一種基于分布源反射模型的米波雷達低仰角測高方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于雷達信號處理【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了一種基于分布源反射模型的米波雷達低仰角測高方法，其主要解決現(xiàn)有技術(shù)對起伏陣地測高誤差較大的問題。其實現(xiàn)步驟：從雷達回波中提取目標信號，得到目標信號的協(xié)方差矩陣；建立分布源反射模型，反射波不再是單一點源，利用直達波導(dǎo)向矢量計算反射波導(dǎo)向矢量，進而計算合成導(dǎo)向矢量及其投影矩陣；對直達波俯仰角進行搜索，得到直達波俯仰角的估計值即目標的精確仰角；得到目標高度。本發(fā)明不依賴精確的雷達陣地海拔參數(shù)，增強了雷達對陣地的適應(yīng)能力，提高了測高精度，可用于目標定位和跟蹤。
【專利說明】一種基于分布源反射模型的米波雷達低仰角測高方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雷達信號處理【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于分布源反射模型的米波雷達低仰角測高方法。
【背景技術(shù)】
[0002]米波雷達是二戰(zhàn)中發(fā)明和使用的主要防空雷達，但是隨著戰(zhàn)后微波技術(shù)和器件工藝的發(fā)展，雷達工作頻段也在向毫米波、微波發(fā)展，而米波雷達由于體積大、測角精度低等原因，發(fā)展處于停滯狀態(tài)。近年來，隨著隱身技術(shù)，反輻射導(dǎo)彈等反雷達技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代雷達的生存面臨重大威脅。而米波雷達波長較長，在反隱身和抗反輻射方面具有天然的優(yōu)勢，因而，得到了各國的普遍重視并再次獲得了快速的發(fā)展。
[0003]米波雷達低仰角測高問題是一直困擾米波雷達的一個難題。低仰角時，雷達回波為直達波和多徑反射波之和，且仰角越低，多徑反射波越強。直達波和反射波是一組相干源，都在主瓣波束寬度內(nèi)，且米波雷達工作距離遠，信噪比低。低仰角測高問題實質(zhì)就是在低信噪比情況下，分辨和測量兩個夾角很小的相干源來波方向問題。低仰角時地形起伏對測高影響很大，崎嶇的地表或強海情海面等非平坦反射面會使目前大部分測高算法失效。特別是地面粗糙度較大時，無法用一個點源來描述多徑反射波，此時多徑反射波不再符合鏡面反射模型。
[0004]目前，常用的米波雷達低仰角測高方法主要有以下幾種:
[0005](I)基于鏡面反射模型的最大似然方法。該方法假定反射面平坦，只考慮一條鏡面反射回波路徑，同時充分利用天線高度、目標與雷達的距離、地球曲率等先驗信息，減少待估計參數(shù)，提高參數(shù)估計精度。然而，復(fù)雜陣地下多徑回波路徑遠不止一條，近似的鏡面反射模型會導(dǎo)致測角精度下降。
[0006](2)基于波瓣分裂的米波雷達測高方法。見陳伯孝于2006年在《電子學報》和雷達年會上介紹的“基于波瓣分裂的米波雷達測高方法”。這是一種在垂直維只需3根天線的米波雷達的低仰角測高方法。該方法只適合于平坦陣地，并對陣地的平坦性要求較高，其測高精度只能達到距離的1%，難以滿足一些精度較高的實際使用要求。
[0007](3)特征子空間類方法。此類方法通過空間平滑、Toeplitz化等方法來進行解相干，能夠處理相干源信號。但是，空間平滑等降維處理會降低天線的有效孔徑，導(dǎo)致波瓣變寬，角分辨率下降，而Toeplitz算法估計偏差較大；并且此類算法無法適用復(fù)雜陣地。
[0008]綜上所述，現(xiàn)有米波雷達低仰角測高方法適用的前提是反射面較為平坦或者起伏不大。但是，在較復(fù)雜的陣地，比如崎嶇的地面、強海情的海面等起伏較大的反射面，其多徑回波中漫散射功率占主導(dǎo)地位，現(xiàn)有方法均難以得到較好的測高效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于分布源反射模型的米波雷達低仰角測高方法，以提高雷達在復(fù)雜陣地下的測角、測高精度。[0010]為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
[0011]一種基于分布源反射模型的米波雷達低仰角測高方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0012]步驟1:對雷達回波信號進行采集，得到目標信號X(t)，進而計算得到目標信號的協(xié)方差矩陣R
[0013]步驟2:假設(shè)雷達回波信號中的反射波信號為單點源信號，使用數(shù)字波束合成計算得到雷達俯仰角的粗測值Θ/，設(shè)定雷達俯仰角搜索范圍Θ/土 Λ θ ；
[0014]步驟3:在雷達俯仰角搜索范圍Θ /土 Λ Θ搜索范圍內(nèi)，設(shè)直達波俯仰角為Θ d，計算得到直達波導(dǎo)向矢量^^,)；
[0015]步驟4:確定雷達回波信號中的反射波信號為分布源信號，分布源服從高斯分布，根據(jù)直達波俯仰角Qd，得到陣列的地面波束投影區(qū)范圍，估計陣列的反射波俯仰角Qi的方差λ，進而計算得到反射波導(dǎo)向矢量％ (Qi)；
[0016]步驟5:根據(jù)直達波導(dǎo)向矢量ad(0d)和反射波導(dǎo)向矢量Bi(Qi)得到合成導(dǎo)向矢量\( Θ d)，進而得到合成導(dǎo)向矢量的投影矩陣及(A);
[0017]步驟6:對直達波俯仰角ed進行最大似然估計，計算得到俯仰角精確值進而求得目標高度ht:
【權(quán)利要求】
1.一種基于分布源反射模型的米波雷達低仰角測高方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:對雷達回波信號進行采集，得到目標信號X(t)，進而計算得到目標信號的協(xié)方差矩陣; 步驟2:假設(shè)雷達回波信號中的反射波信號為單點源信號，使用數(shù)字波束合成計算得到雷達俯仰角的粗測值Θ/，設(shè)定雷達俯仰角搜索范圍Θ/土 Λ θ ； 步驟3:在雷達俯仰角搜索范圍Θ/土 Λ Θ搜索范圍內(nèi)，設(shè)直達波俯仰角為0d，計算得到直達波導(dǎo)向矢量ad(0d)； 步驟4:確定雷達回波信號中的反射波信號為分布源信號，分布源服從高斯分布，根據(jù)直達波俯仰角Qd，得到陣列的地面波束投影區(qū)范圍，估計陣列的反射波俯仰角Qi的方差Λ，進而計算得到反射波導(dǎo)向矢量A(Qi)； 步驟5:根據(jù)直達波導(dǎo)向矢量ad(0d)和反射波導(dǎo)向矢量Bi(Qi)得到合成導(dǎo)向矢量as ( Θ d)，進而得到合成導(dǎo)向矢量的投影矩陣^ ； 步驟6:對直達波俯仰角Θ d進行最大似然估計，計算得到俯仰角精確值么；進而求得目標聞度ht:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分布源反射模型的米波雷達低仰角測高方法，其特征在于，步驟I中，根據(jù)陣列接收的目標信號矢量X(t)，得到目標信號的協(xié)方差矩陣食^的計算公式為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分布源反射模型的米波雷達低仰角測高方法，其特征在于，步驟2中，雷達俯仰角的粗測值Θ ；的計算公式為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分布源反射模型的米波雷達低仰角測高方法，其特征在于，步驟3中，直達波導(dǎo)向矢量ad(0d)的計算公式為:
ad( Θ d) = [lexp(_j2 π dsin( Θ d)/ λ )…exp(-j2 π (M-1) d) sin( θ d) / λ )]τ
其中，d為陣元間距，d≤λ/2，波長為λ，Μ表示陣元個數(shù)，[.]τ表示轉(zhuǎn)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分布源反射模型的米波雷達低仰角測高方法，其特征在于，步驟4反射波導(dǎo)向矢量Bi(Qi)的計算中，先確定地面反射波角分布函數(shù)滿足高斯分布，角分布函數(shù)為:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分布源反射模型的米波雷達低仰角測高方法，其特征在于，步驟5中，根據(jù)直達波導(dǎo)向矢量^^,)和反射波導(dǎo)向矢量Bi(Qi),計算合成導(dǎo)向矢量as ( θ d):
as ( θ d) = [ad ( θ d) + r exp(j2 π Δ R/ λ ) ai ( θ ^ ] 其中，r為地面反射系數(shù)，取r=-0.95，Λ R為直達波與反射波的波程差，反射波俯仰角的初始值θ e-siiT1 (sin( θ d)+2hr/Rt)，hr為陣列中心相對地面的高度，Rt為目標和雷達之間的距離； 由合成導(dǎo)向矢量^^,)得投影矩陣: PJ(V) = I(Al)Kn(Α>ΜΑ W,) 其中[.^表示共軛轉(zhuǎn)置，[.r1表示矩陣求逆。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分布源反射模型的米波雷達低仰角測高方法，其特征在于，步驟6:對直達波俯仰角ed進行最大似然估計，計算得到俯仰角精確值么的公式為

【文檔編號】G01S13/06GK103885054SQ201410074729
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】陳伯孝, 楊明磊, 鄭軼松, 朱偉, 武宇娟 申請人:西安電子科技大學