本发明专利技术公开了一种基于地形匹配的数字阵列米波雷达超分辨测高方法，主要解决现有技术针对起伏阵地测高误差较大的问题。其实现步骤：对雷达接收的目标信号进行杂波对消和干扰对消处理，得到对消后目标信号；使用波束形成法对粗测目标仰角；根据粗测仰角确定最大似然的搜索范围，并在搜索范围内搜索；根据搜索仰角，计算各阵元对应的地面反射点坐标和目标相对各阵元的直达波波程和反射波波程；利用直达波波程和反射波波程，计算相应的直达导向矢量和多径导向矢量；构造合成导向矢量并计算其投影矩阵；最后进行最大似然估计得到目标精确仰角。本发明专利技术将雷达阵地海拔参数和合成导向矢量引入超分辨测高中，提高了测高精度，可用于目标跟踪。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于雷达信号处理
，涉及米波雷达测高，具体地说是针对数字阵列米波雷达，提出一种基于地形匹配的超分辨测高方法，可用于目标跟踪。
技术介绍
按照仰角波束的形成方式和扫描方式，三坐标3D雷达可分为堆积波束雷达、频扫雷达、相扫雷达和数字波束形成雷达。堆积波束雷达把同时形成的接收波束在仰角上垂直堆积起来，并在方位上机械扫描，以实现搜索目标和目标三坐标的测量。例如，美国的陆基S波段三坐标AN/TPS-43雷达， 以6个仰角波束覆盖20°的仰角范围。L波段三坐标S713Martell0雷达用8个堆积波束覆盖20°的仰角范围。频率扫描雷达通过控制频率的变化在口径面上产生不同的相位变化梯度，从而通过电控的方法使波束指向所需的仰角，例如，S波段舰载三坐标AN/SPS-39、AN/SPS-48雷达。相控阵三坐标雷达采用移相器在仰角上扫描或控制笔形窄波束扫描。例如L波段远程三坐标AN/TPS-59战术机动雷达。可见，目前三坐标雷达主要是工作在S波段和L波段等微波波段。而在米波波段， 波束较宽，波束因地、海面反射而导致波瓣分裂。因此，过去的米波雷达均为两坐标雷达，而两坐标雷达又不能满足现代战争的要求。国内外雷达界普遍认为，米波雷达具有反隐身能力。但是米波雷达因受波长长、天线尺寸和架高有限等因素的限制，天线波束宽度宽、角分辨力低，更重要的是因地、海面反射即所谓“多径”问题使其难以探测低空目标，且在多径环境下难以测高，故米波雷达的测高问题一直是雷达界尚未很好解决的难题。为较好地解决米波测高难题，最主要的技术途径是增大天线在高度维的孔径，以减小天线垂直面的波束宽度。而对于低空目标，即使增大天线在高度维的孔径，因无法避开 “多径”问题，其解决测高问题主要有三类技术(1)穿越波束法，也就是单频波瓣分裂法，利用目标穿越波束时回波幅度的变化进行估高。这种方法要求较长的时间，只能估高而不能测高。(2)多频波瓣分裂测高法。利用多个工作频率时分工作，但要求多个频率的工作带宽较宽。这种方法在理论可行，但实际系统较复杂，目前还没有这种实用系统。C3)基于波瓣分裂的米波雷达测高方法。利用不同天线分裂波瓣的相位关系，确定目标所在仰角区间，对接收信号进行比幅处理提取归一化误差信号，最后根据归一化误差信号和仰角区间查表得到目标的高度。陈伯孝等在2006年在《电子学报》和雷达年会上介绍了“基于波瓣分裂的米波雷达测高方法”。这是一种在垂直维只需3根天线的米波雷达的低仰角测高方法。该方法只适合于平坦阵地，对阵地的平坦性要求较高，且测高精度只能达到距离的1%，难以满足一些精度较高的实际使用要求。(4)阵列超分辨处理测高。把阵列信号处理中的超分辨技术应用于分辨直达波信号和多径信号。因为直达波信号和多径信号是相干的，所以这类算法主要是估计相干源波达方向DOA的超分辨算法，先使用空间平滑和Topelitz变换等方法解相干，然后利用信号子空间、噪声子空间和子阵旋转不变性等来测角。例如，赵光辉等人于2009年2月在《电子与信息学报》发表的论文“基于差分预处理的米波雷达低仰角处理算法”和胡铁军等人于 2009年8月在《电波科学学报》发表的论文“阵列内插的波束域ML米波雷达测高方法”，以及胡晓琴等于2008年8月在《电波科学学报》发表的论文“米波雷达测高多径模型研究”， 提出了考虑多径延时差的米波雷达阵列信号综合模型。该方法是基于平坦阵地模型，同时存在瓶颈，那就是分辨既相干，空间位置又近的目标。上述几种测高方法均只适用于平坦阵地模型，即各天线接收的直达波与地面反射波的波程差满足近似线性关系。但是对于复杂雷达阵地，大型阵列各天线的地面发射点的起伏较大，各天线直达多径波程差不满足近似线性关系，因此在复杂阵地模型下，现有的各种测高方法测角误差较大，不再适用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于地形匹配的超分辨测高方法，消除非线性的直达多径波程差对测角的影响，提高复杂阵地模型下的测角精度和雷达的阵地适应能力。为实现上述目的，本专利技术通过各阵元地面反射点的两维坐标，来计算不同阵元的直达波波程与地面反射波波程，再利用直达波波程和反射波波程构造合成导向矢量进行超分辨处理，具体步骤包括如下(1)从雷达回波中提取目标信号，并对该目标信号进行杂波对消和干扰对消处理， 得到对消后目标信号；(2)使用波束形成法对对消后目标信号进行仰角粗测，得到目标信号的粗测仰角 φ ；(3)根据目标信号的粗测仰角^确定最大似然的搜索范围，当<j、于Ψ/2时，搜索范围为0 Ψ，否则搜索范围为^-^//2-^ + ^///2,其中Ψ表示半功率波束宽度；(4)在步骤C3)确定的搜索范围内搜索，根据搜索仰角，确定各阵元对应的地面反射点坐标(4a)将反射区地面海拔按照1米间隔分层，根据搜索仰角，计算阵元在各层上的反射点；(4b)查找雷达阵地海拔图上下两侧最近的反射点，记为a和b ；(4c)将a点和b点垂直投影到雷达阵地海拔图，得到投影点c和d，利用c点和d 点之间的阵地海拔数据做曲线拟合，得到曲线cd ；(4d)将直线ab和曲线Cd的交点作为阵元在起伏地面上的反射点；(5)根据地面反射点，计算目标相对各阵元的直达波波程和反射波波程；(6)利用直达波波程和反射波波程，计算相应的直达导向矢量和多径导向矢量；(7)使用直达导向矢量和多径导向矢量计算合成导向矢量As As = Ad+Ai;其中Ad为直达导向矢量，Ai为多径导向矢量；(8)计算合成导向矢量As的投影矩阵；(9)根据投影矩阵和对消后目标信号的协方差矩阵进行最大似然估计，得到目标精确仰角。本专利技术与现有技术相比具有如下优点(1)本专利技术由于使用直达波波程和反射波波程构造合成导向矢量，通过合成导向矢量进行测角处理，从而消除了非线性的直达多径波程差对测角的影响，提高了测角精度；(2)本专利技术由于使用了雷达阵地海拔图，将雷达阵地海拔参数引入测角算法中，从而提高了雷达的阵地适应能力；(3)本专利技术由于采用反射区海拔分层和曲线拟合的方法来计算反射点，因此简化了起伏地面上各阵元发射点的计算过程，减少了算法运算量。附图说明图1是本专利技术的流程图；图2是本专利技术中雷达接收信号模型图；图3是本专利技术中地面反射点计算示意图；图4是本专利技术仿真使用的雷达阵地海拔图；图5是用本专利技术在理想阵地模型下仿真的各阵元直达波和地面反射波的波程差图；图6是用本专利技术在图4模型下仿真的各阵元直达波和地面反射波的波程差图；图7是用不同方法在图4模型下对高仰角目标随信噪比变化的测角精度仿真图；图8是用不同方法在图4模型下对低仰角目标随信噪比变化的测角精度仿真图；图9是针对实测数据的处理结果图。具体实施例方式下面结合附图详细说明本专利技术的内容和效果。参照图1，本专利技术包括如下步骤步骤1 对雷达接收的目标信号进行杂波对消和干扰对消处理，得到对消后目标信号。本专利技术中雷达接收目标信号的模型如图2所示。图2中一个远场的窄带信号入射到M个阵元组成的均勻线阵，天线的倾斜角为θ a，架高为ha(l，阵元间隔为d，以第一根天线在海平面的投影点为坐标原点，D点为第m个阵元的地面投影点，E点为目标的地面投影点， 为等效地球半径，Rt为目标距离，θ为搜索仰角，C点为地心，A点为第m个阵元，A点水平坐标本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于地形匹配的数字阵列米波雷达超分辨测高方法，包括以下步骤：（１）从雷达回波中提取目标信号，并对该目标信号进行杂波对消和干扰对消处理，得到对消后目标信号；（２）使用波束形成法对对消后目标信号进行仰角粗测，得到目标信号的粗测仰角（３）根据目标信号的粗测仰角确定最大似然的搜索范围，当小于ψ／２时，搜索范围为０～ψ，否则搜索范围为其中ψ表示半功率波束宽度；（４）在步骤（３）确定的搜索范围内搜索，根据搜索仰角，确定各阵元对应的地面反射点坐标：（４ａ）将反射区地面海拔按照１米间隔分层，根据搜索仰角，计算阵元在各层上的反射点；（４ｂ）查找雷达阵地海拔图上下两侧最近的反射点，记为ａ和ｂ；（４ｃ）将ａ点和ｂ点垂直投影到雷达阵地海拔图，得到投影点ｃ和ｄ，利用ｃ点和ｄ点之间的阵地海拔数据做曲线拟合，得到曲线ｃｄ；（４ｄ）将矢量Ａｓ：Ａｓ＝Ａｄ＋Ａｉ，其中：Ａｄ为直达导向矢量，Ａｉ为多径导向矢量；（８）计算合成导向矢量Ａｓ的投影矩阵；（９）根据投影矩阵和对消后目标信号的协方差矩阵进行最大似然估计，得到目标精确仰角。直线ａｂ和曲线ｃｄ的交点作为阵元在起伏地面上的反射点；（５）根据地面反射点，计算目标相对各阵元的直达波波程和反射波波程；（６）利用直达波波程和反射波波程，计算相应的直达导向矢量和多径导向矢量；（７）使用直达导向矢量和多径导向矢量计算合成导向...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：朱伟，陈伯孝，杨明磊，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：87
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