單脈沖雷達對空目標快速捕獲方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種單脈沖雷達對空高速運動目標快速捕獲方法。利用本發(fā)明可顯著提高在低信噪比和目標高速運動下雷達搜索捕獲目標能力，實現(xiàn)對目標快速捕獲。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)：DSP嵌入式軟件以三通道恒虛警檢測模塊、波束指向調(diào)整模塊、目標參數(shù)估計模塊、序列位置關聯(lián)模塊和滑窗累積確認模塊為單元構(gòu)成，其中，輸入和差三通道距離像，對三通道距離像進行恒虛警檢測判決，獲取最大幅度的目標信號；然后改變推移主觸發(fā)時間，按設計策略調(diào)整波束；利用相位和差式單脈沖測角進行目標參數(shù)估計；采用序列位置關聯(lián)判斷目標關聯(lián)成功或失?。辉賹㈥P聯(lián)結(jié)果作滑窗式累積，把累積結(jié)果進行判決，通過單脈沖雷達輸出搜索捕獲成功的目標信息。
【專利說明】
單脈沖雷達對空目標快速捕獲方法
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明涉及雷達目標搜索捕獲領域，特別是涉及單脈沖雷達在低信噪比下對空高 速運動目標的快速、準確捕獲方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在對空搜索跟蹤雷達中，實施跟蹤制導之前需要對指定空域目標進行搜索，快速 可靠捕獲目標是實現(xiàn)目標精確打擊的首要前提。搜索跟蹤雷達大多采用單脈沖技術(shù)，實現(xiàn) 對目標的精密測量和跟蹤。單脈沖是一種雷達測角技術(shù)，通過比較和差通道信號來獲得精 確的目標角度信息，理論上講接收一個回波脈沖形成目標相對雷達的角度估計值，使用這 種技術(shù)的雷達稱為單脈沖雷達。
[0003] 單脈沖雷達為了得到高測角精度，會減小接收波束寬度，導致和通道的瞬時覆蓋 區(qū)域減少，如果只在和通道檢測，而不考慮兩個差通道信息，可能會丟失目標有用信息，極 易降低對目標捕獲概率。隨著現(xiàn)代國內(nèi)外隱身技術(shù)日益成熟，有效減小了目標的雷達散射 截面積，使其回波信號能量比傳統(tǒng)飛行器能量減弱，信噪比降低，在高強度地雜波里檢測出 弱小運動目標信號的難度增大，傳統(tǒng)方法難以達到滿意的檢測效果。目前，新一代超聲速飛 行器的速度約2馬赫，無人機飛行速度達到10多個馬赫數(shù)，面對目標超高速、高機動飛行，傳 統(tǒng)搜索跟蹤雷達在短時間內(nèi)難以對這種目標進行有效地捕獲，對現(xiàn)有雷達防御體系造成了 極大的威脅，對目標搜索跟蹤提出了嚴峻挑戰(zhàn)。這些因素都給搜索跟蹤雷達快速、正確地捕 獲目標帶來了極大的困難，如何提高雷達對空中高速運動弱小目標快速捕獲能力，成為搜 索跟蹤雷達研制過程中急需解決的問題。
[0004] 現(xiàn)有目標搜索捕獲方法主要研究在：（1)改進雷達收發(fā)前端，提高目標回波信噪 比；（2)通過對目標信號積累，提高檢測概率。方法（1)常采用增大發(fā)射功率，提高天線和信 道增益，降低接收機噪聲等，此類方法對雷達功率、尺寸和基礎硬件要求嚴格，且容易暴露 雷達，被反輻射武器攻擊，在實現(xiàn)中會受到諸多現(xiàn)實條件限制，工程使用難度大;方法(2)在 信號處理中通過對多個時間序列脈沖進行相參和非相參積累改善輸出信噪比，但要求在積 累的時間內(nèi)目標不能跨距離單元走動，這樣對空中高速運動目標的積累時間有限制，不宜 長時間積累；另外，上述方法大都只考慮在和通道檢測，忽略了差通道信息，可能會丟掉差 通道出現(xiàn)的目標，失去對其捕獲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決搜索跟蹤雷達對空中高速運動弱小目標的搜索捕獲問題，本發(fā)明的目的是 提供一種能縮短雷達搜索時間、提高目標捕獲概率的單脈沖雷達快速捕獲方法，以此提高 在低信噪比和目標高速運動情況下雷達搜索捕獲目標能力，實現(xiàn)對空目標的快速捕獲。
[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明提出一種單脈沖雷達對空目標快速捕獲方法，其特征 在于包括如下步驟:在終端處理分機DSP嵌入式軟件中，DSP嵌入式軟件以三通道恒虛警檢 測模塊、波束指向調(diào)整模塊、目標參數(shù)估計模塊、序列位置關聯(lián)模塊、滑窗累積確認模塊為 單元構(gòu)建單脈沖雷達對空目標快速捕獲處理架構(gòu)，其中，三通道恒虛警檢測模塊根據(jù)信號 處理分機輸出的和、方位差、俯仰差三通道距離像信號，統(tǒng)計背景噪聲均值和標準差，按虛 警概率確定門限乘子，計算恒虛警自適應檢測門限，同時對三通道距離像進行檢測判決，獲 取最大幅度的目標信號；波束指向調(diào)整模塊利用目標距離計算信號采集的推移主觸發(fā)時 間，在最大調(diào)整次數(shù)內(nèi)，按設計策略進行波束指向調(diào)整，當滿足和通道檢測到目標，同時和 通道信號大于方位差、俯仰差通道信號，則波束調(diào)整完成；目標參數(shù)估計模塊利用和通道檢 測的目標信號選通對應差通道信號，作相位和差式單脈沖測角，估計目標方位角偏差和俯 仰角偏差，再利用波束指向計算方位角和俯仰角，估計目標方位角偏差和俯仰角偏差，然后 利用波束指向計算方位角和俯仰角;序列位置關聯(lián)模塊把目標距離、方位角和俯仰角，轉(zhuǎn)換 成直角坐標系下觀測值，計算前后兩個時刻目標觀測值的歐式距離，以最大運動速度為準 則判斷目標關聯(lián)成功或失敗;滑窗累積確認模塊把目標序列位置關聯(lián)成功或失敗的結(jié)果用 "0"或"Γ表示，然后將關聯(lián)結(jié)果作滑窗式累積，再把累積結(jié)果進行判決，通過單脈沖雷達輸 出搜索捕獲成功的目標信息，從而實現(xiàn)對空高速運動弱小目標的快速捕獲。
[0007] 本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果： 本發(fā)明針對低信噪比和目標高速運動，提出了單脈沖雷達對空高速運動目標快速捕獲 方法:輸入和差三通道距離像，三通道恒虛警檢測模塊利用三通道距離像計算恒虛警自適 應檢測門限，同時對三通道距離像進行檢測判決，獲取最大幅度的目標信號;改變信號采集 的推移主觸發(fā)時間，并按設計策略進行波束指向調(diào)整，使和通道能檢測到目標，同時要滿足 和通道信號大于方位差、俯仰差通道信號；和通道檢測的目標信號聯(lián)合對應的差通道信號 采用相位和差式單脈沖測角進行目標參數(shù)估計;轉(zhuǎn)換目標實測值，計算前后兩個時刻目標 觀測值的歐式距離，以最大運動速度為準則判斷目標關聯(lián)成功或失敗;將關聯(lián)結(jié)果作滑窗 式累積，再把累積結(jié)果進行判決，通過單脈沖雷達輸出搜索捕獲成功的目標信息，從而實現(xiàn) 對空高速運動弱小目標的快速捕獲。與現(xiàn)有方法相比，不需要改變雷達現(xiàn)有體制，只在終端 處理流程和方法上進行優(yōu)化設計，最終采用DSP軟件實現(xiàn)，便于移植和升級，工程應用上易 操作實現(xiàn)。
[0008] 本發(fā)明充分利用和、方位差、俯仰差三通道距離像回波信號，采用和差通道聯(lián)合檢 測方法，等效于增加了掃描搜索的波束寬度，挖掘目標有用信息，提高了對目標的發(fā)現(xiàn)概 率，縮短目標捕獲時間；為防止高速運動目標丟失，采用馬上鎖定目標方式，同時考慮目標 不一定能滿足單脈沖測角的條件，設計波束調(diào)整策略以便在不同情況下能調(diào)整波束對準目 標;通過對目標序列位置關聯(lián)的結(jié)果作滑窗式累積確認，可以達到在低信噪比下對目標的 確認，進一步提高對目標搜索捕獲正確率。
[0009] 本發(fā)明為實現(xiàn)單脈沖雷達在低信噪比下對空高速目標搜索捕獲提供了解決的方 法和堅實的基礎。
【附圖說明】
[0010] 為了更清楚地理解本發(fā)明，現(xiàn)通過附圖和實施例，對本發(fā)明作進一步闡述，其中： 圖1是本發(fā)明單脈沖雷達對空目標快速捕獲方法流程圖。
[0011] 圖2是本發(fā)明波束指向調(diào)整模塊的流程圖。
【具體實施方式】
[0012] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0013] 參閱圖1。在以下描述的實施例中，單脈沖雷達對空目標快速捕獲方法的整個流程 采用DSP嵌入式軟件方式在終端處理分機中自動實現(xiàn)。DSP嵌入式軟件以三通道恒虛警檢測 模塊、波束指向調(diào)整模塊、目標參數(shù)估計模塊、序列位置關聯(lián)模塊、滑窗累積確認模塊為單 元構(gòu)建單脈沖雷達對空目標快速捕獲軟件架構(gòu)，其中，（SI)三通道恒虛警檢測模塊根據(jù)信 號處理分機輸出的和、方位差、俯仰差三通道距離像信號，統(tǒng)計背景噪聲均值和標準差，按 虛警概率確定門限乘子，計算恒虛警自適應檢測門限，同時對三通道距離像進行檢測判決， 獲取最大幅度的目標信號；（S2)波束指向調(diào)整模塊利用目標距離計算信號采集的推移主觸 發(fā)時間，在最大調(diào)整次數(shù)內(nèi)，按設計策略進行波束指向調(diào)整，當滿足和通道檢測到目標，同 時和通道信號大于方位差、俯仰差通道信號，則波束調(diào)整完成；（S3)目標參數(shù)估計模塊利用 和通道檢測的目標信號選通對應的差通道信號，作相位和差式單脈沖測角，估計目標方位 角偏差和俯仰角偏差，再利用波束指向計算方位角和俯仰角；（S4)序列位置關聯(lián)模塊把目 標距離、方位角和俯仰角，轉(zhuǎn)換成直角坐標系下觀測值，計算前后兩個時刻目標觀測值的歐 式距離，以最大運動速度為準則判斷目標關聯(lián)成功或失??；（S5)滑窗累積確認模塊把目標 序列位置關聯(lián)成功或失敗的結(jié)果用"〇"或T表示，然后將關聯(lián)結(jié)果作滑窗式累積，再將累 積結(jié)果進行判決，通過單脈沖雷達輸出搜索捕獲成功的目標信息。
[0014] 每個模塊具體步驟是： 在三通道恒虛警檢測中，三通道恒虛警檢測模塊利用和、方位差、俯仰差三通道距離像 計算背景噪聲均值μ和標準差〇
⑴ ⑵ 其中，，
U為三通道距離像幅度值，為距離像回波信號的IQ兩路正 交信號，η為參與統(tǒng)計樣本總數(shù)。 三通道恒虛警檢測模塊假定背景噪聲服從高斯分布，根據(jù)恒虛警概率的大小確定門限 乘子K;三通道恒虛警檢測模塊利用上述計算的背景均值μ和門限乘子K，計算三通道距離像 恒虛警自適應檢測門限山
⑶ 三通道恒虛警檢測模塊利用上述計算的恒虛警自適應檢測門限U1，對和、方位差、俯仰 差三通道的距離像幅度Ai￡ {Α?,Αδι，Αδ2}(其中，Α?為和通道幅度，Aai為方位差通道幅度， Αλ2為俯仰差通道幅度），同時進行檢測判決，將 若Ai 2 Ui，判決為目標信號 若Ai < Ui，判決為噪聲信號 如果存在多個信號通過檢測門限判決，三通道恒虛警檢測模塊只取最大信號幅度的距 離單元作為后續(xù)處理的目標信號，并記錄其所在和差通道號，距離像單元序號及回波信號 幅度。 參閱圖2。在波束指向調(diào)整中，波束指向調(diào)整模塊針對三通道恒虛警檢測模塊獲取的最 大幅度目標信號，利用三通道距離像起始距離Rstart，距離單元長度runit，以及目標信號所在 的距離單元序號k，計算目標距離R k Rk = Rstart+runit X k (4) 波束指向調(diào)整槌±辦刺距離i+算信號采集的推移主觸發(fā)時間tAD
(5) 其中，C為電磁波傳播速度。 波束指向調(diào)整模塊設置波束最大調(diào)整次數(shù)K，當波束調(diào)整次數(shù)小等于K時，可以繼續(xù)調(diào) 整波束指向檢測目標；當波束調(diào)整次數(shù)大于K時，終止波束調(diào)整，按規(guī)劃的搜索路線順序掃 描。若不在和通道檢測到目標，波束指向調(diào)整模塊的波束指向調(diào)整策略按以下順序進行波 束調(diào)整 1) 方位向順偏半波束寬度，俯仰向不變； 2) 方位向回偏半波束寬度，俯仰向順偏半波束寬度； 3) 方位向反偏半波束寬度，俯仰向回偏半波束寬度； 4) 方位向回偏半波束寬度，俯仰向反偏半波束寬度。 在和通道檢測到目標，但不滿足和通道信號大于方位差、俯仰差通道信號，波束指向調(diào) 整模塊的波束指向調(diào)整策略按以下方式進行波束調(diào)整 若和〈方位差:方位向先順偏半波束寬度，后反偏1波束寬度 若和〈俯仰差:俯仰向先順偏半波束寬度，后反偏1波束寬度 波束指向調(diào)整模塊在波束指向調(diào)整后，判斷是否在和通道檢測到目標，若不滿足，則需 繼續(xù)調(diào)整波束指向檢測目標；否則按流程進入下步處理。波束指向調(diào)整模塊再判斷和通道 信號是否大于方位差、俯仰差通道信號，若滿足，則波束調(diào)整完成，進入下一模塊進行處理； 否則返回繼續(xù)調(diào)整波束指向檢測目標。 在目標參數(shù)估計中，目標參數(shù)估計模塊把和通道通過檢測門限的目標信號，參照波束 指向調(diào)整模塊中式(4) Rk=Rstart+runit X k方法計算目標距離Rk。 目標參數(shù)估計模塊利用和通道檢測的目標信號選通對應差通道信號，作相位和差式單 脈沖測角，計算目標方位角偏差εθ和俯仰角偏差S
(B) (7) 其中，Κθ、分別為方位和俯仰角偏差斜率;Ι?和Ο?分別為和通道IQ兩路正交信號，Ιδι 和Qm分別為方位差通道IQ兩路正交信號，和Qm分別為俯仰差通道IQ兩路正交信號。 目標參數(shù)估計模塊利用天線給出的波束中心指向和上述計算的角偏差，計算目標方位 角Θ和俯仰角φ 0 = 0Beam+e9 (8) (9) 其中，9[3_和％??分別為天線方位和俯仰波束中心指向，εθ和&分別為方位角偏差和 俯仰角偏差。 在序列位置關聯(lián)中，序列位置關聯(lián)模塊把目標距離R、方位角Θ、俯仰角0，轉(zhuǎn)換成直角 坐標系下觀測值(X，y，ζ)
(10) 序列位置關聯(lián)模塊計算前后兩個序列目標觀測值的歐式距離
(11) 其中，（x(k)，y(k)，z(k))為前一時刻目標觀測值，（x(k-l)，y(k-l)，z(k-l))為后一時 刻目標觀測值。序列位置關聯(lián)模塊通過以下準則進行目標數(shù)據(jù)關聯(lián)判決 若D/Ts < Vmax，判決為目標關聯(lián)成功 若D/Ts >Vmax，判決為目標關聯(lián)失敗 其中，D為前后兩個時刻的歐式距離.1為前后兩個時刻的時間間隔，Vmax為雷達和目標 之間最大徑向速度。 在滑窗累積確認中，滑窗累積確認模塊把目標序列位置關聯(lián)成功或失敗的結(jié)果用"〇" 或"Γ表示，然后將關聯(lián)結(jié)果輸入到長度為N的滑窗中，并作滑窗式累積，累積結(jié)果記為Μ?， 再將累積結(jié)果進行判決 若Μ? 2 U2，判決為目標捕獲成功 若ΜΣ<υ2，判決為目標捕獲失敗 其中，U2為滑窗累積確認判決門限，取值整數(shù)，范圍為0<U2<N。累積結(jié)果Μ?和目標累 積捕獲概率Pcd的關系為
(12)： 其中，Ν!為N的階乘，Pd為單次檢測概率。如果已知目標累積捕獲概率Pd，滑窗累積確認 模塊可以利用上式計算出累積判決門限U2。當累積判決成功，滑窗累積確認模塊輸出此時 目標信息作為單脈沖雷達搜索捕獲成功的目標。
【主權(quán)項】
1. 一種單脈沖雷達對空目標快速捕獲方法，其特征在于包括如下步驟:在終端處理分 機DSP嵌入式軟件中，DSP嵌入式軟件通道恒虛警檢測模塊、波束指向調(diào)整模塊、目標參 數(shù)估計模塊、序列位置關聯(lián)模塊、滑窗累積確認模塊為單元構(gòu)建單脈沖雷達對空目標快速 捕獲處理架構(gòu)，其中，Ξ通道恒虛警檢測模塊根據(jù)信號處理分機輸出的和、方位差、俯仰差 Ξ通道距離像信號，統(tǒng)計背景噪聲均值和標準差，按虛警概率確定口限乘子，計算恒虛警自 適應檢測口限，同時對Ξ通道距離像進行檢測判決，獲取最大幅度的目標信號;波束指向調(diào) 整模塊利用目標距離計算信號采集的推移主觸發(fā)時間，在最大調(diào)整次數(shù)內(nèi)，按設計策略進 行波束指向調(diào)整，當滿足和通道檢測到目標，同時和通道信號大于方位差、俯仰差通道信 號，則波束調(diào)整完成；目標參數(shù)估計模塊利用和通道檢測的目標信號選通對應差通道信號， 作相位和差式單脈沖測角，估計目標方位角偏差和俯仰角偏差，再利用波束指向計算方位 角和俯仰角，估計目標方位角偏差和俯仰角偏差，然后利用波束指向計算方位角和俯仰角； 序列位置關聯(lián)模塊把目標距離、方位角和俯仰角，轉(zhuǎn)換成直角坐標系下觀測值，計算前后兩 個時刻目標觀測值的歐式距離，W最大運動速度為準則判斷目標關聯(lián)成功或失敗;滑窗累 積確認模塊把目標序列位置關聯(lián)成功或失敗的結(jié)果用"0"或"Γ表示，然后將關聯(lián)結(jié)果作滑 窗式累積，再把累積結(jié)果進行判決，通過單脈沖雷達輸出捜索捕獲成功的目標信息，從而實 現(xiàn)對空高速運動弱小目標的快速捕獲。2. 如權(quán)利要求1所述的單脈沖雷達對空目標快速捕獲方法，其特征在于:在Ξ通道恒虛 警檢測中，Ξ通道恒虛警檢測模塊利用和、方位差、俯仰差Ξ通道距離像計算背景噪聲均值 μ和標準差σ其中，，Ai為Ξ通道距離像幅度值，li和化為距離像回波信號的IQ兩路正交 信號，η為參與統(tǒng)計樣本總數(shù)。3. 如權(quán)利要求1所述的單脈沖雷達對空目標快速捕獲方法，其特征在于:Ξ通道恒虛警 檢測模塊根據(jù)恒虛警概率的大小確定口限乘子Κ;利用計算的背景噪聲均值μ和口限乘子Κ， 計算Ξ通道距離像恒虛警自適應檢測口限巧=^ X σ。4. 如權(quán)利要求3所述的單脈沖雷達對空目標快速捕獲方法，其特征在于:Ξ通道恒虛警 檢測模塊利用計算的恒虛警自適應檢測口限化，對和、方位差、俯仰差Ξ通道的距離像幅度 AiE {Α?,Αδι ,Αδ2}，同時進行檢測判決；若Ai > Ui判決為目標信號，若Ai<Ui判決為噪聲信 號，其中，Α?為和通道幅度，Αλ功方位差通道幅度，Αλ2為俯仰差通道幅度。5. 如權(quán)利要求4所述的單脈沖雷達對空目標快速捕獲方法，其特征在于:如果存在多個 信號通過檢測口限判決，Ξ通道恒虛警檢測模塊只取最大信號幅度的距離單元作為后續(xù)處 理的目標信號，并記錄其所在和差通道號，距離像單元序號及回波信號幅度。6. 如權(quán)利要求1所述的單脈沖雷達對空目標快速捕獲方法，其特征在于:波束指向調(diào)整 模塊設置波束最大調(diào)整次數(shù)，當波束調(diào)整次數(shù)小等于時，繼續(xù)調(diào)整波束指向檢測目標;當波 束調(diào)整次數(shù)大于時，終止波束調(diào)整，按規(guī)劃的捜索路線順序掃描;若不在和通道檢測到目 標，波束指向調(diào)整模塊的波束指向調(diào)整策略按W下順序進行波束調(diào)整， 1) 方位向順偏半波束寬度，俯仰向不變； 2) 方位向回偏半波束寬度，俯仰向順偏半波束寬度； 3) 方位向反偏半波束寬度，俯仰向回偏半波束寬度； 4) 方位向回偏半波束寬度，俯仰向反偏半波束寬度。7. 如權(quán)利要求1所述的單脈沖雷達對空目標快速捕獲方法，其特征在于:在和通道檢測 到目標，但不滿足和通道信號大于方位差、俯仰差通道信號時，波束指向調(diào)整模塊的波束指 向調(diào)整策略按W下方式進行波束調(diào)整:若和 < 方位差，方位向先順偏半波束寬度，后反偏1波 束寬度，若和 < 俯仰差，俯仰向先順偏半波束寬度，后反偏1波束寬度;波束指向調(diào)整模塊在 波束指向調(diào)整后，判斷是否在和通道檢測到目標，若不滿足，則需繼續(xù)調(diào)整波束指向檢測目 標，否則按流程進入下步處理。8. 如權(quán)利要求1所述的單脈沖雷達對空目標快速捕獲方法，其特征在于：目標參數(shù)估計 模塊利用和通道檢測的目標信號選通對應差通道信號，作相位和差式單脈沖測角，計算目 標方位角偏差ε Θ和俯仰角偏差其中，Κθ、fp分別為方位和俯仰角偏差斜率;Ι?和化分別為和通道IQ兩路正交信號，Ιλι 和Qm分別為方位差通道IQ兩路正交信號，Ιλ2和9λ2分別為俯仰差通道IQ兩路正交信號。9. 如權(quán)利要求1所述的單脈沖雷達對空目標快速捕獲方法，其特征在于:序列位置關聯(lián) 模塊通過W下準則進行目標數(shù)據(jù)關聯(lián)判決:若D/Ts^V"ax，判決為目標關聯(lián)成功，若D/Ts> Vmax，判決為目標關聯(lián)失敗;其中，D為前后兩個時刻的歐式距離.Ts為前后兩個時刻的時間 間隔，Vmax為雷達和目標之間最大徑向速度。10. 如權(quán)利要求1所述的單脈沖雷達對空目標快速捕獲方法，其特征在于:滑窗累積確 認模塊把目標序列位置關聯(lián)成功或失敗的結(jié)果用"0"或"Γ表示，然后將關聯(lián)結(jié)果輸入到長 度為N的滑窗中，并作滑窗式累積，累積結(jié)果記為化，再將累積結(jié)果進行判決:若化含化，判 決為目標捕獲成功，若化 <化，判決為目標捕獲失敗;其中，化為滑窗累積確認判決口限，取 值整數(shù)，范圍為〇<&<N。
【文檔編號】G01S13/72GK105842688SQ201610173127
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月23日
【發(fā)明人】李思奇, 陳懷新, 宋丹, 常軍, 蔣運輝
【申請人】中國電子科技集團公司第十研究所