CN111880172A - 一种凝视雷达测量下降段弹道方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种凝视雷达测量下降段弹道方法，包括安装在雷达支架上的1个发射天线、1个接收天线阵列，测量步骤如下；S1、接收天线阵列采集的弹头的雷达数据，利用动目标检测MTD对弹头目标检测，并获得其距离和速度；S2、使用比幅和比相算法对接收天线各个通道数据进行处理得到弹头相对于雷达的方向；S3、利用卡尔曼滤波算法计算弹头点迹；S4、根据弹头点迹估计其下降段弹道参数，进而得到其下降段弹道。本发明采用固定波束始终照射下降段的炮弹目标，采用线性调频连续波体制，测量弹头目标的距离、速度、方向信息，并融合自身传感器获取的雷达姿态信息，估计弹头下降段弹道参数，使用轨迹外推算法计算得到弹头落点。

Description

一种凝视雷达测量下降段弹道方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种凝视雷达测量下降段弹道方法。
背景技术
近年来部队加强实战化训练，强度大、频度高，又带来未爆弹增加，安全隐患日益严重的“增量”问题。考虑到新增未爆弹距离地表浅，引信未失效，安全风险更高，影响更大，因此，解决“增量”未爆弹排查的需求越来越迫切。传统未爆弹排查采用弹头落地后再“向下看”的方式，由于这种方式一般通过地下未爆弹在土壤环境中引起的介电常数、电导率、密度、磁场甚至引力的异常进行排查，但是异常信息极其微弱，因此往往需要贴近地面，并增加积累时间来提高灵敏度，因此排查速度慢，效率低，安全性差。为此，提出一种“向上看”的新思路，即通过炮弹下降段弹道推测弹着点，然后进行无人化精细判决，可分为三个阶段：弹着点定位，未爆弹判决，未爆弹排除。
弹着点定位是新的未爆弹探测技术途径的前提条件。为此，弹着点定位技术手段应具备以下能力：一是弹着点定位快速、准确和全面，定位误差应满足未爆弹判决和排查的要求；二是对齐射和密集射击的弹群也可以快速准确定位，不出现漏报或误报；三是不受靶场烟尘、火光、振动等影响，也不受沙尘雾霾、雨雪等气象条件影响，同时可白天和晚上全天时工作；四是具有探测“不见弹”的能力，即可以探测和定位弹着点在落区外的目标；五是可无人值守工作，消除人员安全风险；六是操作简单，自动化程度高，可实时输出弹着点坐标信息。
发明内容
发明目的
本发明提出一种凝视雷达测量下降段弹道方法，采用固定波束始终照射下降段的炮弹目标，采用线性调频连续波体制，测量弹头目标的距离、速度、方向信息，并融合自身传感器获取的雷达姿态信息，估计弹头下降段弹道参数，使用轨迹外推算法计算得到弹头落点。
技术方案
本发明提供了一种凝视雷达测量下降段弹道方法，包括安装在雷达支架上的1个发射天线、1个接收天线阵列，发射天线位于接收天线阵列上方，所述接收天线阵列可手动进行方位调整和俯仰调整操作；测量步骤如下；
S1、接收天线阵列采集的弹头的雷达数据，利用动目标检测MTD对弹头目标检测，并获得其距离和速度；
S2、使用比幅和比相算法对接收天线各个通道数据进行处理得到弹头相对于雷达的方向；
S3、利用卡尔曼滤波算法计算弹头点迹；
S4、根据弹头点迹估计其下降段弹道参数，进而得到其下降段弹道。
优选的，所述的发射天线、接收天线阵列均采用工作频段为S波段的线性调频连续波体制(LFMCW)。
优选的，所述接收天线阵列为四个接收天线，排列安装构成田字形的2×2面阵。
优选的，所述方位调整通过转台和锁定机构，旋转角度为0-360°；所述俯仰调整通过丝杆机构的伸缩杆，旋转角度0-80°。
优选的，接收天线阵列中各个接收天线以及发射天线在上、下方向和前、后方向均间隔预设距离，以提高收发隔离度。
本发明利用雷达技术进行弹着点定位有着天然的优势，可采用高精度和高数据更新率雷达系统对弹头下降段(末段)轨迹进行精确测量并估计弹着点。该类型雷达与炮位侦察校射雷达不同的是，并不在空间形成扫描波束，也不追求几十公里的远距离探测能力，而是采用固定波束始终照射下降段的炮弹目标，因此称为“凝视”。本发明采用固定波束始终照射下降段的炮弹目标，采用线性调频连续波体制，测量弹头目标的距离、速度、方向信息，并融合自身传感器获取的雷达姿态信息，估计弹头下降段弹道参数，使用轨迹外推算法计算得到弹头落点。
附图说明
图1为本发明提出的一种凝视雷达的系统框图；
图2为本发明提出的一种凝视雷达的结构示意图；
图3为本发明提出的一种凝视雷达测量下降段弹道估计流程图；
图4为动目标检测流程示意图；
图5为动目标显示对消器结构示意图；
图6为MTD横向滤波器结构示意图；
图7为比幅测向实时处理框图。
图8为比幅测向示意图；
图9为跟踪滤波距离高度误差曲线图；
图10为跟踪滤波观测次数误差曲线图；
图11为弹着点误差仿真统计分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1-3所示，本发明提出的一种凝视雷达系统，包括安装在雷达支架上的发射天线1、接收天线阵列2，所述的发射天线1、接收天线阵列2均采用工作频段为S波段的线性调频连续波体制，所述接收天线阵列2为四个接收天线，排列安装构成田字形的2×2面阵。发射天线1位于接收天线阵列上方，接收天线阵列2中各个接收天线以及发射天线在上、下方向和前、后方向均间隔预设距离，以提高收发隔离度。所述接收天线阵列2可手动进行方位调整和俯仰调整操作，所述方位调整通过转台和锁定机构，旋转角度为0-360°；所述俯仰调整通过丝杆机构的伸缩杆，旋转角度0-80°。
一种凝视雷达测量下降段弹道方法，包括如下步骤；
S1、接收天线阵列2采集的弹头的雷达数据，利用动目标检测MTD对弹头目标检测，并获得其距离和速度；
S2、使用比幅和比相算法对接收天线各个通道数据进行处理得到弹头相对于雷达的方向；
S3、利用卡尔曼滤波算法计算弹头点迹；
S4、根据弹头点迹估计其下降段弹道参数，进而得到其下降段弹道。
上述测量下降段弹道方法具体步骤如下：
1.动目标检测(MTD)
弹道凝视雷达发射电磁波照射弹头经过的空域，当弹头经过时，雷达从回波中检测到弹头目标。动目标检测流程框图如图4所示，包括脉冲压缩、动目标显示、动目标检测、恒虚警检测。
脉冲压缩核心算法是快速傅里叶变换。由于系统采用的是线性调频连续波体制，采用脉冲压缩实现接收信号的匹配滤波。由于凝视雷达是对空观测，场景固定且周围多为静止环境，使用动目标显示(MTI)算法进行处理，选用双延迟对消器结构对静杂波进行抑制，有效地分离运动弹头和静止杂波，动目标显示对消结构示意图如图5所示。
因为动目标显示滤波器并不能完全将静杂波抑制干净，以至于它输出的剩余杂波功率还是会比较大。对于这个问题可以采用动目标检测(MTD)来技术来改善。跟MTI相比较，MTD可以让滤波器频谱靠近匹配滤波器，增加改善因子；可以在杂波较强时检测到其中的弱目标；还可以滤除固定杂波和频谱扩展了的杂波。
根据最佳线性滤波的相关理论，已经知道杂波和信号频谱分别是c(f)、s(f)的时候，最佳的滤波器为：
Figure BDA0002614867450000051
实际上就是杂波的匹配滤波器。它可以被分为两个级联滤波器H1(f)和H2(f)：
Figure BDA0002614867450000052
Figure BDA0002614867450000053
可以认为，杂波滤波器H1(f)用来抑制杂波，它就相当于MTI，而后面串接的H2(f)是用来匹配雷达回波信号的。在对回波做匹配滤波时，则需要得知目标多普勒频移fd。但是一般情况下fd无法预测，所以可以用一组覆盖整个多普勒频率范围的窄带滤波器组。MTD就是使用这样的一组滤波器组来滤除雷达杂波并且检测目标的，如图6所示为一种横向结构MTD滤波器的示意图，通常使用FFT来实现。
恒虚警检测是一种可以提供检测阀值并尽最大努力地减小各种干扰对系统虚警概率的影响的算法，这一类算法可以让虚警概率维持在比较稳定的某个值上。考虑到系统工作在对空环境中，背景杂波均匀，可采用CA-CFAR，该算法通过计算滑窗里面N个单元的算术平均值来自适应的得到检测门限，检测概率会随着N的增加而接近已知杂波参数的固定门限的理想检测概率。CA-CFAR算法原理图如图7所示。
2.测向处理
根据系统设计特点，可利用测向天线对不同方向到达的振幅或相位响应进行测向，常见的幅度法测向、相位法测向以及幅度-相位法。幅度法测向就是根据接收天线接收信号的相对幅度大小来确定信号的到达角，比幅法是其经典算法，常采用多个不同波束指向的天线，覆盖一定的空间，根据各天线接收同一信号的相对幅度大小来确定目标的所在方向，其处理流程如图8所示。
3.计算弹头点迹
通过MTD及测向处理，结合系统的测姿传感器获取的姿态数据，计算弹头的点迹。在下降段利用雷达对弹头的位置和速度进行测量，观测量为距离r俯仰角θ和方位角φ，经过坐标变换可将雷达观测量变换成弹道方程中的输入量为弹头位置(x,y,z)和速度
Figure BDA0002614867450000061
由于受到雷达系统噪声、目标信噪比、外部电磁干扰等影响，雷达观测的弹头位置信息存在一定的误差，直接通过单次观测估算落点误差较大。为了提高落点估计精度，充分利用弹头穿越雷达波束过程中，雷达获取的观测序列，并结合卡尔曼滤波，可提高弹头点迹估计精度。下降段采用恒加速卡尔曼模型可较准确地描述弹头轨迹。假设弹头状态由六维矢量定义如下：
Figure BDA0002614867450000071
目标的运动和观测方程式为：
xk＝Φk,k-1xk-1+Γk,k-1wk-1
zk＝Hkxk+vk
vk与wk-1是零均值且噪声协方差分别为Qk和Rk的高斯白噪声。k-1时刻后验概率密度p(xk-1|yk-1)是均值为
Figure BDA0002614867450000072
方差为Pk-1|k-1的高斯形式。Kalman滤波的五个公式分别为：
Xforecast(k)＝AXestimation(K-1)+B×g
Pforecast(k)＝APestimation(K-1)AT+Qk
K＝Pforecast(k)H×(H×Pforecast(k)×HT+R)-1
Figure BDA0002614867450000073
Pestimation(K)＝(I-KH)Pforecast(k)
根据雷达系统和天线参数，雷达带宽50MHz，可获得雷达测距精度约为0.5m，天线测角精度最差假设为2°，对应最远750m处位置误差为26m。采用这些参数进行了仿真，结果图9、图10所示。可知在弹头穿越雷达波束的过程中，雷达可以获得密集的位置观测，利用这些数据和卡尔曼滤波处理，经过约100次观测，位置误差减小并稳定到3m左右。
4.下降段弹道参数估计
外弹道学研究的内容包括弹头质心运动、弹头飞行时的受力情况、弹头作绕心运动的规律及其产生的影响因素、外弹道规律在实际中的应用等。主要分为两大部分，质点弹道学和刚体弹道学。质点弹道学是在一定的假设下，略去对弹头运动影响较小的一些力和全部力矩，把弹头当成一个质点，研究其在重力、空气阻力和火箭发动机推力作用下的运动规律。质点弹道学研究在于简化条件下的弹道计算问题，分析影响弹道的诸因素，并初步分析形成散布和产生射击误差的原因。这里，由于观测的下降段弹道，此时弹头姿态较为稳定，质点弹道学完全满足精度要求，因此以下以将弹头视为质点。
以122榴弹炮弹头为例，采用质点弹道模型描述弹道方程如下：
Figure BDA0002614867450000081
C为弹道系数，
Figure BDA0002614867450000082
为弹头速度，
Figure BDA0002614867450000083
τon为地面标准虚温，τz为高度z处虚温；H(z)为气重函数,阻力函数
Figure BDA0002614867450000084
Cxon为零攻角阻力系数；g为重力加速度。
以典型122榴弹炮弹头初速为618m/s，弹径0.122m，重量为21.76kg，射角240mil，弹道系数设为0.25进行仿真，在下降段，弹头轨迹较为平直。在雷达波束照射期间，弹头与雷达距离为470-580m，弹头相对雷达的径向速度为100-180m/s，雷达波束与目标轴向的夹角为50-70°。雷达照射段时间长度为0.8s，可获得多个弹头运行点迹。
在对弹道进行滤波后，通过最小二乘法对弹道系数C进行估计，从而下降段弹道。继续外推雷达波束照射时间之后的弹道，并求其与大地平面的交点，即为弹着点坐标。弹道外推精度与外推时间长度成反比与弹道模型精度成正比。由于雷达靠近下降段观测，大气环境和弹头受力特性稳定，因此末弹道模型比较准确，在此仅分析外推时间对最终落点精度的影响，通过蒙特卡罗仿真1000次，统计得到122mm弹着点误差如图11所示，误差的标准差约3.15m。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (5)

1.一种凝视雷达测量下降段弹道方法，包括安装在雷达支架上的1个发射天线、1个接收天线阵列，发射天线位于接收天线阵列上方，所述接收天线阵列可手动进行方位调整和俯仰调整操作，其特征在于，测量步骤如下；
S1、接收天线阵列采集的弹头的雷达数据，利用动目标检测MTD对弹头目标检测，并获得其距离和速度；
S2、使用比幅和比相算法对接收天线各个通道数据进行处理得到弹头相对于雷达的方向；
S3、利用卡尔曼滤波算法计算弹头点迹；
S4、根据弹头点迹估计其下降段弹道参数，进而得到其下降段弹道。
2.根据权利要求1所述的一种凝视雷达系统，其特征在于，所述的发射天线、接收天线阵列均采用工作频段为S波段的线性调频连续波体制。
3.根据权利要求1所述的一种凝视雷达系统，其特征在于，所述接收天线阵列为四个接收天线，排列安装构成田字形的2×2面阵。
4.根据权利要求1所述的一种凝视雷达系统，其特征在于，所述方位调整通过转台和锁定机构，旋转角度为0-360°；所述俯仰调整通过丝杆机构的伸缩杆，旋转角度0-80°。
5.根据权利要求1所述的一种凝视雷达系统，其特征在于，接收天线阵列中各个接收天线以及发射天线在上、下方向和前、后方向均间隔预设距离。
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