三天线干涉延迟多普勒雷达高度表地形特显点定位方法技术

本发明专利技术公开了一种三天线干涉延迟多普勒高度表地形特显点定位方法，主要是解决现有方法测高精度和地面分辨率较低的问题。其实现步骤是：建立三天线干涉延迟多普勒雷达高度表的回波信号模型；计算回波信号噪声功率估计和检测门限；划定干涉窗，获取所有幅度值高于检测门限的地面单元；选取特显点，选择没有混叠的地面单元；提取干涉相位，得到地面单元相对于天线阵列法线的夹角；根据干涉窗内特显点对应的距离、特显点相对于天线阵列法线的夹角及该特显点所在多普勒通道的中心与航向的夹角，估计特显点的三维坐标。本发明专利技术提高了雷达高度表的测高精度和垂直航向方向上的分辨率，能选取更多的特显点并给出三维坐标信息，可用地形匹配时对目标的定位。

Three antenna interference delay Doppler radar altimeter terrain special location method

The invention discloses a three-antenna interferometric delay Doppler altimeter topographic display point positioning method, which mainly solves the problems of high precision and low ground resolution of the existing methods. The realization steps are: establishing the echo signal model of the three-antenna interferometric delay Doppler radar altimeter; calculating the noise power estimation and detection threshold of the echo signal; delimiting the interferometric window to obtain all ground units whose amplitude is higher than the detection threshold; selecting the special display point and the ground unit without aliasing; extracting the interferometric phase. According to the distance of the special display point in the interference window, the angle between the special display point and the normal line of the antenna array, and the angle between the center of the Doppler channel and the heading of the special display point, the three-dimensional coordinates of the special display point are estimated. The invention improves the measuring precision of the radar altimeter and the resolution in the vertical heading direction, selects more special display points and gives the three-dimensional coordinate information, and can be used to locate the target when the terrain matches.

【技术实现步骤摘要】
三天线干涉延迟多普勒雷达高度表地形特显点定位方法
本专利技术涉及雷达
，特别涉及一种延迟多普勒雷达高度表地形特显点定位方法，可用地形匹配时对目标的定位。
技术介绍
现有的惯性制导方式由于其累积的误差会随着飞行时间加大，而且没有自身修正的功能，一般借助于其它修正设备。所以利用地形匹配导航系统修正惯导系统是目前的研究热点，而地形匹配导航系统的核心就是高度表，于是对高度表的测量分辨率和测量精度提出较高的要求。传统雷达高度表的测高精度和地面分辨率都较低，而采用延迟多普勒处理后，沿航向方向的分辨率得以提高，但垂直航向的分辨率仍然较低，进而影响高度测量精度。美国研发的机载双天线干涉延迟多普勒雷达高度表系统，装备了两个垂直航线分布的天线，在延迟多普勒处理的能力之外还增加了干涉测角能力。由于干涉相位与地面散射回波相对于天仙阵的角度有关，利用干涉相位信息，将为提高基于回波前沿的高度估计精度提供额外的辅助手段。但是，美国研发的干涉延迟多普勒雷达高度表系统仅为双天线系统，由于航线左右两侧的距离相等的地面单元的回波信号将重叠在一个距离单元内，这种双天线系统难以有效提取地面单元的角度信息，无法区分航线左右两侧的等距地面单元的位置信息，进而影响雷达高度表在垂直于航向方向上的分辨率提高，导致匹配定位的精度低，不能满足地形匹配的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种三天线干涉延迟多普勒雷达高度表地形特显点定位方法，以提高雷达高度表的测高精度和垂直航向的空间分辨率，提高地形匹配时的定位精度，满足地形匹配的需求。为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下：(1)建立三天线干涉延迟多普勒雷达高度表的信号模型，即将三个垂直于航迹方向的天线等间距排列，天线之间的间距为d，d>0,天线距离地面的高度为H米，H>100；(2)通过中间的天线发射信号，三个天线同时接收回波信号；(3)对回波信号中的噪声功率进行估计,并根据噪声功率和检测概率Pfa计算检测门限UT；(4)在回波信号中搜索高于检测门限UT的峰值点，从峰值点位置的距离单元开始，向回波前沿和后沿搜索，当出现信号幅度小于检测门限UT的距离单元时停止搜索，接着划定干涉窗，该干涉窗包括所有信号幅度值高于检测门限UT的距离单元；(5)在干涉窗内进行特显点的选取，即选择没有混叠的地面单元；(6)通过干涉处理计算第m号多普勒通道的中心多普勒频率对应的第n个距离单元对应的地面单元相对于天线阵列法线的夹角θ(m,n)；(7)根据干涉窗内的地形特显点与中间天线间的距离R及其相对于天线阵列法线的夹角θ(m,n)，估计该地形特显点的三维坐标参数Hm,n，Xm,n，Ym,n：其中，Hm,n为第m号多普勒通道的中心多普勒频率对应的第n个距离单元对应的地面单元相对于载机平台的高度差，Xm,n为第m号多普勒通道的中心多普勒频率对应的第n个距离单元对应的地面单元在垂直航向方向上偏离载机地面航线的垂直航向坐标，Ym,n为在载机匀速直线平飞的条件下，第m号多普勒通道的中心多普勒频率对应的第n个距离单元对应的地面单元在沿航向方向上偏离雷达高度表下特显点的沿航向坐标，θ(m,n)是第m号多普勒通道的中心多普勒频率对应的第n个距离单元对应的地面单元相对于天线阵列法线的夹角，B为信号带宽，λ为发射信号波长，N为用于延迟多普勒处理的脉冲数，v为载机速度，为第m号多普勒通道的中心多普勒频率对应的特显点与载机速度矢量的夹角：Fr为脉冲重复频率。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：1、本专利技术由于利用了三天线阵列的横向角度测量能力，可以测量出地面单元相对于垂直航迹方向所对应的角度，进而得到地形特显点的三维坐标；2、本专利技术由于采用了三天线干涉延迟多普勒雷达高度表地形特显点定位方法，解决了传统雷达高度表测量精度和分辨率低的问题，提高了高度表垂直航向的分辨率；3、本专利技术中利用一个多普勒通道中可能存在多个特显点，同时测量多个地形特显点的三维坐标，有助于提高地形匹配时的定位精度，减少测量时的飞行次数。附图说明图1是本专利技术的实现流程图；图2是本专利技术仿真使用的场景示意图；图3是本专利技术中三天线干涉延迟多普勒雷达高度表几何关系图；图4是本专利技术中三天线干涉延迟多普勒雷达高度表地形特显点定位示意图；图5是本专利技术中的干涉窗划定示意图；图6是用本专利技术在地形起伏较大条件下的地形仿真结果图；图7是用本专利技术在地形起伏较小条件下的地形仿真结果图。具体实施方式参照图1，本专利技术的具体实现步骤如下：步骤1、建立三天线干涉延迟多普勒雷达高度表的回波信号模型。参照图3，沿垂直航向方向安置三个间隔相同的天线，将天线之间的间距，即基线长度记为d，d>0,天线距离地面的高度为H米，H>100，A点为地面上任意一个地面单元，第一个天线1到A点的距离为R1，第二个天线2到A点的距离为R2，第三个天线3到A点的距离为R3，天线阵列法线与A点的夹角为θ，坐标原点与A点的距离为ρ，飞机航向与A点的夹角为Φ，由第一个天线1发送脉冲信号，由第一个天线1、第二个天线2和第三个天线3共同接收地面回波信号。三个天线接收地面回波信号的干涉延迟多普勒雷达高度表的信号模型分别表示如下：其中，s1(t)为第一个天线1的输出信号，λ为波长，LP为传播衰减，H为载机高度，h为地面单元的高度，x,y分别为坐标为(x,y)的地面单元的横纵坐标，TP为回波信号脉宽，G(x,y)为坐标(x,y)对应的地面单元的天线增益，σ(x,y)为坐标x,y对应的地面单元单位面积散射系数，s2(t)为第二个天线2的输出信号，d为基线长度，θ(x,y)为坐标(x,y)对应的地面单元相对于天线阵列法线的夹角，s3(t)为第三个天线3的输出信号。从回波信号模型可以看出，对于地面上的同一个散射单元而言，第二天线2的输出信号相比第一天线1多出一个干涉相位项e-j2πdsinθ(x,y)/λ，第三天线3的输出信号相比第一天线1多出一个干涉相位项：ej2πdsinθ(x,y)/λ。参照图4，假定回波信号离散采样后的第i个距离单元对应的斜距为Ri＝i·c/2FS，如果能够计算回波信号中某个距离单元在三个天线的干涉相位，则可以计算该距离单元的对应的地面单元相对于天线阵列的夹角θ(x,y)，通过由第一天线1到该地面单元的斜距Ri和天线阵列相对于该地面单元的夹角θ(x,y)以及该地面单元与航向的夹角计算出该地面单元的三维坐标H,X,Y，其中，H为该地面单元相对于载机平台的高度差，X为该地面单元在垂直航向方向上偏离载机地面航线的垂直航向坐标，Y为在载机匀速直线平飞的条件下，该地面单元在沿航向方向上偏离雷达高度表下特显点的沿航向坐标。步骤2、对回波信号进行处理。对于坐标估计而言，最佳选择是选择第N/2号多普勒通道输出的信号进行处理，多普勒通道是经过延迟多普勒处理后形成的分辨单元，但为了不失一般性以及便于分析，本实例以与第N/2号多普勒通道相邻的第m号多普勒通道输出的信号为例，并假设地面散射单元仅分布在第m号多普勒通道所对应的等多普勒曲线上，其实现如下：(2a)噪声功率的估计：在进行高度估计处理前需要先在远离回波前沿的地方开窗估计噪声功率该噪声功率按下式计算：其中，N1是干涉窗窗本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三天线干涉延迟多普勒高度表地形特显点定位方法，包括：(1)建立三天线干涉延迟多普勒雷达高度表的信号模型，即将三个垂直于航迹方向的天线等间距排列，天线之间的间距为d，d>0,天线距离地面的高度为H米，H>100；(2)通过中间的天线发射信号，三个天线同时接收回波信号；(3)对回波信号中的噪声功率

【技术特征摘要】
1.一种三天线干涉延迟多普勒高度表地形特显点定位方法，包括：(1)建立三天线干涉延迟多普勒雷达高度表的信号模型，即将三个垂直于航迹方向的天线等间距排列，天线之间的间距为d，d>0,天线距离地面的高度为H米，H>100；(2)通过中间的天线发射信号，三个天线同时接收回波信号；(3)对回波信号中的噪声功率进行估计,并根据噪声功率和检测概率Pfa计算检测门限UT；(4)在回波信号中搜索高于检测门限UT的峰值点，从峰值点位置的距离单元开始，向回波前沿和后沿搜索，当出现信号幅度小于检测门限UT的距离单元时停止搜索，接着划定干涉窗，该干涉窗包括所有信号幅度值高于检测门限UT的距离单元；(5)在干涉窗内进行特显点的选取，即选择没有混叠的地面单元；(6)通过干涉处理计算第m号多普勒通道的中心多普勒频率对应的第n个距离单元对应的地面单元相对于天线阵列法线的夹角θ(m,n)；(7)根据干涉窗内的地形特显点与中间天线间的距离R及其相对于天线阵列法线的夹角θ(m,n)，估计该地形特显点的三维坐标参数Hm,n，Xm,n，Ym,n：其中，Hm,n为第m号多普勒通道的中心多普勒频率对应的第n个距离单元对应的地面单元相对于载机平台的高度差，Xm,n为第m号多普勒通道的中心多普勒频率对应的第n个距离单元对应的地面单元在垂直航向方向上偏离载机地面航线的垂直航向坐标，Ym,n为在载机匀速直线平飞的条件下，第m号多普勒通道的中心多普勒频率对应的第n个距离单元对应的地面单元在沿航向方向上偏离雷达高度表下特显点的沿航向坐标，θ(m,n)是第m号多普勒通道的中心多普勒频率对应的第n个距离单元对应的地面单元相对于天线阵列法线的夹角，B为信号带宽，λ为发射信号波长，N为用于延迟多普勒处理的脉冲数，v为载机速度，为第m号多普勒通道的中心多普勒频率对应的特显点与载机速度矢量的夹角：Fr为脉冲重复频率。2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中三天线干涉延迟多普勒雷达高度表的信号模型，表示如下：其中，s1(t)为第一个天线的输出信号，λ为波长，LP为传播衰减，H为载机高度，h为地面单元的高度，x,y分别为坐标为(x,y)的地面单元的横纵坐标，TP为回波信号脉宽，G(x,y)为坐标(x,y)对应的地面单元的天线增益，σ(x,y)为坐标x,y对应的地面单元单位面积散射系数，s2(t)为第二个天线的输出信号，d为基线长度，θ(x,y)为坐标(x,y)对应的地面单元相对于天线阵列法线的夹角，s3(t)为第三个天线的输出信号。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(3)中噪声功率的估计和检测门限UT的计算，按如下公式进行：其中，N1是干涉窗窗口起始距离单元序号，M...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘楠，王璟琛，刘战，张林让，郭凯斯，葛改，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61