CN106093935A - 俯仰宽波束雷达地面和低空目标分类方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种俯仰宽波束雷达地面和低空目标分类方法，属于雷达探测技术领域，具体按照以下步骤进行：设计单基线测角天线***：假设***工作频率为f_c，工作波长λ＝c/f_c，c表示电磁波传播速度，探测范围内的低空目标最大俯仰角为θ_max，地面目标的俯仰角为0，天线基线长度d＜λ/sinθ_max；对基线接收通道U和基线接收通道D进行相同的信号处理；通过干涉法测量目标的干涉角θ_k′、测量与该目标同距离地杂波的干涉角该目标属于地面目标，该目标属于低空目标。本发明***复杂度低、成本低廉、计算简单、不受目标姿态影响、稳健性好，能够简单快速地剔除地面海量目标减少对低空慢速目标检测的干扰。

Description

俯仰宽波束雷达地面和低空目标分类方法

技术领域

本发明属于雷达探测技术领域，涉及一种俯仰宽波束雷达地面和低空目标分类方法，尤其涉及一种针对俯仰宽波束雷达在城市杂波背景下区分地面目标和低空目标的方法。

背景技术

随着我国低空空域的逐步开放和民用无人机的飞速发展，城市和要地上空低慢小目标检测是急需解决的一个问题。

当前探测低慢小目标一般采用光电雷达相结合的方法，相对于光电探测手段而言，雷达具备全天候全天时、探测距离远、杂波可见度高、搜索跟踪效率高等诸多优点。然而，城市中有大量汽车和行人，这些目标会被雷达检测出来，由于这些目标在速度、雷达散射截面(RCS)等典型特征与低空飞行器有大量重合，如图1a-1b所示，低空目标和地面车辆同时处于雷达波束内，导致低空小型慢速飞行器混迹于检测出来的大量地面目标中难以区分，因此会对低空小型慢速飞行器的检测造成严重干扰。为了剔除地面目标，常用的手段包括基于微动信息的目标识别技术、基于地理信息的目标筛选技术和基于高分辨角度测量的探测方法。

(1)基于微动信息的目标识别技术：

基于微动信息的目标识别技术利用的是目标回波中的微多普勒信息，汽车类目标能够形成微动信息的部件是轮毂，小型飞行器中能够形成微动信息的部件为旋翼，由于转速差异比较大，且与机身运动分量的关系也不同，是一个比较明显的差异。但是微动信息与目标运动姿态有关，也容易被遮挡，而且微动分量一般比机身分量小一个数量级，对信噪比要求较高，识别算法也比较复杂，在搜索阶段难以满足实时性要求。此外，有些飞行器没有螺旋桨，而是内置的微型涡轮喷气发动机。因此基于微动信息的目标识别技术难以满足要求。

(2)基于地理信息的目标筛选技术：

基于地理信息的目标筛选技术是利用城市路网信息剔除地面车辆和行人，其前提假设条件是，车辆和行人都位于路网上，飞行器一般不在路网上。该方法要求对目标的定位精度较高，对于普通城市路网，定位精度一般要小于10米，这就要求雷达必须采用多站交叉定位方式，如图2所示，利用雷达站A和雷达站B交叉定位。此外，实际筛选中，也会有许多车辆和行人不在正规路网上，而低空飞行器也可能循着路网飞行。因此，仍然存在许多干扰目标难以剔除，也可能导致循路网飞行的低空飞行器漏检。

(3)基于高分辨角度测量的方法：

基于高分辨角度测量的方法通过形成非常窄的波束来区分不同角度方向的目标，为了覆盖一定空域，并同时兼顾数据率和积累时间，需要采用同时多波束技术，如图3所示，低空飞行器和地面车辆位于不同雷达波束内，这会导致***复杂度和成本显著上升。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供一种低成本的、快速有效的俯仰宽波束雷达地面和低空目标分类方法，解决了传统基于微动信息的目标识别方法目标姿态敏感且运算量大，基于地理信息的目标筛选方法对目标筛选不完整且容易对循路网飞行目标漏检，高分辨角度测量方法***复杂、成本高的问题，通过对比目标的来波方向与地杂波来波方向的差异来剔除海量地面目标，避免对低空慢速小目标的检测形成干扰。

本发明所采用的技术方案是，一种俯仰宽波束雷达地面和低空目标分类方法，具体按照以下步骤进行：

步骤一，设计单基线测角天线***：假设***工作频率为f_c，工作波长λ＝c/f_c，c表示电磁波传播速度，探测范围内的低空目标最大俯仰角为θ_max，地面目标的俯仰角为0，保证天线基线长度d＜λ/sinθ_max使得在[0,θ_max]范围内能够无模糊测角；

步骤二，对基线接收通道U和基线接收通道D进行相同的信号处理，所述信号处理包括脉冲压缩，动目标检测处理，对两个基线接收通道的对应动目标检测通道相加，然后进行恒虚警检测；

步骤三，对检测出的目标采用干涉法测量目标的干涉角θ_k′；同时采用干涉法测量与该目标同距离地杂波的干涉角

步骤四，地面和低空目标判断：

判断条件为：

本发明的特征还在于，进一步的，步骤二中，对基线接收通道U和基线接收通道D进行相同的信号处理，具体按照以下步骤进行：

步骤1，假设在连续M个重频间隔内，基线接收通道U经过模数转换采样和数字下变频之后输出的M个基带回波为x_U1(t),x_U2(t),...,x_UM(t)，基线接收通道D经过模数转换采样和数字下变频之后输出的M个基带回波为x_D1(t),x_D2(t),...,x_DM(t)；回波的采样时刻t＝[...,n-1,n,n+1,...]T_s,nT_s表示对回波的第n个采样时刻，T_s表示对回波的采样时间间隔，不同采样时刻对应目标到雷达的不同距离，因此n表示距离单元号；

步骤2，基线接收通道U和基线接收通道D进行相同的脉冲压缩，即p_Um(t)表示基线接收通道U的第m个基带回波经过脉冲压缩后的输出；p_Dm(t)表示基线接收通道D的第m个基带回波经过脉冲压缩后的输出；s^*(-t)为脉冲压缩系数；

步骤3，基线接收通道U和基线接收通道D进行相同的动目标检测处理，分别得到M个多普勒通道输出Q_Um[n]和Q_Dm[n]，写为向量形式如下式所示：

$\left(\begin{array}{c}{Q}_{U1}\[n\]\\ Q_{U2}\[n\]\\ \·\\ \·\\ \·\\ Q_{UM}\[n\]\end{array}\right)=FFT\left(\begin{array}{c}{p}_{U1}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\\ p_{U2}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ p_{UM}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}{Q}_{D1}\[n\]\\ Q_{D2}\[n\]\\ \·\\ \·\\ \·\\ Q_{DM}\[n\]\end{array}\right)=FFT\left(\begin{array}{c}{p}_{D1}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\\ p_{D2}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ p_{DM}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\end{array}\right);$

其中，FFT表示快速傅里叶变换运算；

步骤4，基线接收通道U和基线接收通道D对应动目标检测通道相加，然后进行恒虚警检测，即

[Tar₁,Tar₂,...Tar_k]＝CFAR[(Q_Um[1],Q_Um[2],...Q_Um[N])+(Q_Dm[1],Q_Dm[2],...Q_Dm[N])]；

其中Tar_k表示检测出来的第k个目标，Tar是一个二元数组，分别对应目标所处的多普勒通道号m和距离单元号n。

进一步的，步骤三中，对检测出的目标采用干涉法测量目标的干涉角θ_k′，同时采用干涉法测量与该目标同距离地杂波的干涉角的方法，具体按照以下步骤进行：假设第k个目标的多普勒通道号和距离单元号分别为m和n；Q_Um[n]为基线接收通道U的多普勒通道输出，Q_Dm[n]为基线接收通道D的多普勒通道输出，则该目标的干涉角为地杂波对应的多普勒通道号为1，所以与该目标同距离单元的地杂波的干涉角为干涉角与回波俯仰入射角的关系为其中θ′代表干涉角，θ代表回波俯仰入射角。

本发明的有益效果是，本发明与现有的地面目标剔除方法相比，具有以下优点：基于微动信息的目标识别技术对目标姿态和微动信息有要求，当目标没有微动部件或微动部件被遮挡时无法有效区分目标，且算法运算量比较大，对信噪比要求较高。基于地理信息的目标筛选方法虽然筛选过程简单，但需要精确的路网信息，要求采用多站交叉定位方式获得目标高精度地理位置坐标，而且该方法无法剔除路网之外的地面目标，也会造成循路网飞行的低空目标漏检。基于高分辨角度测量的方法***复杂、成本较高。本发明利用干涉测角原理获得目标来波方向，由于低空目标和地面目标来波方向与地杂波来波方向的相关性有明显差异，能够简单快速地区分低空目标和地面目标，对路网之外的地面目标也能有效剔除，同时不会漏检路网上空的低慢小目标，能够在俯仰宽波束雷达俯仰角分辨能力有限条件下区分低空和地面目标；没有利用微动信息和地理信息，也无需形成窄波束，***复杂度低、成本低廉、计算简单、不受目标姿态影响、稳健性好，能够简单快速地剔除地面海量目标减少对低空慢速目标检测的干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a是低空目标和地面车辆同时处于雷达波束内的干扰图。

图1b是低空小型慢速飞行器混迹于检测出来的大量地面目标中难以区分的干扰图。

图2是背景技术中基于地理信息的地面目标与低空目标筛选方法原理图。

图3是背景技术中基于高分辨角度测量的地面车辆和低空飞行器筛选方法原理图。

图4是本发明单基测角天线***设计原理图。

图5是本发明两个基线接收通道的处理流程图。

图6是本发明干涉法测量干涉角的原理图。

图7是本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的基本原理：

本发明利用地面目标与地杂波的来波方向一致而低空目标与地杂波来波方向不一致这一特征，采用高精度干涉测角方式来区分低空和地面目标，能够在俯仰采用宽波束条件下，简单有效地区分地面和低空慢速小目标。

本发明的技术思路：

首先在设计天线***时在俯仰维形成单基线测角***，如图4所示，天线基线长度d保证在地面到最高俯仰角度范围内不存在模糊；然后对两个基线接收通道都进行相同的脉冲压缩、动目标检测(MTD)处理；对两个基线接收通道的对应MTD输出进行相加，然后进行恒虚警检测；对检测出的目标采用干涉法角度测量，同时将对应距离单元的地杂波通道也进行干涉法角度测量，对比目标和地杂波的角度测量结果，如果两者一致，则认为目标处于地面，如果两者不一致，则认为目标处于空中。

本发明俯仰宽波束雷达地面和低空目标分类方法，流程如图7所示，具体按照以下步骤进行：

步骤1，如图4所示，设计单基线测角天线***：假设***工作频率为f_c，工作波长λ＝c/f_c，c表示电磁波传播速度，探测范围内的低空目标最大俯仰角为θ_max，地面目标的俯仰角为0，天线基线长度d需要保证在[0,θ_max]范围内能够无模糊测角，即d＜λ/sinθ_max。

步骤2，如图5所示，基线接收通道U和基线接收通道D进行相同的信号处理：

1)假设在连续M个重频间隔内，基线接收通道U经过模数转换(AD)采样和数字下变频(DDC)之后输出的M个基带回波为x_U1(t),x_U2(t),...,x_UM(t)，基线接收通道D经过模数转换(AD)采样和数字下变频(DDC)之后输出的M个基带回波为x_D1(t),x_D2(t),...,x_DM(t)。由于DDC之后为回波离散采样值，因此回波的采样时刻t＝[...,n-1,n,n+1,...]T_s,nT_s表示对回波的第n个采样时刻，T_s表示对回波的采样时间间隔，不同采样时刻对应目标到雷达的不同距离，因此n表示距离单元号；

2)基线接收通道U和基线接收通道D进行相同的脉冲压缩，即pUm(t)表示基线接收通道U的第m个基带回波经过脉冲压缩后的输出；p_Dm(t)表示基线接收通道D的第m个基带回波经过脉冲压缩后的输出；s*(-t)为脉冲压缩系数。

3)基线接收通道U和基线接收通道D进行相同的动目标检测(MTD)处理，分别得到M个多普勒通道输出Q_Um[n]和Q_Dm[n]，写为向量形式如下式所示(FFT表示快速傅里叶变换运算)：

$\left(\begin{array}{c}{Q}_{U1}\[n\]\\ Q_{U2}\[n\]\\ \·\\ \·\\ \·\\ Q_{UM}\[n\]\end{array}\right)=FFT\left(\begin{array}{c}{p}_{U1}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\\ p_{U2}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ p_{UM}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}{Q}_{D1}\[n\]\\ Q_{D2}\[n\]\\ \·\\ \·\\ \·\\ Q_{DM}\[n\]\end{array}\right)=FFT\left(\begin{array}{c}{p}_{D1}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\\ p_{D2}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ p_{DM}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\end{array}\right);$

4)基线接收通道U和基线接收通道D对应MTD通道相加，然后进行恒虚警检测(CFAR)，即

[Tar₁,Tar₂,...Tar_k]＝CFAR[(Q_Um[1],Q_Um[2],...Q_Um[N])+(Q_Dm[1],Q_Dm[2],…Q_Dm[N])]

其中Tar_k表示检测出来的第k个目标，Tar是一个二元数组，分别对应目标所处的多普勒通道号m和距离单元号n。

步骤3，通过干涉法测量目标和同距离地杂波的干涉角，如图6；

假设第k个目标的多普勒通道号和距离单元号分别为m和n，则该目标的干涉角为由于地杂波的多普勒速度为0，因此对应的多普勒通道号为1，所以与该目标同距离单元的地杂波的干涉角为根据图6可知，干涉角与回波俯仰入射角的关系为其中θ′代表干涉角，θ代表回波俯仰入射角。

步骤4，地面和低空目标判断：

由于空中目标与相应距离单元的地杂波相对于雷达有不同的俯仰入射角，因此两者干涉角不同，而地面目标与相应距离单元的地杂波有相同的俯仰入射角，因此两者干涉角相同。因此判断条件为

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种俯仰宽波束雷达地面和低空目标分类方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

步骤一，设计单基线测角天线***：假设***工作频率为f_c，工作波长λ＝c/f_c，c表示电磁波传播速度，探测范围内的低空目标最大俯仰角为θ_max，地面目标的俯仰角为0，保证天线基线长度d＜λ/sinθ_max使得在[0,θ_max]范围内能够无模糊测角；

步骤二，对基线接收通道U和基线接收通道D进行相同的信号处理，所述信号处理包括脉冲压缩，动目标检测处理，对两个基线接收通道的对应动目标检测通道相加，然后进行恒虚警检测；

步骤三，对检测出的目标采用干涉法测量目标的干涉角θ′_k；同时采用干涉法测量与该目标同距离地杂波的干涉角

步骤四，地面和低空目标判断：

判断条件为：

2.根据权利要求1所述的一种俯仰宽波束雷达地面和低空目标分类方法，其特征在于，所述步骤二中，所述对基线接收通道U和基线接收通道D进行相同的信号处理，具体按照以下步骤进行：

步骤1，假设在连续M个重频间隔内，基线接收通道U经过模数转换采样和数字下变频之后输出的M个基带回波为x_U1(t),x_U2(t),...,x_UM(t)，基线接收通道D经过模数转换采样和数字下变频之后输出的M个基带回波为x_D1(t),x_D2(t),...,x_DM(t)；回波的采样时刻t＝[...,n-1,n,n+1,...]T_s,nT_s表示对回波的第n个采样时刻，T_s表示对回波的采样时间间隔，不同采样时刻对应目标到雷达的不同距离，因此n表示距离单元号；

步骤2，基线接收通道U和基线接收通道D进行相同的脉冲压缩，即p_Um(t)表示基线接收通道U的第m个基带回波经过脉冲压缩后的输出；p_Dm(t)表示基线接收通道D的第m个基带回波经过脉冲压缩后的输出；s^*(-t)为脉冲压缩系数；

步骤3，基线接收通道U和基线接收通道D进行相同的动目标检测处理，分别得到M个多普勒通道输出Q_Um[n]和Q_Dm[n]，写为向量形式如下式所示：

$\left(\begin{array}{c}{Q}_{U1}\[n\]\\ Q_{U2}\[n\]\\ \·\\ \·\\ \·\\ Q_{UM}\[n\]\end{array}\right)=FFT\left(\begin{array}{c}{p}_{U1}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\\ p_{U2}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ p_{UM}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}{Q}_{D1}\[n\]\\ Q_{D2}\[n\]\\ \·\\ \·\\ \·\\ Q_{DM}\[n\]\end{array}\right)=FFT\left(\begin{array}{c}{p}_{D1}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\\ p_{D2}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ p_{DM}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\end{array}\right);$

其中，FFT表示快速傅里叶变换运算；

步骤4，基线接收通道U和基线接收通道D对应动目标检测通道相加，然后进行恒虚警检测，即

[Tar₁,Tar₂,...Tar_k]＝CFAR[(Q_Um[1],Q_Um[2],...Q_Um[N])+(Q_Dm[1],Q_Dm[2],...Q_Dm[N])]；

其中Tar_k表示检测出来的第k个目标，Tar是一个二元数组，分别对应目标所处的多普勒通道号m和距离单元号n。

3.根据权利要求1所述的一种俯仰宽波束雷达地面和低空目标分类方法，其特征在于，所述步骤三中，对检测出的目标采用干涉法测量目标的干涉角θ′_k，同时采用干涉法测量与该目标同距离地杂波的干涉角的方法，具体按照以下步骤进行：假设第k个目标的多普勒通道号和距离单元号分别为m和n；Q_Um[n]为基线接收通道U的多普勒通道输出，Q_Dm[n]为基线接收通道D的多普勒通道输出，则该目标的干涉角为地杂波对应的多普勒通道号为1，所以与该目标同距离单元的地杂波的干涉角为干涉角与回波俯仰入射角的关系为其中θ′代表干涉角，θ代表回波俯仰入射角。