CN115407279B - 一种脉冲压缩雷达距离多普勒耦合误差补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明隶属于雷达目标检测跟踪研究领域，适用于解决线性调频雷达距离多普勒耦合误差补偿问题。针对大时宽线性调频信号探测高速目标时脉冲压缩引起的距离‑多普勒耦合误差问题，本发明提供了一种脉冲压缩雷达距离多普勒耦合误差补偿方法，该方法利用数据层的滤波跟踪获得目标径向估计，然后利用距离多普勒耦合的函数关系，对距离量测进行补偿，然后再进行滤波跟踪，从而实现了该误差的补偿，提高了跟踪精度。该方法克服了传统正负斜率方法需要改变发射波形工程应用困难的问题，可以适应于高速度和低速度目标，对正常雷达工作流程影响小，适应性强。

Description

一种脉冲压缩雷达距离多普勒耦合误差补偿方法
技术领域
本发明隶属于雷达目标检测跟踪研究领域，适用于解决线性调频雷达距离-多普勒耦合误差补偿问题。
背景技术
脉冲波雷达是雷达常用的体制，传统脉冲波雷达一般发射窄脉冲信号，以此来提高雷达距离分辨率。但是随着雷达对目标探测距离要求增大以及处于抗杂波干扰的需求，一种有效的方法是发射大时宽线性调频信号，接收后利用脉冲压缩技术，将脉冲信号压缩成窄的信号，从而实现增加探测距离和抗干扰的同时提高距离高分辨。
由于线性调频信号经过脉冲压缩后，信号峰值点位置与径向速度有关系，当目标静止时，峰值出现在脉冲信号的中心，当存在多普勒频率时，峰值将不在处于信号中心，而是处于与多普勒频率对应的某处，这样目标的实际距离与峰值所在的位置出现了偏差，这个偏差是由多普勒频率造成的，这个误差我们称为距离-多普勒耦合误差。该误差的大小取决于目标的多普勒频率、信号的时宽、带宽等参数，对于速度较低的目标，一般距离-多普勒耦合误差雷达可以容忍，但对于高超声速目标，例如飞机速度10Ma的目标，在大时宽线性调频信号脉冲压缩后，距离误差可达数公里，这显然是不能容忍的。
传统的基于发射正负斜率的线性调频信号，通过两个信号相互抵消动态误差的思路来实现补偿，该方法需要改变雷达硬件，工程上难以实现，同时多个目标时容易出现关联错误，导致误差补偿错误。针对大时宽线性调频信号探测高速目标时脉冲压缩引起的距离-多普勒耦合误差问题，本发明提供了一种脉冲压缩雷达距离-多普勒耦合误差补偿方法，该方法利用数据层的滤波跟踪获得目标径向估计，然后利用距离-多普勒耦合的函数关系，对距离量测进行补偿，然后再进行滤波跟踪，从而实现了该误差的补偿，提高了跟踪精度。
发明内容
本发明解决所述技术问题，采用技术方案步骤如下：
1.一种脉冲压缩雷达距离多普勒耦合误差补偿方法，其特征在于包括以下技术措施：
步骤一：雷达发射大时宽线性调频信号进行探测，天线收集回波信号经过混频、放大、正交解调、滤波处理后，进行数字化采样；
步骤二：将数字化回波信号进行脉冲压缩、相参积累、TBD处理、恒虚警检测，获得目标点迹；
步骤三：首先利用逻辑法对点迹进行航迹起始，利用三点法进行滤波初始化，获得目标的初始状态估计
步骤四：利用波门关联方法与状态预测值进行关联；
步骤五：将关联后的量测利用Singer模型进行跟踪，获得新的状态估计，具体的，Singer模型算法认为机动模型是相关模型，对目标加速度a(t)作为具有指数自相关的零均值随机过程建模
R(τ)＝E[a(t)a(t+τ)]＝σ2e-α|τ|
σ2、α是在区间[t,t+τ]内决定目标机动特性的待定参数，其中
式中amax为最大机动加速度，Pmax为其发生概率，P0为非机动概率；而α是机动频率，其典型经验取值范围：大气扰动α1＝1，慢速转弯α2＝1/60，逃避机动α3＝1/20，确切值需通过实时测量才能确定。
对于采样间隔为T，与一阶时间相关模型状态方程对应的离散时间状态方程为
Xi(k+1)＝Fi(k)Xi(k)+Vi(k)
其中
离散时间过程噪声Vi(k)具有协方差
O3×3表示3×3的零矩阵。
对于三维情况下的跟踪，使用三维情况下的Singer模型；
步骤六：对状态值进行距离误差补偿，补偿方法为：
(41)首先计算距离估计
(42)利用状态向量[x y z]和三个方向对应的速度状态求取此时的径向速度估计
如果脉冲压缩雷达通过相参积累后可获得多普勒频率fd，则根据该多普勒频率计算径向速度测量值vrm
vrm＝fd·λ/2
利用vrm和权利要求1中(42)步计算出来的径向速度估计联合进行解模糊，具体方法为
根据上式，解出m，则令径向速度估计
(43)然后利用径向速度与动态误差的关系，求出由于径向速度引起的动态误差
其中，fc表示雷达频率，TB代表线性调频信号的时宽，B代表信号带宽。
(44)对距离进行补偿
(45)根据补偿后的距离求出补偿后的状态向量[x y z]
(46)获得新的状态向量
步骤七：回到步骤一。
本发明的有益效果是：
对比现有技术，本技术方案所述的一种脉冲压缩雷达距离-多普勒耦合误差补偿方法，有益效果在于：
(1)该方法用数据处理方法获得的速度补偿信号处理中带来的误差，克服了传统正负斜率方法需要改变发射波形，工程应用困难的问题。
(2)该方法可以适应于高速度和低速度目标跟踪问题，该方法的应用对正常雷达工作流程影响很小，适应性强。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可延伸到其他的修改、变化和应用，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
附图说明
附图1是方法步骤流程图；
附图2是不补偿时距离跟踪误差图；
附图3是不补偿时位置跟踪误差图；
附图4是利用提出的方法补偿时距离跟踪误差图；
附图5是利用提出的方法补偿时位置跟踪误差图；
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案，参照附图1，本发明的具体步骤包括：
1.一种脉冲压缩雷达距离-多普勒耦合误差补偿方法，其特征在于包括以下技术措施：
步骤一：雷达发射大时宽线性调频信号进行探测，天线收集回波信号经过混频、放大、正交解调、滤波处理后，进行数字化采样；
步骤二：将数字化回波信号进行脉冲压缩、相参积累、TBD处理、恒虚警检测，获得目标点迹；
步骤三：首先利用逻辑法对点迹进行航迹起始，利用三点法进行滤波初始化，获得目标的初始状态估计
步骤四：利用波门关联方法与状态预测值进行关联；
步骤五：将关联后的量测利用Singer模型进行跟踪，获得新的状态估计，具体的，Singer模型算法认为机动模型是相关模型，对目标加速度a(t)作为具有指数自相关的零均值随机过程建模
R(τ)＝E[a(t)a(t+τ)]＝σ2e-α|τ|
σ2、α是在区间[t,t+τ]内决定目标机动特性的待定参数，其中
式中amax为最大机动加速度，Pmax为其发生概率，P0为非机动概率；而α是机动频率，其典型经验取值范围：大气扰动α1＝1，慢速转弯α2＝1/60，逃避机动α3＝1/20，确切值需通过实时测量才能确定。
对于采样间隔为T，与一阶时间相关模型状态方程对应的离散时间状态方程为
Xi(k+1)＝Fi(k)Xi(k)+Vi(k)
其中
离散时间过程噪声Vi(k)具有协方差
O3×3表示3×3的零矩阵。
对于三维情况下的跟踪，使用三维情况下的Singer模型；
步骤六：对状态值进行距离误差补偿，补偿方法为：
(41)首先计算距离估计
(42)利用状态向量[x y z]和三个方向对应的速度状态求取此时的径向速度估计
如果脉冲压缩雷达通过相参积累后可获得多普勒频率fd，则根据该多普勒频率计算径向速度测量值vrm
vrm＝fd·λ/2
利用vrm和权利要求1中(42)步计算出来的径向速度估计联合进行解模糊，具体方法为
根据上式，解出m，则令径向速度估计
(43)然后利用径向速度与动态误差的关系，求出由于径向速度引起的动态误差
其中，fc表示雷达频率，TB代表线性调频信号的时宽，B代表信号带宽。
(44)对距离进行补偿
(45)根据补偿后的距离求出补偿后的状态向量[x y z]
(46)获得新的状态向量
步骤七：回到步骤一。
本发明的效果可以通过以下matlab仿真实验进一步说明：
仿真实验场景设置
假设雷达坐标经纬高[119°35°80000m]，目标初始坐标坐标经纬高[119.5°42°80000m]，雷达测角误差100m，方位误差为0.2°，俯仰误差为0.2°，目标TBD积累7次，目标径向速度为3400m/s，初始航向角和俯仰角均为0，信号时宽为500us，带宽1MHz；利用本发明方法进行Matlab仿真实验，得到附图2、附图3、附图4、附图5所示的实验结果，其中附图1是方法步骤流程图；附图2是不补偿时距离跟踪误差图；附图3是不补偿时位置跟踪误差图；附图4是利用提出的方法补偿时距离跟踪误差图；附图5是利用提出的方法补偿时位置跟踪误差图。
仿真结果及分析：
从图2和图3可以看出，不进行距离补偿时，跟踪误差很大，难以满足跟踪精度。由附图4和附图5比较可以看出，通过提出方法的补偿后，距离跟踪误差得到很大改善。距离误差由3000m到5000m降低到500m以下，证明了方法的有效性。

Claims (2)

1.一种脉冲压缩雷达距离多普勒耦合误差补偿方法，其特征在于包括以下技术措施：
步骤一：雷达发射大时宽线性调频信号进行探测，天线收集回波信号经过混频、放大、正交解调、滤波处理后，进行数字化采样；
步骤二：将数字化回波信号进行脉冲压缩、相参积累、TBD处理、恒虚警检测，获得目标点迹；
步骤三：利用逻辑法对点迹进行航迹起始，利用三点法进行滤波初始化，获得目标的初始状态估计
步骤四：利用波门关联方法与状态预测值进行关联；
步骤五：将关联后的量测利用Singer模型进行跟踪，获得新的状态估计；
具体的，Singer模型算法认为机动模型是相关模型，对目标加速度a(t)作为具有指数自相关的零均值随机过程建模
R(τ)＝E[a(t)a(t+τ)]＝σ2e-α|τ|
σ2、α是在区间[t,t+τ]内决定目标机动特性的待定参数，其中
式中amax为最大机动加速度，Pmax为其发生概率，P0为非机动概率；而α是机动频率，其典型经验取值范围：大气扰动α1＝1，慢速转弯α2＝1/60，逃避机动α3＝1/20；
对于采样间隔为T，与一阶时间相关模型状态方程对应的离散时间状态方程为
Xi(k+1)＝Fi(k)Xi(k)+Vi(k)
其中
离散时间过程噪声Vi(k)具有协方差
O3×3表示3×3的零矩阵
对于三维情况下的跟踪，使用三维情况下的Singer模型；
步骤六：对状态值进行距离误差补偿，补偿方法为：
S41：首先计算距离估计
S42：利用状态向量[x y z]和三个方向对应的速度状态求取此时的径向速度估计
S43：然后利用径向速度与动态误差的关系，求出由于径向速度引起的动态误差
其中，fc表示雷达频率，TB代表线性调频信号的时宽，B代表信号带宽；
S44：对距离进行补偿
S45：根据补偿后的距离求出补偿后的状态向量[x y z]
S46：获得新的状态向量作为输出；
步骤七：回到步骤一。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲压缩雷达距离多普勒耦合误差补偿方法，其特征在于，包括以下技术措施：
如果脉冲压缩雷达通过相参积累后可获得多普勒频率fd，则根据该多普勒频率计算径向速度测量值vrm
vrm＝fd·λ/2
利用vrm和所述S42计算出来的径向速度估计联合进行解模糊，具体方法为
根据上式，解出m，则令径向速度估计
利用该径向速度估计进行所述S43至所述S46的补偿。
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