CN115453508B - 一种机动平台单通道目标探测定位系统及方法 - Google Patents

一种机动平台单通道目标探测定位系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及空间目标定位技术领域，尤其涉及一种机动平台单通道目标探测定位系统及方法，其中，该系统包括：机动平台和解算模块；所述机动平台在空间中做机动转弯运动，用于搭载单通道雷达；所述单通道雷达采用单天线发射单天线接收的收发模式；所述解算模块与所述机动平台信号连接，用于设置所述单通道雷达的工作参数，以及获取机动转弯运动的目标所反射的回波信号，通过基于精确距离演化方程求解的相参积累估计目标在预设笛卡尔坐标系中的空间位置，实现目标定位。本发明能够以移动中的机动平台对移动中的目标进行探测，实现反侦察效果的同时，完成对目标的高精度定位。

Description

一种机动平台单通道目标探测定位系统及方法
技术领域
本发明涉及空间目标定位技术领域，尤其涉及一种机动平台单通道目标探测定位系统及方法。
背景技术
复杂战场环境下，空间中移动的目标通常具有高速、大机动、隐身等特性，对雷达探测与追踪技术提出了更高的要求。
目前，采用地基雷达，对移动目标进行探测时，高速机动的目标可能逃离出雷达波束的照射范围，导致无法对目标进行定位，使用受限，可靠性差，并且这样的探测雷达也有可能被反向定位，进而遭受打击，即反侦察能力差，安全性低。
通过相参积累技术将多个脉冲信号的能量进行叠加，可达到提高目标能量积累增益的目的，但目标的运动会产生距离走动和多普勒走动，模型失配又会进一步降低相参积累技术的探测精度，并且可能影响到对目标进行定位的处理速度。
发明内容
本发明的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种能够以移动中的机动平台对移动中的目标进行探测的目标定位系统及方法，实现反侦察效果的同时，完成对目标的高精度定位。
为了实现上述目的，本发明提供了一种机动平台单通道目标探测定位系统，包括：机动平台和解算模块；其中，
所述机动平台在空间中做机动转弯运动，用于搭载单通道雷达；所述单通道雷达采用单天线发射单天线接收的收发模式；
所述解算模块与所述机动平台信号连接，用于设置所述单通道雷达的工作参数，以及获取机动转弯运动的目标所反射的回波信号，通过基于精确距离演化方程求解的相参积累，估计目标在预设笛卡尔坐标系中的空间位置，实现目标定位。
可选地，所述单通道雷达发射载波的载频范围为30MHz～300MHz。
可选地，所述解算模块还用于设置或获取所述机动平台的运动轨迹。
本发明还提供了一种机动平台单通道目标探测定位方法，采用如上述任一项所述的机动平台单通道目标探测定位系统实现，包括如下步骤：
向机动转弯运动的目标发射载波；
获取目标所反射的回波信号，进行解调和脉冲压缩处理，得到二维脉压回波数据；
设置对于目标的各组搜索参数；
遍历每一组搜索参数，基于精确距离演化方程和二维脉压回波数据进行相参积累，最终得到在参数空间中的相参积累输出矩阵；
根据得到的所述相参积累输出矩阵，进行恒虚警率检测，判断是否检测到目标；若判断检测到目标，则根据所述相参积累输出矩阵，估计目标在预设笛卡尔坐标系中的空间位置；
其中，所述精确距离演化方程表达式为：
其中，R(tm)表示机动平台与目标之间的相对距离，xT0、yT0、zT0分别表示目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的初始位置，vTx0、vTy0、vTz0分别表示目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的初始速度，ωT表示目标的转弯率，xM0、yM0、zM0分别表示机动平台在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的初始位置，vMx0、vMy0、vMz0分别表示机动平台在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的初始速度，ωM表示机动平台的转弯率；tm表示慢时间。
可选地，所述向机动转弯运动的目标发射载波，包括：
通过所述机动平台，向目标发射M个线性调频脉冲信号，信号模型如下：
其中， 代表快时间，tm＝(m-1)Tr，m＝1,2,...,M表示第m个脉冲，Tr＝1/PRF表示脉冲重复间隔，PRF表示脉冲重复频率，Tp表示脉冲持续时间，fc表示载频，γT＝B/Tp表示调斜率，B表示带宽；
所述二维脉压回波数据的表达式为：
其中，β2表示进行脉冲压缩后的幅度，表示进行脉冲压缩后的噪声，λ＝c/fc表示波长。
可选地，所述设置对于目标的各组搜索参数，包括：
令一组搜索参数包括目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的搜索位置与搜索速度，以及目标的搜索转弯率；
根据待检测的目标，设置目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的搜索位置的搜索范围分别为[xmin,xmax]、[ymin,ymax]、[zmin,zmax]，搜索速度的搜索范围分别为[vTxmin,vTxmax]、[vTymin,vTymax]、[vTzmin,vTzmax]，以及搜索转弯率的搜索范围为[ωTmin,ωTmax]；其中xmin和xmax分别表示在x方向上的最小搜索位置和最大搜索位置，ymin和ymax分别表示在y方向上的最小搜索位置和最大搜索位置，zmin和zmax分别表示在z方向上的最小搜索位置和最大搜索位置，vTxmin和vTxmax分别表示在x方向上的最小搜索速度和最大搜索速度，vTymin和vTymax表示在y方向上的最小搜索速度和最大搜索速度，vTzmin和vTzmax表示在z方向上的最小搜索速度和最大搜索速度，ωTmin和ωTmax表示最小搜索转弯率和最大搜索转弯率；
分别设置目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的搜索位置与搜索速度以及目标的搜索转弯率的搜索间隔；其中，搜索位置的搜索间隔等于单通道雷达的距离分辨率，搜索速度的搜索间隔等于单通道雷达的多普勒分辨率，搜索转弯率的搜索间隔根据搜索方式确定；
基于相应的搜索范围和搜索间隔，得到目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的搜索位置与搜索速度以及目标的搜索转弯率的离散化数值，分别表示为：
x(α)＝xmin+(α-1)*ρr,α＝1,2,...,Nrx
y(β)＝ymin+(β-1)*ρr,β＝1,2,...,Nry
z(γ)＝zmin+(γ-1)*ρr,γ＝1,2,...,Nrz
vx(η)＝vxmin+(η-1)*ρv,η＝1,2,...,Nvx
vy(σ)＝vxmin+(σ-1)*ρv,σ＝1,2,...,Nvy
vz(ζ)＝vzmin+(ζ-1)*ρv,ζ＝1,2,...,Nvz
ω(θ)＝ωmin+(θ-1)*ρω,θ＝1,2,...,Nω
其中，Nrx、Nry、Nrz分别表示在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上搜索位置的搜索数目，Nvx、Nvy、Nvz分别表示在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上搜索速度的搜索数目，Nω表示搜索转弯率的搜索数目；
得到各组搜索参数的集合{(x(α),y(β),z(γ),vx(η),vy(σ),vz(ζ),ω(θ))}。
可选地，所述基于精确距离演化方程和二维脉压回波数据进行相参积累，包括：
对于一组搜索参数，通过精确距离演化方程确定搜索轨迹R(k)，表达式为：
其中，k＝m×Tr表示第m个脉冲对应的相参积累时间；
根据确定的搜索轨迹R(k)，在二维脉压回波数据中抽取目标数据，利用精确距离演化方程补偿不同脉冲间的相位波动，并对补偿后的数据进行叠加，得到一组搜索参数在参数空间中的相应相参积累输出，表达式为：
其中，round(·)表示取整操作，Δr＝0.5cTs为距离单元，Ts为采样周期。
可选地，所述进行恒虚警率检测，采用如下表达式：
其中，ψ表示恒虚警检测阈值，根据虚警概率Pfa确定，H0表示目标不存在，H1表示目标存在。
可选地，所述根据所述相参积累输出矩阵，估计目标在预设笛卡尔坐标系中的空间位置，包括：
根据所述相参积累输出矩阵，确定目标在参数空间中对应的能量尖峰位置坐标；
基于参数空间中对应的能量尖峰位置坐标，估计目标的运动参数其中，/>分别表示目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的位置估计值，/>分别表示目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的速度估计值，/>表示目标的转弯率估计值。
可选地，所述的机动平台单通道目标探测定位方法还包括：
输出目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的位置估计值
本发明的上述技术方案具有如下优点：
本发明提供了一种机动平台单通道目标探测定位系统，该系统采用在空间中做机动转弯运动的机动平台搭载单通道雷达，结合相参积累技术对目标进行定位，实现以移动的雷达探测移动的目标，可探测区域显著增大，且可以对机动目标实现多方位的照射和探测，并且采用单通道雷达进行探测，成本低、空间占用率低，同时避免了通道间误差和配准误差等非理想因素对相参积累参数估计性能的影响，能够准确、快速地实现目标定位。
本发明还提供了一种机动平台单通道目标探测定位方法，该方法利用精确距离演化方程进行相参积累，能够减少机动平台与目标之间因相对距离建模失配而造成的检测性能下降，且不受到多通道约束限制，能够提高目标定位和参数估计的准确性与实时性。
附图说明
图1是本发明实施例中一种机动平台单通道目标探测定位方法步骤示意图；
图2是机动平台与目标在预设笛卡尔坐标系中的运动示意图；
图3是本发明实施例中一种机动平台单通道目标探测定位方法得到的二维脉压回波数据的2-D效果图；
图4是本发明实施例中一种机动平台单通道目标探测定位方法得到的二维脉压回波数据的3-D效果图；
图5是本发明实施例中目标相对于机动平台(单通道雷达)移动的相对运动的轨迹图；
图6(a)是目标在x-y平面上初始位置的积累效果图；
图6(b)是目标在y-z平面上初始位置的积累效果图；
图6(c)是目标在vx-vy平面上速度分量的积累效果图；
图6(d)是目标在vy-vz平面上速度分量的积累效果图；
图6(e)是目标在vz-omg(转弯率)平面上的积累效果图；
图7(a)是MTD方法的积累效果图；
图7(b)是Keystone方法的积累效果图；
图7(c)是RFT方法的积累效果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如前所述，采用地基雷达对移动目标进行探测时，高速机动的目标可能逃离出雷达波束的照射范围，导致无法对目标进行定位，使用受限，可靠性差，并且这样的探测雷达也有可能被反向定位，进而遭受打击，即反侦察能力差，安全性低。因此，为提高雷达的探测能力，避免被反向定位，可采用移动的雷达进行目标探测。
相参积累技术能够提高信号能量的积累性能与目标运动参数的估计精度。但是，机动平台与高速机动目标之间的相对运动使得目标包络在脉间偏移，进而使得目标的能量在不同距离单元间扩散，即产生距离走动；并且，受相对运动的影响，在积累期间，目标的多普勒频率也会在不同多普勒单元间扩散，即产生多普勒走动。传统方法的假设均是将雷达与目标之间的相对距离采用多项式的形式来进行表达，且搜索的多维参数也均为距离、速度和加速度等，而仅凭以上信息无法对目标在空间中实现准确定位。也就是说，模型失配又会进一步降低相参积累技术的探测精度，并且可能影响到对目标进行定位的处理速度。
有鉴于此，本发明提出一种采用机动平台的目标定位系统，以及基于此系统的高精度目标定位方法，以便实现反侦察效果的同时，对高速机动目标进行检测并准确估计出目标的运动参数信息。下面描述以上构思的具体实现方式。
本发明实施例提供的一种机动平台单通道目标探测定位系统(简称目标定位系统或系统)包括机动平台和解算模块；其中，所述机动平台在空间中做机动转弯运动，用于搭载单通道雷达；所述单通道雷达采用单天线发射单天线接收的收发模式；所述解算模块与所述机动平台信号连接，用于设置所述单通道雷达的工作参数，以及获取机动转弯运动的目标所反射的回波信号，通过基于精确距离演化方程求解的相参积累，估计目标在预设笛卡尔坐标系中的空间位置，实现目标定位。
上述实施例提供的系统采用了机动平台搭载雷达对机动目标进行探测，雷达不再固定不动，而是在空间中做机动转弯运动，可探测区域显著增大，且可以对机动目标实现多方位的照射和探测，而采用不同的照射面可以提高雷达反射截面积，提高回波信号的强度；同时，机动平台也能够降低雷达被反向定位的风险，实现反侦察效果。
并且，该系统采用单通道雷达，相比现有技术中常用的多通道雷达，单通道雷达的成本和空间占用率更低，且在通过相参积累技术估计目标位置时，能够有效地减少雷达通道间误差和配准误差等非理想因素对参数估计性能的影响，从而实现高精度快速目标定位。此外，单通道雷达收到的回波信号包含目标和机动平台的运动信息，所述解算模块直接求解目标在预设笛卡尔坐标系中的空间位置，即，可以直接地获取到目标位置信息，具有实时性，避免了因数据转换等处理对于定位结果的影响。
可选地，所述单通道雷达发射载波的载频范围为30MHz～300MHz，更优选为70MHz。
上述实施例采用在30MHz～300MHz之间的低频率载波对目标进行探测，在此频段内，单通道雷达能够获得较为优异、稳定的回波，且经验证，采用70MHz的载频，能够使得隐身飞行目标的雷达反射截面积达到较高的效果，有助于探测到隐身目标，并提高基于精确距离演化方程求解的相参积累估计精度。
可选地，所述解算模块还用于设置或获取所述机动平台的运动轨迹。
通过解算模块设置机动平台的运动轨迹，也就设置了单通道雷达在探测过程中的具体运动轨迹。解算模块也可用于实际获取探测过程中机动平台的运动轨迹。所述解算模块基于机动平台的运动轨迹及精确距离演化方程进行相参积累，即可实现目标定位。
如图1所示，本发明还提供了一种机动平台单通道目标探测定位方法(简称目标定位方法或方法)，采用如上述任一项实施例所述的机动平台单通道目标探测定位系统实现，包括如下步骤：
步骤100，向机动转弯运动的目标发射载波；
步骤102，获取目标所反射的回波信号，进行解调和脉冲压缩处理，得到相应的二维脉压回波数据；
步骤104，设置对于目标的各组搜索参数；
步骤106，遍历每一组搜索参数，基于精确距离演化方程和二维脉压回波数据进行相参积累，最终得到在参数空间中的相参积累输出矩阵；
步骤108，根据得到的所述相参积累输出矩阵，进行恒虚警率检测，判断是否检测到目标；若判断检测到目标，则根据所述相参积累输出矩阵，估计目标在预设笛卡尔坐标系中的空间位置；
其中，所述精确距离演化方程表达式为：
其中，R(tm)表示机动平台与目标之间的相对距离，xT0、yT0、zT0分别表示目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的初始位置，vTx0、vTy0、vTz0分别表示目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的初始速度，ωT表示目标的转弯率，xM0、yM0、zM0分别表示机动平台在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的初始位置，vMx0、vMy0、vMz0分别表示机动平台在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的初始速度，ωM表示机动平台的转弯率；tm表示慢时间。
如图2所示，机动平台在预设笛卡尔坐标系中做机动转弯运动，目标也在预设笛卡尔坐标系中做机动转弯运动，预设笛卡尔坐标系可选地面坐标系，机动平台的预设笛卡尔坐标系三维坐标可表示为
(xM(tm),yM(tm),zM(tm))，目标的三维坐标为(xT(tm),yT(tm),zT(tm))。对于机动平台而言，其自身的状态向量均为已知量，也就是[xM0 yM0 zM0 vMx0 vMy0 vMz0 ωM]T已知。根据机动平台与目标之间的相对距离方程(即精确距离演化方程)，可通过参数空间的搜索来确定目标的状态向量[xT0 yT0 zT0 vTx0 vTy0 vTz0 ωT]T，即建立对目标的7维状态向量的搜索，沿着机动平台与目标之间的相对距离方程进行能量积累，最终估计出目标的状态向量。
上述方法通过建立机动平台与机动目标之间的精确距离演化方程确定轨迹，沿轨迹进行参数搜索，在经过处理后的距离维(即快时间维)-慢时间维二维脉压回波数据中提取目标的信息，通过机动平台与机动目标之间的精确距离演化方程对脉间的相位偏移进行补偿并将补偿后的数据进行叠加，遍历完参数空间中的所有参数后，获得能量积累后的输出矩阵(即相参积累输出矩阵)，采用恒虚警检测方法对上述输出矩阵进行处理，判断是否存在目标；若判断检测到目标，则可根据在参数空间中所对应的尖峰位置坐标，估计出目标的运动参数，实现目标定位。
上述实施例针对机动转弯运动的雷达和目标进行计算，计算所采用的精确距离演化方程能够精准地表达机动平台与机动目标之间的距离关系，避免因采用多项式进行相参积累而造成模型失配，进而导致探测性能降低。并且，该方法将机动平台和目标在预设笛卡尔坐标系中进行求解，相参积累参数估计所得结果直接对应目标在预设笛卡尔坐标系下的具体位置，无需数据转换，即可定位目标，更具实时性、精准性。
可选地，所述步骤100包括：
通过所述机动平台，向目标发射M个线性调频(Linear Frequency Modulated,LFM)脉冲信号，信号模型如下：
其中， 代表快时间，tm代表慢时间，tm＝(m-1)Tr，m＝1,2,...,M表示第m个脉冲，Tr＝1/PRF表示脉冲重复间隔(Pulse Repetition Interval,PRI)，PRF表示脉冲重复频率，Tp表示脉冲持续时间，fc表示载频，γT＝B/Tp表示调斜率，B表示带宽，/>表示单位虚数，M即积累脉冲数；
相应地，步骤102中，进行解调和脉冲压缩处理，得到二维脉压回波数据的所述二维脉压回波数据的表达式为：
其中，β2表示进行脉冲压缩后的幅度，表示进行脉冲压缩后的噪声，c表示光速，λ＝c/fc表示波长。脉压后的回波包络位置随慢时间tm变化。从上式可以看出雷达目标的能量是沿着目标轨迹进行分布的。
可选地，对于步骤104，进一步包括：
令一组搜索参数包括目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的搜索位置与搜索速度，以及目标的搜索转弯率；
根据待检测的目标，设置目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的搜索位置的搜索范围分别为[xmin,xmax]、[ymin,ymax]、[zmin,zmax]，在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的搜索速度的搜索范围分别为[vTxmin,vTxmax]、[vTymin,vTymax]、[vTzmin,vTzmax]，以及搜索转弯率的搜索范围为[ωTmin,ωTmax]；其中xmin和xmax分别表示在x方向上的最小搜索位置和最大搜索位置，ymin和ymax分别表示在y方向上的最小搜索位置和最大搜索位置，zmin和zmax分别表示在z方向上的最小搜索位置和最大搜索位置，vTxmin和vTxmax分别表示在x方向上的最小搜索速度和最大搜索速度，vTymin和vTymax表示在y方向上的最小搜索速度和最大搜索速度，vTzmin和vTzmax表示在z方向上的最小搜索速度和最大搜索速度，ωTmin和ωTmax表示最小搜索转弯率和最大搜索转弯率；
分别设置目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的搜索位置与搜索速度以及目标的搜索转弯率的搜索间隔；其中，搜索位置的搜索间隔等于单通道雷达的距离分辨率，搜索速度的搜索间隔等于单通道雷达的多普勒分辨率，搜索转弯率的搜索间隔根据搜索方式确定；
基于相应的搜索范围和搜索间隔，得到目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的搜索位置与搜索速度以及目标的搜索转弯率的离散化数值，分别表示为：
x(α)＝xmin+(α-1)*ρr,α＝1,2,...,Nrx
y(β)＝ymin+(β-1)*ρr,β＝1,2,...,Nry
z(γ)＝zmin+(γ-1)*ρr,γ＝1,2,...,Nrz
vx(η)＝vxmin+(η-1)*ρv,η＝1,2,...,Nvx
vy(σ)＝vxmin+(σ-1)*ρv,σ＝1,2,...,Nvy
vz(ζ)＝vzmin+(ζ-1)*ρv,ζ＝1,2,...,Nvz
ω(θ)＝ωmin+(θ-1)*ρω,θ＝1,2,...,Nω
其中，Nrx、Nry、Nrz分别表示在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上搜索位置的搜索数目，Nvx、Nvy、Nvz分别表示在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上搜索速度的搜索数目，Nω表示搜索转弯率的搜索数目；
得到各组搜索参数的集合{(x(α),y(β),z(γ),vx(η),vy(σ),vz(ζ),ω(θ))}。
可选地，对于步骤106，对一组搜索参数，基于精确距离演化方程和二维脉压回波数据进行相参积累，进一步包括：
对于一组搜索参数，通过精确距离演化方程确定搜索轨迹R(k)，表达式为：
其中，k＝m×Tr表示第m个脉冲对应的相参积累时间；
根据确定的搜索轨迹R(k)，在二维脉压回波数据中抽取目标数据，利用精确距离演化方程补偿不同脉冲间的相位波动，并对补偿后的数据进行叠加，得到一组搜索参数在参数空间中的相应相参积累输出，表达式为：
其中，round(·)表示取整操作，Δr＝0.5cTs为距离单元，Ts为采样周期。
遍历所有的搜索参数，直至完成所有搜索参数的搜索范围，得到相应的相参积累输出，即可组成最终的相参积累输出矩阵。
可选地，对于步骤108，所述进行恒虚警率检测，采用如下表达式：
其中，ψ表示恒虚警检测阈值，根据虚警概率Pfa确定，H0表示目标不存在，H1表示目标存在。
进一步地，所述根据所述相参积累输出矩阵，估计目标在预设笛卡尔坐标系中的空间位置，包括：
根据所述相参积累输出矩阵，确定目标在参数空间中对应的能量尖峰位置坐标；
基于参数空间中对应的能量尖峰位置坐标，估计目标的运动参数其中，/>分别表示目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的位置估计值，/>分别表示目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的速度估计值，/>表示目标的转弯率估计值。
可选地，该方法还包括：
步骤110，输出目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的位置估计值
如图3至图6(e)所示，本发明还设置了相应的仿真场景对提供系统及方法的性能进行验证。仿真场景中，机动平台的系统参数设置为：信号的载频fc＝70MHz，带宽B＝20MHz，采样频率fs＝50MHz，脉冲重复频率PRF＝500Hz，脉冲持续时间Tp＝20us，积累脉冲数M＝800(对应的相参积累时间为1.6s)。机动平台与目标的参数设置为：机动平台在x、y、z方向上的初始位置坐标为(100m,3000m,3300m)，机动平台在x、y、z方向上的速度分量为(736m/s,1275m/s,-850m/s)，机动平台的转弯率为-2rad/s。目标在x、y、z方向上的初始位置坐标为(2520m,2100m,1410m)，目标在x、y、z方向上的速度分量为(-140m/s,-242m/s,162m/s)，目标的转弯率为2rad/s。
图3给出了回波信号在脉冲压缩后距离单元和脉冲数之间的2-D效果图，图4给出了回波信号在脉冲压缩后距离单元、脉冲数和幅值(即幅度)之间的3-D效果图，图5为相对运动的轨迹图。可以看出机动平台与目标之间的运动轨迹呈现非线性特点，相对距离的轨迹跨越了多个距离单元。图6(a)至图6(e)展示了本发明在距离维-慢时间维的积累效果，图6(a)为目标在x-y平面上初始位置的积累效果图，图6(b)为目标在y-z平面上初始位置的积累效果图，设目标速度在预设笛卡尔坐标系的x、y、z轴上的分量分别为vx、vy、vz，图6(c)为目标在vx-vy平面上速度分量的积累效果图，图6(d)为目标在vy-vz平面上速度分量的积累效果图，图6(e)为目标在vz-转弯率(omg)平面上的积累效果图。可以看出，本发明能够在不同的维度形成一个明显的尖峰，根据尖峰所在的坐标位置信息即可得到目标的运动参数的估计值，即确定目标的坐标位置分量、速度分量和转弯率。
为说明本发明的优势，在上述仿真场景下，还利用传统的动目标检测(MovingTargetDetection，MTD)方法、Keystone方法与RFT方法分别进行相参积累，积累效果分别如图7(a)至图7(c)所示。可以看出，MTD方法对于由于目标机动引发的距离走动和多普勒走动的检测效果较差；由于轨迹的非线性特点，Keystone变换无法实现准确的相参积累效果；RFT方法无法消除目标和机动平台因机动转弯造成的非线性距离走动，故无法形成能量尖峰。
综上所述，本发明提供了一种机动平台单通道目标探测定位系统及方法，能够以移动中的机动平台对移动中的目标进行探测，实现反侦察效果的同时，完成对目标的高精度定位。本发明采用了低成本的单通道雷达，有效降低了设备成本；本发明同时利用了目标的回波信号中的相位信息和幅度信息，构建了一种机动平台与目标之间相对距离的精确演化模型，仅采用相对距离信息实现了通过机动平台对机动目标的能量积累；本发明未采用传统的距离多项式来近似运动模型，可对机动性较强的目标实现长时间的相参积累和参数估计；并且，本发明还可以通过估计出的目标空间位置、速度信息和转弯率，在笛卡尔坐标中实现准确地定位，为精准打击目标提供更加全面的信息。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种机动平台单通道目标探测定位方法，其特征在于，采用机动平台单通道目标探测定位系统实现，所述机动平台单通道目标探测定位系统包括：机动平台和解算模块；其中，
所述机动平台在空间中做机动转弯运动，用于搭载单通道雷达；所述单通道雷达采用单天线发射单天线接收的收发模式；
所述解算模块与所述机动平台信号连接，用于设置所述单通道雷达的工作参数，以及获取机动转弯运动的目标所反射的回波信号，通过基于精确距离演化方程求解的相参积累，估计目标在预设笛卡尔坐标系中的空间位置，实现目标定位；
该方法包括如下步骤：
向机动转弯运动的目标发射载波；
获取目标所反射的回波信号，进行解调和脉冲压缩处理，得到二维脉压回波数据；
设置对于目标的各组搜索参数；
遍历每一组搜索参数，基于精确距离演化方程和二维脉压回波数据进行相参积累，最终得到在参数空间中的相参积累输出矩阵；
根据得到的所述相参积累输出矩阵，进行恒虚警率检测，判断是否检测到目标；若判断检测到目标，则根据所述相参积累输出矩阵，估计目标在预设笛卡尔坐标系中的空间位置；
其中，所述精确距离演化方程表达式为：
其中，R(tm)表示机动平台与目标之间的相对距离，xT0、yT0、zT0分别表示目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的初始位置，vTx0、vTy0、vTz0分别表示目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的初始速度，ωT表示目标的转弯率，xM0、yM0、zM0分别表示机动平台在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的初始位置，vMx0、vMy0、vMz0分别表示机动平台在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的初始速度，ωM表示机动平台的转弯率；tm表示慢时间；
所述向机动转弯运动的目标发射载波，包括：
通过所述机动平台，向目标发射M个线性调频脉冲信号，信号模型如下：
其中，代表快时间，tm＝(m-1)Tr，m＝1,2,...,M表示第m个脉冲，Tr＝1/PRF表示脉冲重复间隔，PRF表示脉冲重复频率，Tp表示脉冲持续时间，fc表示载频，γT＝B/Tp表示调斜率，B表示带宽；
所述二维脉压回波数据的表达式为：
其中，β2表示进行脉冲压缩后的幅度，表示进行脉冲压缩后的噪声，λ＝c/fc表示波长；
所述设置对于目标的各组搜索参数，包括：
令一组搜索参数包括目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的搜索位置与搜索速度，以及目标的搜索转弯率；
根据待检测的目标，设置目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的搜索位置的搜索范围分别为[xmin,xmax]、[ymin,ymax]、[zmin,zmax]，搜索速度的搜索范围分别为[vTxmin,vTxmax]、[vTymin,vTymax]、[vTzmin,vTzmax]，以及搜索转弯率的搜索范围为[ωTmin,ωTmax]；其中xmin和xmax分别表示在x方向上的最小搜索位置和最大搜索位置，ymin和ymax分别表示在y方向上的最小搜索位置和最大搜索位置，zmin和zmax分别表示在z方向上的最小搜索位置和最大搜索位置，vTxmin和vTxmax分别表示在x方向上的最小搜索速度和最大搜索速度，vTymin和vTymax表示在y方向上的最小搜索速度和最大搜索速度，vTzmin和vTzmax表示在z方向上的最小搜索速度和最大搜索速度，ωTmin和ωTmax表示最小搜索转弯率和最大搜索转弯率；
分别设置目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的搜索位置与搜索速度以及目标的搜索转弯率的搜索间隔；其中，搜索位置的搜索间隔等于单通道雷达的距离分辨率，搜索速度的搜索间隔等于单通道雷达的多普勒分辨率，搜索转弯率的搜索间隔根据搜索方式确定；
基于相应的搜索范围和搜索间隔，得到目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的搜索位置与搜索速度以及目标的搜索转弯率的离散化数值，分别表示为：
x(α)＝xmin+(α-1)*ρr,α＝1,2,...,Nrx
y(β)＝ymin+(β-1)*ρr,β＝1,2,...,Nry
z(γ)＝zmin+(γ-1)*ρr,γ＝1,2,...,Nrz
vx(η)＝vxmin+(η-1)*ρv,η＝1,2,...,Nvx
vy(σ)＝vxmin+(σ-1)*ρv,σ＝1,2,...,Nvy
vz(ζ)＝vzmin+(ζ-1)*ρv,ζ＝1,2,...,Nvz
ω(θ)＝ωmin+(θ-1)*ρω,θ＝1,2,...,Nω
其中，Nrx、Nry、Nrz分别表示在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上搜索位置的搜索数目，Nvx、Nvy、Nvz分别表示在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上搜索速度的搜索数目，Nω表示搜索转弯率的搜索数目；
得到各组搜索参数的集合{(x(α),y(β),z(γ),vx(η),vy(σ),vz(ζ),ω(θ))}；
所述基于精确距离演化方程和二维脉压回波数据进行相参积累，包括：
对于一组搜索参数，通过精确距离演化方程确定搜索轨迹R(k)，表达式为：
其中，k＝m×Tr表示第m个脉冲对应的相参积累时间；
根据确定的搜索轨迹R(k)，在二维脉压回波数据中抽取目标数据，利用精确距离演化方程补偿不同脉冲间的相位波动，并对补偿后的数据进行叠加，得到一组搜索参数在参数空间中的相应相参积累输出，表达式为：
其中，round(·)表示取整操作，Δr＝0.5cTs为距离单元，Ts为采样周期。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述进行恒虚警率检测，采用如下表达式：
其中，ψ表示恒虚警检测阈值，根据虚警概率Pfa确定，H0表示目标不存在，H1表示目标存在。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：
所述根据所述相参积累输出矩阵，估计目标在预设笛卡尔坐标系中的空间位置，包括：
根据所述相参积累输出矩阵，确定目标在参数空间中对应的能量尖峰位置坐标；
基于参数空间中对应的能量尖峰位置坐标，估计目标的运动参数其中，/>分别表示目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的位置估计值，/>分别表示目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的速度估计值，/>表示目标的转弯率估计值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：
输出目标在预设笛卡尔坐标系中x、y、z方向上的位置估计值
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述单通道雷达发射载波的载频范围为30MHz～300MHz。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述解算模块还用于设置或获取所述机动平台的运动轨迹。
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