CN114265051A - 一种脉冲多普勒雷达比幅测角方法 - Google Patents

一种脉冲多普勒雷达比幅测角方法 Download PDF

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CN114265051A
CN114265051A CN202111605401.6A CN202111605401A CN114265051A CN 114265051 A CN114265051 A CN 114265051A CN 202111605401 A CN202111605401 A CN 202111605401A CN 114265051 A CN114265051 A CN 114265051A
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王剑书
尹锦荣
尹奎英
刘川
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Abstract

脉冲多普勒雷达是现代雷达的一种重要体制，广泛应用于检测地面、海上、空中、空间甚至地下的目标，在军事、遥感、空中交通管制、舰船安全和天文等领域均发挥着重要的作用。为了提高探测威力，脉冲多普勒雷达往往设计为多脉冲重复频率（PRF）模式，不同PRF的帧具有不同的距离盲区，这就导致目标可能并不会被连续的帧观测到，此时若使用质心法进行测量，可能会造成较大的误差。另外，当两个目标在距离与方位上接近时，使用质心法进行角度测量也会有较大的误差。本发明对目标幅度的比值与角度偏差建立精确一一对应的表格，并提出查表角度计算的方法，针对应用中的常见问题提出对应的策略，可以获得更小的误差，提高脉冲多普勒雷达的角度测量精度。

Description

一种脉冲多普勒雷达比幅测角方法
技术领域
本发明属于雷达探测领域，具体涉及一种脉冲多普勒雷达比幅测角方法。
背景技术
脉冲多普勒雷达是现代雷达的一种重要体制，广泛应用于检测地面、海上、空中、空间甚至地下的目标，在军事、遥感、空中交通管制、舰船安全和天文等领域均发挥着重要的作用。对感兴趣目标的空间方位探测是脉冲多普勒雷达的重要任务之一，目前常用的方法包括波束转换技术、单脉冲技术、质心法（幅度加权）等。在雷达的搜索模式中，质心法是常用的一种角度测量方法，当一个目标被多个连续的波束（多帧）检测到，则对多帧的角度按照检测目标的幅度进行加权，则可以获得该目标较为精确的角度。然而，为了提高探测威力，脉冲多普勒雷达往往设计为多脉冲重复频率（PRF）模式，不同PRF的帧具有不同的距离盲区，这就导致目标可能并不会被连续的帧观测到，此时若使用质心法进行测量，可能会造成较大的误差。另外，当两个目标在距离与方位上接近时，使用质心法进行角度测量也会有较大的误差。因此，对于脉冲多普勒雷达应用中的不同角度测量问题，需要使用不同的方法或策略，使得角度测量精度进一步提高。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种脉冲多普勒雷达比幅测角方法，以改善目标角度的测量精度。根据天线增益方向图，目标在主瓣不同方向上有不同的幅度，因此根据连续波束扫描得到的目标幅度，可以具体分析出目标的精确角度信息。具体为：
步骤一：建立角度偏差表，首先建立天线的角度偏差与对应天线方向幅度增益比值的精确对应关系，建成表格，具体方法如下：
（1）：假设雷达天线的一维方向幅度增益为
Figure 293480DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 520193DEST_PATH_IMAGE002
为该维度上的角度，记3dB波束宽度为
Figure 341518DEST_PATH_IMAGE003
。假设该雷达使用均匀的帧角度间隔，记为
Figure 877542DEST_PATH_IMAGE004
。
（2）：在主瓣
Figure 581055DEST_PATH_IMAGE005
宽度范围内，
Figure 470514DEST_PATH_IMAGE006
，建立角度与幅度一一对应的表格，假设建立表格的角度点数为
Figure 21712DEST_PATH_IMAGE007
，令
Figure 604003DEST_PATH_IMAGE008
，则对于角度
Figure 794813DEST_PATH_IMAGE009
，分别计算对应的增益比
Figure 612597DEST_PATH_IMAGE010
：
Figure 877356DEST_PATH_IMAGE011
（1）；
（3）：令
Figure 505914DEST_PATH_IMAGE012
与
Figure 184020DEST_PATH_IMAGE013
，将幅度
Figure 680861DEST_PATH_IMAGE014
与角度偏差
Figure 190340DEST_PATH_IMAGE015
一一对应，制成角度偏差表并存储，以方便后续使用。
步骤二：角度计算方法，图1显示了比幅测角的示意图，根据两帧检测到目标的幅值，计算其幅度比，再根据提前建立的角度偏差表，寻找该幅度比对应的角度偏差，最后根据角度偏差估计出目标的真实角度，具体方法如下：
（4）：假设该雷达有连续两帧检测到一个目标（记真实角度为
Figure 848854DEST_PATH_IMAGE016
），其帧角度分别为
Figure 92885DEST_PATH_IMAGE017
与
Figure 127837DEST_PATH_IMAGE018
，幅度分别记为
Figure 695084DEST_PATH_IMAGE019
与
Figure 649134DEST_PATH_IMAGE020
。计算幅度比
Figure 505094DEST_PATH_IMAGE021
（2）
（5）：加载内容一存储的角度偏差表，根据
Figure 953524DEST_PATH_IMAGE022
的值在
Figure 109699DEST_PATH_IMAGE014
中选择最接近的2个值，分别记为
Figure 375595DEST_PATH_IMAGE023
与
Figure 577907DEST_PATH_IMAGE024
，其中
Figure 954661DEST_PATH_IMAGE025
，同时记录对应的频率偏差，分别记为
Figure 230922DEST_PATH_IMAGE026
与
Figure 543086DEST_PATH_IMAGE027
。
（6）：通过线性插值的方式估计角度偏差：
Figure 842480DEST_PATH_IMAGE028
（3）
进而根据第一个帧角度进行偏差补偿，可以得到目标角度的估计：
Figure 147559DEST_PATH_IMAGE029
（4）
进一步地，（7）：对于不连续帧检测到目标的处理。由于脉冲多普勒雷达的不同帧有不同的距离盲区，经常存在不连续帧检测到目标的情形。对于不连续的两帧，可以将内容一的角度间隔
Figure 278326DEST_PATH_IMAGE004
增大为该两帧的角度间隔，进行建表，角度测量方法中的
Figure 886025DEST_PATH_IMAGE004
也进行相应的处理。
进一步地，（8）：对于多帧检测到目标的处理。将检测到目标的多帧数据搜集在一起进行处理，假设该目标被
Figure 548082DEST_PATH_IMAGE030
帧检测到，对应的帧角度分别为
Figure 266639DEST_PATH_IMAGE031
，幅度分别记为
Figure 517492DEST_PATH_IMAGE032
。分别令
Figure 420726DEST_PATH_IMAGE033
（5）
式中，
Figure 694712DEST_PATH_IMAGE034
。分别对
Figure 80608DEST_PATH_IMAGE035
使用对应的角度偏差表，进行角度测量，测量结果记为
Figure 185967DEST_PATH_IMAGE036
，然后取其加权和可得该目标角度的估计：
Figure 135469DEST_PATH_IMAGE037
（6）
式中，
Figure 755806DEST_PATH_IMAGE038
为权系数。
对于权系数，一种比较简单的选择是平均加权，另一种可以根据测量精度进行加权，对于理论精度较高的估计量分配较大的权值。假设测量结果
Figure 878483DEST_PATH_IMAGE036
的精度分别为
Figure 41611DEST_PATH_IMAGE039
（单位°），一种根据精度加权的方法为令
Figure 771801DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 285959DEST_PATH_IMAGE041
，则估计结果为
Figure 946747DEST_PATH_IMAGE042
（7）
假设
Figure 89015DEST_PATH_IMAGE036
两两独立，则该角度估计值的精度为
Figure 380319DEST_PATH_IMAGE043
（8）
进一步地，（9）：角度相邻目标的处理。当两个目标角度上接近时，两个目标角度之间的帧测得的幅度不再视为一个目标的幅度，此时选择“外侧”的目标数据进行比幅测角可以获得更精确的解。提出一种分辨两个测量值
Figure 991561DEST_PATH_IMAGE044
与
Figure 456040DEST_PATH_IMAGE045
是否是一个目标的方法。记测量值
Figure 62602DEST_PATH_IMAGE044
与
Figure 915020DEST_PATH_IMAGE045
对应的精度分别为
Figure 934929DEST_PATH_IMAGE046
与
Figure 140782DEST_PATH_IMAGE047
，计算
Figure 742796DEST_PATH_IMAGE048
的精度为
Figure 641482DEST_PATH_IMAGE049
（9）
若满足下列条件：
Figure 883107DEST_PATH_IMAGE050
（10）
式中
Figure 17285DEST_PATH_IMAGE051
，即当
Figure 864019DEST_PATH_IMAGE044
与
Figure 808972DEST_PATH_IMAGE045
的绝对差在测得精度
Figure 6735DEST_PATH_IMAGE052
的
Figure 413446DEST_PATH_IMAGE053
倍范围内，则认为测量值
Figure 380265DEST_PATH_IMAGE044
与
Figure 151912DEST_PATH_IMAGE045
属于一个目标，
Figure 712337DEST_PATH_IMAGE054
则为这个目标角度的估计值，否则测量值
Figure 63684DEST_PATH_IMAGE044
与
Figure 9643DEST_PATH_IMAGE045
不属于一个目标，不能一起处理。一般来说，常用的取值可以为
Figure 155454DEST_PATH_IMAGE055
。使用上述方法，对相邻测量值分别进行处理，则可以获得分别属于两个目标的测量值，对属于同一个目标的测量值按步骤8的方法处理则可得到该目标的角度估计。
本发明的有益效果在于：
本发明对目标幅度的比值与角度偏差建立精确一一对应的表格，并提出查表角度计算的方法，针对应用中的常见问题提出对应的策略，可以获得更小的误差，提高脉冲多普勒雷达的角度测量精度。
附图说明
图1为比幅测角原理示意图。
图2为示例一雷达天线方向图。
图3为示例一建表内容示意图。
图4为示例二角度测量精度示意图。
图5 为示例二目标测得角度与幅度示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。
示例一：建立并存储角度偏差表，参见图2和3。
（1）假设一台脉冲多普勒雷达，使用
Figure 937596DEST_PATH_IMAGE056
元均匀线阵的电扫天线，阵元间距
Figure 623792DEST_PATH_IMAGE057
，
Figure 565204DEST_PATH_IMAGE058
为其辐射信号的波长。其加窗后的方向性功率增益为
Figure 740970DEST_PATH_IMAGE059
（11）
式中，
Figure 135042DEST_PATH_IMAGE060
为虚数单位，
Figure 624929DEST_PATH_IMAGE061
为窗函数，该示例中使用的是汉明窗。该天线方向图见图1，可以测得3dB波束宽度约为
Figure 296213DEST_PATH_IMAGE062
。
（2）假设雷达的帧角度间隔为
Figure 783826DEST_PATH_IMAGE063
，建立表格的点数为
Figure 789829DEST_PATH_IMAGE064
。取
Figure 817827DEST_PATH_IMAGE065
，在主瓣中心2倍波束宽度范围建表。分别令
Figure 468252DEST_PATH_IMAGE008
，则对于
Figure 2132DEST_PATH_IMAGE066
，计算对应的增益比：
Figure 370797DEST_PATH_IMAGE011
（12）
（3）令
Figure 202487DEST_PATH_IMAGE012
与
Figure 566472DEST_PATH_IMAGE013
，将
Figure 661467DEST_PATH_IMAGE014
与
Figure 314165DEST_PATH_IMAGE015
一一对应，制成角度偏差表并存储，具体内容见表1。
（4）同样地，分别设置
Figure 762595DEST_PATH_IMAGE067
与
Figure 122032DEST_PATH_IMAGE068
再次建表并存储，具体内容见表2与表3。同时，图3显示了表1至表3的内容。
表1 间隔0.3°的61点角度偏差表
Figure 512562DEST_PATH_IMAGE069
表2 间隔0.6°的61点角度偏差表
Figure 386977DEST_PATH_IMAGE070
表3 间隔0.9°的61点角度偏差表
Figure 29311DEST_PATH_IMAGE071
示例二：多帧单目标测角示例，参见图4和5。
（1）使用示例一的雷达，为方便，假设一个目标的角度为
Figure 118621DEST_PATH_IMAGE072
。假设有3帧检测到该目标，其角度
Figure 555419DEST_PATH_IMAGE073
分别为-0.65、-0.35、0.25，其幅度
Figure 917130DEST_PATH_IMAGE074
分别为42.5598、49.4899、51.1301。
（2）分别计算幅度比得：
Figure 956630DEST_PATH_IMAGE075
（13）
Figure 290659DEST_PATH_IMAGE076
（14）
Figure 773724DEST_PATH_IMAGE077
（15）
对于
Figure 825994DEST_PATH_IMAGE078
，由于
Figure 341289DEST_PATH_IMAGE017
与
Figure 920038DEST_PATH_IMAGE079
的角度间隔为0.3°，加载表1的角度偏差表，通过二分法查找可以快速获得离
Figure 433059DEST_PATH_IMAGE078
最近的两个值
Figure 847991DEST_PATH_IMAGE080
与
Figure 166977DEST_PATH_IMAGE081
，对应的角度偏差为
Figure 475598DEST_PATH_IMAGE082
与
Figure 284154DEST_PATH_IMAGE083
，进而由公式（3）可得角度偏差为
Figure 45437DEST_PATH_IMAGE084
（16）
从而由
Figure 168114DEST_PATH_IMAGE078
估计得到的角度为
Figure 206608DEST_PATH_IMAGE085
（17）
同样地，使用表2的角度偏差表可以求出
Figure 61432DEST_PATH_IMAGE086
对应的角度偏差为
Figure 700223DEST_PATH_IMAGE087
，角度估计
Figure 361012DEST_PATH_IMAGE088
，使用表3的角度偏差表可以求出
Figure 378646DEST_PATH_IMAGE089
对应的角度偏差为
Figure 14158DEST_PATH_IMAGE090
，角度估计
Figure 546771DEST_PATH_IMAGE091
。
（3）使用步骤8的平均加权策略，令权系数均为1，则目标的角度估计为
Figure 276829DEST_PATH_IMAGE092
（18）
可以看出，目标角度的估计值与真实值的绝对误差为
Figure 289916DEST_PATH_IMAGE093
°。
（4）若使用步骤8的按精度加权策略，首先根据信噪比估计角度测量值的精度，图4显示了目标脉冲压缩后信噪比为20dB时，使用蒙特卡洛法估计的角度测量精度曲线。利用该精度曲线，可以查得
Figure 17700DEST_PATH_IMAGE094
对应的精度约为0.0335°，0.0177°与0.0124°，利用式（7）的策略按精度进行加权可得
Figure 365505DEST_PATH_IMAGE095
（19）
可以看出，目标角度的估计值与真实值的绝对误差为
Figure 836938DEST_PATH_IMAGE096
°，比平均加权误差更小。
示例三：两个相邻目标的测角示例
（1）使用示例一的雷达，假设一个目标的角度为-2°，另一个目标的角度为0°。假设总计有12帧观测到这两个目标，其帧角度与幅度见表4与图5。
表4 目标检测角度与幅度
Figure 716249DEST_PATH_IMAGE097
（2）根据步骤9的策略，对两两相邻的角度根据内容2的方法按幅度比估计角度，所得结果分别为-2.0256°、-1.9337°、-1.7729°、-1.6207°、-1.3129°、-0.9974°、-0.6859°、-0.4002°、-0.2316°、-0.0711°、0.0131°，根据示例二的精度曲线，可得所得结果的精度约为0.0357°、0.0341°、0.0332°、0.0334°、0.0334°、0.0334°、0.0334°、0.0334°、0.0329°、0.0339°、0.0357°。
（3）对两两相邻的角度测量值，分别计算角度差的绝对值为0.0920°、0.1608°、0.1522°、0.3078°、0.3155°、0.3155°、0.2857°、0.1686°、0.1605°、0.0842°，按式（9）分别计算角度差的精度为0.0494°、0.0476°、0.0471°、0.0473°、0.0473°、0.0473°、0.0473°、0.0469°、0.0473°、0.0493°，计算角度差绝对值与角度差精度的比值分别为1.8630、3.3795、3.2308、6.5100、6.6743、6.5880、6.0438、3.5950、3.3960、1.7084。
（4）本示例取
Figure 83777DEST_PATH_IMAGE098
，则只有第一个与最后一个比值满足条件式（10），因此选择前2帧对第一个目标的角度进行估计，根据步骤8的按精度加权可得结果为-1.9775°，相比真值-2°，绝对误差为0.0225°。同理选择最后2帧对第二个目标的角度进行估计，按精度加权的结果为-0.0312°，绝对误差为0.0312°。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种脉冲多普勒雷达比幅测角方法，其特征在于：
步骤一：建立角度偏差表，将天线的角度偏差与对应天线方向幅度增益比值的对应关系建成表格：
（1）：假设雷达天线的一维方向幅度增益为
Figure 413948DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 722569DEST_PATH_IMAGE002
为该维度上的角度，记3dB波束宽度为
Figure 921338DEST_PATH_IMAGE003
，该雷达使用均匀的帧角度间隔记为
Figure 213780DEST_PATH_IMAGE004
；
（2）：在主瓣
Figure 539719DEST_PATH_IMAGE005
宽度范围内，
Figure 702847DEST_PATH_IMAGE006
，建立角度与幅度一一对应的表格，假设建立表格的角度点数为
Figure 88829DEST_PATH_IMAGE007
，令
Figure 602987DEST_PATH_IMAGE008
，则对于角度
Figure 217770DEST_PATH_IMAGE009
，分别计算对应的增益比
Figure 766563DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 323446DEST_PATH_IMAGE011
（1）；
（3）：令
Figure 59321DEST_PATH_IMAGE012
与
Figure 727063DEST_PATH_IMAGE013
，将幅度
Figure 379630DEST_PATH_IMAGE014
与角度偏差
Figure 107414DEST_PATH_IMAGE015
一一对应，制成角度偏差表并存储；
步骤二：角度计算，根据两帧检测到的目标的幅值，计算其幅度比，再根据建立的角度偏差表，寻找该幅度比对应的角度偏差，最后根据角度偏差估计出目标的真实角度：
（4）：假设该雷达有连续两帧检测到一个目标，记真实角度为
Figure 330585DEST_PATH_IMAGE016
，其帧角度分别为
Figure 802018DEST_PATH_IMAGE017
与
Figure 794245DEST_PATH_IMAGE018
，幅度分别记为
Figure 958510DEST_PATH_IMAGE019
与
Figure 419709DEST_PATH_IMAGE020
，则幅度比为：
Figure 429254DEST_PATH_IMAGE021
（2）；
（5）：基于角度偏差表，根据
Figure 541566DEST_PATH_IMAGE022
的值在
Figure 611153DEST_PATH_IMAGE014
中选择最接近的2个值，分别记为
Figure 74496DEST_PATH_IMAGE023
与
Figure 871419DEST_PATH_IMAGE024
，其中
Figure 103817DEST_PATH_IMAGE025
，同时记录对应的频率偏差，分别记为
Figure 344306DEST_PATH_IMAGE026
与
Figure 29365DEST_PATH_IMAGE027
；
（6）：通过线性插值的方式估计角度偏差：
Figure 380712DEST_PATH_IMAGE028
（3），
进而根据第一个帧角度进行偏差补偿，得到目标角度的估计值：
Figure 467617DEST_PATH_IMAGE029
（4）。
2.如权利要求1所述的一种脉冲多普勒雷达比幅测角方法，其特征在于：由于脉冲多普勒雷达的不同帧有不同的距离盲区，存在不连续帧检测到目标的情形，对于不连续的两帧，则将帧角度间隔
Figure 629739DEST_PATH_IMAGE004
增大为该两帧的角度间隔进行建表。
3.如权利要求1所述的一种脉冲多普勒雷达比幅测角方法，其特征在于：对于多帧检测到目标，将检测到目标的多帧数据搜集在一起进行处理，假设该目标被
Figure 802094DEST_PATH_IMAGE030
帧检测到，对应的帧角度分别为
Figure 691553DEST_PATH_IMAGE031
，幅度分别记为
Figure 898543DEST_PATH_IMAGE032
，则幅度比为：
Figure 480834DEST_PATH_IMAGE033
（5）
式中，
Figure 389753DEST_PATH_IMAGE034
，分别对
Figure 348482DEST_PATH_IMAGE035
使用对应的角度偏差表，进行角度测量，测量结果记为
Figure 878821DEST_PATH_IMAGE036
，然后取其加权和可得该目标角度的估计值：
Figure 897592DEST_PATH_IMAGE037
（6）
式中，
Figure 778961DEST_PATH_IMAGE038
为权系数。
4.如权利要求3所述的一种脉冲多普勒雷达比幅测角方法，其特征在于：根据测量精度进行加权时，对于理论精度较高的估计量分配较大的权值，假设测量结果
Figure 541380DEST_PATH_IMAGE036
的精度分别为
Figure 930818DEST_PATH_IMAGE039
，令
Figure 854912DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 489155DEST_PATH_IMAGE041
，则估计结果为：
Figure 524107DEST_PATH_IMAGE042
（7），
假设
Figure 560197DEST_PATH_IMAGE036
两两独立，则该角度估计值的精度为
Figure 638880DEST_PATH_IMAGE043
（8）。
5.如权利要求4所述的一种脉冲多普勒雷达比幅测角方法，其特征在于：当两个目标角度上接近时，记测量值为
Figure 760420DEST_PATH_IMAGE044
与
Figure 599063DEST_PATH_IMAGE045
，对应的精度分别为
Figure 224079DEST_PATH_IMAGE046
与
Figure 489975DEST_PATH_IMAGE047
，计算
Figure 833232DEST_PATH_IMAGE048
的精度为：
Figure 226298DEST_PATH_IMAGE049
（9）
若满足下列条件：
Figure 971400DEST_PATH_IMAGE050
（10）
式中
Figure 673777DEST_PATH_IMAGE051
，即当
Figure 238751DEST_PATH_IMAGE044
与
Figure 684776DEST_PATH_IMAGE045
的绝对差在测得精度
Figure 268073DEST_PATH_IMAGE052
的
Figure 141351DEST_PATH_IMAGE053
倍范围内，则认为测量值
Figure 459199DEST_PATH_IMAGE044
与
Figure 177757DEST_PATH_IMAGE045
属于一个目标，
Figure 897451DEST_PATH_IMAGE054
则为这个目标角度的估计值，否则测量值
Figure 676051DEST_PATH_IMAGE044
与
Figure 231929DEST_PATH_IMAGE045
不属于一个目标。
CN202111605401.6A 2021-12-25 2021-12-25 一种脉冲多普勒雷达比幅测角方法 Pending CN114265051A (zh)

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