第2卷第4期、bl.22NO.42007年7月海军航空工程学院学报JoumalofNavaiAeornauti喇EngineeringlnstitUteJul.:2(X)7文派编号:1673-1522(2以刀)以戒“13，{睡雷达低空目标俯仰角跟踪的d算法研究方宗奎’，张会成1，吕韶煌2，田宏伟2(1.91245部队;2.92941部队，辽宁葫芦岛125侧)X)摘要:在单脉冲测角体制下，由于多径回波信号的干扰，极大地降低了雷达低空目标仰俯角跟踪精度，甚至丢失目标。通过对多路径反射环境模型分析，得出了岸、海基单脉冲雷达低空目标跟踪时仰俯角测量误差的产生原因，提出将传统的多目标分辨算法(d算法)应用于低角多径环境下目标俯仰角的跟踪测量，并在不同多径反射环境下对不同高度、不同飞行速度和飞行方向的目标进行了仿真，得到良好的仿真结果，表明该算法可较大地提高俯仰角跟踪测量精度。通过对仿真结果的分析，验证了该算法在低空目标跟踪中的有效性和可行性。关键词:低空瓜角度目标跟踪;多径传播;d算法中图分类号:TN953文献标志码:A地、海基雷达对低空巡航飞行的目标进行跟踪于低空目标俯仰角的跟踪测量，既可提高测角精度时，由于雷达视轴俯仰角通常接近于零或者负值，又可避免以上方法的不足。主波束直接扫过地、海面，多路径传播信号的干扰1仿真场景描述和多径几何模型效应使信杂比周期性的增强或衰减，很难用通常的频域信号处理方法加以改善，这严重地降低了雷达1.，场景描述场景1目标距海面20m水平巡航飞行4005，零时，可采用动目标处理技术予以一定的改进;对从距雷达10km处以400n以5的速度背离飞行;于采用单脉冲比幅测角体制的雷达，在对低空目标场景2目标距海面30m水平巡航飞行4005，跳水”现象，从距雷达130km处以300而5的速度背离飞行;场景3目标距海面50m水平巡航飞行40o5，单脉冲比幅测角是一种很常见的高精度测角方从距雷达10km处以200耐5的速度背离飞行;法，对于单点目标，其输出是一个实数，即目标偏场景4目标距海面loom水平巡航飞行4005，从距雷达50km处以10OnVs的速度背离飞行。回波信号的影响，使得其输出变为复数。目前常用以上目标为等效雷达反射截面积0.lmZ的无起的比幅测角方法有复角法和偏差补偿算法，文献[l]伏目标。雷达及环境参数如表1所示。系统地研究了单脉冲雷达在跟踪低空目标时复单脉冲的构成;文献[2』提出了复角法，该方法利用1至衰，雷达环境参数雷达参数个脉冲的回波信息，通过方程求解和最优估计等发射频率C波段脉冲重复频率18加比脉冲宽度法在实际应用中常产生病态的解，失去了稳定性;0.2哪天线波束宽度1.000(17.5皿ad)文献[3]提出了偏差补偿算法，该算法适应性较差，脉冲串长度9个脉冲对于正在爬升和下降的目标以及近距离目标，基本脉冲串周期sms天线高度230m上不成立，且运算比较复杂，实行起来较困难。本环境参数文提出将传统的多目标分辨算法(护算法)[l4应用海面浪均方根高度0.Sln风速顺风3m/s收稿日期:2以7y视一92;修回日期:2仪7y一05一1作者简介:宗奎(1972一)，男，工程师，硕士。严重地影响了雷达对低空目标俯仰角的测量，多径对低空目标的跟踪性能，当目标径向速度不接近于进行闭环跟踪测量时，有时会发生天线“甚至失去目标。离天线波束轴线的角度。对于低空目标，由于镜像2算法，可以分别得出目标和镜像的俯仰角度。复角432海军报空工程李院学报第22卷，.2多径几何及环境模型在雷达跟踪测量低空目标时，雷达波束照射目标的同时也会照射一定范围的海面(地面)，经海面反射后的雷达波束有可能达到目标，经目标反射后再回到雷达天线。因此在实际应用中，四条路径(直接一直接、直接一反射、反射一直接、反射一反射)的多重反射信号构成了雷达接收回波，反射系数是一个复值，通常包含两个分量:镜面反射，又称相干分量;漫反射分量，又称非相干分量。多径传播几何模型如图1。图1多径几何模型下面给出仿真中用到的模型。文献[5]给出镜面反射系数和漫反射系数的表达式v，=PODPs;.二v。=PODPD。2杂波的归一化雷达截面积用于SCR的计算中，文献[6]通过对海面的大量试验数据统计得到了一STT少模型:几=a+刀In一药+011。，1—少+ylln!.—田式中:沪是人射余角(deg);口是风速(kn);外分别代表参考角度和参考风速;a、刀、y分别是从试验数据中得到的常量。海杂波通常是非高斯型的，在时间和空间上具有相关性，用K分布随机数来产生归一化杂波数据。本文采用的信杂比模型由下式给出:‘二母〔骨)‘〔骨)‘，‘(4)式中:月二9:(0)+卜}e娘9，(梦)是和通道接收到的信号;氏是根据ao和雷达人射角、波束宽度等推导出;，二州的+、二}vl产是总的反射系数，使用的天线方向图第一零点达到一SOdB。2单脉冲测角的CZ算法d算法本来是用于多目标角度分辨的最大似然估计算法，在低仰角跟踪中利用d算法的基本思想是依据低仰角目标及其镜像组合的几何中心位置以及角度分布范围的数值，从而推算目标的角坐标。单脉冲天线接收到的回波和差信号分别表示为5和D:5=5，+jQS，D=D，幻几。(5)常规的单脉冲比幅测角是由单脉冲比D/5给出，这实际上是一个目标和镜像回波合成的近似角，且单脉冲比的实部带人较大的误差。如图1所示，己算法给出目标和镜像组合的几何中心位置B和角度分布范围C:B乡今二资(5’。、又55)=弓二开，(胭’、又55)C，‘=告一二子一(。。’)气5)B‘。(6)在实际应用过程中，B和d都是未知量，需要通过估计得到。对于角度中心B和角度分布范围C的估计算法表示如下.:艺，‘瓦=已+1R试仄5。)艺式几，一..艺，之1二月一刀+1一云2。(7)1二月一H+1成5，=主二泥一艺又N+1丈aS丸测量值通过一阶回归滤波，n时刻的滤波输出嵘腼二。心~团十a一)a减忌。(8)目标俯仰角0和镜像俯仰角梦可计算得到:6=B+告万，;=B一合万。(，)3仿真及结果分析3。1仿真利用1.2给出多径几何模型产生和差通道信号5、D:5=咨9，(0)君，(6)+古9，(必9，(梦)ve角+勃:(梦)9，(0)ve拼+(10)介，(笋)9，(梦)v，e汤+%，D=勃，(0)9‘(0)+古9，(0)君J(梦)ve角+勃，(梦)gd(0)ve麟+(11)式中:古代表目标信号，包括勃，(梦)君沙(梦)v，e拼+wRCsl，起伏;鸽是由反射和直射路径差引起的信号相位延迟;9，、9‘分别是和、差波束的电压增益方向图函数;，是反射系;wl、叭为和差通道独立分布的高斯噪声，仿真中为N(O，)1分布的高斯随机噪声(相比实际应用环个近似程度较高的第4期方宗奎等:雷达低空目标俯仰角跟踪的d算法研究433境，噪声方差是比较大的)o图2为4种不同场景分别用200、500、l0(刃在这个算法中，N值越大也就是采样数据越多，估计结果越准确。点数d算法估计的俯仰角跟踪误差曲线。可以看出0S07一一-Scenel.‘200月二500N.1000当，洲」1.SceneZ_二N二20N二500N一1侧】0竺巧O04O3笼』2Ecse田10勺啊.』‘301山即005，oc15OZood‘Z叨洲扣350月000的，0，叨200IS，2的3003即月的0501(扣150200ISt250口的350月00005，侧】150200此2即别扣3即月00图2不同场景的俯仰角跟踪误差.2仿真结果分析3根据仿真结果可以看出:用200、500、1以x〕不同点数进行d估计。估计值的均方根误差用与3dB波束宽度(碑)的相对值表示:1)护估计算法仅需要用到和、差通道的同相和正交分量几个数据;2)d算法需要较多的估计点数才能达到好的测角精度，但在海面上的低空目标一般机动性不会ah1-一一风裔翼(凡一成”均方根误差估计值的均方根误差1叹『ad(12)很大，因此目标俯仰角坐标变化率不会太大，d估计算法的时间滞后影响也就不会很大;3)天线越高、目标距离越近，目标与镜像的相不同场景下的均方根误差如表2所示表2d算法中使用的点数万估计误差与波束宽度的相对值0.5367=111.86310.2278=114.39020.0833=1112一01180.4398=112一2783位差变化的周期越短，越有利于减小d算法的估计误差，只要适当增大d算法的点数N，就能达到较高的精度;9.36773.97551.45307.67602.91581.12952oo5仪」4)d算法要求对每一点进行3次复数乘法运算并分别叠加，然后每个N点对叠加结果进行两次除法和一次开方，对于目前的计算机水平增加这样的运算量是比较小的，应该能够满足实时处理的要求;5)目标飞行高度较高且距离较近(loom飞行高度，0一150km的飞行距离)的场景仿真结果表明，0.1671二115一98570.0647二1115452903877=112.57930.1275=In一41180.0688=Ill4j3970.4051=112.46836.76882.22501.2(用4】卫丝2砚](j7.07103.1月642.83765加1砚只洲」0.1803=1乃.54700.1626=116.1508多径干扰下降的测量环境中，d算法的俯仰角估计性能也随之下降。434海军航空工程李院学报第22卷4结论本文研究了单脉冲雷达对低空目标跟踪的问IMI.No仰ood，MAArtechHourse，1984.12]SHERMANSM.ComPlexindicatedangles即PliedtounresolvedradartargetandmultiPath[J].IEEETransonAES，1971，AES一(7):l6)一(170.13]DAELPOURB，BLAIRWD，SHALIM丫BARBias题，提出应用d算法对低角多径环境下运动目标的俯仰角进行跟踪测量，这种方法可以应用在多径干扰较强的测量环境，与常规的单脉冲比幅测角算法c0mPensationandtrachingwithmonoPulser耐arsin相比较，可较大地改善测角精度，减小多径效应的影响，完成对巡航飞行小目标的跟踪测量，通过对雷达实际工作环境的仿真，该算法的有效性得到了充分的验证，且从仿真结果分析，其具有工程实施thePresenceofmultiPath[J].IEEETrans.ASES，1997，33(3):63一892.[4]WILLIAMJB，JOELB，THOMASMW.MonoPulseelevationdiseriminationexperimentsinlow一ngleamultiPath[M].SPIECONF.RPI，A，1998:3462.的可行性。由于d算法目标俯仰角的测量是利用目标和镜像组合的几何中心位置以及角度分布范围的数值近似估计得到的，下一步的研究工作是如何进一步提高俯仰角估算精度以及在工程上验证该算法的性能。[5]L0NGMW.Radarreflectivityoflandandsea[M].址xington:DCHeathComPany，1975一[6】SITTROPS.Onthesea-clutterdePendencyonwindsPeed【M].切ndon:InternationalRadarConference，1977:110一114.参考文献:[1]SHERMANSM.MonoPulsePrinciPlesandtechniquedAlgorithmResearchforRadarLow一AltitudeTargetElevationTracking队Nozong一kuil，zH^NoHui一chengl，沙shao一yuZ(1.仆e91245‘htjnitofPL^;2.The92941’‘Unitofp以，HuludaoLiaoningl2500o，China)Abstract:MeasuringalowaItitudetargetinelevationisdificultbothdirfectandreflectedretumsoriginateinthemainbeamoftherada.TrhispaPerdealswiththemeasurementerorofelevationoflow一raltitudetargett爪ckingwithmonoPulseradarinthePresenceofmultiPath，whichdegradesthetrackingalgorithmgreatly.BymeansoftheanalysisbasedonthemodelofmultiPathreflectionenvironment，anovelideaisPutforwardthatusingthetradition公multi一targetdisc行而nationalgodthm(CZ)toestimatetheelevationangleofthelow一altitudetarget.Throughoutthesimulationinsomescen颐ositisshownthatthemethodisefectiveandfeasibleffortrackingthetargetinIow一altitudeandmultiPathenvironment.Keywords:low一沮titudellownglet叱ettraacking;multipathpropagation;d习gorithm