TWI677696B - 一種雷達估測目標方位之方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供了一種雷達估測目標方位之方法，包含依序執行以下步驟：(a)建立一雷達掃描模型，包含：(a1)選定一天線場型樣態；(a2)設定一雷達參數；(a3)產生一回波模擬曲線；(a4)對該回波模擬曲線進行一取樣動作，產生複數個模擬樣本；(a5)對每個該複數個模擬樣本進行一正規化動作，產生複數個正規化模擬數據。(b)獲取一正規化掃描數據。(c)對該複數個正規化模擬數據與該正規化掃描數據進行一比對動作。以及(d)獲取一目標方位。

Description

一種雷達估測目標方位之方法

本發明係關於一種雷達估測目標方位之方法，尤指一種旋轉式脈波都卜勒雷達估測目標方位之方法。

雷達(Radio Detection and Ranging，RADAR)是一種藉由發射電磁波訊號，並獲取一物體相應此電磁波訊號之反射波，進而偵測出此物體距離、方位、高度及速度的技術。最初為軍事用途而蓬勃發展，至今，雷達已被廣泛應用在航空、氣象、遙測，甚至車輛輔助駕駛上。

其中，都卜勒雷達是一種利用都卜勒效應偵測物體速度的技術，首先都卜勒雷達對某一距離的物體發射電磁波，接著進行頻譜分析，分析反射波訊號的頻率與相位以偵測物體的移動速度，而脈波都卜勒雷達更是藉由多組同調脈波的技術，結合脈波雷達與都卜勒雷達特性，兼具優異的抗雜波能力與精準的速度量測能力。

有別於單脈波(Monopulse)雷達架構，傳統的方位旋轉式雷達估測目標方位的方法，需藉由兩個以上穩定且連續的回波訊號方能進行估測運算，當目標物體的雷達截面積(Radar Cross Section，RCS)隨著其與雷達之相對運動而改變，使得部分回波訊號的訊號雜訊比(Signal-to-Noise Ratio，SNR or S/N)過小而無法辨認時，基於此法的方位估測準確 度便無法獲得提高，而脈波都卜勒雷達即便可提高訊號與背景雜波比(Signal-to-Clutter Ratio，SCR or S/C)，亦面臨相同問題。

為解決先前技術中所提及的課題，本發明提供了一種雷達估測目標方位之方法，包含依序執行以下步驟：a.建立一雷達掃描模型，包含：a1.選定一天線場型樣態；a2.設定一雷達參數；a3.產生一回波模擬曲線；a4.對此回波模擬曲線進行一取樣動作，產生複數個模擬樣本；a5.對每個該複數個模擬樣本進行一正規化動作，產生複數個正規化模擬數據；b.獲取一正規化掃描數據；c.對複數個正規化模擬數據與正規化掃描數據進行一比對動作；以及d.獲取一目標方位。

本發明之雷達估測目標方位之方法僅需要在一組同調脈波處理間隔(Coherent Processing Interval)即可以估測目標的方位，其準確度不易受背景雜波影響，在雷達搜索資源受限的情況下，或是在連續發射多組同調脈波而該目標僅有一組有效偵測的情況下，仍可獲得一高準確度之目標方位估測。

以上對本創作的簡述，目的在於對本創作之數種面向和技術特徵作一基本說明。創作簡述並非對本創作的詳細表述，因此其目的不在特別 列舉本創作的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本創作的範圍，僅為以簡明的方式呈現本創作的數種概念而已。

100‧‧‧天線場型樣態

200‧‧‧波束形狀損耗

201‧‧‧目標回波訊號

300‧‧‧目標

301‧‧‧實際目標方位

a~d‧‧‧步驟

a1~a5‧‧‧步驟

f1~i‧‧‧步驟

e2~i‧‧‧步驟

(圖1)本發明之實施例雷達估測目標方位之方法的工作示意圖；(圖2)本發明之實施例雷達估測目標方位之方法的流程示意圖；(圖3)本發明之實施例雷達估測目標方位之方法的天線場型樣態示意圖；(圖4)本發明之另一實施例雷達估測目標方位之方法的流程示意圖。

為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後。

請參照圖1，圖1係本發明之實施例雷達估測目標方位之方法的工作示意圖。本實施例中，一掃描雷達於空間中發射一組由複數個同調脈波所組成之一掃描訊號，並獲取對應此掃描訊號之一回波訊號，利用該回波訊號受到發射與接收時的波束形狀損耗200，以偵測目標300之實際目標方位301。具體而言，此步驟之流程包含依序執行以下步驟：於步驟b1中，一掃描雷達發射一組由複數個同調脈波所組成之一掃描訊號。於步驟b2中，獲取對應此掃描訊號之一目標回波訊號201。於步驟b3中，對此目標回波訊號201進行一權重運算，得到一權重回波訊號。於步驟b4中，對此權重回波訊號進行一富利葉轉換動作，得到一雷達掃描數據。於步驟b5中，對此雷達掃描數據進行一目標檢出動作，取出一目標頻譜數據。於步驟b5中，對此目標頻譜數據進行一逆富利葉轉換動作，產生一掃描樣本。於步驟b7中，對此掃描樣本進行正規化動作，產生正規化掃描數據。

請參照圖2，圖2係本發明之實施例雷達估測目標方位之方法的流程示意圖。由圖2中可見，本實施例之雷達估測目標方位之方法，包含依序執行以下步驟：步驟a，於步驟a中，建立一雷達掃描模型，包含：步驟a1，選定一天線場型樣態100；步驟a2，設定一雷達參數；步驟a3，產生一回波模擬曲線；步驟a4，對此回波模擬曲線進行一取樣動作，產生複數個模擬樣本；步驟a5，對每個該複數個模擬樣本進行一正規化動作，產生複數個正規化模擬數據。於步驟b中，獲取一正規化掃描數據。於步驟c中，對該複數個正規化模擬數據與該正規化掃描數據進行一比對動作。以及步驟d，於步驟d中，獲取一估測的目標方位。

請同時參照圖2及圖3，圖3係本發明之實施例雷達估測目標方位之方法的天線場型樣態示意圖。本發明之雷達估測目標方位的方法，包含以下步驟：首先，執行步驟a，建立一雷達掃描模型，包含：於步驟a1中，選定一天線場型樣態。在本實施例中，該天線場型樣態採用一高斯分佈之近似場型。在其他可能的實施例中，該天線場型樣態還可選自於微波暗室實際量測獲得之天線場型、由辛克函數(Sinc Function)模擬之理想天線場型和拋物線函數近似之半功率(3dB)場型。接著，於步驟a2中，設定一雷達參數，此組參數中的天線轉速為此掃描雷達之掃描速度，此掃描雷達之天線固裝於一基座上，該基座提供天線方位向持續旋轉，以及一權重函數(Weighting Function)，其目的在於壓抑頻譜上的旁波增益，該權重函數可選自Hamming Window、Hanning Window、Chebyshev Window和Without Weighting的其中之一。於步驟a3中產生一回波模擬曲線，此回波模擬曲線係理想中目標300反射掃描雷達之掃描訊號後所得之反射波訊號。於步驟a4中，對此回波模擬曲線進行一取樣動作，產生複數個模擬樣本。接著，對此複數個模擬樣本各別進行權重運算，產生複數個權重模擬 樣本。最後於步驟a5中，對每個此複數個權重模擬樣本進行一正規化動作，產生複數個正規化模擬數據。一較佳實施例中，複數個正規化模擬數據之數量為M個，其中M為根據一系統條件所選定之數值。具體而言，M係根據雷達資料處理器的效能、雷達參數，以及方位估測所需之精細度進行調整。

較佳的，步驟a更包含執行完步驟a2後，設定一雷達參數，接著執行步驟a3。具體而言，此組雷達參數更包含一脈波重覆間隔(Pulse Repetition Interval，PRI)，因此，當天線場型樣態100建立後，接著輸入天線轉速與脈波重覆間隔參數，接著便可產生一回波模擬曲線。

於一實施例中，每個該複數個正規化模擬數據與正規化掃描數據更包含複數個資料，此複數個資料之數量為N，且N為一2的冪次值，如16、32、64、256...等，而此N值正是富利葉轉換動作及逆富利葉轉換動作之樣本數。於一實施例中，雷達偵測的目標距離大於該雷達使用的脈波重覆間隔所涵蓋之距離，導致該目標獲得偵測的同調脈波個數小於N，據此個數調整正規化模擬數據與正規化掃描數據所含資料個數。於一較佳實施例中，考量運算系統之處理效能、掃描雷達及掃描訊號之參數，以及方位估測所需之精細度等因素後，M具有一最適化數值，此最適化數值為

-N；其中θ為一半功率波寬(3dB波寬)、ω為天線轉速以及T為一脈波重覆間隔。

當取得複數個正規化模擬數據與正規化掃描數據後，對此複數個正規化模擬數據與正規化掃描數據進行一比對動作，並獲取一估測的目標方位。此比對動作包含對M個正規化模擬數據逐一與正規化掃描數據進行比對，具體而言，M個正規化模擬數據乃是回波模擬曲線中的M個經過正規化處理的片段。於一實施例中，比對動作包含該複數個正規化模擬數據 分別與該正規化掃描數據進行一內積運算，並取出一最大值，而給出此對大值的正規化模擬數據所在角度則對應到實際目標方位301。於另一實施例中，比對動作包含該複數個正規化模擬數據分別與該正規化掃描數據進行一向量差的範數運算，並取出一最小值，而給出此最小值的正規化模擬數據所在角度則對應到實際目標方位301。

在此對上述之步驟a4的取樣動作及步驟a5的正規化動作做進一步說明。舉例而言，在步驟a4中，對回波模擬曲線進行取樣動作，並產生：{a_i|i=1,...,n}共n個模擬樣本。接續，取4個資料(即N=4)為一組，則可共得有n-N+1組(即M=n-N+1)模擬樣本：(S₁,S₂,S₃,S₄)、(S₂,S₃,S₄,S₅)…(S_n-3,S_n-2,S_n-1,S_n)，並根據步驟a2所設定之權重函數(W₁,W₂,W₃,W₄)對該複數組模擬樣本進行權重運算，可得(S₁W₁,S₂W₂,S₃W₃,S₄W₄)、(S₂W₁,S₃W₂,S₄W₃,S₅W₄)…(S_n-3W₁,S_n-2W₂,S_n-1W₃,S_nW₄)共M組權重後的模擬樣本，針對該M組模擬樣本進行各組的正規化動作，可得共M組的正規化模擬數據。

較佳的，目標回波訊號201為掃描雷達於一次掃描動作下獲得之複數個同調回波訊號，不同於以往需要進行數次掃描動作，才能取得目標的方位，因此可使雷達資源分配最佳化，提供更大空間搜索或額外的目標追蹤能力。

請同時參照圖1及圖4，圖4係本發明之另一實施例雷達估測目標方位之方法的流程示意圖。由圖4中可見，雷達掃描模型之建立需要先選取一天線場型樣態(f1)，輸入天線轉速、脈波重覆間隔與權重函數等參數，用以產生一回波模擬曲線(g1)。接著經過取樣動作及正規化動作後，得到M個具有N個資料的正規化模擬數據(h1)。另一方面，掃描雷達於空間中發射一組由複數個同調脈波所組成之一掃描訊號，並獲取對應 此掃描訊號之一目標回波訊號201(e2)，此時解角器同時記錄當下掃描雷達的掃描方位。目標回波訊號201經過脈波都卜勒處理後檢出目標，得到一目標頻譜數據(f2)，而此目標頻譜數據接著進行一逆富利葉轉換動作，產生一掃描樣本(g2)，其中，該掃描樣本亦具有N個資料，而此掃描樣本經過正規化動作後，便會產生一具有N個資料的正規化掃描數據(h2)。最後，將M個具有N個資料的正規化模擬數據與一具有N個資料的正規化掃描數據進行一比對動作，得出估測的目標方位修正角度，此一修正角度與掃描訊號對應的掃描方位作加法運算，獲得該目標方位，以對應實際目標方位301(i)。

本發明之雷達估測目標方位之方法僅需要進行一次掃描動作就可以偵測出目標的方位，其準確度更不受限於反射波訊號的背景雜波影響，以更少的雷達資源以及系統資源，達到一高準確度之目標方位估測。於一實施例中，在連續發射多組同調脈波，而該目標僅有一組有效偵測的情況下，仍可獲得一高準確度之目標方位估測， 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內。

Claims (9)

1. 一種雷達估測目標方位之方法，包含依序執行以下步驟：a.建立一雷達掃描模型，包含：a1.選定一天線場型樣態；a2.設定一雷達參數；a3.產生一回波模擬曲線；a4.對該回波模擬曲線進行一取樣動作，產生複數個模擬樣本；a5.對每個該複數個模擬樣本進行一正規化動作，產生複數個正規化模擬數據；b.獲取一正規化掃描數據，包含：b1.一掃描雷達發射一組由複數個同調脈波所組成之一掃描訊號；b2.獲取對應該掃描訊號之一目標回波訊號；b3.對該目標回波訊號進行一權重運算，得到一權重回波訊號；b4.對該權重回波訊號進行一富利葉轉換動作，得到一雷達掃描數據；b5.對該雷達掃描數據進行一目標檢出動作，取出一目標頻譜數據；b6.對該目標頻譜數據進行一逆富利葉轉換動作，產生一掃描樣本；以及b7.對該掃描樣本進行該正規化動作，產生該正規化掃描數據；c.對該複數個正規化模擬數據與該正規化掃描數據進行一比對動作；以及d.獲取一目標方位。
2. 如請求項1所述之雷達估測目標方位之方法，其中該複數個正規化模擬數據之數量為M個，其中M為根據一系統條件所選定之數值。
3. 如請求項1所述之雷達估測目標方位之方法，其中該目標回波訊號為該掃描雷達於一次掃描動作期間之複數個同調回波訊號。
4. 如請求項2所述之雷達估測目標方位之方法，其中每個該複數個正規化模擬數據與該正規化掃描數據更包含複數個資料，該複數個資料之數量小於等於N，且N為一2的冪次值。
5. 如請求項1所述之雷達估測目標方位之方法，其中該雷達參數包含一天線轉速、一脈波重複間隔、一權重函數。
6. 如請求項1所述之雷達估測目標方位之方法，其中步驟a更包含執行完步驟a4後，對每個該複數個模擬樣本進行權重運算，接著執行步驟a5。
7. 如請求項2所述之雷達估測目標方位之方法，其中M為一最適化數值，該最適化數值為-N；其中θ為一半功率波寬、ω為該天線轉速以及T為一組脈波重覆間隔。
8. 如請求項1所述之雷達估測目標方位之方法，其中該比對動作包含；該複數個正規化模擬數據分別與該正規化掃描數據進行一內積運算，並取出一最大值。
9. 如請求項1所述之雷達估測目標方位之方法，其中該比對動作包含：該複數個正規化模擬數據分別與該正規化掃描數據進行一向量差的範數運算，並取出一最小值。