CN112924959B - 基于带宽合成的分布式高频地波雷达目标定位和测速方法 - Google Patents

基于带宽合成的分布式高频地波雷达目标定位和测速方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于带宽合成的分布式高频地波雷达目标定位和测速方法，每个雷达基站发射信号所在的频带互不重叠，且各雷达基站不仅接收自己的回波信号，还接收其他基站发射信号经目标散射后的回波信号，对各基站的回波信号进行分析处理，得到各个雷达基站的时域叠加回波信号；利用最大似然估计方法，将目标的位置估计和速度测量问题转变为求解代价函数的最小值问题；求出代价函数的最大似然估计量，得到目标的位置估计值和速度测量值。本发明能够实现分布式高频地波雷达目标定位和测速，通过将回波信号时域叠加，扩展了接收带宽，提高了带内信噪比，提升了距离和速度分辨能力，有利于对目标精确定位和速度估计。

Description

基于带宽合成的分布式高频地波雷达目标定位和测速方法
技术领域
本发明属于分布式高频地波雷达目标定位和测速领域，涉及一种分布式高频地波雷达目标定位和测速方法，具体涉及一种基于带宽合成的分布式高频地波雷达目标定位和测速方法。
背景技术
高频地波雷达工作在3～30MHz，其最大探测范围可覆盖300至500公里，足以覆盖200公里的专属经济区并可以对海面舰船和低空飞行目标实现超视距探测，以达到监视和预警的作用。高频地波雷达凭借其探测距离大、范围广、超视距、可全天候工作等优势，成为监视专属经济区、为船只提供远程保障、实现目标的超视距预警探测的有利武器。当前，高频地波雷达由于其大的占地面积、糟糕的机动性和对RCS的起伏性等缺点，越来越难满足未来海洋发展的需求。
分布式高频地波雷达是一种全新的海洋探测超视距雷达系统，是未来高频地波雷达的重要发展方向。它根据一定的要求对雷达系统资源进行配置，形成单发多收或多发多收的海洋探测系统。该雷达系统包含分布在不同地理位置上的多个结构相同的发射和接收系统，它不仅能很好地克服传统高频地波雷达方位分辨率低、距离分辨率有限等缺点，而且在探测能力、测量精度和抗干扰等方面都有巨大的优势。可有效克服传统高频地波雷达的上述不足，对海面和低空目标实施更准确的定位。
分布式雷达目标定位方法可以分为两大类：间接定位法和直接定位法。运用最广泛的方法是间接定位法，其主要依赖于两个步骤：1.分别在每个接收机基站上估计中间参数；2.利用各站估计到的中间参数，利用相应的定位算法来推导目标位置和速度，此类方法存在明显的局限，无法得到最优的定位结果。直接定位法直接将各基站接收到的目标回波信号数据传送到总站，经过统一联合处理计算得到待测目标位置估计值，目标的定位精度和速度估计精度要明显优于间接定位法，但此方法带来了更大的传输负担和更高的计算成本。当前，分布式雷达的目标定位问题得到了广泛关注，但由于高频地波雷达的特殊性，需要对超视距远程目标进行定位，一些比较成熟的定位方法无法在分布式高频地波雷达上运用，因此，在分布式高频地波背景下，如何对目标位置和速度准确估计是一个难点，有待进一步的研究。
发明内容
为了解决在分布式高频地波雷达背景下对超视距远程目标的定位问题，本发明提供了一种基于带宽合成的直接目标定位和测速方法。该方法可以用于分布式高频地波雷达对远距离目标位置的估计和矢量速度的测量，可以得到精确的估计和测量结果。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
基于带宽合成的分布式高频地波雷达目标定位和测速方法，包括如下算法模型和步骤：
算法模型：
在分布式高频地波雷达系统中，本算法假设每个雷达基站都采用全向天线，各基站无法获得方位角和俯仰角，只可通过时延信息和匹配搜索的方法来对目标直接定位。假设整个系统有L个雷达基站，其中有L′(2≤L′≤L)个基站可以发射信号，每个雷达基站发射一个已知信号sl(t),l∈[1,L′]，且每个雷达基站发射信号所在的频带互不重叠，没有干扰。每个雷达基站不仅接收自己的回波信号，还接收其他基站发射信号经目标散射后的回波信号。本发明的公式中小写加粗字母代表向量，大写加粗字母代表矩阵。则第d(d∈[1,L])个雷达基站收到的经由Q个目标反射的信号可以表示为经典窄带形式：
Figure BDA0002929281250000021
其中，fl是第l个发射基站的载波频率。由此算出由第l个发射基站发射经第q个目标反射后到达第d个雷达基站的信号时延为：
Figure BDA0002929281250000022
其中，pl为第l个发射基站的位置坐标，pq为第q个目标的位置坐标，pd为第d个雷达基站的位置坐标。多普勒频率偏移为：
Figure BDA0002929281250000023
其中，vq为第q个目标的速度矢量。在分布式高频地波雷达背景下，与光速相较而言，所有目标的运动均可视为慢速运动，所以可以认为目标的运动速度对时延信号sl(t-τl,d(pq))没有影响。
系数ρl,q,d为表征传播影响的未知确定性复增益，nd(t)为方差为
Figure BDA0002929281250000024
的加性噪声，假设噪声功率已知可由各雷达基站估算出，系统假设所有雷达基站发射的信号波形均相同，定位问题变成获得L个雷达基站的L′*N个快拍数据后，估计Q个待测目标的位置和矢量速度，N是各基站回波信号的时域采样点数。
在此模型下，各基站收到的回波信号为所有发射信号经目标反射后的时域叠加，而非单站发射单站接收的模式，接收信号的频带变宽，带内信噪比提高，可以有效提升目标的距离和速度分辨能力，称为基于带宽合成的分布式高频地波雷达目标定位和测速方法。
所述的基于带宽合成的分布式高频地波雷达目标定位和测速方法，包括如下步骤：
步骤一：对分布式高频地波雷达各基站的回波信号进行分析处理，假设整个搜索空间中只存在一个目标，得到第d(d∈[1,L])个雷达基站的时域叠加回波信号：
Figure BDA0002929281250000031
其中，
Figure BDA0002929281250000032
tn＝nTs
步骤二：对分布式高频地波雷达各基站的回波信号采用最大似然估计方法，使得每个基站的噪声功率最小，估计出未知参数。由此可以将对目标的位置估计和速度测量问题转变为求解下式的最小值问题：
Figure BDA0002929281250000033
其中，
α＝[pT vT Re(ρT) Im(ρT)]T
r＝[r1...rd...rL]T
rd＝[rd(t1) ... rd(tN)]T
Ul(p,v)＝diag(ul,1(p,v),...,ul,L(p,v))
ul,d(p,v)＝[ul,d(p,v,t1)...ul,d(p,v,tN)]T
ρ＝[ρl,1…ρl,L]T
∑＝E[nd(t)nd *(t)]
||X||W＝XHWX
步骤三：当噪声n(t)为空时高斯白噪声时，∑为对角矩阵，
Figure BDA0002929281250000034
则最小值的求解问题转化为：
Figure BDA0002929281250000035
由此可得系数ρl,d的最大似然估计量为：
Figure BDA0002929281250000041
将上式带入最小值的求解问题中，可以得到如下的最大似然估计量为：
Figure BDA0002929281250000042
其中，
Figure BDA0002929281250000043
求解出代价函数JBSDTL(p,v)的局部最大值即可得出目标直接定位的结果。利用最大似然算法可以根据L个雷达基站接收到的受高斯噪声干扰的数据估算出多个目标的位置坐标和速度矢量，其代价函数即为一个匹配滤波器的结果，即与目标位置和速度相关的典型匹配滤波器的加权和，通过整个空间的搜索匹配，实现分布式高频地波雷达目标定位和测速。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明能够实现分布式高频地波雷达目标定位和测速，通过将回波信号时域叠加，扩展了接收带宽，提高了带内信噪比，提升了距离和速度分辨能力，有利于对目标精确定位和速度估计，具有实施简单、基站可灵活配置、定位精度高等优点。
附图说明
图1为本发明的信号模型原理示意图(以四个基站为例)。
图2为本发明各基站的发射信号频率图
图3为本发明各基站和目标所在位置分布图。
图4为本发明采用2个发射基站时对目标位置的搜索匹配图。
图5为本发明采用3个发射基站时对目标位置的搜索匹配图。
图6为本发明采用4个发射基站时对目标位置的搜索匹配图。
图7为本发明采用2个发射基站时对目标速度的搜索匹配图。
图8为本发明采用3个发射基站时对目标速度的搜索匹配图。
图9为本发明采用4个发射基站时对目标速度的搜索匹配图；
图10为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种基于带宽合成的分布式高频地波雷达目标定位和测速方法，所述方法的算法模型和步骤如下：
算法模型：
如图1所示，以一个目标和四个基站为例(该算法模型只需要2个及以上基站发射信号即可实现定位，为说明方便，图1给出了4个基站全部发射信号的情况，发射采用线性调频信号，发射频率如图2所示，四个基站及目标所在位置如图3所示)在分布式高频地波雷达系统中，每个雷达基站都采用全向天线，各基站无法获得方位角和俯仰角，只可通过时延信息和匹配搜索的方法来对目标直接定位。假设整个系统有L′(2≤L′≤4)个基站可以发射信号，每个雷达基站发射一个已知信号sl(t),l∈[1,L′]，且每个雷达基站发射信号所在的频带互不重叠，没有干扰。每个雷达基站不仅接收自己的回波信号，还接收其他基站发射信号经目标散射后的回波信号。则第d(d∈[1,4])个雷达基站收到的经由目标反射的信号可以表示为经典窄带形式：
Figure BDA0002929281250000051
其中，fl是第l个发射基站的载波频率。在此模型下，4个基站各收到L′个回波信号，回波信号的时域叠加导致频域扩展，各基站回波信号带宽合成，扩大为常规单发单收模式的L′倍，在理论上证明了本算法的有效性。
由此算出由第l个发射基站发射经目标反射后到达第d个雷达基站的信号时延为：
Figure BDA0002929281250000052
其中，pl为第l个发射基站的位置坐标，p为目标的位置坐标，pd为第d个雷达基站的位置坐标。多普勒频率偏移为：
Figure BDA0002929281250000053
其中，v为目标的速度矢量。在分布式高频地波雷达背景下，与光速相较而言，所有目标的运动均可视为慢速运动，所以可以认为目标的运动速度对时延信号sl(t-τl,d(p))没有影响。系数ρl,d为表征传播影响的未知确定性复增益，nd(t)为方差为
Figure BDA0002929281250000061
的加性噪声，定位问题变成获得4个雷达基站的L′*N个快拍数据后，估计待测目标的位置和矢量速度。
算法步骤：
一种基于带宽合成的分布式高频地波雷达目标定位和测速方法，如图10所示，包括如下步骤：
步骤一：我们采用高频地波雷达中常用的脉冲截断型线性调频连续波信号进行验证试验，假设目标的位置坐标p＝[0,500]km速度矢量v＝[9,12]m/s。对分布式高频地波雷达各基站的回波信号进行分析处理，得到第d(d∈[1,4])个雷达基站的时域叠加回波信号：
Figure BDA0002929281250000062
其中，
Figure BDA0002929281250000063
Figure BDA0002929281250000064
tn＝nTs
步骤二：对分布式高频地波雷达各基站的回波信号采用最大似然估计方法，使得每个基站的噪声功率最小，估计出未知参数。由此可以将对目标的位置估计和速度测量问题转变为求解下式的最小值问题：
Figure BDA0002929281250000065
其中，
α＝[pT vT Re(ρT) Im(ρT)]T
r＝[r1...rd...r4]T
rd＝[rd(t1) ... rd(tN)]T
Ul(p,v)＝diag(ul,1(p,v),…,ul,4(p,v))
ul,d(p,v)＝[ul,d(p,v,t1)...ul,d(p,v,tN)]T
ρ＝[ρl,1…ρl,4]T
∑＝E[nd(t)nd *(t)]
||X||W＝XHWX
步骤三：当噪声n(t)为空时高斯白噪声时，∑为对角矩阵，
Figure BDA0002929281250000071
则最小值的求解问题转化为：
Figure BDA0002929281250000072
由此可得系数ρl,d的最大似然估计量为：
Figure BDA0002929281250000073
将上式带入最小值的求解问题中，可以得到如下的最大似然估计量为：
Figure BDA0002929281250000074
其中，
Figure BDA0002929281250000075
求解出代价函数JBSDTL(p,v)的局部最大值即可得出目标直接定位的结果。利用最大似然算法可以根据4个雷达基站接收到的受高斯噪声干扰的数据估算出目标的位置坐标和速度矢量，其代价函数即为一个匹配滤波器的结果，即与目标位置和速度相关的典型匹配滤波器的加权和，通过整个空间的搜索匹配，实现分布式高频地波雷达目标定位和测速。图4-图6分别为采用2、3、4个发射基站时该方法对目标位置的搜索匹配图。图7-图9分别为采用2、3、4个发射基站时该方法对目标速度的搜索匹配图。由图4-图9的对比可以看到，该方法可以对目标准确定位和速度测量，并且随着发射站数量的增加，各接收站回波信号的带宽变大，带内信噪比提高，对目标的距离和速度分辨能力显著提升。
综上所述，本发明的方法能够实现分布式高频地波雷达目标定位和测速，通过将回波信号时域叠加，扩展了接收带宽，提高了带内信噪比，提升了距离和速度分辨能力，有利于对目标精确定位和速度估计，具有实施简单、基站可灵活配置、定位精度高等优点。

Claims (4)

1.基于带宽合成的分布式高频地波雷达目标定位和测速方法，其特征在于，所述方法包括如下模型和步骤：
算法模型：
分布式高频地波雷达系统中，每个雷达基站都采用全向天线，各基站只可通过时延信息和匹配搜索的方法来对目标直接定位；每个雷达基站发射信号所在的频带互不重叠，没有干扰；系统不同于简单联合常规单站发射单站接收的模式，而是每个雷达基站不仅接收自己的回波信号，还接收其他基站发射信号经目标散射后的回波信号；通过对接收回波信号的时域叠加，采用最大似然估计方法，提升了对目标的距离和速度分辨能力；
所述算法模型具体如下：
在分布式高频地波雷达系统中，本算法假设每个雷达基站都采用全向天线，各基站无法获得方位角和俯仰角，只可通过时延信息和匹配搜索的方法来对目标直接定位；假设整个系统有L个雷达基站，其中有L′(2≤L′≤L)个基站发射信号，每个雷达基站发射一个已知信号sl(t),l∈[1,L′]，且每个雷达基站发射信号所在的频带互不重叠，没有干扰；每个雷达基站不仅接收自己的回波信号，还接收其他基站发射信号经目标散射后的回波信号；则第d(d∈[1,L])个雷达基站收到的经由Q个目标反射的信号表示为经典窄带形式：
Figure FDA0003612625690000011
其中，fl是第l个发射基站的载波频率；由此算出由第l个发射基站发射经第q个目标反射后到达第d个雷达基站的信号时延为：
Figure FDA0003612625690000012
其中，pl为第l个发射基站的位置坐标，pq为第q个目标的位置坐标，pd为第d个雷达基站的位置坐标；多普勒频率偏移为：
Figure FDA0003612625690000013
其中，vq为第q个目标的速度矢量；在分布式高频地波雷达背景下，与光速相较而言，所有目标的运动均可视为慢速运动，所以认为目标的运动速度对时延信号sl(t-τl,d(pq))没有影响；
系数ρl,q,d为表征传播影响的未知确定性复增益，nd(t)为方差为
Figure FDA0003612625690000021
的加性噪声，假设噪声功率已知可由各雷达基站估算出，系统假设所有雷达基站发射的信号波形均相同，定位问题变成获得L个雷达基站的L′*N个快拍数据后，估计Q个待测目标的位置和矢量速度，N是各基站回波信号的时域采样点数；
算法步骤：
步骤一：对分布式高频地波雷达各基站的回波信号进行分析处理，得到各个雷达基站的时域叠加回波信号；
步骤二：对分布式高频地波雷达各基站的回波信号采用最大似然估计方法，将目标的位置估计和速度测量问题转变为求解代价函数的最小值问题；
步骤三：分布式高频地波雷达各基站的噪声为空时高斯白噪声时，求出代价函数的最大似然估计量JDTL(p,v)，从而得到目标的位置估计值和速度测量值。
2.根据权利要求1所述的基于带宽合成的分布式高频地波雷达目标定位和测速方法，其特征在于，所述步骤一的具体步骤如下：
对分布式高频地波雷达各基站的回波信号进行分析处理，假设整个搜索空间中只存在一个目标，得到第d(d∈[1,L])个雷达基站的时域叠加回波信号：
Figure FDA0003612625690000022
其中，
Figure FDA0003612625690000023
tn＝nTs。
3.根据权利要求1所述的基于带宽合成的分布式高频地波雷达目标定位和测速方法，其特征在于，所述步骤二的具体步骤如下：
对分布式高频地波雷达各基站的回波信号采用最大似然估计方法，使得每个基站的噪声功率最小，估计出未知参数；由此将对目标的位置估计和速度测量问题转变为求解下式的最小值问题：
Figure FDA0003612625690000024
其中，
α＝[pT vT Re(ρT) Im(ρT)]T
r＝[r1...rd...rL]T
rd＝[rd(t1)...rd(tN)]T
Ul(p,v)＝diag(ul,1(p,v),...,ul,L(p,v))
ul,d(p,v)＝[ul,d(p,v,t1)...ul,d(p,v,tN)]T。
ρ＝[ρl,1…ρl,L]T
∑＝E[nd(t)nd *(t)]
||X||W＝XHWX 。
4.根据权利要求1所述的基于带宽合成的分布式高频地波雷达目标定位和测速方法，其特征在于，所述步骤三的具体步骤如下：
当噪声n(t)为空时高斯白噪声时，∑为对角矩阵，
Figure FDA0003612625690000031
则最小值的求解问题转化为：
Figure FDA0003612625690000032
由此可得系数ρl,d的最大似然估计量为：
Figure FDA0003612625690000033
将上式带入最小值的求解问题中，得到如下的最大似然估计量为：
Figure FDA0003612625690000034
其中，
Figure FDA0003612625690000035
求解出代价函数JBSDTL(p,v)的局部最大值即可得出目标直接定位的结果；利用最大似然算法根据L个雷达基站接收到的受高斯噪声干扰的数据估算出多个目标的位置坐标和速度矢量，其代价函数即为一个匹配滤波器的结果，即与目标位置和速度相关的典型匹配滤波器的加权和，通过整个空间的搜索匹配，实现分布式高频地波雷达目标定位和测速。
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