弹载脉冲多普勒雷达天线波束内群目标的超分辨率检测

co s
Πd Κ
∃
Ηei
exp [ j (2Π(f I +
f di) t +
Υ∃ai ]
(5)
∑ ∑ S ∃e ( t) =
NT
S ∃ei ( t) =
i= 1
NT
4riG 0F (∃ Ηi) co s
i= 1
Πd Κ
∃
Ηa i
sin
Πd Κ
∃
Ηei
exp [ j (2Π(f I +
f di) t +
潘明海 陈振华 魏仲民 郑步生
(南京航空航天大学信息科学与技进行超分辨率离散谱估计得到群目标的多普勒频率及其幅度矢量, 在此基础上给 出了频率域内群目标的方位和俯仰误差角的单脉冲测角方法。 根据群目标回波信号的多普勒频率信息、方位和 俯仰误差角信息实现在同一雷达天线波束内的群目标超分辨率检测。给出了降低虚警概率并保持检测概率不变 的瑞利分布和莱斯分布群目标的检测方法, 包括门限检测的“M 中检出m ”方法和航迹相关检测方法。 仿真实验 证实了上述方法的可行性和方位、俯仰角参量估值的高精度特性。 关键词: 目标; 检测; 脉冲多普勒雷达 中图分类号: TN 958. 4 文献标识码: A 文章编号: 100522615 (2008) 0220220206
基金项目: 航空基础科学基金 (00 I2002) 资助项目。 收稿日期: 2007203220; 修订日期: 2007207204 作者简介: 潘明海, 男, 博士, 教授, 1962 年 9 月生, E2m a il: p anm h@ nuaa. edu. cn。
第2 期
潘明海, 等: 弹载脉冲多普勒雷达天线波束内群目标的超分辨率检测
221
技术[223 ] 或方位维 ISA R 成像方法; 当目标间的径 向速度差足够大时, 可采用谱估计方法来分辨; 当 目标间径向加速度差和信噪比足够大时, 可用时频 分析法[ 4 ] 来分辨群目标。处于运动状态的弹载雷达 多 目标是典型的非刚性群目标, 应采用速度 ( 频 率)、角度、距离等多维联合分辨[2, 526 ]。
ri 为第 i 个目标雷达反射系数 (与RCS 有关) ; G 0 为
常数; F (·) 表示天线的方向图函数; Κ为雷达发射
信号波长; d 为相邻两天线间隔。
单 脉冲雷达天线波束内的N T 个运动目标产
生的和通道、方位差通道、俯仰差通道回波信号为
∑ ∑ S 2 (t) =
NT
S 2 i ( t) =
∃E (f di) = ∃E R (f di) + j∃E I (f di) Υ2 i = a rctan- 1 [ 2 I (f di) 2 R (f di) ] Υ∃ai = a rctan- 1 [ ∃A I (f di) ∃A R (f di) ] Υ∃ei = a rctan- 1 [ ∃E I (f di) ∃ E R (f di) ] 利用各个目标的多普勒频率信息 (2 R (f di) , ∃A R ( f di ) , ∃E R ( f di ) , 2 I ( f di ) , ∃A I ( f di ) , ∃E I (f di) , Υ2 i, Υ∃ai, Υ∃ei) 可实现单脉冲测角。为简单又不 失一般性, 只考虑一个平面的情况。 对于多普勒频 率为 f d 的目标, 设两天线增益相同 (G 1= G 2= G )。 回波信号可以分别表示为
(Co llege of Info rm a tion Science and T echno logy, N an jing U n ivercity of A eronau tics & A stronau tics, N an jing, 210016, Ch ina)
Abstract: B a sed on the a lgo rithm fo r the d iscrete line sp ect rum est im a t ion of un reso lved ta rget s echo signa ls and m onop u lse techn ique in frequency dom a in, the m ea su re m ethod fo r azim u th erro r ang les and eleva t ion erro r ang les of un reso lved ta rget s is described. U sing the info rm a t ion of Dopp ler frequencies, azim u th and eleva t ion erro r ang les, th is p ap er g ives the sup erreso lu t ion detect ion of un reso lved ta rget s in the sam e an tenna. T he detect ion m ethod s of the t race a ssocia t ion fo r R ayleigh o r R ician un reso lved ta rget s m odel and the M ou t of m detect ion a re d iscu ssed. T he m ethod s ach ieve low p robab ility of the fa lse a la rm and h igh p robab ility of the detect ion in com p a rison w ith tha t of o ther detect ion m ethod s. Sim u la t ion confirm s tha t the m ethod is fea sib le, and the est im a t ing accu racy of the azim u th and eleva t ion erro r ang les is h igh. Key words: ta rget s; detect ion; p u lse Dopp ler rada r
Υ∃ei ]
(6)
式 (4～ 6) 的信号经“零中频处理器”处理、超分
辨率谱估计, 分别得到和通道、方位差通道、俯仰差
通道回波的频域幅度和相位信息分别为
2 (f di) = 2R (f di) + j2 I (f di)
∃A (f di) = ∃A R (f di) + j∃A I (f di)
第 40 2008
卷第 2 年4 月
期 Jo
u
南 京 航 空 航 天 大 学 学 报
rna l of N an jing U n iversity of A eronau t ics & A st ronau
t
ics V oAl.
40 p r.
N o. 2 2008
弹载脉冲多普勒雷达天线波束内群目标的超分辨率检测
南 京 航 空 航 天 大 学 学 报
第 40 卷
S ∃ei ( t) =
4riG 0F (∃ Ηi) co s
Πd Κ
∃
Ηa i
sin
Πd Κ
∃
Ηei
exp [ j (2Π(f I + f di) t + Υ∃ei) ]
(3)
式中: f di为第 i 个目标的多普勒频率; f I 为雷达接
收机中频频率; ∃ Ηi 为第 i 个目标与天线轴线夹角;
1 群目标的超分辨率检测
在对群目标回波信号进行超分辨率谱估计基础 上, 提取群目标的多普勒频率信息和空间方位、俯仰 误差角信息, 实现群目标的检测和各运动目标的多 普勒频率、方位和俯仰误差角参量的估计。 111 群目标的超分辨率检测原理
单脉冲雷达[2, 5 ] 的 4 个子天线相邻辐射波束在 空间构成 4 束互相交叠的平行波束, 4 个交叠波束 的等强信号线 (即雷达天线波束的中心线) 位于天 线阵面的中心, 并与各个子天线中心线平行, 分别 位于雷达天线波束内的N T 个不同的运动目标的原 理如图1 所示。雷达天线的4 个相邻辐射波束由和 差网络分别形成和通道、方位差通道和俯仰差通道 回波信号, 经A D 变换器处理后分别获得3 个通道 回波信号的两个相互正交的 I, Q 分量的采样值, 对 和通道信号的 I, Q 分量分别进行超分辨率谱估 计 , [7213 ] 获得群目标的多普勒频率信息, 再估计出
i= 1
NT
4riG 0F (∃ Ηi) co s
i= 1
Πd Κ
∃
Ηa i
co s
Πd Κ
∃
Ηei
exp [ j (2Π(f I +
f di) t +
Υ2 i ]
(4)
∑ ∑ S ∃Α( t) =
NT
S ∃ai ( t) =
i= 1
NT
4riG 0F (∃ Ηi) sin
i= 1
Πd Κ
∃
Ηa i
单脉冲多普勒雷达收、发共用同一天线, 当目 标距雷达天线较远时, 可认为目标回波信号的波前 为平面波。任一个与单脉冲雷达天线中心线的空间
夹角为 ∃ Ηi 的空间目标, 该目标方位误差角、俯仰 误差角分别为∃Ηai, ∃ Ηei。在图2 中, 直角坐标系的原 点 o 为单脉冲天线阵面中心, oz 轴为天线等强信号 线 (单脉冲雷达天线波束中心线) 方向, 它与天线阵 面垂直。x oz 平面为俯仰面, x oy 平面为方位平面, 4 个子天线波束的中心线与z 轴平行。比相和差单脉 冲雷达接收同一目标的回波信号并进行和差处理
Πd Κ
∃
Ηa i
co s
Πd Κ
∃
Ηei
exp [ j (2Π(f I + f di) t + Υ2 i) ]
(1)
S ∃ai ( t) =
4riG 0F (∃ Ηi) co s
Πd Κ
∃
Ηa i
co s
Πd Κ
∃
Ηei
exp [ j (2Π(f I + f di) t + Υai) ]
(2)
222
引 言
在雷达系统中, 角分辨率取决于雷达的天线波 束宽度, 通常不能分辨位于雷达天线波束内的多个 不同目标。 对于空空导弹弹载雷达系统来讲, 目标 一般是编队飞行的, 若弹载雷达系统不具备分辨其 波束宽度内群目标的能力, 在一定距离之外只能 “看到”群目标的“能量反射中心”, 以能量反射中心
作为检测、跟踪和攻击对象, 会引起导弹脱靶。群目 标检测问题早在20 世纪50 年代就进行了理论研究 和试验工作, 例如美国的A IM 254C 和A IM 2120 导 弹[1] 已具备初步的群目标分辨、选择与跟踪的能 力。 雷达群目标可分为刚性和非刚性目标, 刚性群 目标指群目标间的相对位置固定、运动参量相近; 非刚性群目标指群目标之间的运动参量 (速度、加 速度等) 存在差异。 刚性群目标的分辨可采用DB S
之后, 差信号与和信号的相位差为Π 2。设和信号相 位为Υ2 i、方位差信号相位为Υ∃ai、俯仰差信号相位为 Υ∃ei。对具有方位误差角 ∃ Ηai和俯仰误差角 ∃ Ηei的某 一个目标来讲, 和通道信号的振幅A 2 i、方位差通道 信号的振幅A ∃ai、俯仰差通道信号的振幅A ∃ei可直 接求出。
图 2 天线阵及 ∃ Ηi 与 ∃ Ηai, ∃ Ηei的关系
假设目标的雷达截面积 (RCS) 在相干采样时 间 t 内是固定的, 在不考虑由距离引起的回波信号 幅度衰减的前提下, 第 i 个目标的和通道回波信 号、方位差通道信号、俯仰差通道信号分别为
S 2 i ( t) =
4riG 0F (∃ Ηi) co s
Superresolution D etection of Unresolved Targets in Pulse D oppler Radar An tenna Beam
P an M ing ha i, C hen Z henhua, W ei Z hongm in, Z heng B usheng
本文是在脉冲多普勒雷达体制下, 用现代信号 处理方法来提高雷达系统的速度、角度 (方位、俯仰 误差角) 的分辨能力和检测精度, 达到在雷达天线 波束宽度内可分辨群目标的目的。因运动目标的多 普勒频率具有时变性, 决定了雷达系统的相干采样 时间必须是有限的[7]; 其次是目标机动飞行、近距 离时大目标形状和姿态转动、发射机相位噪声及频 谱的不稳定性、目标表面振动等因素都将会引起目 标多普勒频谱的进一步展宽, 频谱展宽与相干采样 时间成正比, 因此不能仅靠增加相干采样时间来提 高信号处理系统的频率分辨率, 而只能是在比较小 的相干采样时间内采用超分辨率谱估计算法[7213 ]。
为减小群目标检测的虚警概在群目标检测时采用航迹相关方法单个目标经航迹相关处理和门限比较后的虚警概率pfa式16进行化简后作积分运算经过航迹相关和门限比较之后群目标检测的虚警概率p式17包含无限项求和运算实际计算过程中群目标信号检测的航迹相关法比只根据当前检测周期内得到的速度和空间角度估值进行检测的效果好该方法利用了目标在不同检测周期内的空间位置参量的相关性只有在若干个检测周期内所检测到的结果构成一条合理的航迹时才输出该检测点
图 1 群目标的超分辨率检测原理框图
两个差通道信号对应频率分量的幅度值, 最后估计 出群目标的方位和俯仰误差角。群目标的检测利用 了目标之间的方位误差角、俯仰误差角以及径向速 度 (多普勒频率) 的差异来实现; 各运动目标参量估 计是在和通道信号的 I, Q 分量的超分辨率谱估计 算法的基础上进行的。 112 频域二维单脉冲测角算法