基于雷達(dá)量測(cè)的多普勒速度計(jì)算方法研究

黃贊杰

【摘 要】環(huán)境惡劣的時(shí)候，雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)會(huì)產(chǎn)生大量的虛警雜波點(diǎn)，這會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)跟錯(cuò)的現(xiàn)象。為了能正確跟蹤目標(biāo)，就需要在航跡關(guān)聯(lián)或者起始時(shí)，排除虛警雜波點(diǎn)，關(guān)聯(lián)真實(shí)目標(biāo)點(diǎn)跡。在現(xiàn)代脈沖多普勒體制雷達(dá)中，雷達(dá)可以測(cè)量得到很準(zhǔn)確的目標(biāo)徑向速度信息。在航跡關(guān)聯(lián)或者起始時(shí)，可以利用當(dāng)前點(diǎn)跡的多普勒速度與利用當(dāng)前探測(cè)點(diǎn)跡和上個(gè)時(shí)刻探測(cè)點(diǎn)跡位置計(jì)算出來(lái)的徑向速度的相關(guān)性，來(lái)抑制虛警雜波點(diǎn)，從而提高航跡相關(guān)或者起始的準(zhǔn)確度。于是，本文描述了三種利用前后點(diǎn)跡量測(cè)位置信息來(lái)計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)跡多普勒速度的方法并進(jìn)行了比較。

【關(guān)鍵詞】雷達(dá)量測(cè)；多普勒速度；雜波抑制

中圖分類號(hào)： TN953 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）19-0009-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.003

Research on Doppler Velocity Calculation Method Based on Radar Measurement

HUANG Zan-jie

（1.No.38 Research Institute of CETC，Hefei Anhui，230088，China；

2.Key Lab of Aperture Array and Space Application （KLAASA），Hefei，Anhui，230088，China）

【Abstract】When the environment is bad，radar detection can generate many clutter points， it will result in error tracking. In order to follow the target correctly，it need exclude the clutter points and relate the real target point at track relation or track initiation. Now PD radar can measure accurate doppler velocity. Using the relation of the measurement Doppler velocity and the calculated radius velocity using the current point and the last detection point location suppress clutter， in order to raise the track relation accuracy. Therefore， in this paper three doppler velocity calculation methods are described and compared.

【Key words】Radar Measurement；Doppler Velocity；Clutter Suppression

0 引言

雷達(dá)[1]是一種通過(guò)發(fā)射電磁波來(lái)探測(cè)目標(biāo)，繼而通過(guò)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理[2]輸出目標(biāo)航跡信息的設(shè)備?，F(xiàn)代脈沖多普勒體制雷達(dá)，除了能獲取到目標(biāo)的距離、方位角和俯仰角之外，還可以測(cè)量得到準(zhǔn)確的目標(biāo)多普勒速度。環(huán)境惡劣的時(shí)候，雷達(dá)探測(cè)會(huì)產(chǎn)生大量的雜波點(diǎn)。例如機(jī)載預(yù)警雷達(dá)在下視探測(cè)過(guò)程中，它面臨的惡劣環(huán)境就是復(fù)雜多變的陸地環(huán)境。機(jī)載預(yù)警雷達(dá)往下發(fā)射的電磁波將從地面反射，這就可能產(chǎn)生大量的雜波點(diǎn)。在雜波點(diǎn)比較多的情況，要想起始或者穩(wěn)定跟蹤出真實(shí)目標(biāo)，就不能只靠點(diǎn)跡的位置信息，還需要從其他維度去考慮這個(gè)問(wèn)題。在這種情況下，雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)多普勒速度將不失為一個(gè)好的選擇?，F(xiàn)在大部分雷達(dá)，特別是脈沖多普勒體制雷達(dá)，能獲取得到目標(biāo)準(zhǔn)確的多普勒速度（誤差很小，基本可以忽略不計(jì)），而獲取的目標(biāo)位置信息就未必那么準(zhǔn)確。

目前，已經(jīng)有研究人員利用目標(biāo)多普勒速度來(lái)輔助進(jìn)行航跡跟蹤處理。在下面描述中，徑向速度和多普勒速度是一個(gè)概念，都是指目標(biāo)在其和雷達(dá)連線方向上的速度分量。作者王汪圣利等在其研究[3]中提出了一種利用目標(biāo)徑向速度信息的多假設(shè)跟蹤算法。作者尹帥等在其研究[4]中提出了一種利用目標(biāo)徑向速度信息的聯(lián)合的綜合數(shù)據(jù)互聯(lián)算法。作者韓正國(guó)等在其研究[5]中將目標(biāo)徑向速度作為一個(gè)波門限制條件，從而提出了一個(gè)航跡起始方法。作者范雄華等在其研究[6]中推導(dǎo)了相鄰周期內(nèi)目標(biāo)徑向速度的差值范圍，并提出了一個(gè)機(jī)載預(yù)警雷達(dá)航跡起始方法。

本文基于機(jī)載預(yù)警雷達(dá)距離、方位和俯仰量測(cè)信息，通過(guò)三種方法來(lái)計(jì)算目標(biāo)在當(dāng)前時(shí)刻的徑向速度，并將計(jì)算出來(lái)的徑向速度來(lái)和雷達(dá)量測(cè)出來(lái)的徑向速度和目標(biāo)真實(shí)徑向速度進(jìn)行對(duì)比。這三種方法分別是：（1）通過(guò)雷達(dá)量測(cè)兩點(diǎn)的距離之差除以時(shí)間間隔得出當(dāng)前時(shí)刻的目標(biāo)相對(duì)載機(jī)徑向速度，并將載機(jī)的徑向速度補(bǔ)償?shù)贸瞿繕?biāo)絕對(duì)徑向速度；（2）通過(guò)計(jì)算雷達(dá)量測(cè)兩點(diǎn)移動(dòng)的絕對(duì)徑向距離除以時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算目標(biāo)絕對(duì)徑向速度；（3）根據(jù)雷達(dá)量測(cè)兩點(diǎn)信息，計(jì)算出出目標(biāo)當(dāng)前的速度，并將速度投影計(jì)算出徑向速度。

1 徑向速度

徑向速度，簡(jiǎn)單來(lái)講就是目標(biāo)或者機(jī)載平臺(tái)速度在目標(biāo)和雷達(dá)連線方向上的速度分量。如圖 1所示，在某個(gè)時(shí)刻，雷達(dá)載機(jī)速度為VP，目標(biāo)速度為VT，其分別在連線AB上的速度大小為VA和VB。若定義沿BA方向?yàn)檎?，則目標(biāo)徑向速度為VB，而載機(jī)徑向速度為-VA。

2 問(wèn)題描述

假設(shè)某一探測(cè)時(shí)刻t1，雷達(dá)載機(jī)平臺(tái)在WGS-84坐標(biāo)系下的經(jīng)度、緯度和高度分別為L(zhǎng)ong（t1）度，Lat（t1）度和Alt（t1）米，載機(jī)平臺(tái)的絕對(duì)速度為V（t1）米每秒。通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，載機(jī)平臺(tái)位置在地心地固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為[X（t1），Y（t1），Z（t1）]，同時(shí)在地心地固坐標(biāo)系下的速度為[Vx（t1），Vy（t1），Vz（t1）]。在時(shí)刻t1，探測(cè)到的某一目標(biāo)的平臺(tái)極坐標(biāo)系下的距離方位俯仰量測(cè)分別為R（t1）米，A（t1）度和E（t1）度，同時(shí)輸出該目標(biāo)的徑向速度為D（t1）（本文定義徑向速度沿目標(biāo)到雷達(dá)載機(jī)方向?yàn)檎?。假設(shè)在上一個(gè)探測(cè)時(shí)刻t0，雷達(dá)載機(jī)在WGS-84坐標(biāo)系下的經(jīng)度、緯度和高度分別為L(zhǎng)ong（t0）度，Lat（t0）度和Alt（t0）米，載機(jī)平臺(tái)的絕對(duì)速度為V（t0）米每秒。通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，載機(jī)平臺(tái)位置在地心地固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為[X（t0），Y（t0），Z（t0）]，同時(shí)在地心地固坐標(biāo)系下的速度為[Vx（t0），Vy（t0），Vz（t0）]。在時(shí)刻t0，探測(cè)到的某一目標(biāo)的平臺(tái)極坐標(biāo)系下的距離方位俯仰量測(cè)分別為R（t0）米，A（t0）度和E（t0）度，同時(shí)輸出該目標(biāo)的徑向速度為D（t0）。時(shí)刻t0和時(shí)刻t1之間的時(shí)間間隔為ΔT秒。上述描述中，平臺(tái)極坐標(biāo)系中方位正北為0度，正北偏西為正，正北偏東為負(fù)，俯仰向上為正，向下為負(fù)；雷達(dá)輸出的目標(biāo)徑向速度實(shí)際上是雷達(dá)直接探測(cè)的目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的徑向速度加上載機(jī)的徑向速度補(bǔ)償?shù)贸龅哪繕?biāo)絕對(duì)徑向速度。

基于以上描述，本文要討論研究的問(wèn)題就是怎么樣通過(guò)雷達(dá)的量測(cè)距離方位俯仰信息來(lái)計(jì)算目標(biāo)的絕對(duì)徑向速度。下面介紹利用雷達(dá)量測(cè)信息來(lái)計(jì)算目標(biāo)徑向速度的方法。

3 基于量測(cè)徑向速度計(jì)算

本文提到的雷達(dá)測(cè)量的目標(biāo)徑向速度實(shí)際上是雷達(dá)物理測(cè)量的目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)載機(jī)平臺(tái)的徑向速度和雷達(dá)載機(jī)在目標(biāo)徑向上的速度分量的合成速度。由于雷達(dá)物理測(cè)量的相對(duì)徑向速度是非常準(zhǔn)確（誤差基本可以忽略不計(jì)），故本文將相對(duì)徑向速度真值作為雷達(dá)物理測(cè)量的相對(duì)徑向速度。接下來(lái)介紹三種計(jì)算目標(biāo)徑向速度方法。

3.1 計(jì)算徑向速度方法一

該方法利用時(shí)刻t0和時(shí)刻t1雷達(dá)探測(cè)距離R（t0）和R（t1）來(lái)計(jì)算目標(biāo)相對(duì)載機(jī)的徑向速度，繼而補(bǔ)償載機(jī)在徑向上的速度分量得到目標(biāo)絕對(duì)徑向速度。計(jì)算方法一的具體描述如下：

步驟一：用t0時(shí)刻和t1時(shí)刻雷達(dá)探測(cè)距離之差除以t0時(shí)刻和t1時(shí)刻時(shí)間間隔ΔT得到目標(biāo)相對(duì)載機(jī)徑向速度，即■；

步驟二：將t1時(shí)刻雷達(dá)量測(cè)的距離R（t1）、方位A（t1）、俯仰E（t1）通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到地心地固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，假設(shè)轉(zhuǎn)換之后坐標(biāo)為[X0（t1），Y0（t1），Z0（t1）]；

3.2 計(jì)算徑向速度方法二

該方法將t0時(shí)刻探測(cè)的目標(biāo)距離R（t0）、方位A（t0）、俯仰E（t0），通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到t1時(shí)刻載機(jī)平臺(tái)位置下的極坐標(biāo)即距離R'（t0）、方位A'（t0）、俯仰E'（t0），繼而通過(guò)計(jì)算徑向距離的變化率來(lái)計(jì)算目標(biāo)徑向速度。計(jì)算方法二的具體描述如下：

4 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置三種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，第一種場(chǎng)景，載機(jī)從經(jīng)緯高[110度，20度，10000m]處以300m/s的速度勻速直線往經(jīng)緯高[112度，20度，10000m]飛行，同時(shí)目標(biāo)從經(jīng)緯高[114度，21度，10000m]處以400m/s的速度勻速直線往經(jīng)緯高[114度，19度，10000m]飛行；第二種場(chǎng)景，載機(jī)從經(jīng)緯高[110度，20度，10000m]處以300m/s的速度勻速直線往經(jīng)緯高[112度，20度，10000m]飛行，同時(shí)目標(biāo)從經(jīng)緯高[114度，20度，10000m]處以400m/s的速度勻速直線往經(jīng)緯高[112度，20度，10000m]飛行；第三種場(chǎng)景，載機(jī)從經(jīng)緯高[110度，20度，10000m]處以300m/s的速度勻速直線往經(jīng)緯高[112度，20度，10000m]飛行，同時(shí)目標(biāo)從經(jīng)緯高[113度，21度，10000m]處以400m/s的速度勻速直線往經(jīng)緯高[114度，19度，10000m]飛行。假設(shè)雷達(dá)的探測(cè)周期為5秒，初始位置作為第一個(gè)探測(cè)時(shí)刻，給出從第二個(gè)探測(cè)時(shí)刻開始的共100個(gè)探測(cè)時(shí)刻的徑向速度計(jì)算結(jié)果圖。如下圖所示，分別計(jì)算了雷達(dá)距離方位俯仰探測(cè)誤差分別為[30米，0.1度，0.3度]和[30米，0.3度，0.9度]下的目標(biāo)徑向速度。由于本文側(cè)重徑向速度計(jì)算，故沒(méi)有考慮點(diǎn)跡探測(cè)過(guò)程，認(rèn)為每個(gè)探測(cè)時(shí)刻點(diǎn)跡均被探測(cè)到。

圖2展示的是場(chǎng)景一的計(jì)算結(jié)果，其中圖（a）是雷達(dá)量測(cè)誤差為[30米，0.1度，0.3度]時(shí)候的徑向速度結(jié)果，計(jì)算方法一、計(jì)算方法二和計(jì)算方法三與雷達(dá)量測(cè)徑向速度的誤差均方根分別為9.8682、9.8467和10.4160；其中圖（b）是雷達(dá)量測(cè)誤差為[30米，0.3度，0.9度]時(shí)候的徑向速度結(jié)果，計(jì)算方法一、計(jì)算方法二和計(jì)算方法三與雷達(dá)量測(cè)徑向速度的誤差均方根分別為10.0080、10.0326和31.6948。

圖3展示的是場(chǎng)景二的計(jì)算結(jié)果，其中圖（a）是雷達(dá)量測(cè)誤差為[30米，0.1度，0.3度]時(shí)候的徑向速度結(jié)果，計(jì)算方法一、計(jì)算方法二和計(jì)算方法三與雷達(dá)量測(cè)徑向速度的誤差均方根分別為9.9194、9.9205和10.1063；其中圖（b）是雷達(dá)量測(cè)誤差為[30米，0.3度，0.9度]時(shí)候的徑向速度結(jié)果，計(jì)算方法一、計(jì)算方法二和計(jì)算方法三與雷達(dá)量測(cè)徑向速度的誤差均方根分別為9.7997、9.7806和27.1151。

圖4展示的是場(chǎng)景三的計(jì)算結(jié)果，其中圖（a）是雷達(dá)量測(cè)誤差為[30米，0.1度，0.3度]時(shí)候的徑向速度結(jié)果，計(jì)算方法一、計(jì)算方法二和計(jì)算方法三與雷達(dá)量測(cè)徑向速度的誤差均方根分別為8.8159、8.8195和9.4942；其中圖（b）是雷達(dá)量測(cè)誤差為[30米，0.3度，0.9度]時(shí)候的徑向速度結(jié)果，計(jì)算方法一、計(jì)算方法二和計(jì)算方法三與雷達(dá)量測(cè)徑向速度的誤差均方根分別為8.2048、8.1588和24.0746。

5 小結(jié)

本文描述了三種利用前后探測(cè)時(shí)刻點(diǎn)跡位置信息來(lái)計(jì)算目標(biāo)徑向速度的方法。這三種目標(biāo)徑向速度計(jì)算方法以及其仿真結(jié)果可以為雷達(dá)數(shù)據(jù)處理提供一定的參考。但是本文和還沒(méi)有從理論上去推導(dǎo)這三種方法計(jì)算的目標(biāo)徑向速度與雷達(dá)量測(cè)目標(biāo)徑向速度的差異。今后一段時(shí)間的工作將爭(zhēng)取從理論上去定量分析這三種方法計(jì)算的目標(biāo)徑向速度與雷達(dá)量測(cè)目標(biāo)徑向速度的差異。

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