CN1289412A - 在雷达系统中或者涉及雷达系统的改进 - Google Patents

Abstract

在一个雷达系统中,需要将从所希望的目标,例如飞行器,所反射回的信号与从固定地理特征,所反射回的称作杂乱回波的信号区分开。在某些情形下,杂乱回波信号可以比所希望的信号强得多。用于处理陆地杂乱回波的一个方法是使用一高分辨率杂乱回波地图。这个雷达周围的区域可以被考虑作分成小区,对这些小区保持一系列背景信号估计。无论何时这个雷达接收了一个信号,就与其所占据的小区的、被保存背景电平进行比较,并且如果这个信号超过背景一个预设置阈值时,才报告一个检测。也可以使用接收信号来修改被保存的背景电平,以使杂乱回波地图被调节成适合从长时间出现的杂乱回波来的反射。到目前为止,杂乱回波地图只是已经被成功地用于在固定位置上的雷达。在一个船载的、靠近陆地的雷达的情形下,一个传统的杂乱回波地图将不能够很好地工作。这是因为船在移动,陆地散射物体相对于船的位置将不是固定的。所以,各个地理特征将从一个杂乱回波地图小区移动到另一个杂乱回波地图小区。在一个强的散射物体移动进入的小区内,陆地杂乱回波反射将作为目标被报告,直到被保存的背景有时间来适应新的较高的电平。类似地,在散射物体已经离开的小区内,存储的背景电平将比所需要的高,并且可能会促使抑制实际的目标,直到它有时间来适应新的较低的杂乱回波电平。根据本发明操作一个雷达系统的方法提供了对船的移动进行的补偿,以使固定地理特征总是停留在同一个的杂乱回波地图小区内,周期性地重新对杂乱回波地图的中心进行定位,以使其坐标原点不会偏离实际的船的位置太远。两个独立的杂乱回波地图被使用,以使一个可以被重新进行中心定位和被初始化(用合适的背景估计进行填充),而使用另一个来判断雷达的检测。我们提供了一个用于加速初始化时间,以使可以在快速移动期间,足够经常地实现中心重新定位的方法,并且小区背景电平的更新与检测过程组合在一起,以协调这个过程和降低计算负载。

Description

在雷达系统中或者涉及雷达系统的改进

本发明涉及雷达系统，特别地，在这个雷达被安装在一个移动的平台，例如一只船上的情形下，涉及对已经从固定目标(杂乱回波)，例如地理特征和建筑物反射回的、被一个雷达系统所接收的、不希望有的信号的抑制。

通过发送电磁波信号和在这些电磁波被从目标反射回后接收这些相同的电磁波，一个雷达系统进行工作。但是，除了从所希望的目标例如飞行器产生反射外，也存在从其它不希望的目标所产生的反射。这些不希望有的目标指杂乱回波，并且可能包括地理特征，例如山坡和悬崖，人造目标例如建筑物和栅栏，和天气现象例如雨。在某些情形下，不希望有的反射可能会比从目标所产生的反射大。

抑制不希望的反射和仅保留从目标来的信号的方法一般与这个事实有关：产生杂乱回波的目标是静止的或者仅仅在进行缓慢地移动。许多雷达采用移动目标识别(MTI)或者移动目标检测(MTD)，这些方法依赖于通过检查接收信号的多普勒频移来判断目标速度的径向分量(朝向或者远离这个雷达)。抑制其多普勒频移不大的信号可以确保仅将快速移动的对象作为目标显示出来。但是，这不能够完全解决这个问题，因为某些目标的径向速度为零，即使它们快速地在雷达的切向方向上移动时。这些所希望的目标的多普勒频移很低，并且如果只使用了MTI或者MTD方法，它们就和杂乱回波一起被抑制掉了。

一个用在许多雷达系统中的替代的，完善MTI和MID处理的方法是改变雷达接收器的灵敏度，使得用来考察发现返回强信号的区域的灵敏度比用来考察没有发现返回强信号的区域的灵敏度低。这包括使用一个杂乱回波地图，在这个杂乱回波地图中，雷达覆盖区域被分成小区，并且保存了这些小区的一系列的背景信号估计。然后，如果接收信号超过它们所占据的小区的所存储的背景电平为一个足够倍数，这些信号才被接收为从所希望的目标反射回的信号：如果s是接收信号的强度，和bi是被保存的、在这个小区中的背景电平，对某个固定比例k_T，如果s＞k_Tbi，就报告其检测。

在这个雷达的每一次扫描时修改整个地图的背景估计，以使它们逐渐收敛到实际被接收的信号电平。所以，对这个地图来说是“被建筑在其中的”固定散射物体所产生的反射将最终被抑制。另一方面，无论何时移动目标的反射超过它们临时占据的杂乱回波地图小区中被保存的电平，就检测到它们。如果这个地图小区是足够的小，移动目标就不可能长时间地停留在相同的小区来“被建筑在其中”并且影响被保存的电平。在1978年McGraw Hill Book Company出版的RadarHandbook中M I Skolnik所写的文献中已经充分描述了固定雷达的杂乱回波地图操作。

在每一个杂乱回波地图小区中的背景估计正常地通过‘α平滑’来累加。如果b_i是第i个小区的当前杂乱回波背景电平，并且在当前扫描期间在小区中所看到的最大电平是g_i，下面的表达式就被用于来计算新的背景电平，以用于下一个扫描周期：

(1-α)b_i+ag_i

其中α是一个较小的数，典型地为1/8或者1/16。

上述杂乱回波地图操作的描述已经假设当接收雷达数据时，已经建立了一个杂乱回波地图。考虑其初始化问题也是很必要的：当雷达第一次被打开时，使用合适的数据来填充杂乱回波地图。如果没有正确地完成这一步骤，在前面几次扫描中可能会报告很多错误的检测，这是因为b_i的初值低常常使条件s＞k_Tb_i被满足。

上述杂乱回波地图的操作明显地依赖于杂乱回波散射物体相对于雷达是静止的。因为这个原因，到目前为止，杂乱回波地图已经成功地被用于在固定位置工作的雷达系统。安装在一个移动平台，例如一只船或者飞行器，上的一个雷达，将观察到相对于本身在移动的杂乱回波。于是，杂乱回波对象从一个杂乱回波地图小区移动到另一个杂乱回波地图小区。无论何时它们移动到其被保存的背景值较低的、新的杂乱回波地图小区时，就报告已经检测到这种散射物体。最后，如果这个散射物体保留在这个小区中，在这个新小区中的背景将上升到来避免这个物体，但是调节需要几个扫描。另外，这个散射物体以前所位于的小区将不必要地在多次扫描内保持高的阈值，这可能会抑制所希望的目标。如果雷达的移动是足够的快，这种问题就会连续发生，促使许多错误的检测和丢失目标的检测。

本发明的一个目的是提供一个改进的雷达系统，它可以克服上述问题。

根据本发明，提供了操作被安装在一个移动平台上的雷达系统的一个方法，包括步骤：

补偿平台的移动，以便在一个杂乱回波地图的同一个小区中保持固定的地理特征，

周期性地重新定位杂乱回波地图的中心，来将其坐标的原点尽量靠近这个平台的实际位置，和，

加速杂乱回波地图的初始化时间，以使在这个平台进行快速移动的期间内，能够实现重新定位中心的次数为足够地多。

这个方法也包括更新杂乱回波地图小区背景电平的步骤和降低计算负载的一个检测处理。

本发明能够将移动补偿结合到杂乱回波地图的操作中，以使当这个雷达不是静止时，仍然能够有效地使用它。

所描述的杂乱回波地图具有4个能够使当这个雷达处于移动时仍成功工作的新特征。它们是：

雷达移动的补偿。

杂乱回波地图中心的周期性重新定位。

快速初始化下面的中心重新定位。

连续的背景电平的更新。

通过在判断它们已经占据了哪一个杂乱回波地图小区以前，将已知的船的位置添加到散射物体的位置，来执行船移动的补偿。我们已经假定这个船的位置被连续地提供给这个雷达。

在一个极坐标系统中、带有保存的位置偏移的一个杂乱回波地图需要间隔地来被重新定位其中心，以使极坐标系统的原点保持在船的位置附近。

这可以通过保存两个地图来做到，一个地图被初始化，而另一个地图正在被使用。每一次两个地图中任何一个地图被重新初始化时，重新进行中心定位来保证其原点与船的当前位置重合。

这需要以频繁间隔的方式来初始化这两个地图，所以，必须在尽可能少的扫描次数内执行初始化。本发明使用了一个方法来加速初始化处理，使杂乱回波反射可以被尽可能快地“建筑在”这个地图内。

最后，允许被观察到的杂乱回波返回来影响被保存的背景电平的处理已经与判断目标检测的算法相结合。这将所涉及的计算变得更有效，并且消除了每一次雷达扫描所需要的特定更新活动。

本发明最明显的优点是当不希望的散射物体从一个杂乱回波地图小区移动到另一个杂乱回波地图小区时，它消除了上述问题。这个移动现在被禁止了：真正静止的物体将总是占据相同的杂乱回波地图小区，即使这个雷达在移动。

加速的初始化方法也意味着这个杂乱回波地图能够更好地处理来自开始时隐藏在较近地理区域后面的特征的反射，但是被显示为这个雷达在移动。这种被显示的对象快速地建立到杂乱回波地图中。

现在，参考附图来描述本发明的一个实施方式，其中，

图1显示了使用两个杂乱回波地图的一个初始化方法，

图2显示了使用3个杂乱回波地图的一个初始化方法，

图3显示了使用两个杂乱回波地图的一个可变平滑参数，和

图4显示了用于实现这个方法的一个装置的框图。

根据本发明的这4个实施方式现在将被详细地描述。

雷达移动的补偿

通过保存这个平台的开始位置，并且将这个考虑为坐标的原点，来补偿这个雷达平台的移动。在后面的时间内，计算新的平台位置，以作为距开始位置的一个偏移，并且保存它。无论何时接收到一个反射信号时，这个偏移被添加到这个散射物体的位置，所产生的正确位置被用于定义其在杂乱回波地图中的位置。按照如下的方法来保存这个偏移。假定这个船的移动是已知的，并且在时间t用(x0(t),y0(t))来定义。然后，使用(x+x0(t),y+y0(t))作为杂乱回波地图的位置，来考虑这个平台的移动。

然后，可以计算杂乱回波地图小区的号码，用于实现这个的方法决定于这个地图所使用的坐标系统。本发明不依赖于在使用的坐标系统是一个特定的坐标系统，但是可以使用极坐标来实现。作为计算杂乱回波地图小区号码的一个示例，现在分别针对极坐标和笛卡尔坐标来描述这个过程。

一个极栅通常使用相等的角向间隔。距离和间隔可以是均匀的，或者在需要最大范围分辨率的地方，在近距离处间隔可以较小。假设位置为范围R和径向角θ，就需要进行下述计算来决定在这个位置所位于的杂乱回波地图小区的索引号码：

被纠正的位置：

x′=Rsinθ+x₀(t)

y′=Rcosθ+y₀(t) $R^{\′}=\sqrt{x^{\′2}+y^{\′2}}$

θ=arctan(x′,y′)(使用两个幅角的arctan)

角向小区号码i_θ=[θ’/Δθ]其中Δθ=角向的小区大小

范围小区号码i_R=[R’/ΔR]对相等间隔的格栅，小区大小ΔR。

i_R是这样，以使对不相等的间隔，R_iR-1≤R≤R_iR

小区号码i=i_θ+i_RN_θ

在笛卡尔坐标中，可以假设一个正方的格栅。格栅间隔Δ的小区号码可以被计算为：

被纠正的位置：

x′=Rsinθ+x₀(t)

y′=Rcosθ+y₀(t)

“x”小区号码i_x=[x’/Δ]

“y”小区号码i_y=[y’/Δ]

小区号码i=i_x+i_yN_x

对两个方法中任何一个来说，具有固定位置的一个杂乱回波散射物体将总是停留在相同的杂乱回波地图小区内，并且获得上述优点。

周期性对杂乱回波地图的中心进行重新定位

带移动补偿的一个杂乱回波地图从它的在这个雷达的位置上的原点开始，但是在某时间后，这个情形不再成立。如果地图的边缘被卷了起来，这对于根据笛卡尔分量安排的杂乱回波地图来说不是严重的问题，但是对于极坐标杂乱回波地图来说就必须周期地重新确定中心位置。使用大的位置偏移，其危险是杂乱回波地图小区不再具有正确的形状，来提供好的范围分辨率和杂乱回波间的可见度。远离移动方向侧的小区将被旋转，并且被有效地在范围内进行延伸，这是不希望出现的，因为在小区边缘的杂乱回波散射物体现在可能落在相邻小区内引起不希望出现的雷达检测。

在初始化期间，对决定雷达检测来说，杂乱回波地图的数据没有用，所以，在本发明中，使用了两个杂乱回波地图：当一个正在被初始化时，另一个正在被使用。两个杂乱回波地图的使用定时如图1所显示的。在第一次雷达扫描时，地图1的原点被设置到船的位置。然后，当一固定数目的扫描N时，它被允许进行初始化。这以后，地图2的原点被设置到船的位置，而地图1被使用。在下一个N扫描期间，地图2被初始化。然后，复位地图1，并且开始进行初始化，而地图2被使用，等等。本发明不排除使用比两个杂乱回波地图多的情形。例如，图2显示了使用3个地图的方法。

重新进行中心定位后的快速初始化

在图1的使用两个杂乱回波地图的方法中，需要能够对杂乱回波地图进行初始化，并且在N个扫描的末尾对它们进行设置。如果这个杂乱回波地图充满了一个恒定的接收器噪声电平，如上所描述的正常α平滑已经不足以在使用它以前允许对它进行‘设置’。所以，本发明使用了一个加速的α平滑。这涉及在第一次扫描时将α设置为α=1，以使这个地图被用所出现的任何杂乱回波值来填充，并且允许将其降低到其合适的值，例如第N次扫描的1/16。α的一个线性变化如图3所显示的，尽管本发明不排除使用一更复杂变化规律。

连续的背景电平更新

传统地，用于更新小区背景电平的α平滑是在每一次扫描时执行的。在本发明中，这个计算组合了检测报告过程。通过也将对于每个小区有最大的最后一次更新的时间存储起来做到这一点。当涉及小区，确定一个接收信号是否大到足以代表一个目标检测时，检查存储的最后一次更新的时间，确定存储在小区中的背景电平是否必须首先被α平滑。这个方法可以用于任何地图坐标系统。实现这的算法如下：

让t=当前时间

s=当前接收的信号

i=它所位于的杂乱回波小区的号码

b_i=被保存在小区i中的背景电平

g_i=小区i中所看到的最大返回

t_i=保存g_i的时间

在时间t接收信号时，如上述计算小区号码i

如果s＞k_Tb_i，报告检测

if t-t_i比一个扫描时间少，

then,(t_i是当前扫描)

g_i:=max{g_i,s}

else(t_i是最后一个扫描)

b_i:=(1-α)b_i+αg_i

g_i:=s

t_i:=t

end if

依靠这个连续的更新策略，本发明不限于传统的旋转雷达。它也可以用于一个多功能雷达(MFR)的情形，在该雷达中，我们可很自由地电子学地使波束进行扫描。这个地图更新方法仅依赖于足够经常地对小区进行访问，使小区中的数据保持有效。对于MFR来说要求对整个覆盖体积进行定期的监视和保证上述情况的实现。当跟踪时，雷达集中观看一个预期包含目标的小体积，这样我们能期望在这个体积内产生更高质量的杂乱回波地图数据。

通过用一块或若干块包含适当处理器的电路板，可使本发明作为雷达信号处理硬件的一部分体现出来。

现在参考图4来描述一个实施方式的一个框图。

一个信号调节单元2接收线4上的中频(IF)雷达信号。这个调节单元2分别在线6,8和10上产生同相的、正交相位的和模数信号。这些信号被用于数字MTI或者MTD检测器12，这个检测器12在线14上输出MTI或者MTD检测。从MTI或者MTD检测器4来的通常雷达信号经过线16传送到在移动平台的杂乱回波地图18，它也经过线22接收信号，这些信号报告移动平台的地理位置。通常经过线20从在移动平台的杂乱回波地图输出通常的雷达信号。

如上所描述的，在移动的平台是一只船，但是它也可以是一个飞行器或者任何其它形式的运输装置。

Claims (7)

1一个操作被安装在一个移动平台上的一个雷达系统的方法，包括下列步骤：

补偿平台的移动，来保留在一个相同杂乱回波地图小区中的固定地理特征，

周期性地重新定位杂乱回波地图的中心，来将其坐标的原点尽量靠近这个平台的实际位置，和，

加速杂乱回波地图的初始化时间，以使在这个平台进行快速移动的期间内，能够实现重新定位中心的次数为足够地多。

2如权利要求1的一个方法，进一步包括与一个检测过程一起来更新杂乱回波地图小区背景电平的步骤，以降低计算负载。

3如权利要求1或者2的一个方法，其中补偿移动的步骤进一步包括下列步骤，

确定和保存平台的开始位置，

在接收到一个反射信号时，计算和保存平台的随后位置，并且作为对开始位置的偏移，

将当前的偏移添加到反射这个信号的散射物体的位置，和，

使用这个添加的结果来定义杂乱回波地图中的散射物体的位置。

4如权利要求1，权利要求2，或者权利要求3的一个方法，其中周期性地对杂乱回波地图的中心重新进行定位的步骤使用至少两个杂乱回波地图，并且进一步包括下列步骤，

在一第一次雷达扫描周期内，将第一杂乱回波地图的原点设置到平台的位置，

在一个固定数目的雷达扫描周期内，对第一个杂乱回波地图进行初始化，

当使用第一杂乱回波地图时，将第二杂乱回波地图的原点设置到平台的位置，

在下一个固定数目的雷达扫描周期内，对第二杂乱回波地图进行初始化，

当使用第二杂乱回波地图，重新设置和重新对第一个杂乱回波地图进行初始化，和，

连续地重复所述的进一步的步骤。

5如权利要求4的一个方法，其中加速一个初始化时间的步骤使用一个α平滑算法，并且进一步包括下列步骤，

将α的值设置到基本上比它的一个第一次雷达扫描周期内的正常值大的值，和，

在固定数目的雷达扫描周期的末尾，允许α的值降低到其正常值。

6如前述权利要求2,3,4，或者5中任何一个权利要求的一个方法，其中更新杂乱回波地图小区背景电平的步骤和一个检测过程进一步包括下列步骤，

将最后一次更新的时间与对于杂乱回波地图的每个小区的最大返回一起存储，

参考合适的小区来判断一个接收的信号是否大到足够表示一个目标检测，和

检测最后更新的被保存时间，来确定被保存在小区中的背景电平是否必须进行平滑。

7一个用于操作基本上如前面参考附图中图1到图3而描述的一个雷达系统的方法。

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