CN112051568B - 一种两坐标雷达的俯仰测角方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种两坐标雷达的俯仰测角方法，属于雷达信号检测和数据处理技术领域。采用俯仰多波束扫描，对俯仰平面进行网格划分，然后求取单元格幅度平均值，根据单元格幅度平均值设定门限进行目标的判定，对目标的一次点迹信息做凝聚处理；对凝聚后的电迹进行预测、滤波后输出航迹，航迹信息中包含俯仰、距离、方位信息。本发明方法解决了现有技术中单部两坐标雷达不能实现测高的缺陷，同时进行杂波抑制，提高了跟踪精度。

Description

一种两坐标雷达的俯仰测角方法
技术领域
本发明涉及雷达数据处理和信号处理方法，属于雷达信号检测和数据处理技术领域。
背景技术
两坐标雷达由于体制限制只能探测目标的距离和方位信息，不能获取准确的俯仰信息即不能测高。而无人机的飞行高度从几十米到几百米不定，机动性强，作为一个反无人机探测雷达，不能测高则不能获取无人机的具体三维位置，是一项功能缺失。
反无人机探测雷达主要的探测目标是无人机这类“低慢小”目标，它的主要特点是：1)低：目标飞行高度低，容易受地面目标干扰；2)慢：目标飞行速度慢，多普勒频率小，容易受地面杂波干扰；3)小：目标散射截面积小，回波弱。
在复杂背景下，对“低慢小”目标的检测难度大，无法检测则后续的航迹处理无从谈起。杂波图技术在虚假目标抑制方面有较好的效果，杂波图技术是利用零速通道滤波器来分离出杂波和低多普勒回波，输出经过杂波图门限检测器。杂波图一般分为静态杂波图和动态杂波图，按维度又分为平面杂波图和立体杂波图。
目标的三维定位方法，常见的有：1)三坐标雷达直接测量目标的三维定位信息；2)两坐标雷达和测高雷达复合应用；3)多部两坐标雷达数据融合。
以上3种方法均需要两个雷达，现有技术中并未出现单部雷达进行测高的方法。
发明内容
要解决的技术问题
两坐标雷达不能获取俯仰信息即不能测高，则无法获取无人机的三维位置，不能满足反无人机探测雷达的需求。为了避免现有技术的不足，本发明提出一种两坐标雷达的俯仰测角方法，使用单部两坐标雷达完成三坐标定位，拟采用俯仰多波束比幅测角+目标跟踪精确测角相结合的方法。
技术方案
一种两坐标雷达的俯仰测角方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：雷达开机，进入搜索工作模式，俯仰三波束扫描，俯仰波束间隔δ度；
步骤2：每个俯仰平面按照距离单元r和方位波束宽度e划分单元格；
步骤3：经过每个俯仰面N次以上积累，得到每个单元格幅度平均值Fijk；所述的Fijk表示第i个俯仰面，第j个距离单元，第k个方位波束所在单元格的幅度平均值；
步骤4：取检测门限为Lijk＝CFijk，其中C为门限因子；当被检测信号大于检测门限Lijk，判为有目标，否则判为无目标；被检出的目标一次点迹信息包含距离Ri、方位Ai、俯仰Ei、幅度Fi和多普勒Vi；
步骤5：将多个俯仰位的一次点迹信息做凝聚处理，落在距离、方位、多普勒波门内的点迹认为是同一目标的信息；
5a、当波门内只有1个俯仰位的点迹信息时，用该波束所在俯仰角作为目标的俯仰角，用质心法进行距离、方位维的凝聚，最大幅度点迹的多普勒作为凝聚点的多普勒；所述的质心法进行距离、方位维的凝聚公式如下：
Figure BDA0002661699260000021
Figure BDA0002661699260000022
5b、当波门内有2个俯仰位的点迹信息时，采用质心法进行距离、方位、俯仰维的凝聚，最大幅度点迹的多普勒作为凝聚点的多普勒；所述的质心法进行俯仰维的凝聚公式如下：
Figure BDA0002661699260000023
5c、当波门内有3个俯仰位的点迹信息时，先用质心法对同一俯仰位的点迹做距离、方位维的凝聚，最大幅度点迹的多普勒作为凝聚点的多普勒；再对三个俯仰位的凝聚点进行比幅测角，计算凝聚点的俯仰角；具体算法如下：
将E1、E2、E3、F1、F2、F3代入F＝a×ΔE2+b，
Figure BDA0002661699260000031
求得
Figure BDA0002661699260000032
E0即为凝聚点的俯仰角；
步骤6：用凝聚点建立备选航迹；按照航迹的运动规律，预测当前帧航迹的位置；以航迹的预测位置为中心，设定距离、方位、俯仰和多普勒相关波门，将落入波门内的量测数据和航迹相关联，如果量测数据没有落在任何一个航迹的波门内，则该数据直接产生一个新的航迹；如果在航迹的波门内没有观测点，则进行航迹外推；按照α-β-γ滤波方法，对航迹进行滤波；
步骤7：当航迹有连续5个观测点后，在航迹滤波后再进行一次预测；
步骤8：以预测点为中心，方位、俯仰维密打波束，此时雷达停止周扫，只扫描密打波位，在设定的数据率下获取跟踪一次点迹，用质心法做距离、方位、俯仰的凝聚，最大幅度点迹的多普勒作为凝聚点的多普勒；
步骤9：重复步骤6-8的航迹处理过程，当出现观测点时，输出航迹；所述的航迹包括俯仰、距离、方位信息。
步骤2中的N为30次。
步骤8中的设定的数据率为每6毫秒获取跟踪一次点迹。
有益效果
本发明提出的一种两坐标雷达的俯仰测角方法，实现了单部两坐标雷达也能测高的功能，弥补了现有技术中的这一功能缺陷。同时，由于无人机这类“低慢小”目标，检测难度大，受杂波影响大，对其进行杂波抑制，提高“低慢小”目标的检测概率，达到高精度的对无人机稳定跟踪的效果。
附图说明
图1三波束比幅测角示意图
图2单俯仰面距离方位分割示意图
图3三俯仰示意图
图4本发明实施流程图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明采用俯仰多波束比幅测角+目标跟踪精确测角相结合的方法
a、俯仰测角
雷达搜索时俯仰采取多波束扫描(一般使用三波束)，覆盖无人机的飞行空域，三波束等间隔排列。
当只有一个波束检测到目标时，无法比幅测角，只能用该波束所在俯仰角作为目标的俯仰角，精度差；
当有2个波束检测到目标时，采用质心法进行幅度加权，得到粗略的目标俯仰角。假设两个波束对应的俯仰角分别为E1、E2，回波幅度分别为F1、F2，则求得的目标俯仰角为
Figure BDA0002661699260000041
当3个波束都检测到目标时，则可以进行比幅测角。采用曲线拟合的方法进行比幅测角。波束所在俯仰角偏离目标真实角度的偏差ΔE和回波幅度F近似符合抛物线函数F＝a×ΔE2+b。假设上中下三个波束对应的俯仰角分别为E1、E2、E3，回波幅度分别为F1、F2、F3，其中E1＝E2+δ，E3＝E2-δ，δ为波束间距。目标所在俯仰角为E0，则ΔE2＝E2-E0，ΔE1＝E2+δ-E0，ΔE3＝E2-δ-E0。将ΔE1、ΔE2、ΔE3、F1、F2、F3代入抛物线函数，得到
Figure BDA0002661699260000051
解方程得到
Figure BDA0002661699260000052
可知目标所在俯仰角为E0。
b、目标跟踪精确测角
雷达搜索时通过比幅测角得到目标所在俯仰角，但是当只有1个波束检测到目标，或多个波束不是用主瓣检测到目标时，都会产生俯仰角的测角误差。为此可以通过目标跟踪，采取密打俯仰波束和提高数据率的手段来提高测角精度。
2)俯仰多层的动态杂波图
雷达搜索时俯仰采取多波束扫描(一般使用三波束)；每个俯仰位对应空间的一个俯仰面，不同俯仰面建立不同的动态杂波图，实时更新。
每个俯仰面是一个距离方位二维平面，按照距离单元和方位波束宽度划分单元格。存储每个单元格的幅度平均值，以幅度平均值为基础设定每个单元格的检测门限，当被检测信号大于门限，判为有目标，否则判为无目标。
如图4所示，为本发明的整体流程图，具体如下：
1)雷达开机，进入搜索工作模式，俯仰三波束扫描，如图3所示，俯仰波束间隔δ度。
2)每个俯仰平面按照距离单元r和方位波束宽度e划分单元格。如图2所示。
3)经过每个俯仰面30次以上积累，得到每个单元格幅度平均值Fijk。Fijk表示第i个俯仰面，第j个距离单元，第k个方位波束所在单元格的幅度平均值。
4)取检测门限为Lijk＝CFijk，其中C为门限因子，C的大小决定检测概率和虚警概率。当被检测信号大于检测门限Lijk，判为有目标，否则判为无目标。被检出的目标一次点迹信息包含距离Ri、方位Ai、俯仰Ei(所在俯仰波束)、幅度Fi和多普勒Vi。
5)将多个俯仰位的一次点迹信息做凝聚处理，落在距离、方位、多普勒波门内的点迹认为是同一目标的信息。
a、当波门内只有1个俯仰位的点迹信息时，用该波束所在俯仰角作为目标的俯仰角，用质心法做距离(式1)、方位(式2)维的凝聚，最大幅度点迹的多普勒作为凝聚点的多普勒；
Figure BDA0002661699260000061
Figure BDA0002661699260000062
b、当波门内有2个俯仰位的点迹信息时，采用质心法进行距离(式1)、方位(式2)、俯仰(式3)维的凝聚，最大幅度点迹的多普勒作为凝聚点的多普勒；
Figure BDA0002661699260000063
c、当波门内有3个俯仰位的点迹信息时，先用质心法对同一俯仰位的点迹做距离(式1)、方位(式2)维的凝聚，最大幅度点迹的多普勒作为凝聚点的多普勒。再对三个俯仰位的凝聚点进行比幅测角，计算目标俯仰角。具体算法如下：
将E1、E2、E3、F1、F2、F3代入F＝a×ΔE2+b，
Figure BDA0002661699260000071
求得
Figure BDA0002661699260000072
E0即为目标俯仰角。
6)用凝聚点建立备选航迹；按照航迹的运动规律，预测当前帧航迹的位置；以航迹的预测位置为中心，设定距离、方位、俯仰和多普勒相关波门，将落入波门内的量测数据和航迹相关联，如果量测数据没有落在任何一个航迹的波门内，则该数据直接产生一个新的航迹。如果在航迹的波门内没有观测点，则进行航迹外推。按照α-β-γ滤波方法，对航迹进行滤波。
7)当航迹稳定(当航迹有五个连续观测点后)后，在航迹滤波后再进行一次预测。
8)以预测点为中心，方位、俯仰维密打波束，此时雷达停止周扫，只扫描密打波位，在高数据率(每6毫秒)下获取跟踪一次点迹(不做杂波抑制)，用质心法做距离(式1)、方位(式2)、俯仰(式3)的凝聚，最大幅度点迹的多普勒作为凝聚点的多普勒。
9)重复6)～8)的航迹处理过程，当出现观测点时，输出航迹，所述的航迹包括俯仰、距离、方位信息。
10)当跟踪航迹多次(5次)没有观测点导致多次外推时，将航迹删除。

Claims (3)

1.一种两坐标雷达的俯仰测角方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：雷达开机，进入搜索工作模式，俯仰三波束扫描，俯仰波束间隔δ度；
步骤2：每个俯仰平面按照距离单元r和方位波束宽度e划分单元格；
步骤3：经过每个俯仰面N次以上积累，得到每个单元格幅度平均值Fijk；所述的Fijk表示第i个俯仰面，第j个距离单元，第k个方位波束所在单元格的幅度平均值；
步骤4：取检测门限为Lijk＝CFijk，其中C为门限因子；当被检测信号大于检测门限Lijk，判为有目标，否则判为无目标；被检出的目标一次点迹信息包含距离Ri、方位Ai、俯仰Ei、幅度Fi和多普勒Vi；
步骤5：将多个俯仰位的一次点迹信息做凝聚处理，落在距离、方位、多普勒波门内的点迹认为是同一目标的信息；
5a、当波门内只有1个俯仰位的点迹信息时，用该波束所在俯仰角作为目标的俯仰角，用质心法进行距离、方位维的凝聚，最大幅度点迹的多普勒作为凝聚点的多普勒；所述的质心法进行距离、方位维的凝聚公式如下：
Figure FDA0002661699250000011
Figure FDA0002661699250000012
5b、当波门内有2个俯仰位的点迹信息时，采用质心法进行距离、方位、俯仰维的凝聚，最大幅度点迹的多普勒作为凝聚点的多普勒；所述的质心法进行俯仰维的凝聚公式如下：
Figure FDA0002661699250000013
5c、当波门内有3个俯仰位的点迹信息时，先用质心法对同一俯仰位的点迹做距离、方位维的凝聚，最大幅度点迹的多普勒作为凝聚点的多普勒；再对三个俯仰位的凝聚点进行比幅测角，计算凝聚点的俯仰角；具体算法如下：
将E1、E2、E3、F1、F2、F3代入F＝a×ΔE2+b，
Figure FDA0002661699250000021
求得
Figure FDA0002661699250000022
E0即为凝聚点的俯仰角；
步骤6：用凝聚点建立备选航迹；按照航迹的运动规律，预测当前帧航迹的位置；以航迹的预测位置为中心，设定距离、方位、俯仰和多普勒相关波门，将落入波门内的量测数据和航迹相关联，如果量测数据没有落在任何一个航迹的波门内，则该数据直接产生一个新的航迹；如果在航迹的波门内没有观测点，则进行航迹外推；按照α-β-γ滤波方法，对航迹进行滤波；
步骤7：当航迹有连续5个观测点后，在航迹滤波后再进行一次预测；
步骤8：以预测点为中心，方位、俯仰维密打波束，此时雷达停止周扫，只扫描密打波位，在设定的数据率下获取跟踪一次点迹，用质心法做距离、方位、俯仰的凝聚，最大幅度点迹的多普勒作为凝聚点的多普勒；
步骤9：重复步骤6-8的航迹处理过程，当出现观测点时，输出航迹；所述的航迹包括俯仰、距离、方位信息。
2.根据权利要求1所述的一种两坐标雷达的俯仰测角方法，其特征在于步骤2中的N为30次。
3.根据权利要求1所述的一种两坐标雷达的俯仰测角方法，其特征在于步骤8中的设定的数据率为每6毫秒获取跟踪一次点迹。
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