單發(fā)三收天線雷達(dá)抗多徑散射檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明一種單發(fā)三收天線雷達(dá)抗多徑散射檢測(cè)方法，該方法共包含四個(gè)步驟：第一步：選取三個(gè)天線的架設(shè)高度；第二步：根據(jù)三個(gè)接收天線接收信號(hào)計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；第三步：計(jì)算檢測(cè)門限；第四步：判斷目標(biāo)是否存在。本發(fā)明利用空間分集理論，雷達(dá)采用單天線發(fā)射三天線接收方式獲取多徑條件下的觀測(cè)信號(hào)，然后利用兩兩接收天線回波功率差值的絕對(duì)值的最大值作為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)，以提高多徑條件下雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)性能。本發(fā)明大大提高了多徑條件下雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)性能，且本發(fā)明無需對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)做任何改動(dòng)，僅需要增設(shè)兩個(gè)接收天線和兩路接收通道，易于實(shí)現(xiàn)，工程適用性強(qiáng)。
【專利說明】單發(fā)三收天線雷達(dá)抗多徑散射檢測(cè)方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)，尤其是雷達(dá)抗多徑散射檢測(cè)方法，更具體地是涉及單 發(fā)三收天線雷達(dá)抗多徑散射檢測(cè)方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 雷達(dá)在探測(cè)低空目標(biāo)時(shí)存在多徑散射現(xiàn)象。多徑散射條件下，經(jīng)地海面反射回來 的目標(biāo)回波與目標(biāo)直達(dá)波處于同一雷達(dá)距離分辨單元，多路信號(hào)相互疊加，產(chǎn)生干涉效應(yīng)， 導(dǎo)致雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波時(shí)而增強(qiáng)、時(shí)而衰減，從而給雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)造成了嚴(yán)重影響。因 此，研究雷達(dá)抗多徑散射檢測(cè)方法、提高雷達(dá)低空目標(biāo)檢測(cè)性能具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者們普遍認(rèn)為:通過改變傳統(tǒng)固定載頻、單天線、單極化雷達(dá) 的工作體制來克服多徑散射對(duì)雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)的不利影響是一種行之有效的方法。例如:頻 率捷變體制、多輸入多輸出(MIM0)體制、極化分集體制等。頻率捷變體制雷達(dá)通過合理選取 多個(gè)工作頻率，能夠有效提高了多徑條件下雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)性能。但是，多個(gè)頻率的選取需要 通過算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)選取，這意味著雷達(dá)工作頻率要隨著工作場(chǎng)景的變化而變化，這 對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)要求較高，工程實(shí)現(xiàn)難度大、成本高。MIM0雷達(dá)利用空間分集理論，可消除多 徑散射對(duì)雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)帶來的不利影響，但MM0雷達(dá)現(xiàn)在還處于研制試驗(yàn)階段，離工程實(shí) 用還有一段距離。此外，極化分集體制雷達(dá)也能夠改善多徑條件下雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)性能，但其 改善效果有限，且雷達(dá)工程實(shí)現(xiàn)成本太高。綜上可見，新體制雷達(dá)能夠提高多徑條件下雷達(dá) 目標(biāo)檢測(cè)性能，但大大提高了成本，且技術(shù)尚不成熟，當(dāng)前尚沒有一種切實(shí)可用的雷達(dá)抗多 徑散射檢測(cè)方法。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：利用空間分集理論，雷達(dá)采用單天線發(fā)射三天線接 收方式獲取多徑條件下的觀測(cè)信號(hào)，然后利用兩兩接收天線回波功率差值的絕對(duì)值的最大 值作為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)，以提高多徑條件下雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)性能。本發(fā)明大大提 高了多徑條件下雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)性能，且本發(fā)明無需對(duì)雷達(dá)發(fā)射機(jī)做任何改動(dòng)，僅需要增設(shè) 兩個(gè)接收天線和兩路接收通道，易于實(shí)現(xiàn)，工程適用性強(qiáng)。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種單發(fā)三收天線雷達(dá)抗多徑散射檢測(cè)方法，包括以下步 驟：
[0006] 第一步，選取三天線架設(shè)高度
[0007] 選取發(fā)射/接收天線A的高度為200m，發(fā)射/接收天線A兼具發(fā)射與接收功能，發(fā)射 與接收分時(shí)進(jìn)行。另選取接收天線B和接收天線C，高度分別為206m和212m。發(fā)射/接收天線 A、接收天線B和接收天線C都在同一垂直平面內(nèi)，天線架設(shè)示意圖如圖1所示。
[0008] 第二步，計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量
[0009]雷達(dá)第i個(gè)接收天線接收到的信號(hào)可分別表示為
[0010] jg. =1^ ! 0 i - l, %, 3 (i)
[0011] 其中，Sl、Cl、m分別為第i個(gè)接收天線接收到的目標(biāo)回波、雜波以及接收機(jī)熱噪聲， Ho分別表示無目標(biāo)存在，Hi表示目標(biāo)存在。
[0012] 雷達(dá)三個(gè)接收天線接收信號(hào)經(jīng)平方律檢波后的輸出信號(hào)可表示為
[0013] zi= |xi|2,i = l,2,3 (2)
[0014] 兩兩接收天線接收信號(hào)之間的功率差的絕對(duì)值可表示為
[0015] Z12= I Z1~Z2 I ,Z13= I Z1~Z3 | ,Z23= | Z2_Z3 (3)
[0016] 檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量取為
[0017] L=max(zi2，zi3，Z23) (4)
[0018] 其中，max表示取最大值。
[0019] 第三步，計(jì)算檢測(cè)門限
[0020] 假定雷達(dá)第i個(gè)接收天線接收到的雜波幅度服從瑞利分布，雷達(dá)接收機(jī)第i個(gè)接收 通道熱噪聲幅度也服從瑞利分布。經(jīng)推導(dǎo)，可得雷達(dá)虛警概率為
(5)
[0022]其中，Pn、P。分別為熱噪聲和雜波平均功率。根據(jù)式(5)，在熱噪聲和雜波平均功率 已知情況下，給定虛警概率后，檢測(cè)門限可通過插值得到。
[0023]第四步，判斷目標(biāo)是否存在
[0024] 將檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量與檢測(cè)門限進(jìn)行比較，當(dāng)L>n時(shí)，判斷目標(biāo)存在；當(dāng)L<n時(shí)，判斷目 標(biāo)不存在，BP H,
[0025] L = (6) - H(,
[0026]假定目標(biāo)雷達(dá)散射截面積服從Swerling I起伏模型，經(jīng)推導(dǎo)，可得雷達(dá)檢測(cè)概率 為
(7)
[0028] 其中，會(huì)，P s為目標(biāo)功率，氣=1 + 2死咖多+ /^ C〇s20， % = 2八sin # +八2 sin 20，ps為鏡反射系數(shù)幅度，(J>為鏡反射一次反射導(dǎo)致的相位差，(J> = (J> ^ +小1，巾S為鏡反射系數(shù)相位，巾1為鏡反射一次反射路徑差導(dǎo)致的相位差。
[0029] 本發(fā)明的有益效果：
[0030] 一、無需目標(biāo)距離與飛行高度先驗(yàn)信息。本發(fā)明由于利用了三個(gè)不同高度的天線 來接收目標(biāo)回波，通過三個(gè)天線接收信號(hào)的差異性來判斷目標(biāo)是否存在。因此，無需目標(biāo)距 離與飛行高度先驗(yàn)信息。
[0031]二、多徑條件下雷達(dá)檢測(cè)性能好。本發(fā)明將三個(gè)不同高度的接收天線兩兩接收信 號(hào)之間的功率差的絕對(duì)值的最大值作為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，能夠克服多徑散射對(duì)雷達(dá)檢測(cè)的不利 影響，保證雷達(dá)對(duì)各種高度、各種距離的目標(biāo)均具有較高的檢測(cè)概率。
[0032]三、適于工程實(shí)現(xiàn)。由本發(fā)明的技術(shù)方案可見，本發(fā)明涉及的實(shí)現(xiàn)步驟少、計(jì)算量 小，對(duì)現(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)軟、硬件改動(dòng)較少，因此，本發(fā)明易于實(shí)現(xiàn)、工程適用性強(qiáng)。 【【附圖說明】】
[0033]圖1為本發(fā)明天線架設(shè)示意圖。
[0034]圖2為本發(fā)明提出的單發(fā)三收天線雷達(dá)抗多徑散射檢測(cè)方法流程圖。
[0035]圖3為本發(fā)明涉及的檢測(cè)門限與虛警概率之間的關(guān)系圖。
[0036]圖4為利用本發(fā)明進(jìn)行理論分析和蒙特卡洛仿真實(shí)驗(yàn)得到的雷達(dá)檢測(cè)性能。
[0037]圖5為利用本發(fā)明進(jìn)行理論分析得到的雷達(dá)對(duì)不同位置目標(biāo)的檢測(cè)性能。
[0038] 圖中標(biāo)號(hào)說明如下：
[0039] A-發(fā)射/接收天線;B-接收天線;C-接收天線； 【【具體實(shí)施方式】】
[0040] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步說明。
[0041] 本發(fā)明一種單發(fā)三收天線雷達(dá)抗多徑散射檢測(cè)方法，包括以下步驟：
[0042]第一步，選取三天線架設(shè)高度
[0043]選取發(fā)射/接收天線A的高度為200m，發(fā)射/接收天線A兼具發(fā)射與接收功能，發(fā)射 與接收分時(shí)進(jìn)行。另選取接收天線B和接收天線C，高度分別為206m和212m。發(fā)射/接收天線 A、接收天線B和接收天線C都在同一垂直平面內(nèi)。
[0044]第二步，計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量
[0045]雷達(dá)第i個(gè)接收天線接收到的信號(hào)可分別表示為
[0046] Xt = i t = 1,2, J (8) Is i + ci + ni ，
[0047]其中，Sl、Cl、m分別為第i個(gè)接收天線接收到的目標(biāo)回波、雜波以及接收機(jī)熱噪聲， Ho分別表示無目標(biāo)存在，Hi表示目標(biāo)存在。
[0048]雷達(dá)三個(gè)接收天線接收信號(hào)經(jīng)平方律檢波后的輸出信號(hào)可表示為
[0049] zi= |xi|2,i = l,2,3 (9)
[0050] 兩兩接收天線接收信號(hào)之間的功率差的絕對(duì)值可表示為
[0051 ] Z12= I Z1~Z2 I ,Z13= I Z1~Z3 | ,Z23= | Z2_Z3 ( 10)
[0052]檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量取為
[0053] L=max(zi2，zi3，Z23) (11)
[0054] 其中，max表示取最大值。
[0055]第三步，計(jì)算檢測(cè)門限
[0056]假定雷達(dá)第i個(gè)接收天線接收到的雜波幅度服從瑞利分布，雷達(dá)接收機(jī)第i個(gè)接收 通道熱噪聲幅度也服從瑞利分布。經(jīng)推導(dǎo)，可得雷達(dá)虛警概率為 (12)
[0058]其中，Pn、P。分別為熱噪聲和雜波平均功率。根據(jù)式(5)，在熱噪聲和雜波平均功率 已知情況下，給定虛警概率后，檢測(cè)門限可通過插值得到。
[0059]第四步，判斷目標(biāo)是否存在
[0060]將檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量與檢測(cè)門限進(jìn)行比較，當(dāng)L>q時(shí)，判斷目標(biāo)存在；當(dāng)L<q時(shí)，判斷目 標(biāo)不存在，BP
(13)
[0062]假定目標(biāo)雷達(dá)散射截面積服從Swerling I起伏模型，經(jīng)推導(dǎo)，可得雷達(dá)檢測(cè)概率 為
(14)
[0064] 其中，+ + 6 + 廠：，.P s 為目標(biāo)功率，= I co參 +為 c.os，. "1=2廠^丨110 +廠:23丨1120必為鏡反射系數(shù)幅度，(|)為鏡反射一次反射導(dǎo)致的相位差，(|) = (^ +小1，巾S為鏡反射系數(shù)相位，巾1為鏡反射一次反射路徑差導(dǎo)致的相位差。
[0065] 下面詳細(xì)對(duì)附圖中的內(nèi)容及參數(shù)作出說明：
[0066]圖1為天線架設(shè)示意圖。
[0067]圖2是本發(fā)明提出的單發(fā)三收天線雷達(dá)抗多徑散射檢測(cè)方法流程圖，該方法共包 含四個(gè)步驟:第一步:選取三個(gè)天線的架設(shè)高度;第二步:根據(jù)三個(gè)接收天線接收信號(hào)計(jì)算 檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量;第三步:計(jì)算檢測(cè)門限;第四步:判斷目標(biāo)是否存在。
[0068] 圖3至圖4是采用本發(fā)明進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果圖。仿真實(shí)驗(yàn)基于通用計(jì)算機(jī)，采用 Matlab仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。仿真參數(shù)設(shè)置為:雜波功率Pa=10,噪聲功率?"=1，鏡反射系數(shù)幅度 p s = 0.9，鏡反射系數(shù)相位巾s = JT。
[0069] 圖3是本發(fā)明中檢測(cè)門限與虛警概率之間的關(guān)系圖，橫坐標(biāo)表示檢測(cè)門限，縱坐標(biāo) 表示虛警概率。由圖3可見，虛警概率隨著檢測(cè)門限的增大而降低。在圖3的基礎(chǔ)上，可根據(jù) 設(shè)定的虛警概率，通過插值獲得檢測(cè)門限。
[0070] 圖4是本發(fā)明中通過理論推導(dǎo)和仿真實(shí)驗(yàn)得到的多徑條件下單發(fā)三收天線雷達(dá)的 檢測(cè)概率與目標(biāo)信雜噪比之間的關(guān)系圖，橫坐標(biāo)表示目標(biāo)信雜噪比
，單位為 分貝（dB)，縱坐標(biāo)表示檢測(cè)概率。計(jì)算過程中，虛警概率設(shè)為1(T3,檢測(cè)門限通過圖3插值獲 得，一次反射路徑差導(dǎo)致的相位差巾1 = 1為了體現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)，圖4中還給出了多徑條 件下單發(fā)單收天線雷達(dá)的檢測(cè)概率與目標(biāo)信雜噪比之間的關(guān)系曲線。單發(fā)單收天線雷達(dá)的 虛警概率為
is
[0072] 檢測(cè)概率為 (16)
[0074] 圖4中，實(shí)線表示通過理論推導(dǎo)得到的單發(fā)三收天線雷達(dá)檢測(cè)概率隨目標(biāo)信雜噪 比的變化曲線，虛線表示通過理論推導(dǎo)得到的單發(fā)單收天線雷達(dá)檢測(cè)概率隨目標(biāo)信雜噪比 的變化曲線，圓圈表示仿真得到的單發(fā)三收天線雷達(dá)檢測(cè)概率隨目標(biāo)信雜噪比的變化曲 線，加號(hào)表示仿真得到的單發(fā)單收天線雷達(dá)檢測(cè)概率隨目標(biāo)信雜噪比的變化曲線。圖4表 明，仿真得到的雷達(dá)檢測(cè)概率與理論推導(dǎo)得到的檢測(cè)概率相吻合，從而證明了理論推導(dǎo)的 正確性。同時(shí)，圖4表明，多徑條件下單發(fā)三收天線雷達(dá)的檢測(cè)概率明顯高于單發(fā)單收天線 雷達(dá)的檢測(cè)概率。
[0075] 不同位置的目標(biāo)，鏡反射路徑差導(dǎo)致的相位差往往不同，從而導(dǎo)致雷達(dá)檢測(cè)概率 不同。
[0076]圖5是本發(fā)明中不同(^下單發(fā)三收天線雷達(dá)檢測(cè)概率與目標(biāo)信雜噪比的關(guān)系圖， 橫坐標(biāo)表示目標(biāo)信雜噪比，單位為分貝（dB)，縱坐標(biāo)表示檢測(cè)概率。為了對(duì)比起見，圖5還給 出了不同巾1下單發(fā)單收天線雷達(dá)檢測(cè)概率隨目標(biāo)信雜噪比的變化曲線。圖5中，實(shí)線、虛 線、點(diǎn)劃線分別表示4>i = m/2、3i/4時(shí)單發(fā)三收天線雷達(dá)檢測(cè)概率，帶圓圈、加號(hào)、正方形 的實(shí)線分別表示4>i = m/2、V4時(shí)單發(fā)單收天線雷達(dá)檢測(cè)概率。圖5說明，對(duì)于不同位置的 目標(biāo)，單發(fā)三收天線雷達(dá)的檢測(cè)概率均高于單發(fā)單收天線雷達(dá)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種單發(fā)三收天線雷達(dá)抗多徑散射檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一:選取三天線架設(shè)高度 選取發(fā)射/接收天線A的高度為200m，發(fā)射/接收天線A兼具發(fā)射與接收功能，發(fā)射與接 收分時(shí)進(jìn)行;另選取接收天線B和接收天線C，高度分別為206m和212m; 步驟二:計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量 雷達(dá)第i個(gè)接收天線接收到的信號(hào)分別表示為(1) 其中，Sl、Cl、m分別為第i個(gè)接收天線接收到的目標(biāo)回波、雜波以及接收機(jī)熱噪聲，H 0分 別表示無目標(biāo)存在，Hi表示目標(biāo)存在； 雷達(dá)三個(gè)接收天線接收信號(hào)經(jīng)平方律檢波后的輸出信號(hào)表示為 Zi= |xi|2，i = l，2,3 (2) 兩兩接收天線接收信號(hào)之間的功率差的絕對(duì)值表示為 Z12= I Z1-Z2 I，Z13= I Z1-Z3 I，Z23= I Z2-Z3 I (3) 檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量取為 L=max(zi2, zi3, Z23) (4) 其中，max表示取最大值； 步驟三:計(jì)算檢測(cè)門限 雷達(dá)第i個(gè)接收天線接收到的雜波幅度服從瑞利分布，雷達(dá)接收機(jī)第i個(gè)接收通道熱噪 聲幅度也服從瑞利分布;經(jīng)推導(dǎo)，得到雷達(dá)虛警概率為(5) 其中，Pn、P。分別為熱噪聲和雜波平均功率;根據(jù)式(5)，在熱噪聲和雜波平均功率已知 情況下，給定虛警概率后，檢測(cè)門限通過插值得到； 步驟四：判斷目標(biāo)是否存在將檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量與檢測(cè)門限進(jìn)行比較，當(dāng)L>ri時(shí)，判斷目標(biāo)存在；當(dāng)L<ri時(shí)，判斷目標(biāo)不 存在，即 [b) 目標(biāo)雷達(dá)散射截面積服從Swerling I起伏模型，經(jīng)推導(dǎo)，得到雷達(dá)檢測(cè)概率為(7) 其中，，P s 為目標(biāo)功率，+ + ， % =2p5 sin^ + p52 sin2#，ps為鏡反射系數(shù)幅度，Φ為鏡反射一次反射導(dǎo)致的相位差，φ = Φ s + Φ 1，Φs為鏡反射系數(shù)相位，Φ 1為鏡反射一次反射路徑差導(dǎo)致的相位差。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單發(fā)三收天線雷達(dá)抗多徑散射檢測(cè)方法，其特征在于:所 述發(fā)射/接收天線A、接收天線B和接收天線C都在同一垂直平面內(nèi)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單發(fā)三收天線雷達(dá)抗多徑散射檢測(cè)方法，其特征在于:所 述單發(fā)三收天線雷達(dá)抗多徑散射檢測(cè)方法，采用Matlab仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)；參數(shù)設(shè)置為:P c = 10, Pn=I, Ps = 0.9, Φ S = JI04. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單發(fā)三收天線雷達(dá)抗多徑散射檢測(cè)方法，其特征在于:所 述虛警概率隨著檢測(cè)門限的增大而降低。
【文檔編號(hào)】G01S7/42GK105891800SQ201610190745
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年3月30日
【發(fā)明人】楊勇, 肖順平, 馮德軍, 張文明
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)