求取阵元间回波的距离像互相关结果，提取其时延差的包络和相位信息，并利用相应的包络测量结果解相位模糊。

对第i路与第k路接收通道同一慢时间的HRRP做互相关，结果为

则互相关输出的时延为峰值点相位为也是该基线的干涉相位。可见互相关时延与干涉相位之间存在对应关系，二者相差一个比例系数2πf_c。

由于互相关时延与干涉相位之间存在对应关系，故可采用包络测量的时延结果来解干涉相位的模糊。根据干涉原理，从解模糊后的相位中可以推算出目标的角度。

记互相关峰值点的无模糊相位为

则取互相关包络峰值的相位，会得到Φ_ik(t_m)缠绕后的结果，为

其中用来表示对做缠绕运算时的整数序列。

对互相关包络峰值测量结果τ_p进行多项式平滑，结果记为即是互相关输出的时延的估计，其所对应的相位为

另一方面，对式(16)的相位进行差分，之后缠绕，则根据一维相位解缠原理，式(17)成立

其中用来表示对Δ{Φ^(i,k)(t_m)}做缠绕运算时的整数序列。

那么，再对上式的结果进行累加，再按式(18)求相位序列

就可以获得包含无模糊相位的相位序列。上式可进一步写为

无缠绕相位差分ΔΦ^(i,k)(t_m)即是目标相邻帧干涉相位的差分，当目标运动的角速度不是很大，可以保证时，为0，此时相位序列与无模糊相位Φ^(i,k)(t_l)之间只相差一个常数如果条件不满足，需要确定与的值，来获得无模糊相位。其中，的值可用下式确定

的值可通过最小化解缠相位与之差的平均值来获得，即

得到与后，即可按照下式计算多个基线无模糊干涉相位

对无模糊干涉相位进行多项式平滑滤波可以进一步抑制噪声的影响，滤波后的结果记为

步骤四，根据无模糊干涉相位，获得目标相推测角结果。则根据干涉仪原理，由任意两个接收天线i与k形成的基线，在不考虑误差的情况下，其干涉相位满足下式

通过多基线干涉测向，即可求得目标方位角和俯仰角。此处以图3所示的正三角锥构型与图4所示的正方形构型的接收天线阵为例，说明测向原理。

在接收天线为正三角锥构型时，选取阵元1与阵元4、阵元2与阵元3、阵元2与阵元4组成的基线，并令χ＝cosθ，则三个基线的干涉相位满足式(24)所示的方程组

将步骤三获得的干涉相位测量结果与带入方程组的右项，并求解上式方程组，再根据α、β和χ，则不难求得θ和的值。

在接收天线为正方形构型时，选取阵元1与阵元3、阵元2与阵元4组成的基线，并令则两个基线的干涉相位满足式(23)所示的方程组

将步骤三获得的干涉相位测量结果与带入方程组的右项，并求解上式方程组，再根据α、β，则不难求得θ和的值。

对每一慢时间时刻t_m进行上述测角步骤，即得到θ(t_m)与

步骤五，目标三维坐标解算。根据步骤二求得的相推测距值与步骤四求得的相推测角值θ(t_m)、可以计算目标的三维坐标。目标方向向量为

到原点的距离R满足下式，

式(25)有两个解，根据目标与收发天线位置的先验信息，可以确定方程的最终解。则目标的位置向量为

P＝R·r (28)

对每一慢时间时刻t_m进行上述三维坐标解算步骤，即得到P(t_m)，实现最终的空间目标定位。

为了验证上述方法，在射击场进行了子弹脱靶量测量实验，射击次数为15次。试验雷达采用正方形接收阵，试验参数如表1所示。

表1试验参数

使用本发明所提出的算法，对子弹空间位置进行测量，并根据空间位置进行直线拟合形成轨迹，进而推算落靶点位置，来说明定位轨迹的准确性。图5给出其中一次打靶中子弹的空间位置以及拟合轨迹，图6给出了前三次射击的落靶点推算结果，以及用全站仪标定的落靶点，其中带黑环的点为标定的着靶点；图7给出15次射击的落靶点推算结果与标定结果间的误差，从图7可知，落靶点的误差小于0.2m。通过实测数据，可以发现本发明可以利用相推方法实现空间目标位置的良好估计。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于相推测距与相推测角的宽带雷达目标定位方法，其特征在于，具体过程为:

获取各通道一维高分辨率距离像；

基于所述各通道一维高分辨距离像，获取相推测距的结果；

针对任意两通道所对应的一维高分辨率距离像，计算其互相关结果，并根据其计算无模糊干涉相位；

根据无模糊干涉相位，获得目标相推测角结果；

基于目标相推测距和相推测角的结果，完成目标的定位。

2.根据权利要去1所述基于相推测距与相推测角的宽带雷达目标定位方法，其特征在于，所述模糊干涉相位获得的过程为：

针对任意两通道所对应的一维高分辨率距离像，计算其互相关结果；

对互相关包络峰值测量结果进行多项式平滑，获得互相关输出的时延估计及其对应的相位

取互相关包络峰值的相位进行差分、缠绕，然后进行累加后求取无模糊相位的相位序列

根据时延估计及其对应的相位及相位序列计算无模糊干涉相位。

3.根据权利要去1所述基于相推测距与相推测角的宽带雷达目标定位方法，其特征在于，计算无模糊干涉相位为：

当目标运动的角速度不是很大时，上式中

否则，

其中，M表示所使用的帧的数量，l与m表示帧序号,f_c表示信号中心频率。

4.根据权利要去3所述基于相推测距与相推测角的宽带雷达目标定位方法，其特征在于，当目标运动的角速度不是很大时的情况为满足-π≤Δ{Φ^(i,k)(t_m)}＜π。