CN105842688A - 单脉冲雷达对空目标快速捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种单脉冲雷达对空高速运动目标快速捕获方法。利用本发明可显著提高在低信噪比和目标高速运动下雷达搜索捕获目标能力，实现对目标快速捕获。本发明通过下述技术方案予以实现：DSP嵌入式软件以三通道恒虚警检测模块、波束指向调整模块、目标参数估计模块、序列位置关联模块和滑窗累积确认模块为单元构成，其中，输入和差三通道距离像，对三通道距离像进行恒虚警检测判决，获取最大幅度的目标信号；然后改变推移主触发时间，按设计策略调整波束；利用相位和差式单脉冲测角进行目标参数估计；采用序列位置关联判断目标关联成功或失败；再将关联结果作滑窗式累积，把累积结果进行判决，通过单脉冲雷达输出搜索捕获成功的目标信息。

Description

单脉冲雷达对空目标快速捕获方法

技术领域

本发明涉及雷达目标搜索捕获领域，特别是涉及单脉冲雷达在低信噪比下对空高速运动目标的快速、准确捕获方法。

背景技术

在对空搜索跟踪雷达中，实施跟踪制导之前需要对指定空域目标进行搜索，快速可靠捕获目标是实现目标精确打击的首要前提。搜索跟踪雷达大多采用单脉冲技术，实现对目标的精密测量和跟踪。单脉冲是一种雷达测角技术，通过比较和差通道信号来获得精确的目标角度信息，理论上讲接收一个回波脉冲形成目标相对雷达的角度估计值，使用这种技术的雷达称为单脉冲雷达。

单脉冲雷达为了得到高测角精度，会减小接收波束宽度，导致和通道的瞬时覆盖区域减少，如果只在和通道检测，而不考虑两个差通道信息，可能会丢失目标有用信息，极易降低对目标捕获概率。随着现代国内外隐身技术日益成熟，有效减小了目标的雷达散射截面积，使其回波信号能量比传统飞行器能量减弱，信噪比降低，在高强度地杂波里检测出弱小运动目标信号的难度增大，传统方法难以达到满意的检测效果。目前，新一代超声速飞行器的速度约2马赫，无人机飞行速度达到10多个马赫数，面对目标超高速、高机动飞行，传统搜索跟踪雷达在短时间内难以对这种目标进行有效地捕获，对现有雷达防御体系造成了极大的威胁，对目标搜索跟踪提出了严峻挑战。这些因素都给搜索跟踪雷达快速、正确地捕获目标带来了极大的困难，如何提高雷达对空中高速运动弱小目标快速捕获能力，成为搜索跟踪雷达研制过程中急需解决的问题。

现有目标搜索捕获方法主要研究在：(1)改进雷达收发前端，提高目标回波信噪比；(2)通过对目标信号积累，提高检测概率。方法(1)常采用增大发射功率，提高天线和信道增益，降低接收机噪声等，此类方法对雷达功率、尺寸和基础硬件要求严格，且容易暴露雷达，被反辐射武器攻击，在实现中会受到诸多现实条件限制，工程使用难度大；方法(2)在信号处理中通过对多个时间序列脉冲进行相参和非相参积累改善输出信噪比，但要求在积累的时间内目标不能跨距离单元走动，这样对空中高速运动目标的积累时间有限制，不宜长时间积累；另外，上述方法大都只考虑在和通道检测，忽略了差通道信息，可能会丢掉差通道出现的目标，失去对其捕获。

发明内容

为解决搜索跟踪雷达对空中高速运动弱小目标的搜索捕获问题，本发明的目的是提供一种能缩短雷达搜索时间、提高目标捕获概率的单脉冲雷达快速捕获方法，以此提高在低信噪比和目标高速运动情况下雷达搜索捕获目标能力，实现对空目标的快速捕获。

为了达到上述目的，本发明提出一种单脉冲雷达对空目标快速捕获方法，其特征在于包括如下步骤：在终端处理分机DSP嵌入式软件中，DSP嵌入式软件以三通道恒虚警检测模块、波束指向调整模块、目标参数估计模块、序列位置关联模块、滑窗累积确认模块为单元构建单脉冲雷达对空目标快速捕获处理架构，其中，三通道恒虚警检测模块根据信号处理分机输出的和、方位差、俯仰差三通道距离像信号，统计背景噪声均值和标准差，按虚警概率确定门限乘子，计算恒虚警自适应检测门限，同时对三通道距离像进行检测判决，获取最大幅度的目标信号；波束指向调整模块利用目标距离计算信号采集的推移主触发时间，在最大调整次数内，按设计策略进行波束指向调整，当满足和通道检测到目标，同时和通道信号大于方位差、俯仰差通道信号，则波束调整完成；目标参数估计模块利用和通道检测的目标信号选通对应差通道信号，作相位和差式单脉冲测角，估计目标方位角偏差和俯仰角偏差，再利用波束指向计算方位角和俯仰角，估计目标方位角偏差和俯仰角偏差，然后利用波束指向计算方位角和俯仰角；序列位置关联模块把目标距离、方位角和俯仰角，转换成直角坐标系下观测值，计算前后两个时刻目标观测值的欧式距离，以最大运动速度为准则判断目标关联成功或失败；滑窗累积确认模块把目标序列位置关联成功或失败的结果用“0”或“1”表示，然后将关联结果作滑窗式累积，再把累积结果进行判决，通过单脉冲雷达输出搜索捕获成功的目标信息，从而实现对空高速运动弱小目标的快速捕获。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明针对低信噪比和目标高速运动，提出了单脉冲雷达对空高速运动目标快速捕获方法：输入和差三通道距离像，三通道恒虚警检测模块利用三通道距离像计算恒虚警自适应检测门限，同时对三通道距离像进行检测判决，获取最大幅度的目标信号；改变信号采集的推移主触发时间，并按设计策略进行波束指向调整，使和通道能检测到目标，同时要满足和通道信号大于方位差、俯仰差通道信号；和通道检测的目标信号联合对应的差通道信号采用相位和差式单脉冲测角进行目标参数估计；转换目标实测值，计算前后两个时刻目标观测值的欧式距离，以最大运动速度为准则判断目标关联成功或失败；将关联结果作滑窗式累积，再把累积结果进行判决，通过单脉冲雷达输出搜索捕获成功的目标信息，从而实现对空高速运动弱小目标的快速捕获。与现有方法相比，不需要改变雷达现有体制，只在终端处理流程和方法上进行优化设计，最终采用DSP软件实现，便于移植和升级，工程应用上易操作实现。

本发明充分利用和、方位差、俯仰差三通道距离像回波信号，采用和差通道联合检测方法，等效于增加了扫描搜索的波束宽度，挖掘目标有用信息，提高了对目标的发现概率，缩短目标捕获时间；为防止高速运动目标丢失，采用马上锁定目标方式，同时考虑目标不一定能满足单脉冲测角的条件，设计波束调整策略以便在不同情况下能调整波束对准目标；通过对目标序列位置关联的结果作滑窗式累积确认，可以达到在低信噪比下对目标的确认，进一步提高对目标搜索捕获正确率。

本发明为实现单脉冲雷达在低信噪比下对空高速目标搜索捕获提供了解决的方法和坚实的基础。

附图说明

为了更清楚地理解本发明，现通过附图和实施例，对本发明作进一步阐述，其中：

图1是本发明单脉冲雷达对空目标快速捕获方法流程图。

图2是本发明波束指向调整模块的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参阅图1。在以下描述的实施例中，单脉冲雷达对空目标快速捕获方法的整个流程采用DSP嵌入式软件方式在终端处理分机中自动实现。DSP嵌入式软件以三通道恒虚警检测模块、波束指向调整模块、目标参数估计模块、序列位置关联模块、滑窗累积确认模块为单元构建单脉冲雷达对空目标快速捕获软件架构，其中，(S1)三通道恒虚警检测模块根据信号处理分机输出的和、方位差、俯仰差三通道距离像信号，统计背景噪声均值和标准差，按虚警概率确定门限乘子，计算恒虚警自适应检测门限，同时对三通道距离像进行检测判决，获取最大幅度的目标信号；(S2)波束指向调整模块利用目标距离计算信号采集的推移主触发时间，在最大调整次数内，按设计策略进行波束指向调整，当满足和通道检测到目标，同时和通道信号大于方位差、俯仰差通道信号，则波束调整完成；(S3)目标参数估计模块利用和通道检测的目标信号选通对应的差通道信号，作相位和差式单脉冲测角，估计目标方位角偏差和俯仰角偏差，再利用波束指向计算方位角和俯仰角；(S4)序列位置关联模块把目标距离、方位角和俯仰角，转换成直角坐标系下观测值，计算前后两个时刻目标观测值的欧式距离，以最大运动速度为准则判断目标关联成功或失败；(S5)滑窗累积确认模块把目标序列位置关联成功或失败的结果用“0”或“1”表示，然后将关联结果作滑窗式累积，再将累积结果进行判决，通过单脉冲雷达输出搜索捕获成功的目标信息。

每个模块具体步骤是：

在三通道恒虚警检测中，三通道恒虚警检测模块利用和、方位差、俯仰差三通道距离像计算背景噪声均值μ和标准差σ

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{A}_i---\left(1\right)$

$\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(A_i-\mathrm{\μ})}^2}---\left(2\right)$

其中，A_i为三通道距离像幅度值，I_i和Q_i为距离像回波信号的IQ两路正交信号，n为参与统计样本总数。

三通道恒虚警检测模块假定背景噪声服从高斯分布，根据恒虚警概率的大小确定门限乘子K；三通道恒虚警检测模块利用上述计算的背景均值μ和门限乘子K，计算三通道距离像恒虚警自适应检测门限U₁

三通道恒虚警检测模块利用上述计算的恒虚警自适应检测门限U₁，对和、方位差、俯仰差三通道的距离像幅度A_i∈{A_∑,A_Δ1,A_Δ2}(其中，A_∑为和通道幅度，A_Δ1为方位差通道幅度，A_Δ2为俯仰差通道幅度)，同时进行检测判决，将

若A_i≥U₁，判决为目标信号

若A_i＜U₁，判决为噪声信号

如果存在多个信号通过检测门限判决，三通道恒虚警检测模块只取最大信号幅度的距离单元作为后续处理的目标信号，并记录其所在和差通道号，距离像单元序号及回波信号幅度。

参阅图2。在波束指向调整中，波束指向调整模块针对三通道恒虚警检测模块获取的最大幅度目标信号，利用三通道距离像起始距离R_start，距离单元长度r_unit，以及目标信号所在的距离单元序号k，计算目标距离R_k

R_k＝R_start+r_unit×k (4)

波束指向调整模块利用目标距离计算信号采集的推移主触发时间t_AD

$t_{AD}=\frac{2R_k}{C}---\left(5\right)$

其中，C为电磁波传播速度。

波束指向调整模块设置波束最大调整次数K，当波束调整次数小等于K时，可以继续调整波束指向检测目标；当波束调整次数大于K时，终止波束调整，按规划的搜索路线顺序扫描。若不在和通道检测到目标，波束指向调整模块的波束指向调整策略按以下顺序进行波束调整

1)方位向顺偏半波束宽度，俯仰向不变；

2)方位向回偏半波束宽度，俯仰向顺偏半波束宽度；

3)方位向反偏半波束宽度，俯仰向回偏半波束宽度；

4)方位向回偏半波束宽度，俯仰向反偏半波束宽度。

在和通道检测到目标，但不满足和通道信号大于方位差、俯仰差通道信号，波束指向调整模块的波束指向调整策略按以下方式进行波束调整

若和<方位差：方位向先顺偏半波束宽度，后反偏1波束宽度

若和<俯仰差：俯仰向先顺偏半波束宽度，后反偏1波束宽度

波束指向调整模块在波束指向调整后，判断是否在和通道检测到目标，若不满足，则需继续调整波束指向检测目标；否则按流程进入下步处理。波束指向调整模块再判断和通道信号是否大于方位差、俯仰差通道信号，若满足，则波束调整完成，进入下一模块进行处理；否则返回继续调整波束指向检测目标。

在目标参数估计中，目标参数估计模块把和通道通过检测门限的目标信号，参照波束指向调整模块中式(4)R_k＝R_start+r_unit×k方法计算目标距离R_k。

目标参数估计模块利用和通道检测的目标信号选通对应差通道信号，作相位和差式单脉冲测角，计算目标方位角偏差ε_θ和俯仰角偏差

${\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{\&theta;}}=K_{\mathrm{\&theta;}}\frac{I_{\mathrm{\&Delta;}1}\&times;I_{\&Sigma;}+Q_{\mathrm{\&Delta;}1}\&times;Q_{\&Sigma;}}{{\left(I_{\&Sigma;}\right)}^2+{\left(Q_{\&Sigma;}\right)}^2}---\left(6\right)$

其中，K_θ、分别为方位和俯仰角偏差斜率；I_∑和Q_∑分别为和通道IQ两路正交信号，I_Δ1和Q_Δ1分别为方位差通道IQ两路正交信号，I_Δ2和Q_Δ2分别为俯仰差通道IQ两路正交信号。

目标参数估计模块利用天线给出的波束中心指向和上述计算的角偏差，计算目标方位角θ和俯仰角

θ＝θ_Beam+ε_θ (8)

其中，θ_Beam和分别为天线方位和俯仰波束中心指向，ε_θ和分别为方位角偏差和俯仰角偏差。

在序列位置关联中，序列位置关联模块把目标距离R、方位角θ、俯仰角转换成直角坐标系下观测值(x,y,z)

序列位置关联模块计算前后两个序列目标观测值的欧式距离

$D=\sqrt{{\&lsqb;x\left(k\right)-x(k-1)\&rsqb;}^2+{\&lsqb;y\left(k\right)-y(k-1)\&rsqb;}^2+{\&lsqb;z\left(k\right)-z(k-1)\&rsqb;}^2}---\left(11\right)$

其中，(x(k),y（k）,z（k）)为前一时刻目标观测值，(x(k-1),y(k-1),z(k-1))为后一时刻目标观测值。序列位置关联模块通过以下准则进行目标数据关联判决

若D/T_s≤V_max，判决为目标关联成功

若D/T_s＞V_max，判决为目标关联失败

其中，D为前后两个时刻的欧式距离.T_s为前后两个时刻的时间间隔，V_max为雷达和目标之间最大径向速度。

在滑窗累积确认中，滑窗累积确认模块把目标序列位置关联成功或失败的结果用“0”或“1”表示，然后将关联结果输入到长度为N的滑窗中，并作滑窗式累积，累积结果记为M_∑，再将累积结果进行判决

若M_∑≥U₂，判决为目标捕获成功

若M_∑＜U₂，判决为目标捕获失败

其中，U₂为滑窗累积确认判决门限，取值整数，范围为0＜U₂≤N。累积结果M_∑和目标累积捕获概率P_cd的关系为

$P_{cd}=\underset{k=U_2}{\overset{N}{\&Sigma;}}\frac{N!}{k!(N-k)!}{p}_d^k{(1-p_d)}^{N-k}---\left(12\right)$

其中，N！为N的阶乘，p_d为单次检测概率。如果已知目标累积捕获概率P_cd，滑窗累积确认模块可以利用上式计算出累积判决门限U₂。当累积判决成功，滑窗累积确认模块输出此时目标信息作为单脉冲雷达搜索捕获成功的目标。

Claims (10)

1.一种单脉冲雷达对空目标快速捕获方法，其特征在于包括如下步骤：在终端处理分机DSP嵌入式软件中，DSP嵌入式软件以三通道恒虚警检测模块、波束指向调整模块、目标参数估计模块、序列位置关联模块、滑窗累积确认模块为单元构建单脉冲雷达对空目标快速捕获处理架构，其中，三通道恒虚警检测模块根据信号处理分机输出的和、方位差、俯仰差三通道距离像信号，统计背景噪声均值和标准差，按虚警概率确定门限乘子，计算恒虚警自适应检测门限，同时对三通道距离像进行检测判决，获取最大幅度的目标信号；波束指向调整模块利用目标距离计算信号采集的推移主触发时间，在最大调整次数内，按设计策略进行波束指向调整，当满足和通道检测到目标，同时和通道信号大于方位差、俯仰差通道信号，则波束调整完成；目标参数估计模块利用和通道检测的目标信号选通对应差通道信号，作相位和差式单脉冲测角，估计目标方位角偏差和俯仰角偏差，再利用波束指向计算方位角和俯仰角，估计目标方位角偏差和俯仰角偏差，然后利用波束指向计算方位角和俯仰角；序列位置关联模块把目标距离、方位角和俯仰角，转换成直角坐标系下观测值，计算前后两个时刻目标观测值的欧式距离，以最大运动速度为准则判断目标关联成功或失败；滑窗累积确认模块把目标序列位置关联成功或失败的结果用“0”或“1”表示，然后将关联结果作滑窗式累积，再把累积结果进行判决，通过单脉冲雷达输出搜索捕获成功的目标信息，从而实现对空高速运动弱小目标的快速捕获。

2.如权利要求1所述的单脉冲雷达对空目标快速捕获方法，其特征在于：在三通道恒虚警检测中，三通道恒虚警检测模块利用和、方位差、俯仰差三通道距离像计算背景噪声均值μ和标准差σ

$\mathrm{\&mu;}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{A}_i---\left(1\right)$

$\mathrm{\&sigma;}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{(A_i-\mathrm{\&mu;})}^2}---\left(2\right)$

其中，A_i为三通道距离像幅度值，I_i和Q_i为距离像回波信号的IQ两路正交信号，n为参与统计样本总数。

3.如权利要求1所述的单脉冲雷达对空目标快速捕获方法，其特征在于：三通道恒虚警检测模块根据恒虚警概率的大小确定门限乘子K；利用计算的背景噪声均值μ和门限乘子K，计算三通道距离像恒虚警自适应检测门限

4.如权利要求3所述的单脉冲雷达对空目标快速捕获方法，其特征在于：三通道恒虚警检测模块利用计算的恒虚警自适应检测门限U₁，对和、方位差、俯仰差三通道的距离像幅度A_i∈{A_∑,A_Δ1,A_Δ2}，同时进行检测判决；若A_i≥U₁判决为目标信号，若A_i＜U₁判决为噪声信号，其中，A_∑为和通道幅度，A_Δ1为方位差通道幅度，A_Δ2为俯仰差通道幅度。

5.如权利要求4所述的单脉冲雷达对空目标快速捕获方法，其特征在于：如果存在多个信号通过检测门限判决，三通道恒虚警检测模块只取最大信号幅度的距离单元作为后续处理的目标信号，并记录其所在和差通道号，距离像单元序号及回波信号幅度。

6.如权利要求1所述的单脉冲雷达对空目标快速捕获方法，其特征在于：波束指向调整模块设置波束最大调整次数，当波束调整次数小等于时，继续调整波束指向检测目标；当波束调整次数大于时，终止波束调整，按规划的搜索路线顺序扫描；若不在和通道检测到目标，波束指向调整模块的波束指向调整策略按以下顺序进行波束调整,

1)方位向顺偏半波束宽度，俯仰向不变；

2)方位向回偏半波束宽度，俯仰向顺偏半波束宽度；

3)方位向反偏半波束宽度，俯仰向回偏半波束宽度；

4)方位向回偏半波束宽度，俯仰向反偏半波束宽度。

7.如权利要求1所述的单脉冲雷达对空目标快速捕获方法，其特征在于：在和通道检测到目标，但不满足和通道信号大于方位差、俯仰差通道信号时，波束指向调整模块的波束指向调整策略按以下方式进行波束调整：若和<方位差，方位向先顺偏半波束宽度，后反偏1波束宽度，若和<俯仰差，俯仰向先顺偏半波束宽度，后反偏1波束宽度；波束指向调整模块在波束指向调整后，判断是否在和通道检测到目标，若不满足，则需继续调整波束指向检测目标，否则按流程进入下步处理。

8.如权利要求1所述的单脉冲雷达对空目标快速捕获方法，其特征在于：目标参数估计模块利用和通道检测的目标信号选通对应差通道信号，作相位和差式单脉冲测角，计算目标方位角偏差ε_θ和俯仰角偏差

${\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{\&theta;}}=K_{\mathrm{\&theta;}}\frac{I_{\mathrm{\&Delta;}1}\&times;I_{\mathrm{\&Sigma;}}+Q_{\mathrm{\&Delta;}1}\&times;Q_{\mathrm{\&Sigma;}}}{{\left(I_{\mathrm{\&Sigma;}}\right)}^2+{\left(Q_{\mathrm{\&Sigma;}}\right)}^2}---\left(3\right)$

其中，K_θ、分别为方位和俯仰角偏差斜率；I_∑和Q_∑分别为和通道IQ两路正交信号，I_Δ1和Q_Δ1分别为方位差通道IQ两路正交信号，I_Δ2和Q_Δ2分别为俯仰差通道IQ两路正交信号。

9.如权利要求1所述的单脉冲雷达对空目标快速捕获方法，其特征在于：序列位置关联模块通过以下准则进行目标数据关联判决：若D/T_s≤V_max，判决为目标关联成功，若D/T_s＞V_max，判决为目标关联失败；其中，D为前后两个时刻的欧式距离.T_s为前后两个时刻的时间间隔，V_max为雷达和目标之间最大径向速度。

10.如权利要求1所述的单脉冲雷达对空目标快速捕获方法，其特征在于：滑窗累积确认模块把目标序列位置关联成功或失败的结果用“0”或“1”表示，然后将关联结果输入到长度为N的滑窗中，并作滑窗式累积，累积结果记为M_∑，再将累积结果进行判决：若M_∑≥U₂，判决为目标捕获成功，若M_∑＜U₂，判决为目标捕获失败；其中，U₂为滑窗累积确认判决门限，取值整数，范围为0＜U₂≤N。