一种天波超视距雷达目标与电离层参数联合估计方法技术

本发明专利技术公开了一种天波超视距雷达目标与电离层参数联合估计方法，属于雷达技术领域。本发明专利技术将待估参数设置为目标与电离层联合参数，利用解析模型将电离层探测设备误差转化为目标参数估计误差，对已估参数进行修正，实现电离层和目标参数的联合估计。本发明专利技术解决了现有估计方法中不能联合电离层参数误差估计的问题，使电离层误差信息得到有效利用，提高了估计精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达
，具体涉及利用电离层信息进行天波超视距雷达目标参数联合估计的算法。
技术介绍
OTHR(Over-the-horizonradar，天波超视距雷达)利用3-30MHz的高频电磁波，经过电离层反射自上而下地进行传播，它可以实现大面积、超远距离的目标检测，具有重要的战术和战略价值。在目前OTHR的研究中，目标参数的估计是OTHR工程应用的根本目的，所以目标参数的精确估计具有重要意义。由于OTHR特殊的工作方式，电离层的研究十分重要。电离层参数由电离层探测设备通过反演得到，该设备存在较大的测量误差，在同类算法中，都将电离层参数当作无偏信息，忽略了探测设备的误差，估计的目标参数都不够精确。已有的天波雷达机动目标参数估计算法主要有两大类：第一类是基于时-频分析的机动目标检测法，如自适应小波变换算法(WangG,XiaXG,RootBT,etal.Movingtargetdetectioninover-the-horizonradarusingadaptivechirplettransform[J].RadioScience,2002,38(4):77-84.)和Wigner-Ville分解法(FrazerGJ,AndersonSJ.Wigner-VilleanalysisofHFradarmeasurementofanacceleratingtarget[C]InternationalSymposiumonSignalProcessingandITSApplications.1999:317-320vol.1.)，但当存在多个机动目标时，该类方法会受到交叉项的干扰。第二类是基于多项式相位建模的机动目标检测算法，如基于高阶模糊函数(HAF)的机动目标补偿法(LuK,LiuX.Enhancedvisibilityofmaneuveringtargetsforhigh-frequencyover-the-horizonradar[J].IEEETransactionsonAntennas&Propagation,2005,53(1):404-411.)，该方法通过高阶模糊函数求解多项式的各阶系数从而估计机动目标参数，具有计算量低的优点，然而该方法在求解多项式的高阶系数时需要较高的输入信噪比，且存在明显的误差积累效应。另一种是基于三次相位函数(CubicPhaseFunction，CPF)的机动目标检测算法(O'SheaP.Anewtechniqueforinstantaneousfrequencyrateestimation[J].IEEESignalProcessingLetters,2002,9(8):251-252.)，该算法避免了多次使用非线性变换，减少了信噪比损失，但估计精度不高。在工程实际中，电离层探测设备的测量误差严重影响了天波超视距雷达的目标参数估计精度，而目前的所有机动目标参数估计算法都没有考虑电离层探测设备误差的影响。
技术实现思路
本专利技术针对已有的OTHR目标参数估计算法未考虑电离层误差信息这一点，提出了一种新型的目标与电离层参数联合估计方法，以显著提高估计精度。OTHR的目标参数估计都是基于接收的回波信号(简称接收信号)处理的角度，接收信号s经过匹配滤波后表示为如下向量形式：式(1)中，K是相干积累时间内的脉冲个数，E表示信号能量，α为目标反射系数(包含目标反射特性、信号传输衰减等的影响)，目标反射系数α是零均值复高斯随机变量，α的方差为θ为待估参数，T(θ)＝[ej2πξ(θ,1),…,ej2πξ(θ,K)]T，其中ξ(θ,k)＝-fcτ(θ,k)，k为慢时间系数，fc为雷达的载波频率，目标时延τ(θ,k)为：其中P(θ,k)为目标的射线距离，c为光速；ω是零均值复高斯噪声，其方差为σ2。在相干积累时间内反射系数和噪声方差均保持不变的条件下，可得信噪比符号[·]T为矩阵转置。现有的OTHR目标参数估计算法中，都是将待估参数θ设置为感兴趣的目标参数(如目标速度，加速度和加速度变化率等)，然后进行目标参数估计，即从信号处理的角度将回波信号进行匹配滤波和多普勒处理后，在距离-多普勒维进行目标信息提取，其电离层信道模型采用了电离层探测设备的测量值，计算出的回波信道路径与真实路径不符，目标的信息就与真实情况不符，这种误差是已有参数估计算法不能弥补的。为了解决这一技术问题，本专利技术首先将电离层探测设备测量值当作真实值输入最大似然估计器后，将待估参数更新为目标与电离层联合参数，用基于电离层模型的算子将电离层探测设备误差转化为目标参数误差，从而进行参数更新和修正，其具体实现过程如下：首先，采用与现有相同的方式，将待估参数θ设置为目标参数，表示为θ＝(v1,v2,...vq)。将目标时延τ(θ,k)变换为：其中T是脉冲重复周期，Q是目标参数的最高阶数，vq是机动目标的各阶系数，依次代表速度、加速度、加速度变化率等。构造最大似然函数p(s|θ)：其中C(θ)＝σ2E+Eσ2T(θ)TH(θ)(3)式(4)中，矩阵I表示单位矩阵。从式(4)可知，det(πC(θ)是与估计参数θ无关的常量，不影响估计器的性能，可以忽略。利用Sherman-Morrison公式，可以得到：由式(2)、(4)可得OTHR的极大似然(MaximumLikelihood,ML)估计器：为了克服设备探测的电离层参数的测量误差对估计精度的影响，本专利技术将待估参数进一步设置为目标与电离层的联合参数，考虑电离层对目标参数的影响，实现参数误差补偿。描述电离层电子浓度的电离层模型，即电离层电子浓度随高度的变化关系为：其中，r表示距地心的高度，Nm为电子浓度最大值，rm为电离层浓度最大点高度，rb为电离层的最低高度，ym＝rm-rb称为电离层的厚度。临界频率fo、峰高hm和半厚度ym为需要测量的电离层参数，其中hm＝rm-Re，Re为地球半径。则基于上述现有电离层模型，将待估参数θ更新为：其中待估目标参数电离层参数ψ＝[fo,hm,ym]。据此可以将OTHR的ML估计器(式(6))变换为：式(8)中，利用电离层探测设备的探测结果作为电离层参数的真实值，对目标参数进行估计，由于电离层探测设备的测量结果存在误差，估计器使用的模型与实际回波信号存在误差，这种误差使得估计结果偏离了真实值，降低了参数的估计精度。对式(8)和进行解析射线追踪，令可以得到：其中P,D分别是目标的射线距离和地面距离，β为波束俯仰角，γ＝cos-1(Re/rbcosβ)。在OTHR的一次相干积累时间内，电离层的参数可以看作是不变的，因此临界频率fo、峰高hm和半厚度ym相对于一个回波信号序列可以看作是固定不变的。在传统天波超视距雷达中，电离层参数由电离层探测设备通过反演方法独立估计，探测设备的测量值存在误差，表示为：其中是电离层探测设备测量值，ψ是电离层参数真实值，为估计误差，经验预设值。当电离层测量值存在误差ωψ时，目标距离(地面距离)相应存在误差ωD＝G(ωψ)，算子G对应于式(11)的换算关系。本专利技术通过算子G，连接了OTHR信号处理与信道模型，从而提高算估计精度。计算出目标距离(一阶目标系数)的误差后，目标的各阶系数误差可由下式计算：其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种天波超视距雷达目标与电离层参数联合估计方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤1：初始化待估目标参数其中q表示目标参数的阶数；初始化电离层测量值其中fo表示临界频率、hm表示峰高、ym表示半厚度，的初始值为电离层探测设备测量值；步骤2：将待估参数θ更新为目标与电离层的联合参数，即：符号[·]T为矩阵转置；根据公式得到最大似然估计器求解其中s表示回波信号，E表示回波信号能量，K表示相干积累时间内的脉冲个数，表示目标反射系数的方差，σ2表示噪声方差，符号[·]H为矩阵共轭转置，T(θ)＝[ej2πξ(θ,1),…,ej2πξ(θ,K)]T，其中ξ(θ,k)＝‑fcτ(θ,k)，k＝1,2,…,K，fc为雷达的载波频率，目标时延P(θ,k)为目标的射线距离；步骤3：设置电离层误差由得到基于得到参数A、B、C的值，其中β得到参数A、B、C的值，且fc为雷达的载波频率、Re为地球半径,β为波束俯仰角；根据参数A、B、C得到一阶目标参数误差ωD：其中步骤4：基于一阶目标参数误差，根据公式计算第i阶的目标参数误差其中表示求导，i＝2,3…,q，t＝T[1,2,...K]，T表示脉冲重复周期；由一阶目标参数误差ωD、第2～q阶目标参数误差构成目标参数误差步骤5：对目标参数进行更新：步骤6：将更新后的目标参数和电离层参数真实值作为估计结果并输出。...

【技术特征摘要】
1.一种天波超视距雷达目标与电离层参数联合估计方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤1：初始化待估目标参数其中q表示目标参数的阶数；初始化电离层测量值其中fo表示临界频率、hm表示峰高、ym表示半厚度，的初始值为电离层探测设备测量值；步骤2：将待估参数θ更新为目标与电离层的联合参数，即：符号[·]T为矩阵转置；根据公式得到最大似然估计器求解其中s表示回波信号，E表示回波信号能量，K表示相干积累时间内的脉冲个数，表示目标反射系数的方差，σ2表示噪声方差，符号[·]H为矩阵共轭转置，T(θ)＝[ej2πξ(θ,1),…,ej2πξ(θ,K)]T，其中ξ(θ,k)＝-fcτ(...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡进峰，薛长飘，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51