[发明专利]基于地形匹配的数字阵列米波雷达超分辨测高方法

说明书

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，涉及米波雷达测高，具体地说是针对数字阵列米波雷达，提出一种基于地形匹配的超分辨测高方法，可用于目标跟踪。

背景技术

按照仰角波束的形成方式和扫描方式，三坐标3D雷达可分为堆积波束雷达、频扫雷达、相扫雷达和数字波束形成雷达。

堆积波束雷达把同时形成的接收波束在仰角上垂直堆积起来，并在方位上机械扫描，以实现搜索目标和目标三坐标的测量。例如，美国的陆基S波段三坐标AN/TPS-43雷达，以6个仰角波束覆盖20°的仰角范围。L波段三坐标S713Martello雷达用8个堆积波束覆盖20°的仰角范围。

频率扫描雷达通过控制频率的变化在口径面上产生不同的相位变化梯度，从而通过电控的方法使波束指向所需的仰角，例如，S波段舰载三坐标AN/SPS-39、AN/SPS-48雷达。

相控阵三坐标雷达采用移相器在仰角上扫描或控制笔形窄波束扫描。例如L波段远程三坐标AN/TPS-59战术机动雷达。

可见，目前三坐标雷达主要是工作在S波段和L波段等微波波段。而在米波波段，波束较宽，波束因地、海面反射而导致波瓣分裂。因此，过去的米波雷达均为两坐标雷达，而两坐标雷达又不能满足现代战争的要求。

国内外雷达界普遍认为，米波雷达具有反隐身能力。但是米波雷达因受波长长、天线尺寸和架高有限等因素的限制，天线波束宽度宽、角分辨力低，更重要的是因地、海面反射即所谓“多径”问题使其难以探测低空目标，且在多径环境下难以测高，故米波雷达的测高问题一直是雷达界尚未很好解决的难题。

为较好地解决米波测高难题，最主要的技术途径是增大天线在高度维的孔径，以减小天线垂直面的波束宽度。而对于低空目标，即使增大天线在高度维的孔径，因无法避开“多径”问题，其解决测高问题主要有三类技术：

(1)穿越波束法，也就是单频波瓣分裂法，利用目标穿越波束时回波幅度的变化进行估高。这种方法要求较长的时间，只能估高而不能测高。

(2)多频波瓣分裂测高法。利用多个工作频率时分工作，但要求多个频率的工作带宽较宽。这种方法在理论可行，但实际系统较复杂，目前还没有这种实用系统。

(3)基于波瓣分裂的米波雷达测高方法。利用不同天线分裂波瓣的相位关系，确定目标所在仰角区间，对接收信号进行比幅处理提取归一化误差信号，最后根据归一化误差信号和仰角区间查表得到目标的高度。陈伯孝等在2006年在《电子学报》和雷达年会上介绍了“基于波瓣分裂的米波雷达测高方法”。这是一种在垂直维只需3根天线的米波雷达的低仰角测高方法。该方法只适合于平坦阵地，对阵地的平坦性要求较高，且测高精度只能达到距离的1％，难以满足一些精度较高的实际使用要求。

(4)阵列超分辨处理测高。把阵列信号处理中的超分辨技术应用于分辨直达波信号和多径信号。因为直达波信号和多径信号是相干的，所以这类算法主要是估计相干源波达方向DOA的超分辨算法，先使用空间平滑和Topelitz变换等方法解相干，然后利用信号子空间、噪声子空间和子阵旋转不变性等来测角。例如，赵光辉等人于2009年2月在《电子与信息学报》发表的论文“基于差分预处理的米波雷达低仰角处理算法”和胡铁军等人于2009年8月在《电波科学学报》发表的论文“阵列内插的波束域ML米波雷达测高方法”，以及胡晓琴等于2008年8月在《电波科学学报》发表的论文“米波雷达测高多径模型研究”，提出了考虑多径延时差的米波雷达阵列信号综合模型。该方法是基于平坦阵地模型，同时存在瓶颈，那就是分辨既相干，空间位置又近的目标。

上述几种测高方法均只适用于平坦阵地模型，即各天线接收的直达波与地面反射波的波程差满足近似线性关系。但是对于复杂雷达阵地，大型阵列各天线的地面发射点的起伏较大，各天线直达多径波程差不满足近似线性关系，因此在复杂阵地模型下，现有的各种测高方法测角误差较大，不再适用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于地形匹配的超分辨测高方法，消除非线性的直达多径波程差对测角的影响，提高复杂阵地模型下的测角精度和雷达的阵地适应能力。

为实现上述目的，本发明通过各阵元地面反射点的两维坐标，来计算不同阵元的直达波波程与地面反射波波程，再利用直达波波程和反射波波程构造合成导向矢量进行超分辨处理，具体步骤包括如下：

(1)从雷达回波中提取目标信号，并对该目标信号进行杂波对消和干扰对消处理，得到对消后目标信号；

(2)使用波束形成法对对消后目标信号进行仰角粗测，得到目标信号的粗测仰角