一種基于波束增益差的兩坐標(biāo)雷達(dá)估高方法

陳 磊，方 青

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所,合肥 230031)

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一種基于波束增益差的兩坐標(biāo)雷達(dá)估高方法

陳 磊，方 青

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所,合肥 230031)

兩坐標(biāo)雷達(dá)只能提供探測(cè)目標(biāo)的距離、方位信息，不能獲取目標(biāo)的高度或俯仰信息。為了估算目標(biāo)的高度，提出了一種基于波束增益差的兩坐標(biāo)雷達(dá)估高方法，根據(jù)雷達(dá)天線的“仰角-增益”測(cè)試數(shù)據(jù)，利用目標(biāo)點(diǎn)跡屬性中的高低波束增益差，求出目標(biāo)的仰角，進(jìn)而估算目標(biāo)的高度信息；同時(shí)采用加權(quán)平均值的方法平滑目標(biāo)的估高值。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，方便工程實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)與目標(biāo)二次雷達(dá)的高度信息的對(duì)比，以驗(yàn)證該方法的有效性。

兩坐標(biāo)雷達(dá)；波束增益差；估高算法；高度平滑

0 引 言

兩坐標(biāo)雷達(dá)，顧名思義，只能提供探測(cè)目標(biāo)2個(gè)維度的坐標(biāo)信息(距離和方位信息)。要獲取目標(biāo)的高度或俯仰信息，可采用以下幾種方式：(1)多部?jī)勺鴺?biāo)雷達(dá)組網(wǎng)測(cè)高的方式[1-3]；(2)兩坐標(biāo)雷達(dá)搭配測(cè)高雷達(dá)[4];(3)三坐標(biāo)雷達(dá)直接測(cè)高[5-7]。雷達(dá)組網(wǎng)測(cè)高利用多部雷達(dá)融合信息(例如距離和角度)來(lái)估計(jì)目標(biāo)的高度，進(jìn)行目標(biāo)三維定位，但具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，一方面需要多部雷達(dá)的組網(wǎng)融合，另一方面系統(tǒng)的工作依賴(lài)于各雷達(dá)站之間的網(wǎng)絡(luò)通信情況，可靠性不高。兩坐標(biāo)搭配測(cè)高雷達(dá)的工作方式，測(cè)量過(guò)程較為復(fù)雜，實(shí)時(shí)性不高，且需要額外的測(cè)高雷達(dá)設(shè)備的支持。三坐標(biāo)雷達(dá)通常采用的是多波束比幅測(cè)高的方法，雖然可以實(shí)時(shí)、精確地測(cè)算目標(biāo)高度，但三坐標(biāo)雷達(dá)的生產(chǎn)和維護(hù)成本更高，技術(shù)更為復(fù)雜。因此，單部?jī)勺鴺?biāo)雷達(dá)測(cè)高的問(wèn)題開(kāi)始吸引了相關(guān)學(xué)者的研究，并出現(xiàn)了一些研究方法[8-9]。矯志寧等人[8]提出了一種兩坐標(biāo)雷達(dá)的測(cè)高方法研究，利用目標(biāo)幅度和距離變化信息進(jìn)行目標(biāo)估高，但該方法僅適用于飛行高度比較穩(wěn)定的目標(biāo)，而且需要長(zhǎng)時(shí)間的積累，不具備普適性; 嚴(yán)俊坤等人[9]提出的基于單雷達(dá)的兩坐標(biāo)三維定位方法，是在假設(shè)目標(biāo)勻速運(yùn)動(dòng)的前提下，利用目標(biāo)的動(dòng)態(tài)模型，結(jié)合兩坐標(biāo)雷達(dá)關(guān)于目標(biāo)多個(gè)時(shí)刻的測(cè)量信息對(duì)目標(biāo)高度進(jìn)行最大似然估計(jì)。該方法也具有一定的局限性，且運(yùn)算較復(fù)雜，又僅是仿真實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文依托于某XX波段航空管制一次雷達(dá)項(xiàng)目，提出了一種基于波束增益差的兩坐標(biāo)雷達(dá)估高算法，根據(jù)雷達(dá)天線的“仰角-增益”測(cè)試數(shù)據(jù)，利用目標(biāo)點(diǎn)跡高低波束增益差信息，求出目標(biāo)的仰角，進(jìn)而估算目標(biāo)的高度，并采用加權(quán)平均值的方法平滑目標(biāo)的估高值。

1 估高原理

目標(biāo)高度并非一個(gè)直接測(cè)量值，而是一個(gè)導(dǎo)出值，根據(jù)目標(biāo)的斜距和仰角計(jì)算可得[5-6]。當(dāng)大氣隨高度的變化梯度為-0.039×10-8m時(shí)，ae=(4/3)a=8 490km，a=6 370km，為地球曲率半徑。大氣折射使雷達(dá)電波傳播路徑發(fā)生彎曲，采用等效半徑后，可認(rèn)為電波仍沿直線傳播，則：

(1)

式中：ha為雷達(dá)天線安裝高度；R為目標(biāo)斜距；β為目標(biāo)仰角。

由式(1)可知， 只要測(cè)出目標(biāo)仰角β與斜距R，就可以導(dǎo)出目標(biāo)高度。

傳統(tǒng)的兩坐標(biāo)雷達(dá)收發(fā)共用波束，沒(méi)有其他多余的信息可用，無(wú)法估算目標(biāo)仰角。本文依托的某XX波段航空管制一次雷達(dá)項(xiàng)目，天線發(fā)射采用1個(gè)波束，接收采用高低2個(gè)波束的方式。根據(jù)天線每種波束的“仰角-波束增益”測(cè)試數(shù)據(jù)，可以得出“仰角-波束增益差”的數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 仰角-波束增益差圖

由圖1可知，在0°～6°仰角范圍內(nèi),波束增益差呈現(xiàn)單調(diào)減的趨勢(shì)，在仰角大于6°時(shí)，波束增益差則呈現(xiàn)曲線震蕩的形式，所以為了避免仰角-波束增益差的二值性，這里只選取0°～6°仰角作為估高區(qū)，并將這部分的數(shù)據(jù)作為配置文件存儲(chǔ)。

2 一種基于波束增益差的估高方法

在雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)，探測(cè)到的民航飛機(jī)目標(biāo)一般的最大高度為12 000 m左右(由飛機(jī)自帶的GPS信息或二次雷達(dá)信息可得)，在0～6°仰角范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的估高距離區(qū)間：最小距離為12 000/sin6°=114 801m，最大距離為對(duì)應(yīng)的雷達(dá)最大探測(cè)距離。在雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的過(guò)程中，由信號(hào)處理模塊過(guò)濾和凝聚點(diǎn)跡，并送給數(shù)據(jù)處理模塊處理，點(diǎn)跡所帶的屬性參數(shù)中有高波束增益和低波束增益的信息。數(shù)據(jù)處理模塊經(jīng)過(guò)點(diǎn)跡預(yù)處理、點(diǎn)航相關(guān)、自動(dòng)起始、濾波跟蹤等過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、起始和跟蹤，在形成的目標(biāo)航跡參數(shù)中有每幀的點(diǎn)跡屬性信息，根據(jù)點(diǎn)跡屬性可提取出每幀的波束增益差，再通過(guò)查“仰角-增益差”對(duì)照表可以獲得對(duì)應(yīng)的仰角，進(jìn)而根據(jù)公式(1)估算出當(dāng)前幀的目標(biāo)高度。

在算法實(shí)現(xiàn)中，為了避免奇異值的出現(xiàn)，需要剔除估算的奇異值，奇異值的剔除一方面需要考慮目標(biāo)可能出現(xiàn)的最大高度，另一方面需要結(jié)合估高的歷史值，以2幀平穩(wěn)為原則：假定目標(biāo)單幀最大的高度變化范圍為Δh，若第3幀目標(biāo)估高相比第1幀超過(guò)2Δh，則第3幀高度將作為奇異值剔除，并用合理值代替[10]。估高過(guò)程中還采取加權(quán)平均法對(duì)估高值進(jìn)行平滑，具體的算法流程如下：

STEP1：讀取“仰角-波束增益差”配置文件，得到目標(biāo)對(duì)應(yīng)的“波束增益差”和“仰角”對(duì)照表，其中仰角以0.1°步進(jìn)初始化目標(biāo)估高歷史值數(shù)組，保留5幀歷史值。

STEP2：待目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤后，即目標(biāo)跟蹤歷史幀超過(guò)10幀，且目標(biāo)點(diǎn)落入估高的距離范圍時(shí)，可對(duì)目標(biāo)估高值進(jìn)行更新，并根據(jù)目標(biāo)當(dāng)前幀點(diǎn)跡屬性中的高波束增益和低波束增益求出當(dāng)前幀的波束增益差。

STEP3：由波束增益差查表求出對(duì)應(yīng)的仰角，分為以下幾種情況：

(1) 若實(shí)際增益差大于對(duì)照表中0°仰角對(duì)應(yīng)的增益，則仰角就取0°；

(2) 若實(shí)際增益差小于對(duì)照表中6°仰角對(duì)應(yīng)的增益，則仰角就取6°；

(3) 若實(shí)際增益差在對(duì)照表的增益差范圍內(nèi)，因?yàn)閷?duì)照表的單調(diào)性，可采取“二分查找”法找尋仰角，若表中恰好有該增益值，則選取對(duì)應(yīng)的仰角；若沒(méi)有，則選取與該增益值距離最近的2個(gè)仰角，采用“線性插值”法計(jì)算獲取對(duì)應(yīng)的仰角。

STEP4：根據(jù)公式(1)，求出目標(biāo)當(dāng)前幀該仰角對(duì)應(yīng)的估高值：

(1) 若估高值大于12 000m，則認(rèn)為是奇異值，將其剔除，并用12 000m作為當(dāng)前幀的估高值；

(2) 若當(dāng)前幀的估高值與上2幀的估高值的差大于2×Δh，則認(rèn)為是奇異值，將其剔除，并以前兩幀估高值為基點(diǎn)的當(dāng)前幀線性預(yù)測(cè)值作為當(dāng)前幀的估高值。

STEP5：對(duì)STEP4中計(jì)算的當(dāng)前估高值，進(jìn)行平滑處理：

(1) 若估高值落入估高范圍內(nèi)的目標(biāo)首點(diǎn)，則直接采用該值作為當(dāng)前估高值；

(2) 非首點(diǎn)情況，需根據(jù)估高的歷史值，結(jié)合當(dāng)前值進(jìn)行加權(quán)平滑處理，本算法保留最大歷史幀為5。每幀平滑系數(shù)的選取如表 1所示。

表1 每幀平滑系數(shù)

最后以平滑的估高值作為當(dāng)前幀的估高值。

STEP6：若在估高距離范圍內(nèi)，目標(biāo)當(dāng)前幀沒(méi)有跟蹤點(diǎn)，即目標(biāo)點(diǎn)跟蹤丟失，則同樣以前兩幀估高值為基點(diǎn)預(yù)測(cè)當(dāng)前幀的估高值；若目標(biāo)連續(xù)丟失三點(diǎn)，則將估高值清零。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該估高方法目前已應(yīng)用于最新研制的某XX波段航空管制一次雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)模塊。該航空管制雷達(dá)同時(shí)搭配了本地同軸的二次雷達(dá)，數(shù)據(jù)處理模塊在進(jìn)行點(diǎn)航相關(guān)時(shí)，與同一批目標(biāo)航跡相關(guān)的一次雷達(dá)點(diǎn)跡、二次雷達(dá)點(diǎn)跡會(huì)進(jìn)行融合處理，融合后的點(diǎn)跡帶有一次點(diǎn)跡和二次點(diǎn)跡的屬性信息，之后對(duì)融合后的點(diǎn)跡再進(jìn)行濾波跟蹤。本節(jié)利用目標(biāo)的二次雷達(dá)高度作為目標(biāo)估高算法性能分析的對(duì)比對(duì)象，二次雷達(dá)高度是目標(biāo)飛機(jī)上應(yīng)答器與二次雷達(dá)之間的應(yīng)答信號(hào)，一般與目標(biāo)的真實(shí)飛行高度比較接近，可作為目標(biāo)真實(shí)高度上報(bào)航空管制中心。

這里選取觀測(cè)范圍包含估高區(qū)間的目標(biāo)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在估高距離區(qū)間[150km，350km]內(nèi)，目標(biāo)共觀測(cè)到76幀，觀察目標(biāo)估高值與目標(biāo)二次雷達(dá)高度的差值隨距離變化的情況如圖 2所示。目標(biāo)在距離范圍[240km,320km]內(nèi)，估高值與高度真值最為接近，且在[260km,280km]距離內(nèi)，目標(biāo)真實(shí)飛行高度發(fā)生變化時(shí)，估高值也隨之變化。在整個(gè)估高區(qū)間內(nèi)，高度差絕對(duì)值的均值為524m，估高值的相對(duì)均方根誤差為591m。之后再選取8批估高距離區(qū)間內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行觀察，估高值與二次雷達(dá)高度差值的情況如表 2所示。由表 2可知，這些目標(biāo)的估高值與高度真值差值的絕對(duì)均值大約在580m左右，估高值的相對(duì)均方根誤差大約在640m左右，具有比較高的估高準(zhǔn)確度。多批目標(biāo)估高的觀察結(jié)果也說(shuō)明了該算法的有效性和普適性。

圖2 目標(biāo)估高結(jié)果

表2 目標(biāo)估高結(jié)果分析

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于波束增益差的兩坐標(biāo)雷達(dá)估高方法，通過(guò)目標(biāo)點(diǎn)跡高低波束增益差，求出目標(biāo)的仰角，估算目標(biāo)高度，剔除奇異值，并采用加權(quán)平均值的方法對(duì)其進(jìn)行平滑。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，已在新型的兩坐標(biāo)一次雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中得到了應(yīng)用。最后，通過(guò)與本地同軸的二次雷達(dá)的目標(biāo)高度數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的有效性。

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A Height Estimation Approach of 2D Radar Based on Beam Gain Difference

CHEN Lei,FANG Qing

(No.38 Research Institute of CETC,Hefei 230031,China)

2D radars can only provide the distance and azimuth information of target,not provide the height or elevation information of target.For estimating the height of target,this paper presents a height estimation method for 2D radar based on beam gain difference,according to the "elevation gain" test data of radar antenna,calculates the target elevation by using high and low beam gain difference of target point properties and estimates the height information of targets,at the same time uses the weighted average method to smooth the height estimation value of target.The algorithm is simple and applicable,and easy to be realized in engineering.The experiment validates the validity of the method through comparing the height estimation with the second survellance radar (SSR) height information of target.

2D radar;beam gain difference;height estimation approach;height smoothing

2015-04-28

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題，機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)，項(xiàng)目編號(hào)：2011BAH24B05

TN957.51

A

CN32-1413(2015)04-0033-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.04.009