一种复杂地形条件下的低空目标仰角估计方法技术

本发明专利技术公开了一种复杂地形条件下的低空目标仰角估计方法，其主要思路为：确定雷达，雷达的检测范围内存在低空目标，低空目标为距离地面设定距离处的目标，雷达包括的阵元总个数为N，确定数字慢采样总次数为Snap，雷达向其检测范围内的低空目标发射信号并接收低空目标回波信号；确定低空目标距离单元，然后对低空目标回波信号在低空目标距离单元处进行Snap次数字慢采样，计算得到低空目标回波信号采样数据协方差矩阵估计值

An elevation estimation method for low altitude targets under complex terrain conditions

The invention discloses a method for estimating elevation angle of low-altitude target under complex terrain conditions. The main idea is to determine radar, there are low-altitude targets in the detection range of radar, low-altitude targets are targets set at a distance from the ground, the total number of elements in the radar is N, and the total number of digital slow sampling is Snap. The low-altitude target echo signal is transmitted to the low-altitude target within the detection range and received by the low-altitude target echo signal; the low-altitude target range unit is determined; then the low-altitude target echo signal is slowly sampled at the low-altitude target range unit by Snap number digital slow sampling, and the estimated covariance matrix of the low-altitude target echo signal sampling data is calculated.

【技术实现步骤摘要】
一种复杂地形条件下的低空目标仰角估计方法
本专利技术属于雷达参数估计
，特别涉及一种复杂地形条件下的低空目标仰角估计方法，适用于雷达在多径环境下对目标的角度估计。
技术介绍
在雷达对低空目标进行角度测量时，雷达的波束指向角度较小，很容易造成波束打地，使得地海面反射增强，同时接收到的噪声和杂波变多，且目标的多径现象严重，导致测量结果不准确。由于多径效应的影响，强相干的目标直达回波和反射回波同时进入同一接收波束主瓣宽度内，一般方法难以区分两者，使得测量误差增大。另外，在对低空目标进行测量时，反射面的粗糙程度以及地形的复杂度会直接影响反射系数以及反射回波信号，从而影响测量结果。因此，低空目标角度测量的难点在于消除多径效应、提高角度分辨力、使估计方法在复杂地形条件下具有一定的稳定性。近年来针对低空目标仰角估计问题已进行了大量研究，主要有基于阵列超分辨技术的多重信号分类(MUSIC)算法和最大似然(ML)估计算法。由于多径效应的影响，直达波与反射波是一组强相干信号，而多重信号分类法无法处理相干信号源，严重时完全失效。对于最大似然估计法，当直达波和反射波的角度差小于波束宽度的1/3时，估计误差增大，小于1/4时几乎不能区分真实目标和镜像。上述方法通常需要特征值分解和多维空间谱搜索，不利于工程实现。以上方法实现的前提是，反射面平坦光滑或者起伏较小，目标回波信号在反射面发生镜面反射，接收端收到的反射信号源为点目标。但是在较复杂的阵地，例如崎岖的山地、风浪较大的海面等，此时反射面粗糙程度变大，多径反射波不是完全镜面反射，还有漫反射波，且反射面越粗糙，漫反射分量占比越大，这种情况下现有方法不能得到满足精度要求的估计结果。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提出一种复杂地形条件下的低空目标仰角估计方法，该种复杂地形条件下的低空目标仰角估计方法能够减小计算量，易于工程实现；能够提高雷达在复杂地形条件下的角度估计性能，增强角度估计方法的稳定性和多场景适用性，实现在复杂地形条件下对低空目标的精确探测和跟踪，主要解决现有方法中计算量大、在复杂地形条件下测量误差大、应用范围受限的问题。本专利技术的主要思路：利用阵元输出加权对回波数据进行滤波，通过最小值搜索的方式对仰角进行估计，即技术方案借鉴空域滤波和波束形成原理，提出了基于阵元输出加权的仰角估计方法，其核心思想是将真实低空目标看作单点信号源，而将镜像低空目标看作多点信号源，复杂地形条件下反射回波信号包括镜面反射和漫反射，对应于此时有多个镜像低空目标的反射波被接收到；通过对阵元输出加权，形成具有两个零陷的波束滤波器，其中一个个零陷对应于当前的搜索仰角，另一个零陷的中心对应于搜索仰角的镜面反射角，具有一定宽度，零陷宽度由反射面粗糙程度决定；在仰角搜索过程中，通过上述波束滤波器对回波数据进行滤波，当滤波器的零陷正好对应于真实低空目标的仰角和反射角时，阵元输出功率最小，此时正零陷的角度值就是低空目标仰角的估计值。为达到上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案予以实现。一种复杂地形条件下的低空目标仰角估计方法，包括以下步骤：步骤1，确定雷达，雷达的检测范围内存在低空目标，低空目标为距离地面设定距离处的目标，雷达包括的阵元总个数为N，确定数字慢采样总次数为Snap，Snap、N分别为大于或等于1的正整数；雷达向其检测范围内的低空目标发射信号并接收低空目标回波信号；步骤2，确定低空目标距离单元，然后对低空目标回波信号在低空目标距离单元处进行Snap次数字慢采样，其中将第n个阵元在第s次数字慢采样的采样数据记为yn(s)；n＝1,2,3,…,N，进而得到阵列天线在第s次数字慢采样的采样数据矢量YN×1(s)；步骤3，根据阵列天线在第s次数字慢采样的采样数据矢量YN×1(s)，s＝1,2,3,…,Snap，计算得到低空目标回波信号采样数据协方差矩阵估计值步骤4，确定雷达的搜索角度范围[θα,θβ]，θα表示雷达的搜索角度最小值，θβ表示雷达的搜索角度最大值；初始化：令i表示第i次搜索，i的初始值为1；步骤5，计算第i次搜索后的仰角搜索值θ1和第i次搜索后的反射波搜索范围中心角θ2，进而构造第i次搜索后的搜索信号协方差矩阵Rs；步骤6，根据第i次搜索后的搜索信号协方差矩阵Rs，得到第i次搜索后的滤波器最优权值wopt,i；步骤7，根据第i次搜索后的滤波器最优权值wopt,i和低空目标回波信号采样数据协方差矩阵估计值计算第i次搜索后低空目标回波信号能量ei；步骤8，令i的值加1，如果θ1≤θβ，则返回步骤5；如果θ1>θβ，则停止搜索，然后根据此时得到的第1次搜索后低空目标回波信号能量e1至第i-1次搜索后低空目标回波信号能量ei-1，构造低空目标回波信号能量谱E，进而得到低空目标仰角估计值，所述低空目标仰角估计值为一种复杂地形条件下的低空目标仰角估计结果。本专利技术的有益效果：本专利技术充分利用多径几何关系和雷达高度、低空目标距离等信息，有效提高角度估计性能的同时减小搜索范围，降低计算量，易于工程实现；在反射面比较粗糙，雷达接收到多个方向的反射回波的情况下，通过阵列输出加权减弱多径的影响，提高了雷达在复杂地形条件下的角度估计精度。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。图1是本专利技术的一种复杂地形条件下的低空目标仰角估计方法流程图；图2是滤波器的归一化幅度随仰角的变化曲线图；图3是在多径和复杂地形环境下本专利技术与采用交替投影的传统最大似然算法的角度均方根误差随信噪比的变化曲线对比图。具体实施方式参照图1，为本专利技术的一种复杂地形条件下的低空目标仰角估计方法流程图；其中所述一种复杂地形条件下的低空目标仰角估计方法，包括以下步骤：步骤1，雷达接收多组回波信号。雷达采用均匀等间距阵列线阵，雷达的检测范围内存在低空目标，低空目标为距离地面设定距离处的目标，本实施例中设定距离为100m；雷达包括的阵元总个数为N(N为大于或等于1的正整数)，N个阵元依次排序为第1个阵元至第N个阵元，将第N个阵元作为参考阵元，且N个阵元间距相等；根据雷达包括的阵元总个数N确定数字慢采样总次数为Snap，Snap为大于或等于1的正整数；为了保证后续协方差矩阵的正定性，一般取Snap>N，不同于奈奎斯特采样，数字慢采样是对雷达接收到的多组回波在同一距离单元进行数字慢采样，数字慢采样总次数Snap可以人为设定。雷达向其检测范围内的低空目标发射信号并接收低空目标回波信号。步骤2，对雷达回波进行数据采样。通过对低空目标回波信号进行脉冲压缩和低空目标检测，确定低空目标所在距离单元，记为低空目标距离单元；然后对低空目标回波信号在低空目标距离单元处进行Snap次数字慢采样，其中将第n个阵元在第s次数字慢采样的采样数据记为yn(s)，其中n＝1,2,3,…,N，s＝1,2,3,…,Snap，Snap表示数字慢采样总次数。根据第n个阵元在第s次数字慢采样的采样数据yn(s)，且令n＝1,2,3,…,N，按下列方式排列得到阵列天线在第s次数字慢采样的采样数据矢量YN×1(s)：YN×1(s)＝[y1(s),y2(s),y3(s)…yN(s)]T其中，[·]T表示对矩阵进行转置操作。步骤3，利本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复杂地形条件下的低空目标仰角估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定雷达，雷达的检测范围内存在低空目标，低空目标为距离地面设定距离处的目标，雷达包括的阵元总个数为N，确定数字慢采样总次数为Snap，Snap、N分别为大于或等于1的正整数；雷达向其检测范围内的低空目标发射信号并接收低空目标回波信号；步骤2，确定低空目标距离单元，然后对低空目标回波信号在低空目标距离单元处进行Snap次数字慢采样，其中将第n个阵元在第s次数字慢采样的采样数据记为yn(s)；n＝1,2,3,…,N，进而得到阵列天线在第s次数字慢采样的采样数据矢量YN×1(s)；步骤3，根据阵列天线在第s次数字慢采样的采样数据矢量YN×1(s)，s＝1,2,3,…,Snap，计算得到低空目标回波信号采样数据协方差矩阵估计值

【技术特征摘要】
1.一种复杂地形条件下的低空目标仰角估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定雷达，雷达的检测范围内存在低空目标，低空目标为距离地面设定距离处的目标，雷达包括的阵元总个数为N，确定数字慢采样总次数为Snap，Snap、N分别为大于或等于1的正整数；雷达向其检测范围内的低空目标发射信号并接收低空目标回波信号；步骤2，确定低空目标距离单元，然后对低空目标回波信号在低空目标距离单元处进行Snap次数字慢采样，其中将第n个阵元在第s次数字慢采样的采样数据记为yn(s)；n＝1,2,3,…,N，进而得到阵列天线在第s次数字慢采样的采样数据矢量YN×1(s)；步骤3，根据阵列天线在第s次数字慢采样的采样数据矢量YN×1(s)，s＝1,2,3,…,Snap，计算得到低空目标回波信号采样数据协方差矩阵估计值步骤4，确定雷达的搜索角度范围[θα,θβ]，θα表示雷达的搜索角度最小值，θβ表示雷达的搜索角度最大值；初始化：令i表示第i次搜索，i的初始值为1；步骤5，计算第i次搜索后的仰角搜索值θ1和第i次搜索后的反射波搜索范围中心角θ2，进而构造第i次搜索后的搜索信号协方差矩阵Rs；步骤6，根据第i次搜索后的搜索信号协方差矩阵Rs，得到第i次搜索后的滤波器最优权值wopt,i；步骤7，根据第i次搜索后的滤波器最优权值wopt,i和低空目标回波信号采样数据协方差矩阵估计值计算第i次搜索后低空目标回波信号能量ei；步骤8，令i的值加1，如果θ1≤θβ，则返回步骤5；如果θ1>θβ，则停止搜索，然后根据此时得到的第1次搜索后低空目标回波信号能量e1至第i-1次搜索后低空目标回波信号能量ei-1，构造低空目标回波信号能量谱E，进而得到低空目标仰角估计值，所述低空目标仰角估计值为一种复杂地形条件下的低空目标仰角估计结果。2.如权利要求1所述的一种复杂地形条件下的低空目标仰角估计方法，其特征在于，在步骤1中，所述雷达包括的阵元总个数为N，还包括：N个阵元依次排序为第1个阵元至第N个阵元，将第N个阵元作为参考阵元，且N个阵元间距相等；雷达包括的阵元总个数N和数字慢采样总次数Snap的大小关系为：Snap>N。3.如权利要求1所述的一种复杂地形条件下的低空目标仰角估计方法，其特征在于，在步骤2中，所述低空目标距离单元，其确定过程为：对低空目标回波信号进行脉冲压缩和低空目标检测，确定低空目标所在距离单元，记为低空目标距离单元；所述阵列天线在第s次数字慢采样的采样数据矢量YN×1(s)，其表达式为：YN×1(s)＝[y1(s),y2(s),y3(s)…yN(s)]T其中，[·]T表示对矩阵进行转置操作。4.如权利要求1所述的一种复杂地形条件下的低空目标仰角估计方法，其特征在于，步骤3的子步骤为：(3a)根据阵列天线在第s次数字慢采样的采样数据矢量YN×1(s)，且令s＝1,2,3,…,Snap，分别得到阵列天线在第1次数字慢采样的采样数据矢量YN×1(1)至阵列天线在第Snap次数字慢采样的采样数据矢量YN×1(Snap)；将阵列天线在第1次数字慢采样的采样数据矢量YN×1(1)至阵列天线在第Snap次数字慢采样的采样数据矢量YN×1(Snap)按下列方式排列，得到阵列天线在Snap次数字慢采样的采样数据矩阵XN×Snap：XN×Snap＝[YN×1(1),YN×1(2),YN×1(3)…YN×1(Snap)]；(3b)利用所述阵列天线在Snap次数字慢采样的采样数据矩阵XN×Snap，计算得到低空目标回波信号采样数据协方差矩阵估计值其中，[·]H表示对矩阵进行共轭转置操作。5.如权利要求1所述的一种复杂地形条件下的低空目标仰角估计方法，其特征在于，在步骤4中，所述θα表示雷达的搜索角度最小值和所述θβ表示雷达的搜索角度最大值，其关系为：其中，θα表示雷达的搜索角度最小值，θβ表示雷达的搜索角度最大值，θx表示雷达中心指向角，θ3dB表示雷达向其检测范围内的低空目标发射信号波束半功率宽度，N表示雷达包括的阵元总个数，d表示阵元间距，λ表示雷达向其检测范围内的低空目...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹运合，李春阳，彭志刚，吴春林，凤宏晓，王从思，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，西安中电科西电科大雷达技术协同创新研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61