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    重庆时时彩分体软件: 一种基于目标回波信号的雷达架高标定方法.pdf

    关 键 词:
    一种 基于 目标 回波 信号 雷达 标定 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201410064390.9

    申请日:

    2014.02.25

    公开号:

    CN103913726A

    公开日:

    2014.07.09

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01S 7/40申请日:20140225|||公开
    IPC分类号: G01S7/40 主分类号: G01S7/40
    申请人: 西安电子科技大学
    发明人: 赵永波; 朱玉堂; 刘宏伟; 水鹏朗; 程增飞; 何学辉
    地址: 710071 陕西省西安市太白南路2号
    优先权:
    专利代理机构: 西安睿通知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 61218 代理人: 惠文轩
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201410064390.9

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2016.01.06|||2014.08.06|||2014.07.09

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明属于雷达架高标定技术领域,公开了一种基于目标回波信号的雷达架高标定方法。S1:雷达接收初始时刻的目标回波信号;S2:设置参数k,令k=1;得到雷达架高的第1次估计值S3:根据雷达架高估计的均方误差MSEk与频率变量f的函数关系式,得出雷达下一时刻的工作频率S4:雷达按照所述下一时刻的工作频率向目标发射信号,接收对应的目标回波信号;令k=k+1;然后根据对应的目标回波信号,采用RML算法对雷达架高进行第k次估计,得到雷达架高的第k次估计值S5:循环执行步骤S3至步骤S4,直到目标跟踪结束。本发明与同类方法相比,提高了雷达架高的标定精度。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种基于目标回波信号的雷达架高标定方法,其特征在于,包括以下步骤:
    S1:雷达在初始时刻向目标发射信号,接收初始时刻的目标回波信号;
    S2:设置参数k,令k=1;根据所述初始时刻的目标回波信号,采用RML算法对雷达架高进行第1次估计,得到雷达架高的第1次估计值
    S3:采用RML算法得出:雷达架高估计的均方误差MSEk与频率变量f的函数关系式;根据雷达架高估计的均方误差MSEk与频率变量f的函数关系式,得出雷达下一时刻的工作频率

    S4:雷达按照所述下一时刻的工作频率向目标发射信号,接收对应的目标回波信号;令k=k+1;然后根据对应的目标回波信号,采用RML算法对雷达架高进行第k次估计,得到雷达架高的第k次估计值
    S5:循环执行步骤S3至步骤S4,直到目标跟踪结束。

    2.  如权利要求1所述的一种基于目标回波信号的雷达架高标定方法,其特征在于,在步骤S2中,所述初始时刻的目标回波信号包括初始时刻的多径反射信号以及初始时刻来自目标的直达波信号;在步骤S4中,雷达接收的对应的目标回波信号包括对应时刻的多径反射信号以及对应时刻来自目标的直达波信号;
    在步骤S2和步骤S4中,雷达架高的第k次估计值为:

    其中,xk为第k个目标回波信号,H为矩阵的共轭转置,
    Pz(k)=zk(zkHzk)-1zkH]]>
    zk=a(θ1(k))+ϵ(k)a(θ2(k))]]>
    θ2(k)=g(θ1(k),h,Rd(k))=-arcsin[sin(θ1(k))+2h/Rd(k)]]]>
    ϵ(k)=ρexp[-j4πhλ(k)(sinθ1(k)+hRd(k))]]]>
    λ(k)=c/f(k)
    其中,为目标回波信号中直达波信号的方向,为雷达的天线阵列在方向的导向矢量;ρ为设定的反射系数;h为雷达架高扫描变量;为对应时刻目标与雷达的直线距离,c为电磁波在大气中的传播速度,f(k)为第k个目标回波信号的载频。

    3.  如权利要求1所述的一种基于目标回波信号的雷达架高标定方法,其特征在于,在步骤S2中,所述初始时刻的目标回波信号包括初始时刻的多径反射信号以及初始时刻来自目标的直达波信号;在步骤S4中,雷达接收的对应的目标回波信号包括对应时刻的多径反射信号以及对应时刻来自目标的直达波信号;
    在步骤S3中,雷达架高的估计的均方误差MSEk为:
    MSEk=σ2(|sk|2DkHPw(k)DkH)-1/2]]>
    其中,σ2为设定的阵元噪声功率,sk为对应时刻直达波信号的复包络;

    zk=a(θ1(k))+ϵ(k)a(g(θ1(k),h,Rd(k)))]]>
    g(θ1(k),h,Rd(k))=-arcsin[sinθ1(k)+2h/Rd(k)]]]>
    ϵ(k)=ρexp[-j4πhλ(sinθ1(k)+hRd(k))]]]>
    Pw(k)=Iw(k)-Pw(k)]]>
    Pw(k)=wk(wkHwk)-1wkH]]>
    wk=a(θ1(k))+ϵ0(k)a(θ2(k))]]>

    其中,为目标回波信号中直达波信号的方向,为雷达的天线阵列在方向的导向矢量;ρ为设定的反射系数,λ=c/f,c为电磁波在大气中的传播速度;h为中间变量,为对应时刻目标与雷达的直线距离,为与具有相同维数的单位矩阵。

    说明书

    说明书一种基于目标回波信号的雷达架高标定方法
    技术领域
    本发明属于雷达架高标定技术领域,涉及一种基于目标回波信号的雷达架高标定方法,特别涉及一种用于低角跟踪时雷达架高的标定方法。
    背景技术
    随着现代武器战术性能的日益提高,对雷达低角跟踪测量精度的要求也越来越高。在低仰角跟踪时,目标仰角的测量精度除受大气不均匀引起的折射效应,以及地面或海面产生的镜面反射和漫反射引起的多径效应影响外,还受雷达架高误差影响。因此,雷达架高的标定很有必要。最直接的雷达架高标定方法是实地测量,但是面对复杂时变的阵地环境和频繁的阵地转移,实地测量方法既费时又费力,且很难满足快速时变环境的要求。例如,在海面涨潮和落潮时,实地测量方法就很难满足快速时变环境的要求。为了解决这个问题,需要利用雷达接收到的目标数据,借助低角跟踪问题中参数估计方法对雷达天线架高进行实时标定。现有的可用于雷达天线架高实时标定的参数估计方法主要有以下两种,参见以下两份文献:1)E.Bosse,R.M.Turner,M.Lecours,“Tracking swerling fluctuating targets at low altitude over the sea,”IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1991,27(5):806-822;2)Jingmin Xin,A.Sano,"Linear prediction approach to direction estimation of cyclostationary signals in multipath environment",IEEE Transactions on Signal Processing,2001,49(4):710-720。
    但是在以上两种方法中,都假定雷达架高准确已知,然后利用接收数据估计出目标仰角。事实上,它们同样可以在目标仰角已知的情况下利用接收的目标数据估计出雷达架高。然而这些方法都存在一个不足,忽略了参数估 计精度与雷达工作频率之间的关系。由于低角跟踪中雷达架高估计的均方误差往往会随工作频率的增大而波动变化,这就对雷达架高的标定精度造成了影响。
    发明内容
    本发明的目的在于提出一种基于目标回波信号的雷达架高标定方法。该基于目标回波信号的雷达架高标定方法根据低仰角跟踪环境下相邻两帧接收数据内雷达架高保持不变的特点,利用雷达架高估计的理论均方误差公式,计算出雷达架高的最小均方误差估计对应的工作频率,进而在该工作频率的条件下完成雷达架高的标定。
    为实现上述技术目的,本发明采用如下技术方案予以实现。
    一种基于目标回波信号的雷达架高标定方法,包括以下步骤:
    S1:雷达在初始时刻向目标发射信号,接收初始时刻的目标回波信号;
    S2:设置参数k,令k=1;根据所述初始时刻的目标回波信号,采用RML算法(精确最大似然算法,Refined maximum likelihood algorithm)对雷达架高进行第1次估计,得到雷达架高的第1次估计值
    RML算法即递归最大似然算法,
    S3:采用RML算法得出:雷达架高估计的均方误差MSEk与频率变量f的函数关系式;根据雷达架高估计的均方误差MSEk与频率变量f的函数关系式,得出雷达下一时刻的工作频率

    S4:雷达按照所述下一时刻的工作频率向目标发射信号,接收对应的目标回波信号;令k=k+1;然后根据对应的目标回波信号,并采用RML算法对雷达架高进行第k次估计,得到雷达架高的第k次估计值
    S5:循环执行步骤S3至步骤S4,直到目标跟踪结束。
    本发明的有益效果为:与传统的RML算法相比,本发明由于充分考虑了参数估计精度和工作频率之间的关系,通过均方误差公式计算出雷达架高的最小均方误差估计对应的工作频率,然后在该工作频率的条件下获得雷达架高的估计值,使雷达架高的标定性能理论上接近最优。
    附图说明
    图1为本发明的一种基于目标回波信号的雷达架高标定方法的流程示意图;
    图2为雷达在低角跟踪环境下的多径几何模型示意图;
    图3为本发明的基于目标回波信号的雷达架高标定方法和现有RML算法的雷达架高标定精度的对比示意图。
    具体实施方式
    下面结合附图对本发明作进一步说明:
    参照图1,为本发明的一种基于目标回波信号的雷达架高标定方法的流程示意图。该基于目标回波信号的雷达架高标定方法具体包括以下步骤:
    S1:雷达在初始时刻向目标发射信号,接收初始时刻的目标回波信号;具体说明如下:
    雷达上设置有垂直放置的均匀线阵天线,该均匀线阵天线的阵元数为N,相邻阵元的间距为d;雷达在初始时刻按照设定的初始工作频率向目标发射信号,并接收初始时刻的目标回波信号。参照图2,为雷达在低角跟踪环境下的多径几何模型示意图。初始时刻的目标回波信号包括初始时刻的多径反射信号以及初始时刻来自目标的直达波信号。
    S2:设定参数k,k取1,2,3…;令k=1,根据上述初始时刻的目标回波信号,采用RML算法对雷达架高进行第1次估计,得到雷达架高的第1次估计值具体说明如下:
    结合图2,将水平方向方向以上的角度作为θ1和θ2的正方向,雷达架高的第1次估计值为:

    其中,xk为第k个目标回波信号,即雷达天线阵列第k次快拍得到的目标回波信号,H为矩阵的共轭转置,
    Pz(k)=zk(zkHzk)-1zkH]]>
    zk=a(θ1(k))+ϵ(k)a(θ2(k))]]>
    θ2(k)=g(θ1(k),h,Rd(k))=-arcsin[sin(θ1(k))+2h/Rd(k)]]]>
    ϵ(k)=ρexp[-j4πhλ(k)(sinθ1(k)+hRd(k))]]]>
    λ(k)=c/f(k)
    其中,为目标回波信号中直达波信号的方向,为雷达的天线阵列在方向的导向矢量;ρ为设定的反射系数;h为雷达架高扫描变量;为对应时刻目标与雷达的直线距离,c为电磁波在大气中的传播速度,f(k)为第k个目标回波信号的载频。
    下面对第k个目标回波信号xk进行说明:
    xk=wksk+n,
    wk=a(θ1(k))+ϵ0(k)a(θ2(k))]]>
    ϵ0(k)=ρexp[-j4πhr(k)λ(k)(sinθ1(k)+hr(k)Rd(k))]]]>
    其中,sk为对应时刻直达波信号的复包络,n表示零均值的高斯白噪声,n与回波信号不相关;且E[nHn]=σ2I,E{·}为求数学期望,σ2为设定的阵元噪声功率,σ2表示雷达单阵元接收数据中噪声的功率,I为单位矩阵;另外,结合雷达低角跟踪的特点可以得到:
    θ2(k)=g(θ1(k),θhr(k),Rd(k))=-arcsin[sin(θ1(k))+2hr(k)/Rd(k)].]]>
    S3:采用RML算法得出:雷达架高估计的均方误差MSEk与频率变量f的函数关系式;根据雷达架高估计的均方误差MSEk与频率变量f的函数关系式,得出雷达下一时刻的工作频率具体说明如下:
    雷达架高的估计的均方误差MSEk为:
    MSEk=σ2(|sk|2DkHPw(k)DkH)-1/2]]>
    其中,

    zk=a(θ1(k))+ϵ(k)a(g(θ1(k),h,Rd(k)))]]>
    g(θ1(k),h,Rd(k))=-arcsin[sinθ1(k)+2h/Rd(k)]]]>
    ϵ(k)=ρexp[-j4πhλ(sinθ1(k)+hRd(k))]]]>
    Pw(k)=Iw(k)-Pw(k)]]>
    Pw(k)=wk(wkHwk)-1wkH]]>
    wk=a(θ1(k))+ϵ0(k)a(θ2(k))]]>

    其中,λ=c/f;为与具有相同维数的单位矩阵。
    此时,就得出了雷达架高估计的均方误差MSEk与频率变量f的函数关系式;则雷达下一时刻的工作频率

    S4:雷达按照所述下一时刻的工作频率向目标发射信号,接收对应的目标回波信号;雷达接收的对应的目标回波信号包括对应时刻的多径反射 信号以及对应时刻来自目标的直达波信号。
    令k=k+1(k=k+1的含义为:利用k+1对k进行赋值,即k值增1);然后根据对应的目标回波信号,并采用RML算法对雷达架高进行第k次估计,得到雷达架高的第k次估计值采用RML算法对雷达架高进行第k次估计的过程与步骤S2中得到雷达架高的第1次估计值的过程类似,在此不再重复。
    S5:循环执行步骤S3至步骤S4,直到目标跟踪结束。
    下面通过一个仿真实验对本发明作进一步说明:
    在该仿真实验中,雷达的接收天线采用8个阵元的均匀线性阵列,阵元间距1m,雷达天线中心的实际高度为20m,目标距天线阵中心的距离为100km,反射系数ρ=0.9exp(jπ),工作频率的选择范围为[80MHz,150MHz]。然后分别通过RML算法和本发明的基于目标回波信号的雷达架高标定方法对雷达架高进行标定,在RML算法和本发明中,均设置以下参数:信噪比为10dB,雷达架高搜索步长为0.01m,Monte-Carlo实验的总次数MC为1000。另外,在RML算法中,将固定工作频率设定为150MHz,在本发明中,将初始工作频率均设定为150MHz。在RML算法和本发明中,雷达架高的标定精度定义为为第n次实验得到的估计值,此处,hr为雷达架高的实际高度(20m)。
    在该仿真实验中,将本发明的基于目标回波信号的雷达架高标定方法和现有RML算法得到的雷达架高标定精度进行比较,以说明本发明提高了雷达架高的标定精度。参照图3,为本发明的基于目标回波信号的雷达架高标定方法和现有RML算法的雷达架高标定精度的对比示意图。从图3中看出,两种算法利用同一组数据标定雷达架高,除初始点外本发明的基于目标回波信号的雷达架高标定方法的雷达架高标定精度均高于RML算法。产生这种结果的原因是在雷达低角跟踪的过程中最优估计频率不断变化,最优估计频率指用 于估计雷达架高的最优频率。本发明能够持续地调整工作频率,并与最优估计频率保持一致,而RML算法对工作频率始终不作任何调整。
    综上所述,在本发明实施例中,雷达架高估计的均方误差公式能够有效地对雷达架高标定精度进行预测。假定雷达的工作频率在某一范围内自由选择,我们可以通过理论公式计算出雷达架高的最小均方误差估计对应的工作频率,该对应的工作频率也就是最优估计频率。如果雷达工作在最优估计频率下,那么雷达架高的标定精度将最高。通常情况下,雷达架高的标定精度会随工作频率的增大呈现波动变化。另外,雷达在相邻两数据接收时刻内雷达架高标定精度变化不大,最优估计频率可以近似地认为不变。我们如果能够利用这些特点,把雷达的工作频率设定为上一时刻雷达架高的最优估计频率,那么就可以近似地认为由下一时刻获得的雷达架高估计值精度最高。
    显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

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