CN113376625B - 目标物体的偏离角度获得方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于环境先验信息的目标物体的偏离角度获得方法、装置、设备及存储介质，涉及定位技术领域。方法包括：获取第一天线波束经目标物体反射至雷达得到第一回波信号函数，以及第二天线波束经目标物体反射至雷达得到的第二回波信号函数，第一天线波束和第二天线波束为雷达发射的方向图相同的波束；基于测试波信号、测试反馈信号以及地理气象参数得到传输函数；基于传输函数、第一回波信号函数以及第二回波信号函数得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度。如此，可以准确获得目标物体偏离雷视轴的偏离角度，以修正视轴指向，准确跟踪目标物体。
Description
技术领域
本申请涉及雷达定位技术领域，更具体地，涉及一种目标物体的偏离角度获得方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
目标跟踪一直是雷达领域研究的一个热点问题，在导弹防御、雷达监视、空中预警等军事战略，以及航海及航空导航、空中交通管制等民用领域均有着重要的应用。目前，单脉冲雷达采用和差波束同时接收目标回波信号，提取目标波达角(Angle Of Arrival,AOA)误差信息，具有测角精度高、抗干扰性能强的特点，在测角跟踪方面已经得到了广泛的应用。然而单脉冲雷达在对仰角飞行目标进行跟踪时，目标回波经地表反射可与直接回波信号同时进入接收机，造成接收信号幅度和相位的起伏。受多径效应的影响，跟踪雷达会在目标仰角估计中产生误差，使跟踪变得不稳定，甚至丢失目标。
发明内容
有鉴于此，本申请提出了一种目标物体的偏离角度获得方法、装置、电子设备及存储介质，可以改善上述问题。
一方面，本申请实施例提供了一种目标物体的偏离角度获得方法，包括：获取地理气象环境中第一天线波束经目标物体反射至雷达得到第一回波信号函数，以及第二天线波束经所述目标物体反射至所述雷达得到的第二回波信号函数，所述第一天线波束和第二天线波束为所述雷达发射的方向图相同的波束；基于测试波信号、测试反馈信号以及地理气象参数得到传输函数，所述测试反馈信号为该测试波信号经目标物体反射至雷达的信号；基于所述传输函数、所述第一回波信号函数以及所述第二回波信号函数得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度。
另一方面，本申请实施例提供了一种目标物体的偏离角度获得装置，包括：数据获取模块，用于获取地理气象环境中第一天线波束经目标物体反射至雷达得到第一回波信号函数，以及第二天线波束经所述目标物体反射至所述雷达得到的第二回波信号函数，所述第一天线波束和第二天线波束为所述雷达发射的方向图相同的波束；传输函数获得模块，用于基于测试波信号、测试反馈信号以及地理气象参数得到传输函数，所述测试波信号为第一天线波束或第二天线波束，所述测试反馈信号为该测试波信号经目标物体反射至雷达的信号；偏离角度获得模块，用于基于所述传输函数、所述第一回波信号函数以及所述第二回波信号函数得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度。
另一方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器；一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序配置用于执行上述的方法。
另一方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序代码，所述程序代码可被处理器调用执行上述的方法。
本申请提供的方案，通过获取地理气象环境中第一天线波束经目标物体反射至雷达得到第一回波信号函数，以及第二天线波束经所述目标物体反射至所述雷达得到的第二回波信号函数，所述第一天线波束和第二天线波束为所述雷达发射的方向图相同的波束；基于测试波信号、测试反馈信号以及地理气象参数得到传输函数，所述测试波信号为第一天线波束或第二天线波束，所述测试反馈信号为该测试波信号经目标物体反射至雷达的信号；基于所述传输函数、所述第一回波信号函数以及所述第二回波信号函数得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度。通过基于雷达波束与传播环境的相互作用机理，形成空间传输函数描述并分析电波在复杂多环境中的传输特性引入传播函数，可以确保基于第一回波信号函数以及第二回波信号函数得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度的准确性，进而提高了雷达的稳定性。
本申请的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了雷达在地理环境中跟踪目标物体的示意图；
图2示出了本申请一实施例提供的一种目标物体的偏离角度获得方法的流程示意图；
图3示出了本申请另一实施例提供的一种目标物体的偏离角度获得方法的另一流程示意图；
图4示出了本申请又一实施例提供的一种目标物体的偏离角度获得方法的流程示意图；
图5示出了和波束信号函数和差波束信号函数的示意图；
图6示出了回波误差信号的与偏离角之间的对应关系曲线图；
图7示出了光滑海面环境下的一种俯仰波束传输函数空间分布态势；
图8示出了光滑海面环境下的另一种俯仰波束传输函数空间分布态势；
图9示出了光滑海面环境下的另一种俯仰波束传输函数空间分布态势；
图10示出了光滑海面环境下的又一种俯仰波束传输函数空间分布态势；
图11示出了光滑海面环境下的传输函数幅度随水平距离变化示意图；
图12示出了光滑海面环境下的仰角估计误差示意图；
图13示出了标准大气条件下的一种俯仰波束传输函数空间分布态势；
图14示出了蒸发波导条件下的一种俯仰波束传输函数空间分布态势；
图15示出了起伏地形环境下的一种俯仰波束传输函数空间分布态势；
图16示出了起伏地形环境下的另一种俯仰波束传输函数空间分布态势；
图17示出了起伏地形环境下的另一种俯仰波束传输函数空间分布态势；
图18示出了起伏地形环境下的又一种俯仰波束传输函数空间分布态势；
图19示出了起伏地形环境下高空传输函数幅值随距离的衰减情况；
图20示出了起伏地形环境下的仰角估计误差的示意图；
图21示出了海岛环境示意图；
图22示出了图21中A位置处的雷达的对应的俯仰波束传输函数空间分布态势；
图23示出了图21中B位置处的雷达对应的俯仰波束传输函数空间分布态势；
图24示出了海岛环境下的仰角估计误差的示意图；
图25示出了本申请一实施例提供的一种目标物体的偏离角度获得装置的连接框图；
图26示出了图25中第二获得模块的连接框图；
图27示出了图25中偏离角度获得模块的连接框图；
图28是本申请实施例的用于执行根据本申请实施例的目标物体的偏离角度获得方法的电子设备的框图；
图29是本申请实施例的用于保存或者携带实现根据本申请实施例的目标物体的偏离角度获得方法的程序代码的存储单元。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在对本申请实施例进行进一步详细说明之前，对本申请实施例中涉及的名词和术语进行说明，本申请实施例中涉及的名词和术语适用于如下的解释。
雷达，意思为"无线电探测和测距"，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。
如图1所示是雷达在地理环境下跟踪目标物体时，向目标物体发送雷达波信号(天线波束)以及接受目标物体反射的雷达波信号的示意图。目前，为了降低雷达对目标物体的角度跟踪误差，做了大量分析多径效应的研究。在传播路径不多的情况下，常用几何模型分析简单地表环境中的电波传播特性，其中双径平地模型使用最为广泛。对存在散射体的环境，则需考虑多次反射，射线追踪(Ray Trace，TR)法能对传播环境进行精确建模，搜索电波传播路径，从而准确预测场强分布。但在较为复杂的环境下，地形和气象参数纳入考虑后，TR法必须建立反映电波各种传播机制的等效子模型来综合考虑电波的反射、绕射、折射和散射等特性。然而设定子模型的判据，跟踪射线数目增多，会使计算变得非常复杂，限制了其在复杂环境中的应用。
鉴于此，本申请提供一种目标物体的偏离角度获得方法、装置、设备及存储介质，通过获取环境中第一天线波束经目标物体反射至雷达得到第一回波信号函数，以及第二天线波束经目标物体反射至雷达得到的第二回波信号函数，第一天线波束和第二天线波束为雷达发射的方向图相同的波束；基于测试波信号、测试反馈信号以及地理气象参数得到传输函数，测试波信号为第一天线波束或第二天线波束，测试反馈信号为该测试波信号经目标物体反射至雷达的信号；；并基于传输函数、第一回波信号函数以及第二回波信号函数得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度。其能够利用表征收发波束和地理气象条件等对仰角估计误差的综合影响的传输函数和第一回波信号函数以及第二回波信号函数得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度，且上述的传输函数具备实际环境下的仿真计算能力，从而使得上述获得的目标物体偏离雷达视轴的偏离角度的准确性高，进而确保了雷达的跟踪稳定性。
请参照图2，图2是本申请实施例提供的一种目标物体的偏离角度获得方法的流程示意图，该方法可以应用于电子设备，电子设备可以安装地理气象条件数据库，基于确定性的地理气象模型，采用该算法模拟雷达在真实地理气象条件下进行目标跟踪时的场景，以获得准确的误差信号用以修正雷达跟踪方向。下面对该方法的步骤进行详细描述。
步骤S110，获取地理气象环境中第一天线波束经目标物体反射至雷达得到第一回波信号函数，以及第二天线波束经目标物体反射至雷达得到的第二回波信号函数，第一天线波束和第二天线波束为雷达发射的方向图相同的波束。
其中，上述的第一天线波束和第二天线波束在方向图相同的情况下，第一天线波束与第二天线波束的波束指向可以不同向。且上述的波束可以与雷达视轴位于同一直线，也可以与雷达视轴之间形成夹角。
步骤S120：基于测试波信号、测试反馈信号以及地理气象参数得到传输函数，测试波信号为第一天线波束或第二天线波束，测试反馈信号为该测试波信号经目标物体反射至雷达的信号。
其中，上述的地理气象参数信息可以包括媒质折射率和地形参数等，即，上述的传输函数与频率、视轴角度、方向图、媒质折射率和地形参数等密切相关。
上述的传输函数可以根据一组或多组测试波，每组测试波分别对应具体的地理气象环境参数得到。其中，每组测试波可以包括测试信号以及该测试波信号经目标物体反射至雷达得到的测试反馈信号得到。
传输函数可以是多径效应分析模型、神经网络模型或抛物方程模型等。
其中，作为一种方式，当传输函数为多径效应分析模型时，具体通过分析雷达波束与传播环境的相互作用机理，形成空间传输函数描述并分析电波(雷达产生的测试波信号和测试波经目标物体返回的测试反馈信号)在复杂多环境中的传输特性得到一传播函数(多径效应分析模型)。该多径效应分析模型能表征收发波束和地理气象条件等对仰角估计误差的综合影响，具备实际环境下的仿真计算能力。
作为另一种方式，当传输函数为神经网络模型时，可以利用多组测试波和每组测试波分别对应的地理气象参数进行训练得到。
作为又一种方式，当传输函数包括抛物方程模型(Parabolic Equation Model，PEM)时，应当理解，抛物方程模型是一种由波动方程推导而来的确定性模型，具体通过采用分步傅里叶算法(Split-Step Fourier Transform,SSFT)进行快速数值求解，其在步进面上的每一次迭代计算均包含了电波的绕射和折射效应，不需要专门考虑传播路径上的各种传播机制，计算过程简单；通过空域和角谱域交替计算空间中的电波场值(雷达发送的测试波信号和测试反馈信号)的变化，能够直接模拟电波的空间分布态势及其与环境的相互作用效应。
具体的，当传输函数为多径效应分析模型时，测试波信号和测试反馈信号可以是在如图1所示的复杂地理环境下进行，在此地理环境下，可以利用抛物方程法由波动方程推导得出，通过更新电/磁场沿步进面的幅相变化,能够直接模拟电/磁场的空间分布态势，算法简单、计算速度快、精度较高。
步骤S130：基于传输函数、第一回波信号函数以及第二回波信号函数得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度。
其中，利用传输函数可以实现对第一回波信号函数以及第二回波信号函数进行修正，使修正后的第一回波函数和修正后的第二回波函数，从而实现利用修正后的第一回波信号和修正后的第二回波满足各自在复杂地理环境下的传播特性，进而确保根据修正后的第一回波信号和修正后的第二回波信号得到的目标物体偏离雷达视轴的偏离角度的准确性。
通过采用本申请的目标物体的偏离角度获得方法获取第一天线波束经目标物体反射至雷达得到第一回波信号函数，以及第二天线波束经目标物体反射至雷达得到的第二回波信号函数，第一天线波束和第二天线波束为雷达发射的方向图相同的波束；基于测试波信号、测试反馈信号以及地理气象参数得到传输函数，测试波信号为第一天线波束或第二天线波束，测试反馈信号为该测试波信号经目标物体反射至雷达的信号；并基于传输函数、第一回波信号函数以及第二回波信号函数得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度。其能够利用表征收发波束和地理气象条件等对仰角估计误差的综合影响的传输函数和第一回波信号函数以及第二回波信号函数得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度，且上述的传输函数具备实际环境下的仿真计算能力，从而使得上述获得到的目标物体偏离雷达视轴的偏离角度的准确性高，进而确保了雷达的跟踪稳定性。
请参阅图3，本申请实施例提供一种目标物体的偏离角度获得方法的流程示意图，方法包括：
步骤S210：获取第一天线波束经目标物体反射至雷达得到第一回波信号函数，以及第二天线波束经目标物体反射至雷达得到的第二回波信号函数，第一天线波束和第二天线波束为雷达发射的方向图相同的波束。
作为一种方式，以天线波束方向图函数为F(θ)，波束主射方向与雷达视轴的夹角为δ，当目标回波信号的来向与雷达视轴的轴向θ0的夹角为θd(即目标回波信号偏角θd)，则第一天线波束和第二天线波束的方向图函数分别为F(δ-θd)和F(δ+θd)；即，第一天线波束为F(δ-θd)，第二天线波束为F(δ+θd)。雷达接收到的第一回波信号函数和第二回波信号函数分别为
即，第一回波信号函数为S1(θd)，第二回波信号函数为S2(θd)，其中，Ka为回波信号幅度系数，与雷达参数、目标距离和目标特性等有关。
步骤S220：基于测试波信号和测试反馈信号所在的传播空间建立笛卡尔坐标，并基于地理气象参数信息获取笛卡尔坐标中的测试波信号对应的波动方程。
具体的，测试波信号为St(r′)，当测试波信号传输至目标物体位置处时的信号强度为St(r′)·H(r,r′)，雷达接收到的测试反馈信号为Ka·H(r′,r)，，Ka为回波信号幅度系数。设电磁场时谐因子为e-jωt，其中ω为角频率。在雷达波(测试波信号和测试反馈信号)的传播空间的二维剖面建立笛卡尔坐标系，如图1所示。令水平极化波为ψ(x,z)＝Ey(x,z)，垂直极化波为ψ(x,z)＝Hy(x,z)，ψ(x,z)满足波动方程
其中，k0为真空中的电磁波波数，n为介质的折射率，ψ为极化波即ψ(x,z)。
步骤S230：基于慢变化波函数和波动方程得到一双向抛物方程。
其中，慢变化波函数为
为快变化空间相位函数，通过基于慢变化波函数和波动方程即可得到抛物方程，该抛物方程满足
其中，Q为伪微分子算子，且
u为简化波总场，u+为前向传播抛物方程的解，u-为后向传播抛物方程的解。
应当理解，若仅考虑前向传播，忽略后向散射，u则退化为单向抛物方程。
步骤S240：对双向抛物方程利用分步傅里叶变换得到传输函数。
具体的，可以采用Feit-Fleck近似处理伪微分子算子，以将其进行离散化处理，将离散化后的伪微分子算子采用分步傅里叶变换数值解法进行计算得到传输函数。
其中，采用Feit-Fleck近似处理伪微分算子，可得宽角抛物方程(Wide-angleparabolic equation，WAPE)形式，其分步傅里叶变换(Split-Step Fourier Transform,SSFT)解为
其中，p＝k0sinθ为角谱域变量，用于计算平面波沿各方向的传播；修正折射率
为考虑了地球半径a和雷达天线假设高度h的修正大气折射率。(这两个参量是在求解过程中用到的中间变量，结果中体现不出来)上式同时考虑了地球曲率和媒质折射率，从而可以方便地将地理和气象环境进行一体化建模和仿真，自动处理电波在地理气象环境中的衍射、反射，以及在媒质中的折射效果，用于确定电波传播的各种路径和衰减。
利用上述公式计算、雷达的测试波信号St(r′)和测试反馈波Sr(r)，可求得空间传输函数(Spatial Transfer Function)H(r,r′)，且H(r,r′)＝Sr(r′)/St(r)，由于多径传播信道是众多环境参数的复杂集合，诸如地形、媒质、信号频率等，它也是方向图以及目标和雷达位置的函数。因此空间传输函数可表示为H[r,r′|f,θ0,F(θ),n(x,z),T(x,z)]，与频率、视轴角度、方向图、媒质折射率和地形参数T(x,z)等密切相关。
步骤S250：基于传输函数、第一回波信号函数以及第二回波信号函数得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度。
请参阅图4，作为一种实施方式，上述步骤S250包括：
步骤S252：基于传输函数得到测试波信号的振幅。
具体的，由于雷达和目标间传播媒质的互易性，空间传输函数关于发射点和接收点对称，则H(r′,r)＝H*(r,r′)。因此，根据测试反馈信号以及目标物体处的信号强度采用第一计算式进行计算得到测试波信号的振幅，第一计算式为：Sr(r′)＝|Ka·H*(r,r′)|＝|Ka·H(r,r′)|。其中，Sr(r′)为测试波信号的振幅，Ka为回波信号幅度系数，H(r,r′)为目标物体处测试波信号相对于雷达发射信号强度的比值，为雷达至目标处的信号传输函数，H*(r,r′)为H(r,r′)的共轭函数，指目标至雷达的信号传输函数。在互易媒质中，其与雷达至目标处的信号传递函数互为共轭函数。
步骤S254：根据测试波信号的振幅、第一回波信号函数以及第二回波信号函数得到目标物体的回波误差信号。
作为一种方式，上述步骤S254具体可以是：根据测试波信号的振幅得到第一回波信号函数的振幅以及第二回波信号函数的振幅。根据第一回波信号函数和第二回波信号函数得到第一回波信号函数与第二回波信号函数的和波束信号函数以及差波束信号函数，其中，和波束信号函数根据第一回波信号函数与第二回波信号函数叠加得到，差波束信号函数根据第一回波信号函数与第二回波信号函数作差得到。根据差波束信号函数和和波束信号函数采用第二计算式进行计算得到目标物体的回波误差信号，第二计算式包括：
|H[r,r′|F(δ+θd)]|为第一回波信号函数的振幅，|H[r,r′|F(δ-θd)]|为第二回波信号到的振幅，SΔ(θd)为差波束信号函数，S∑(θd)为和波束信号函数，G(θd)为目标物体的回波误差信号。
作为另一种方式，上述步骤S254具体可以是：在不考虑气象和环境因素的理想情况下，根据第一回波信号函数和第二回波信号函数得到第一回波信号函数与第二回波信号函数的和波束信号函数以及差波束信号函数，其中，和波束信号函数根据第一回波信号函数与第二回波信号函数叠加得到，差波束信号函数根据第一回波信号函数与第二回波信号函数作差得到。
将和波束信号函数以及差波束信号函数采用第三计算式进行计算，得到初始回波误差信号，其中，第三计算式为
其中，SΔ(θd)为差波束信号函数，S∑(θd)为和波束信号函数。
利用初始回波误差信号和测试波信号的振幅得到目标跟踪误差G(θd)，且
上概述公式为完整的表达式，r,r′表明源和目标的几何位置，f为雷达信号频率、F(δ+θd)和F(δ-θd)为方向图、θ0为瞄准轴方向、n(x,z)为气象条件、T(x,z)为地理环境相关参数。
其中，上述获得的和波束信号函数以及差波束信号函数可以参阅图5所示
步骤S256：根据回波误差信号的与偏离角之间的对应关系以及目标物体的回波误差信号得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度。
其中，对应关系中存储有不同的回波误差信号以及与每个回波误差信号分别对应的偏离角，通过采用上述步骤S256即可得到与目标物体的回波信号对应的偏离角度。其中，上述的对应关系可以是如图6所示的对应关系曲线。
通过在采用上述步骤，在获得目标物体偏离雷达视轴的偏离角度θ0+θb之后，还可以利用测试设备测量得到目标物体偏偏离雷达视轴的测试角度θT，利用测试角度θT和上述的获得的目标物体偏离雷达视轴的偏离角度θ0+θb得到目标的仰角误差θe，且θe＝θT-(θ0+θb)。
通过采用本申请的目标物体的偏离角度获得方法获取第一天线波束经目标物体反射至雷达得到第一回波信号函数，以及第二天线波束经目标物体反射至雷达得到的第二回波信号函数，第一天线波束和第二天线波束为雷达发射的方向图相同的波束；以及基于测试波信号、测试反馈信号以及地理气象参数得到传输函数，测试波信号为第一天线波束或第二天线波束，测试反馈信号为该测试波信号经目标物体反射至雷达的信号；并基于传输函数、第一回波信号函数以及第二回波信号函数得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度。其能够利用表征收发波束和地理气象条件等对仰角估计误差的综合影响的传输函数和第一回波信号函数以及第二回波信号函数得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度，且上述的传输函数具备实际环境下的仿真计算能力，从而使得上述获得到的目标物体偏离雷达视轴的偏离角度的准确性高，进而确保了雷达的跟踪稳定性。
以雷达波(第一天线波束和第二天线波束)的频率为3GHz，波束采用高斯型方向图，半功率波束宽度为2.7°，偏置角度为0.5°。如图1所示，雷达置于垂直地表高度20m的位置。目标物体在1000m高度上等高飞行，开始跟踪时目标地面距离为15km，跟踪结束时目标地面距离为80km。则基于上述的第一天线波束和第二天线波束分别对应的第一回波信号函数和第二回波信号函数得到的差波束信号函数图以及和波束信号函数图如图5所示，需要说明的是，回波误差信号的与偏离角之间的对应关系可以是如图6所示的对应关系曲线。上述的传播环境可以是光滑海面、起伏地形和基于数字地图的海陆混合地形等中的任意一种。
以光滑的海面环境为例，在平坦地表和均匀大气条件下，单脉冲雷达跟踪在1000m高度上由近及远的飞行目标(目标物体)，视轴仰角(雷达的瞄准角，或称雷达视轴)θ0由3.75°逐渐降低至0.7°。则采用本申请的上述方法获得的俯仰波束传输函数空间分布态势如图7至图10所示。其中，图7为θ0＝3.5°且传输函数为
时的俯仰波束传输函数空间分布态势，图8为θ0＝3.5°且传输函数为
时俯仰波束传输函数空间分布态势。由于视轴仰角大于1个波束宽度(2.7°)，受海面反射波的影响较小，其幅值主要由直达波决定。当θ0减小，波束中擦地分量增多，经海面反射到达目标，与直接波叠加。多径信号在不同空间位置处相长和相消，形成了的干涉条纹分布如图9和图10所示，图9为，θ0＝1°且探测空间传输函数为
时的俯仰波束传输函数空间分布态势；图10为θ0＝1°且探测空间传输函数为
时的俯仰波束传输函数空间分布态势，图9和图10均呈现出明显的周期性深度衰落特性。在目标飞行高度即海拔1km处设置观测点，传输函数幅度随水平距离变化情况如图11所示。结合图11可知，目标相继通过电波相干和相消区，航线上的传输函数幅度随距离起伏。视轴仰角越低，幅度起伏程度越大。将目标航迹处的传播函数、第一回波信号函数以及第二回波信号函数可得测角误差，如图12。可见，视轴仰角θ0≥2.7°时，测角误差较小。但随着视轴仰角降低，多径效应愈加明显，造成传输函数幅度随距离起伏程度加剧，误差信号正负交替，仰角估计误差震荡。在深度衰落区域(Deep Fading Region)，仰角估计误差急剧增大，甚至超出了误差响应曲线的线性范围。若考虑地球曲率和标准大气折射条件，仰角估计值整体偏大0.06°左右。结合图13可知，这是由于在标准大气的球面环境下，波束传播方向略偏离海面导致的。若海面存在蒸发波导，在仰角较低的情况下，电波被陷获在大气波导内，如图14，会导致目标处的电波幅值有所降低，仰角估计误差在深度衰落区较标准大气条件下略有增大。
以起伏地形环境为例，起伏地形环境(考虑地球曲率和标准大气条件)下，电波在地表的反射、绕射和散射效应比较明显，如图15所示。合成信号由前向传播和后向传播信号叠加而成。由于地形起伏，发射源与地面各点的几何关系复杂多样，电波经过多种路径在探测空间传播。多径信号的幅度和相位扰动不规则性增大，会产生相干和非相干叠加，合成信号幅度在探测空间中的起伏程度有所减弱。从H的空间分布可以看出，起伏地形上空的干涉条纹分布密集，多径衰落在一定程度上得到抑制。相应地，在目标经过的高度上，
幅值随路径起伏程度降低，如图15至图18所示，图15为θ0＝3.5°且探测空间传输函数为
时的俯仰波束传输函数空间分布态势。图16为θ0＝3.5°且探测空间传输函数为
时的俯仰波束传输函数空间分布态势，图17为θ0＝1°且探测空间传输函数为
时的俯仰波束传输函数空间分布态势；图18为θ0＝1°且探测空间传输函数为
时的俯仰波束传输函数空间分布态势。起伏地形环境下1km高空传输函数幅值随距离的衰减情况如图19所示；仰角估计误差如图20所示，得益于复杂多样的传播路径，起伏地形环境中的合成信号幅度振荡减弱，仰角误差减小至±0.5°以内。
以海岛环境为例，基于数字高程地图(Digital Elevation Map，DEM)构建海岛环境，气象条件为标准大气。如图21所示，分别在距离海面高20m(海拔20m)处的A点和距离海岛地面高20m(海拔308.65m)的B点设置雷达站，跟踪在海拔1000m等高飞行的目标。由图22和图23可看出，传输函数H(r,r′)空间分布受雷达周围的环境影响较大。如图22所示是A雷达对应的俯仰波束传输函数空间分布态势，雷达A附近30km为平滑海面环境，H在上空的分布与全域光滑海面环境类似，空间干涉条纹明显且稀疏，导致仰角估值误差较大。如图23所示是B雷达对应的俯仰波束传输函数空间分布态势，而在海岛山顶架设的雷达B，受不规则起伏地形环境的影响，接收的非相干叠加分量增多。H干涉条纹杂乱且密集，回波在探测空间中的起伏明显减弱，因此，如图24所示的雷达B的仰角估计误差远小于雷达A。
基于上述分析可知，雷达站周围的地理环境对测角误差影响较大。平滑地表上空电波相干干涉较不规则地形上空明显，深度衰落明显，估值误差较大。大气条件的改变也会造成电波传播路径偏折，形成一个固定仰角估值误差。通过采用本申请的目标物体的偏离角度获得方法，可以有效确保获得的目标物体偏离雷视轴的偏离角度的可靠性。
请参阅图25，其示出了本申请实施例提供的一种目标物体的偏离角度获得装置300的框图。该装置300可以包括：第一获取模块310、第二获取模块320以及偏离角度获得模块330。
其中，数据获取模块310，用于获取确定地理气象环境中第一天线波束经目标物体反射至雷达得到第一回波信号函数，以及第二天线波束经目标物体反射至雷达得到的第二回波信号函数，第一天线波束和第二天线波束为雷达发射的方向图相同的波束。
第二获取模块320，用于基于测试波信号、测试反馈信号以及地理气象参数得到传输函数，测试波信号为第一天线波束或第二天线波束，测试反馈信号为该测试波信号经目标物体反射至雷达的信号。
如图26所示，作为一种方式，传输函数获得模块320具体可以包括波动方程获得子模块322、抛物方程获得子模块324以及传输函数获得子模块326。
波动方程获得子模块322，用于基于测试波信号和测试反馈信号所在的传播空间建立笛卡尔坐标，并基于地理气象参数信息获取笛卡尔坐标中的测试波信号对应的波动方程。
抛物方程获得子模块324，用于基于慢变化波函数和波动方程得到一双向抛物方程。
传输函数获得子模块326，用于对双向抛物方程利用分步傅里叶变换得到传输函数。
作为一种方式，测试波信号对应的波动方程包括：
其中，k0为真空中的电磁波波数，n为介质的折射率，ψ为极化波即ψ(x,z)，慢变化波函数为
其中，
为快变化空间相位函数；抛物方程获得子模块324，具体用于向波动方程中引入慢变化波函数，得到抛物方程
其中，
为伪微分子算子，u为简化波总场，u+为前向传播抛物方程的解，u-为后向传播抛物方程的解。传输函数获得模块具体用于，采用Feit-Fleck近似处理伪微分子算子，以将其进行离散化处理，将离散化后的伪微分子算子采用分步傅里叶变换数值解法进行计算得到传输函数。
偏离角度获得模块330，用于基于传输函数、第一回波信号函数以及第二回波信号函数得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度。
如图27所示，在一种可实施方式中，偏离角度获得模块330，包括：振幅获得子模块332、误差信号获得子模块334以及偏离角度获得子模块336。
振幅获得子模块332，用于基于传输函数得到测试波信号的振幅。
其中，振幅获得子模块332具体还用于基于传输函数和测试波信号得到目标物体处的信号强度；根据测试反馈信号以及目标物体处的信号强度得到测试波信号的振幅。
在该种方式下，振幅获得子模块332，具体可以根据测试反馈信号以及目标物体处的信号强度采用第一计算式进行计算得到测试波信号的振幅，第一计算式包括：Sr(r′)＝|Ka·H*(r,r′)|＝|Ka·H(r,r′)|，其中，Sr(r′)为测试波信号的振幅，Ka为回波信号幅度系数，H(r,r′)为雷达至目标的空间传输函数，当辐射源功率归一化后，其值可视作雷达辐射至目标处的功率密度，与回波信号幅度系数相乘，可获得目标物体处测试波信号的信号强度。H*(r,r′)为H(r,r′)的共轭函数，根据互易定理可知目标点到雷达位置的空间传输函数H(r′,r)＝H*(r,r′)。
误差信号获得子模块334，用于根据测试波信号的振幅、第一回波信号函数以及第二回波信号函数得到目标物体的回波误差信号。
其中，误差信号获得子模块334，具体可以用于根据测试波信号的振幅得到第一回波信号函数的振幅以及第二回波信号函数的振幅；根据第一回波信号函数和第二回波信号函数得到第一回波信号函数与第二回波信号函数的和波束信号函数以及差波束信号函数，其中，和波束信号函数根据第一回波信号函数与第二回波信号函数叠加得到，差波束信号函数根据第一回波信号函数与第二回波信号函数作差得到；根据差波束信号函数和和波束信号函数采用第二计算式进行计算得到目标物体的回波误差信号，第二计算式包括：
|H[r,r′|F(δ+θd)]|为第一回波信号函数的振幅，|H[r,r′|F(δ-θd)]|为第二回波信号到的振幅，SΔ(θd)为差波束信号函数，S∑(θd)为和波束信号函数，G(θd)为目标物体的回波误差信号。
偏离角度获得子模块336，用于根据回波误差信号的与偏离角之间的对应关系以及目标物体的回波误差信号得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述装置300和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，所显示或讨论的模块相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置300或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
请参考图28，其示出了本申请实施例提供的一种电子设备400的结构框图。该电子设备400可以是雷达，或者与雷达连接的等能够运行应用程序的电子设备。
本申请中的电子设备400可以包括一个或多个如下部件：处理器401、存储器402、以及一个或多个应用程序，其中一个或多个应用程序可以被存储在存储器402中并被配置为由一个或多个处理器401执行，一个或多个程序配置用于执行如前述方法实施例所描述的方法。
处理器401可以包括一个或者多个处理核。处理器401利用各种接口和线路连接整个电子设备400内的各个部分，通过运行或执行存储在存储器402内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器402内的数据，执行电子设备400的各种功能和处理数据。可选地，处理器401可以采用数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)、可编程逻辑阵列(Programmable LogicArray，PLA)中的至少一种硬件形式来实现。处理器401可集成中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)、图像处理器(Graphics Processing Unit，GPU)和调制解调器等中的一种或几种的组合。其中，CPU主要处理操作系统、用户界面和应用程序等；GPU用于负责显示内容的渲染和绘制；调制解调器用于处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调器也可以不集成到处理器401中，单独通过一块通信芯片进行实现。
存储器402可以包括随机存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括只读存储器(Read-Only Memory)。存储器402可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令集。存储器402可包括存储程序区和存储数据区。
可以理解，图28所示的结构仅为示例，电子设备400还可以包括比图8所示更少或更多的组件，或者具有与图28所示完全不同的配置。
请参考图29，其示出了本申请实施例提供的一种计算机可读存储介质的结构框图。该计算机可读介质500中存储有程序代码，程序代码可被处理器调用执行上述方法实施例中所描述的方法。
计算机可读存储介质500可以是诸如闪存、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、EPROM、硬盘或者ROM之类的电子存储器。可选地，计算机可读存储介质500包括非瞬时性计算机可读介质(non-transitory computer-readable storage medium)。计算机可读存储介质500具有执行上述方法中的任何方法步骤的程序代码510的存储空间。这些程序代码可以从一个或者多个计算机程序产品中读出或者写入到这一个或者多个计算机程序产品中。程序代码510可以例如以适当形式进行压缩。
综上，本申请提供的目标物体的偏离角度获得方法、装置、电子设备及存储介质，通过获取地理气象环境中第一天线波束经目标物体反射至雷达得到第一回波信号函数，以及第二天线波束经目标物体反射至雷达得到的第二回波信号函数，第一天线波束和第二天线波束为雷达发射的方向图相同的波束；基于测试波信号、测试反馈信号以及地理气象参数得到传输函数，测试波信号为第一天线波束或第二天线波束，测试反馈信号为该测试波信号经目标物体反射至雷达的信号；基于传输函数、第一回波信号函数以及第二回波信号函数得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度。其能够利用收发波束和地理气象条件等对仰角估计误差的综合影响的传输函数和第一回波信号函数以及第二回波信号函数得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度，且上述的传输函数具备实际环境下的仿真计算能力，从而使得上述获得到的目标物体偏离雷达视轴的偏离角度的准确性高，进而确保了雷达的跟踪稳定性。
此外，通过检测得到接收设备的运动状态可以辅助接收设备的导航应用作更精准的地图导航判别。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种目标物体的偏离角度获得方法，其特征在于，所述方法包括：
获取地理气象环境中第一天线波束经目标物体反射至雷达得到第一回波信号函数，以及第二天线波束经所述目标物体反射至所述雷达得到的第二回波信号函数，所述第一天线波束和第二天线波束为所述雷达发射的方向图相同的波束；
基于测试波信号、测试反馈信号以及地理气象参数得到传输函数，所述测试波信号为第一天线波束或第二天线波束，所述测试反馈信号为该测试波信号经目标物体反射至雷达的信号；
基于所述传输函数得到所述测试波信号的振幅；根据所述测试波信号的振幅、所述第一回波信号函数以及所述第二回波信号函数得到目标物体的回波误差信号；根据回波误差信号的与偏离角之间的对应关系以及所述目标物体的回波误差信号得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度。
2.根据权利要求1所述的目标物体的偏离角度获得方法，其特征在于，所述基于所述传输函数得到所述测试波信号的振幅，包括：
基于所述传输函数和所述测试波信号得到所述目标物体处的信号强度；
根据所述测试反馈信号以及所述目标物体处的信号强度得到所述测试波信号的振幅。
3.根据权利要求2所述的目标物体的偏离角度获得方法，其特征在于，根据所述测试反馈信号以及所述目标物体处的信号强度得到所述测试波信号的振幅，包括：
根据所述测试反馈信号以及所述目标物体处的信号强度采用第一计算式进行计算得到所述测试波信号的振幅，所述第一计算式包括：Sr(r′)＝|Ka·H(r,r′)|，其中，Sr(r′)为所述测试波信号的振幅，Ka为测试反馈信号幅度系数，H(r,r′)为目标物体处测试波信号的信号强度。
4.根据权利要求1所述的目标物体的偏离角度获得方法，其特征在于，根据所述测试波信号的振幅、所述第一回波信号函数以及所述第二回波信号函数得到目标物体的回波误差信号，包括：
根据所述测试波信号的振幅得到所述第一回波信号函数的振幅以及第二回波信号函数的振幅；
根据所述第一回波信号函数和第二回波信号函数得到所述第一回波信号函数与第二回波信号函数的和波束信号函数以及差波束信号函数，其中，所述和波束信号函数根据第一回波信号函数与第二回波信号函数叠加得到，所述差波束信号函数根据所述第一回波信号函数与所述第二回波信号函数作差得到；
根据所述差波束信号函数和所述和波束信号函数采用第二计算式进行计算得到目标物体的回波误差信号，所述第二计算式包括：
5.根据权利要求1所述的目标物体的偏离角度获得方法，其特征在于，所述基于测试波信号、测试反馈信号以及地理气象参数得到传输函数，包括：
基于测试波信号和测试反馈信号所在的传播空间建立笛卡尔坐标，并基于所述地理气象参数信息获取所述笛卡尔坐标中的测试波信号对应的波动方程；
基于慢变化波函数和所述波动方程得到一双向抛物方程；
对所述双向抛物方程利用分步傅里叶变换得到传输函数。
6.根据权利要求5所述的目标物体的偏离角度获得方法，其特征在于，所述测试波信号对应的波动方程包括：
其中，k0为真空中的电磁波波数，n为介质的折射率，ψ为极化波即ψ(x,z)，所述慢变化波函数为
其中，
为快变化空间相位函数；
基于慢变化波函数和所述波动方程得到一双向抛物方程，包括：
向所述波动方程中引入慢变化波函数，得到抛物方程
其中，
为伪微分子算子，u为简化波总场，u+为前向传播抛物方程的解，u_为后向传播抛物方程的解；
对所述双向抛物方程利用分步傅里叶变换得到传输函数，包括：
采用Feit-Fleck近似处理所述伪微分子算子，以将其进行离散化处理，将离散化后的伪微分子算子采用分步傅里叶变换数值解法进行计算得到传输函数。
7.一种目标物体的偏离角度获得装置，其特征在于，所述装置包括：
数据获取模块，用于获取地理气象环境中第一天线波束经目标物体反射至雷达得到第一回波信号函数，以及第二天线波束经所述目标物体反射至所述雷达得到的第二回波信号函数，所述第一天线波束和第二天线波束为所述雷达发射的方向图相同的波束；
传输函数获得模块，用于基于测试波信号、测试反馈信号以及地理气象参数得到传输函数，所述测试波信号为第一天线波束或第二天线波束，所述测试反馈信号为该测试波信号经目标物体反射至雷达的信号；
偏离角度获得模块，用于基于所述传输函数得到所述测试波信号的振幅；根据所述测试波信号的振幅、所述第一回波信号函数以及所述第二回波信号函数得到目标物体的回波误差信号；根据回波误差信号的与偏离角之间的对应关系以及所述目标物体的回波误差信号得到目标物体偏离雷达视轴的偏离角度。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器；
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序配置用于执行如权利要求1-6中任意一项所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码可被处理器调用执行如权利要求1-6中任意一项所述的方法。
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| Title |
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| A Novel PE/FDTD Hybrid Model for Predicting Echo Signals of Radar Targets in Large-Scale Complex Environments;XIAOCHUAN DENG,et al;《IEEE Access》;20200217;p28450-28461 * |
| Influence of atmospheric duct on low-angle radar tracking errors;Wang H, et al;《2016 11th International Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory (ISAPE)》;20161231;p862-865 * |
| 基于抛物方程的复杂气象环境电磁建模及仿真研究;盛楠;《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20151115;全文 * |
| 雷达跟踪海上低空目标仰角误差计算方法研究;曹淑艳等;《电波科学学报》;20161231;第1153-1158页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113376625A (zh) | 2021-09-10 |
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