米波雷达低仰角测高相关问题研究
米波三坐标雷达低角测高的精度提高研究
米波三坐标雷达低角测高的精度提高研究作者：杨成来源：《电子技术与软件工程》2016年第13期摘要米波三坐标雷达由于其反隐身、反辐射导弹方面具有独特优势，近年来在各国军事战备上受到了普遍重视，但在实际的操作过程中，雷达测高的精度会受到多径效应的影响从从而产生误差，加之米波三坐标雷达使用的米波波长较长而米波雷达天线主瓣波束较宽，因此米波雷达在角分辨率上的体现状况较差，尤其是在低仰角情况下，米波雷达受到的影响更为明显。
本文将从米波三坐标雷达的自身特点出发，分析在低仰角状态下米波雷达测高精度受到的影响，并针对其中存在的问题探讨提高精度的有效方法。
【关键词】米波三坐标雷达低仰角精度米波雷达受到多径效应的影响，对低空目标的仰角测量精度往往存在较大的误差，造成实际操作过程中的目标定位不准以及跟踪性能下降等情况，如何有效的提高米波雷达在低仰角情况下的测高精度是保证米波雷达在实战过程中稳定性和可靠性的前提。
1 米波三坐标雷达及其特点1.1 米波三坐标雷达概述米波雷达工作波长为1～10米，即频率为30～300兆赫之间，传统的米波雷达由于其波长相对于其他雷达较长，而分辨率较低，且探测精度较低，因此主要用于长距离探测以及预警戒防工作。
米波雷达在过去一度被认为是一种性能较差的雷达，因此在很大程度上，米波雷达在实际的军事操作中并没有的到使用，直至20世纪80年代末，俄罗斯在米波雷达研究上取得突破性进展，研制出了多种性能先进的米波三坐标雷达系统，使米波雷达再次进入世界各国研究人员的视野中，重新受到重视。
1.2 米波三坐标雷达特点米波三坐标雷达承袭了传统米波雷达的强大优势，一方面其探测和测距简单，相对较小的辐射功率下能够探测到距离较远的目标，且雷达整体采用的硬件设备都较为简单。
另一方面，米波三坐标雷达具有相当强大的反隐身目标优势，隐身飞机吸波涂层的频带较短，对米波雷达的吸收效果较差，因此米波三坐标雷达还具有明显的对抗反辐射雷达的优势。
基于射线追踪的米波雷达低角测高
（ Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ２ １ ０ ０ ３ ９ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄｓ： ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｗａ ｖ ｅ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ；ｈｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ｍｅ ａ ｓ ｕｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ；ｒ ａ ｙ ｔ ｒ ａ ｃ ｉ ｎｇ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ
０ 引 言
米 波雷 达 电磁波 传 播 衰 减 比微 波 雷达 小 ， 作 用 距 离远 ， 对 低空 和海 面 目标具 有有 限超 视距 探测 的能 力 ，
Ｈｅ ｉ ｇ ｈ ｔ Ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｌｏ ｗ Ｅｌ ｅ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔａ ｒ ｇ ｅ ｔ ｉ ｎ Ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｗａ ｖ ｅ Ｒａ ｄ ａ ｒ
Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｒａ ｙ ｔ ｒ ａ ｃ ｉ ｎ ｇ Ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ
ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅ ｒ ｅ ｆ ｏ ｒ ｅ ｔ ｈ ｅ ｈ ｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｌ ｏ ｗ ｅ ｌ ｅ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ａ ｒ ｇ ｅ ｔ ｉ ｎ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｗａ ｖ ｅ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｉ ｓ ｄ ｅ ｇ ｒ ａ ｄｅ ｄ ． Ｔｏ ｍａ ｋ ｅ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ
ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｒ ｅ ｌ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｃ ｈ ｏ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｓ ｈ ｉ ｇ ｈ ｌ ｙ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｉ ｎ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｌ ｎｄ ａ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｄ ａ ｐ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ＇ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｇ ｏ ｉｔ ｒ ｈ ｍ．
雷达低仰角目标检测与测高关键技术研究
雷达低仰角目标检测与测高关键技术研究雷达低仰角目标检测与测高关键技术研究摘要：雷达低仰角目标检测与测高是现代雷达系统中的重要技术问题之一。
低仰角目标检测与测高技术在军事、民用领域具有广泛的应用前景。
本文首先介绍了雷达低仰角目标检测与测高的研究背景和意义，接着深入分析了该技术面临的挑战和问题，并提出了相应的解决方案和关键技术。
通过对多种低仰角目标检测与测高方法的比较与分析，本文最终给出了一种有效的低仰角目标检测与测高技术解决方案，并进行了实验验证。
关键词：雷达，低仰角，目标检测，测高，关键技术1. 研究背景和意义随着现代雷达系统的普及和应用，低仰角目标的检测与测高成为了一个重要的技术问题。
低仰角目标广泛存在于军事、航空、气象和交通等领域，对于实际应用具有重要意义。
例如，在军事领域中，低空飞行的无人机、导弹等目标威胁日益增加；在航空领域中，低空飞行的飞机和直升机也具有重要的监测和救援意义；在气象和交通领域中，对雷暴活动以及风切变的监测也需要对低仰角目标进行准确检测与测高。
因此，研究雷达低仰角目标检测与测高的关键技术具有重要的理论研究和实际应用价值。
2. 面临的挑战和问题然而，雷达低仰角目标检测与测高技术也面临着一系列的挑战和问题。
首先，低仰角会使得目标的雷达回波信号相对较弱，容易受到地面回波的干扰。
其次，地面杂波和多普勒频移会造成信号的复杂多变，影响目标检测的准确性和稳定性。
此外，气象条件和地形环境的影响也会对目标信号的传播和接收造成一定的影响。
3. 解决方案和关键技术为了克服上述问题，研究人员提出了一系列解决方案和关键技术。
首先，通过增加雷达系统的工作频率和功率，可以增强雷达回波信号的强度，提高目标检测的灵敏度。
其次，采用波束形成技术，通过优化天线的方向图和波束宽度，可以减少地面杂波的干扰，提高目标信号的接收效果。
此外，应用先进的信号处理算法，如脉冲压缩和频谱分析，可以提高目标信号在杂波中的分辨率。
基于波瓣分裂的米波雷达低仰角测高方法及其应用
基于波瓣分裂的米波雷达低仰角测高方法及其应用陈伯孝;胡铁军;郑自良;王锋;张守宏【期刊名称】《电子学报》【年(卷),期】2007(035)006【摘要】针对米波雷达的波束较宽、由于地面反射引起波瓣分裂,通常只能估高而不能测高这一难题,提出一种基于分裂波瓣的米波雷达低仰角测高方法--比相比幅法.该方法采用多个不同高度的测高天线,由于不同高度天线的分裂波瓣有一定的相位关系,利用该相位关系确定目标所在仰角区间;利用不同天线接收信号幅度进行比幅处理提取归一化误差信号;再查表得到目标的高度.分析地面起伏对测高精度的影响;推导不同阵地情况下的比幅误差曲线.将该方法应用于某型雷达,在我国首次成功地进行了米波雷达测高.试验结果表明该方法是行之有效的.【总页数】5页(P1021-1025)【作者】陈伯孝;胡铁军;郑自良;王锋;张守宏【作者单位】西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室,陕西西安,710071;西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室,陕西西安,710071;南湖机械总厂,湖北荆州,434000;西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室,陕西西安,710071;西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室,陕西西安,710071【正文语种】中文【中图分类】TN957【相关文献】1.米波雷达低仰角测高方法研究 [J], 强勇;茹伟2.复杂阵地米波雷达低仰角测高算法研究 [J], 宋秀芬;朱伟;谢腾飞;马晓静3.地形对基于波瓣分裂的米波雷达测高方法的影响 [J], 徐源;陈伯孝4.约束 MUSIC 算法在米波雷达低仰角测高中的应用 [J], 朱伟;郑轶松;陈伯孝5.基于多帧相位增强的米波雷达低仰角目标DOA估计方法 [J], 项厚宏;陈伯孝;杨婷;杨明磊因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
米波雷达阵列超分辨和测高方法研究
米波雷达阵列超分辨和测高方法研究米波雷达阵列超分辨和测高方法研究随着科技的不断进步，雷达技术在军事、航空、气象等领域得到了广泛应用。
米波雷达阵列是一种新型的雷达系统，具有高能量和高精度的特点。
本文将围绕米波雷达阵列的超分辨和测高方法展开研究。
首先，我们来了解一下米波雷达阵列的基本原理。
米波雷达是通过发射和接收微波信号来感知目标物体的位置和速度。
而阵列是由多个发射天线和接收天线组成的，通过在时间上和空间上的配合工作，可以实现对目标物体的高精度定位。
超分辨是指通过改变雷达阵列的发射和接收方式，提高雷达系统的分辨率。
测高是雷达系统通过测量微波信号的传播时间，从而计算出目标物体的高度。
在米波雷达阵列的超分辨方面，有两种常用方法：波束形成和数字波束形成。
波束形成是通过改变天线的辐射方向和接收方向来实现。
通过将多个天线的信号进行加权叠加，可以形成一个窄波束，从而提高雷达系统的分辨率。
数字波束形成则是通过对接收到的信号进行数字信号处理来实现。
这种方法可以对接收到的信号进行相位和幅度的调整，从而实现对目标物体的精确定位。
而在测高方面，米波雷达阵列通常采用脉冲压缩技术。
当雷达系统发射一个脉冲信号后，目标物体会回波一个反射信号。
通过测量反射信号的传播时间，可以计算出目标物体与雷达系统之间的距离。
而通过计算多个反射信号的传播时间，可以得到目标物体的高度信息。
除了传统的测高方法，还有一种新颖的方法被应用在米波雷达阵列中，即干涉测高方法。
干涉测高方法基于干涉原理，利用雷达系统中两个或多个天线之间的相对位移来计算目标物体的高度。
这种方法不仅可以测量目标物体的高度，还可以获得目标物体的三维形态信息，具有更高的精度和分辨率。
在研究中，我们发现米波雷达阵列的超分辨和测高方法对于目标探测和跟踪具有重要意义。
它们能够提高雷达系统的分辨率和精度，使雷达能够更准确地探测目标的位置和运动信息。
此外，超分辨和测高方法还可以应用于雷达成像和目标识别等方面，为军事、航空和地质勘探等领域提供更好的服务。
米波阵列雷达低仰角目标测高方法研究
米波阵列雷达低仰角目标测高方法研究米波阵列雷达低仰角目标测高方法研究摘要：为了提高米波阵列雷达对低仰角目标的测高精度和可靠性，在该研究中，我们通过深入分析了雷达原理及信号处理算法，并提出了一种改进的低仰角目标测高方法，实现了对目标高度的准确测量。
该方法不仅能够应对极低仰角条件下目标高度测量的困难，而且具有较高的抗干扰性能。
1. 引言随着雷达技术的不断发展和应用领域的扩大，对雷达目标测量的需求也日益增加。
传统的雷达测高方法大多基于波形拟合或者目标间的位置变化测量，存在测高精度不高，适用范围有限等问题。
然而，在实际应用中，低仰角目标的高度测量更加困难，而且通常会受到地面反射、多径效应等干扰的影响。
因此，研究一种能够准确测量低仰角目标高度的方法成为了一项迫切的需求。
2. 雷达原理分析首先，我们对米波阵列雷达的工作原理进行了深入分析。
米波阵列雷达由多个发射天线和接收天线组成，在工作过程中，雷达通过发射射频信号，接收目标返回的回波信号。
然后，通过对接收到的回波信号进行信号处理，可以得到目标的位置信息。
然而，由于低仰角目标到达雷达的回波信号相对较弱，受到地面影响的同时，还受到多种干扰的影响，使得目标高度的测量变得十分困难。
3. 信号处理算法优化为了解决低仰角目标测高中存在的问题，我们对传统的信号处理算法进行了优化。
首先，我们适用了多普勒频率、距离和角度信息，将回波信号进行分析与提取。
然后，采用了基于最小二乘法的目标高度测量算法。
该算法通过对多个接收天线的回波信号进行组合和处理，并利用最小二乘法对目标的高度进行估计，从而实现了目标高度的准确测量。
通过对实际数据的多次验证，我们发现该算法在低仰角目标测高中具有较高的精度和可靠性。
4. 目标高度测量实验与分析为了验证优化后的低仰角目标测高方法的效果，我们进行了一系列的实验。
实验中，我们使用了米波阵列雷达，并制定了不同高度的目标进行测量。
通过对实验数据的处理与分析，我们发现，优化后的信号处理算法在不同仰角和多路径干扰条件下均能够准确测量目标的高度，并且具有较高的稳定性和可靠性。
干涉阵列米波雷达的低仰角高精度估计方法
干涉阵列米波雷达的低仰角高精度估计方法陈根华;陈伯孝;朱伟【摘要】10.3969/j.issn.1001-2400.2012.06.007% 针对米波雷达低仰角估计的难题，结合干涉技术和超分辨算法的优点，提出了干涉阵列米波雷达的高精度低仰角估计方法。
该方法首先利用干涉结构扩展阵列孔径，再将常规的空间平滑算法推广到干涉阵，提出了干涉阵的空间平滑方法，然后应用其实现低仰角多径信号的解相干，最后利用双尺度酉ESPRIT算法得到低仰角的高精度估计。
仿真结果和实测数据验证了干涉阵列的前后向空间平滑方法及干涉阵列的高精度低仰角估计方法的有效性，并分析了该方法存在的信噪比门限与基线模糊门限的产生原因。
【期刊名称】《西安电子科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】7页(P42-48)【关键词】干涉阵列;低仰角;空间平滑;解模糊【作者】陈根华;陈伯孝;朱伟【作者单位】西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室,陕西西安 710071;西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室,陕西西安 710071;西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室,陕西西安 710071【正文语种】中文【中图分类】TN958米波雷达具有反隐身、穿透力强等突出优势,但波束宽、角分辨率差等缺点限制其实现高精度的目标跟踪与定位.特别是当波束打地或目标仰角小于1/3波束宽度时,地(海)面的多径反射信号引起波瓣分裂[1],使得常规的单脉冲测仰角技术失效[2],严重时产生米波雷达的“盲区”.目前主要采用超分辨技术对米波雷达低仰角估计或测高问题进行研究[3-6],但并未从根本上解决问题.众所周知,造成米波雷达低仰角估计精度低的根本原因是米波雷达的波束太宽及地面反射多径信号环境太复杂.由于米波雷达波长较长,架设密布的大孔径天线在工程上不易实现且成本高.如何在不增加硬件成本及计算复杂度的条件下扩展米波雷达的天线孔径具有重要的工程实际意义.早期的微波合成干涉雷达[7]可以有效扩展孔径,提高测角精度,降低系统的硬件成本.由于干涉雷达是通过比相的方式测角,因此其测角精度与基线长度成正比,但过少的自由度限制了测角模糊问题的解决,需要额外的阵元实现解模糊,如常用的5阵元解模糊算法[7],且对信噪比要求较高.而干涉阵列天线既扩展了孔径又大大提高了系统的自由度[6,8],为采用超分辨算法实现解模糊创造了条件,且工程上也易实现小孔径天线的架高.目前应用于米波雷达的低仰角估计的超分辨算法主要有子空间类与参数估计类.参数估计类算法不受多径相干信号的影响,但计算量较大,难以实时处理[6,8],而子空间类超分辨算法需要对多径信号解相干,以恢复信号协方差矩阵的秩.常用的解相干算法有空间平滑算法[9]与Toeplitz化[10]等算法,前者是以降低阵列的有效孔径为代价的,后者则要求高信噪比,且两种算法都是针对均匀线阵提出的,而关于干涉阵列的解相干算法未见报道.针对以上问题,结合干涉技术和超分辨算法的优点,笔者提出了干涉式米波雷达阵列结构,在俯仰上以较小的硬件成本扩展天线的孔径,并将常规的均匀线阵(Uniform Linear Array,ULA)的空间平滑算法推广到干涉阵列,提出了适用于干涉阵列的前后向空间平滑方法,然后利用该方法实现多径信号的解相干,最后利用双尺度酉ESPRIT算法[11]得到高精度的低仰角估计.如图1所示,设干涉式米波阵列天线放置在垂直孔径上,该干涉阵列天线由两个相同的子阵S 1和S 2组成;每个子阵均为M个阵元的均匀线阵,子阵内阵元间距为d(d≤λ/2);干涉阵的基线长度为D(D≫Md),λ为入射信号波长;天线的法向方向(水平方向)以上的角度为正,反之则为负;干涉阵列天线的相位中心高度为h a;目标高度为h t.在米波雷达的低仰角目标跟踪或测高应用中,通常假设在低仰角区只有一个远场窄带目标[1,5].为了降低多径信号产生的误差,常用图1所示的两目标信号模型[12](不考虑地球曲率).目标直达波与反射波的入射方向分别为θ1≥0和θ2＜0,直达波与地面反射波的波程分别为R 1和R 2,波程差ΔR=R 2-R 1.设,为干涉阵的接收信号矢量,即式中,,为干涉阵的响应矢量,k=1,2,为子阵S 1的导向矢量(以子阵S 1最底端阵元为参考阵元);u k=sinθk,为俯仰维的方向余弦;s(t)为直达信号复包络;ρ为地面反射系数;τ=ΔR/c,由几何关系可得ΔR≈2(R 1 sinθ1+h a)h a/R 1,c为电磁波传播速度;n(t)是与信号统计独立的、零均值方差为的加性复高斯白噪声;上标“T”表示转置,L为快拍数.由于地面反射的多径信号与直达波完全相干[1,3,5,11],从而导致信号协方差矩阵秩亏.因此,在应用子空间类超分辨算法估计仰角之前,需对多径信号解相干,以恢复信号协方差矩阵的秩.结合低仰角目标的信号环境及干涉阵的结构特征,笔者先采用干涉阵的前后向空间平滑方法对多径信号解相干,再利用双尺度酉ESPRIT算法实现高精度低仰角估计.目前的空间平滑算法[5,9-10]都是针对均匀线阵(ULA)进行研究的,而关于干涉阵的空间平滑方法尚未见报道.干涉阵也可分成多个重叠的相同子干涉阵,符合前向空间平滑的结构特征,同时干涉阵列也是中心对称的,也符合后向空间平滑的条件.因此,笔者将前后向空间平滑思想推广到干涉阵列中,提出了干涉阵的前后向空间平滑方法,并给出详细的理论证明.定理设干涉子阵的阵元数为M,信源数为N,前后向空间平滑的子干涉阵个数为P,前后向平滑后干涉子阵的阵元数为m,即有M=m+P-1.当m≥N且P≥N时,干涉阵列的前后向空间平滑数据协方差矩阵R fb是满秩的.证明设有N个远场窄带相干信号入射到如图2所示的干涉阵,入射角分别为φk,k=1,…,N,则阵列的数据输出矢量为其中,s y(t)=[s 1(t),…,s N(t)]T,为信号复矢量;n y(t)为高斯白噪声;A为导向矢量矩阵.由式(1)可将A分解成如下形式:其中,A 1=[a 1(φ1),a 1(φ2),…,a 1(φN)],为Vandermonde矩阵;B=dia(gexp(j2πD sinφ1/λ),…,exp(j2πD sinφN/λ)),为对称矩阵.当M≥N时,即干涉子阵的阵元数大于等于信源数时,A 1是满秩的;又ran k(A)=ran k(A 1),则A也是列满秩的,其中rank(·)表示矩阵秩.这是干涉阵与均匀线阵的根本区别,对于均匀线阵则要求总的阵元数大于等于信源数.干涉阵的协方差矩阵为其中,信号协方差矩阵,I 2M为2M阶单位矩阵.因为N个信号完全相干,则R s是奇异的且秩为1.首先将干涉阵分成P个相互重叠且基线长度不变的子干涉阵,每个子干涉阵由S 1的m个阵元S 1,p与S 2的m个阵元S 2,p组成,p=1,…,P,P=M-m+1,则第p个子干涉阵的输出信号矢量可表示成其中,A s表示平滑后的第1个子干涉阵的导向矩阵,A s=(I 2⊗J s)×A;I 2表示选择干涉阵的两个子阵;J s=[I m,0 m×(M-m)],为子阵的选择矩阵;C=diag[ exp(j2πd sinφ1/λ),…,exp(j2πd sinφN/λ)],diag[·]表示对角矩阵.由式(5)可得第p个子干涉阵的协方差矩阵为很显然,只有当m≥N时,ran k((I 2⊗J s)×A)=N.综合以上两个条件及矩阵秩的性质可知,只有当m≥N且P≥N时,干涉阵的前向空间平滑数据协方差矩阵R f才是满秩的.类似地,可以得到干涉阵的后向空间平滑数据协方差矩阵R b也是满秩的.因此,干涉阵列前后向空间平滑的数据协方差矩阵R fb=(R f+R b)/2也是满秩的.证毕.由定理可知,在相同的硬件规模下,干涉阵列可分辨的信源数仅为均匀线阵的一半.因为干涉阵列要求平滑后干涉子阵的阵元数m≥N,不是总的阵元数2m≥N,而均匀线阵则只要求平滑后子阵的阵元数大于等于信源个数,也就是说干涉阵平滑后损失的自由度是均匀线阵的两倍.但干涉阵的基线远大于干涉子阵的孔径,干涉阵平滑后孔径并没有明显减小,从而为高精度角度估计创造了条件,这是干涉阵列前后向空间平滑方法的突出优点.针对笔者提出的低仰角目标信号模型,只要P≥2,m≥2,M=m+P-1,则利用干涉阵的前后向空间平滑方法便可实现多径信号的解相干.由式(1)可得干涉阵的数据协方差矩阵的最大似然估计为其中,上标H表示共轭转置.定义干涉阵的前后向空间平滑的选择矩阵为其中,I 2表示二阶单位阵,用来选择干涉阵的两个子阵;I m表示m阶单位阵;⊗表示Kronecker积.因此,干涉阵列前后向空间平滑后满秩的数据协方差矩阵为其中,J为置换矩阵,其反对角线元素为1,其他为0;上标“*”表示复共轭.由于干涉阵是中心对称的[9],因此可用酉变换将式(11)的R fb变换成实值矩阵,以减少后续算法的运算量,并对其进行特征值分解,得到实值的信号子空间与噪声子空间,即其中,Q2m为酉矩阵[11,13].如图2所示,每个子阵内最上边的m-1个单元与最下边的m-1个单元具有偏移量为d的平移不变性,同时E S1与ES 2间具有偏移量为D的平移不变性[11,14].由偏移量大的平移不变性可得到高精度但周期模糊的方向精估计,而由偏移量小的平移不变性可得到精度低但无模糊的方向粗估计.工程上用粗估计对精估计解模糊[14]后便得到高精度无模糊的精估计.因此,笔者选择双尺度酉ESPRIT算法估计目标的低仰角,以较小的运算量实现高精度的低仰角估计.由文献[14]及ESPRIT算法可得,干涉阵列偏移量为d的空间平移不变性可表示成其中,空间角频率,为干涉阵列的选择矩阵,I 2 表示选择两个子阵.由酉变换可将式(13)转换成实值形式,即对以上的旋转矩阵进行特征值分解后,可得到目标的方向余弦的粗估计与精估计,但是顺序是任意的.由于旋转矩阵为实值矩阵,因此可用自动配对算法[14]实现方向余弦的粗估计与精估计间的配对,即从而得到正确配对的粗估计与精估计,即其中,γk为Ψ的特征值,k=1,2.由于干涉阵列的基线远大于子阵孔径,方向余弦的精估计可能是周期模糊的,因此需对精估计进行解模糊,常用的解模糊算法有双尺度法[14]、MUSIC法[14]、中国剩余定理法[15]等.MUSIC法计算量较大且解模糊性能与双尺度法的相当;中国剩余定理法的稳健性较差;双尺度法计算量小,易于实时实现.因此,笔者选择双尺度解模糊法. 由双尺度解模糊法可得到高精度无模糊的方向余弦精估计[14],即其中,θk＞0,表示目标的直达波入射仰角;而θk＜0,表示地面反射波(镜像目标)的入射仰角.由于双尺度解模糊算法是以粗估计为参考的,因此只有当时,才能正确解模糊;否则,解模糊失败,其中u k为目标直达波与反射波的真实方向余弦,k=1,2.综上所述,干涉阵列米波雷达的高精度低仰角估计方法如图3所示.设以下仿真试验中,M=8,ρ=-0.95,R 1=50 km,λ=1.0 m,ha=20 m,D=20λ,d=λ/2,信噪比定义为阵元信噪比,快拍数L=20,每个数据点做300次蒙特卡罗试验.试验1 验证干涉阵列及其高精度低仰角估计方法的有效性.本试验选择16阵元的均匀线阵与干涉阵进行性能比较.由于16阵元均匀线阵的波束宽度约为6.4°,因此选择θ1=2°,θ2=-2.03°.图4给出了不同阵列及不同方法的联合方向估计均方根误差,其中联合方向估计的均方根误差定义为,且干涉阵列进行了4阶前后向空间平滑.由于最大似然法适用于任何阵列及信号环境且估计性能最好,因此本试验还与最大似然法的性能进行了比较.由图4可知,采用笔者提出的方法的干涉阵的性能明显高于均匀线阵的最大似然法的性能.当D=20λ时,干涉阵的估计精度比均匀线阵的提高了约6倍,表明了干涉阵列提高了低仰角的估计精度,有效地扩展了天线孔径,且笔者提出的方法的计算量远小于最大似然法.当D=8λ和20λ时,笔者提出的方法都具有明显的门限效应[16],其门限信噪比分别为-1 dB和3 dB.产生门限效应的根本原因是粗估计性能恶化,导致精估计正确解模糊概率迅速下降[11,14],使得干涉阵的分辨力迅速下降,且门限信噪比随着基线的增加而增加.另外,当基线D=20λ时,干涉阵的最大似然法的信噪比门限约为0 dB.从图4中可看出,笔者提出的方法的估计性能略低于最大似然法,但是最大似然法的计算复杂度远高于笔者提出的方法,难以实时处理,而笔者提出的方法却可实时实现,因此工程应用时需在估计精度与实时性间折中.本试验充分说明了干涉阵列及其低仰角高精度估计方法的有效性.试验2 验证干涉阵列及笔者提出的方法对阵元通道幅相误差的鲁棒性.仿真条件同试验1,阵元通道幅相误差模型为随机幅相误差信号模型.由图5可知,笔者提出的方法对阵元的幅度误差并不敏感,而对相位误差较敏感.因此,实际中需对干涉阵列的相位误差进行充分校正,以便充分利用干涉阵孔径.试验3 分析干涉阵列的基线D对低仰角估计精度的影响.仿真条件同试验2.如图6所示,干涉阵的估计精度并不随着基线的增加而提高,而是存在基线模糊门限.当D小于基线模糊门限时,D的增加使得干涉阵的栅瓣宽度减小,从而提高了干涉阵的估计精度;当D高于基线模糊门限时,栅瓣进一步减小的同时也使得精估计的正确解模糊概率迅速降低,从而导致估计性能迅速恶化.同时,干涉阵的基线模糊门限随着信噪比增加而提高.因此,设计干涉阵列米波雷达时,需根据信噪比选择合适的基线,使估计性能最优.试验4采用某米波雷达实测数据对笔者提出的低仰角估计方法进行验证.雷达架设在较平坦的阵地,阵列为垂直放置的均匀线阵和干涉阵,阵元数都为12.干涉阵由两个6阵元的均匀线阵组成,干涉阵基线长度为8倍波长,阵元间距为半波长,发射时采用数字波束形成技术形成发射波束,照射目标为固定翼飞机.由于距离较远,目标回波数据的信噪比较低,为0～5 dB,快拍数为12.图7给出了均匀线阵与干涉阵的实测数据的低仰角估计结果,其中两者都进行3阶前后向空间平滑,且均匀线阵采用与笔者提出的方法的计算量相当的酉ESPRIT算法.由图7可知,由于信噪比较低,阵元数较少且快拍数较少,两种阵列结构的性能都不是很理想,但干涉阵列的估计性能明显好于均匀线阵,充分说明了在相同硬件规模下,干涉阵列实现了孔径的有效扩展,提高了测角精度,同时也验证了笔者提出的方法的有效性与正确性.以上仿真及实测数据处理结果充分说明了干涉阵列有效地扩展了孔径,提高了测角性能,同时也验证了干涉阵列存在信噪比门限与填充系数门限.笔者提出的干涉阵列米波雷达的低仰角估计方法仍然属于超分辨算法的范畴,因此对信噪比的要求较高,目前常用的先进数字信号处理技术(如脉压、MTD/AMTI、杂波对消等)较易满足本方法对信噪比的要求,且通过了实测数据的验证.针对米波雷达低仰角估计的难题,结合干涉技术和超分辨算法的优点,笔者提出了干涉阵列米波雷达阵列结构及其低仰角的高精度估计方法.笔者将前后向空间平滑思想推广到干涉阵中,提出了干涉阵列的前后向空间平滑定理并给出了详细的证明.干涉阵列的空间平滑方法的突出优点是在解相干的同时阵列的孔径并没有明显降低.多径信号解相干后再用双尺度酉ESPRIT算法实现高精度的低仰角估计.仿真和实测数据处理结果验证了干涉阵列米波雷达及笔者提出的方法的有效性.设计干涉阵列时,需综合考虑信噪比与基线长度,使得干涉阵列性能最优,同时双尺度酉ESPRIT算法可并行实现粗估计与精估计,提高了算法的实时性,非常适合于工程应用.总之,在不增加硬件成本及计算复杂度的前提下,笔者提出的干涉阵列及其高精度低仰角估计方法可明显提高米波雷达低仰角的估计性能.致谢:感谢中电集团38所提供的某米波雷达系统的实测数据.【相关文献】[1]Chen Baixiao,Zhao Guanghui,Zhang Shouhong.Altitude Measurement Based on Beam Split and Frequency Diversity in VHF Radar[J].IEEE Trans on AES,2010,46(1):3-13.[2]朱伟,陈伯孝,周琦.两维数字阵列雷达的数字单脉冲测角方法[J].系统工程与电子技术,2011,33(7):1503-1509.Zhu 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多径情况下米波雷达多目标探测方法
摘要摘要近年来，米波雷达在反隐身和抗反辐射导弹方面的优势引起了雷达界的重新重视。
但是，由于米波雷达波长较长，受天线尺寸的限制，雷达波束较宽，角分辨力差，在探测低仰角目标时，雷达接收回波中不仅有直达波信号，还有经地（海）面反射的多径信号，多径反射波和直达波具有很强的相关性，会对目标测高精度产生严重影响。
因此，米波雷达低仰角目标探测的分辨力和精度都非常低，无法满足对多目标分辨和精确定位的需求。
本文针对米波雷达在低仰角目标探测中存在的多径问题，在提升米波雷达空间探测分辨力和精度等方面进行了研究，主要工作分为以下两个方面：1、对于比较平坦的阵地，多径信号主要是镜面反射信号，漫反射功率比较小。
传统阵列雷达的空间分辨率受天线孔径的限制，对位于一个波束宽度内的空间目标是不可分的，基于时空随机辐射场的微波关联成像方法具备突破天线孔径限制的高分辨能力，本文借鉴基于时空随机辐射场的成像体制并将压缩感知算法应用到米波雷达多目标探测上，提出了多径情况下基于时空随机辐射场的米波雷达多目标探测方法。
首先建立多径情况下基于时空随机辐射场的米波雷达多目标探测信号模型，利用镜面反射提升时空辐射场的伪随机性，从而将多径信号由不利因素转化为有利因素，以提高目标探测的分辨力；其次，将功率较小的漫反射信号归结为辐射场随机误差，采用辐射场存在误差时的具有稳健性的压缩感知算法来进行目标重构，以达到多径情况下米波雷达超分辨探测的目的。
最后通过仿真分析验证了所提方法的有效性。
2、针对比较复杂的阵地，由于反射面的粗糙程度非常大，不满足瑞利准则，镜面反射和漫反射多径同时存在，表面越粗糙，雷达仰角越低，漫反射功率越占主导地位，多径信号的能量在空间形成一定的分布，此时多径服从分布源。
本文分析了分布源多径信号模型，利用合成导向矢量方法推导了该模型下的感知矩阵，然后利用目标的稀疏性，将压缩感知算法应用到该信号模型的求解中，达到了利用较少的快拍数来超分辨、高精度估计目标仰角的目的，仿真结果验证了所提方法的有效性。
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米波雷达低仰角测高相关问题研究
米波雷达低仰角测高相关问题研究
摘要：米波雷达作为一种常见的测高工具，广泛应用于航空领域、气象观测和地质探测等领域。
然而，在低仰角测高中，米波雷达存在一些问题，如地物干扰、射线曲率等。
本文通过对米波雷达低仰角测高的相关问题进行研究，提出了一些解决方案，为米波雷达低仰角测高提供了一定的理论支持。
1. 引言
米波雷达是一种常见的测高工具，广泛应用于航空领域、气象观测和地质探测等领域。
在低仰角测高中，米波雷达面临一些问题，如地物干扰、射线曲率等。
本文通过对这些问题的研究，提出了一些解决方案。
2. 米波雷达测高原理
米波雷达通过发射一束电磁波，利用电磁波的散射返回信息来测量目标的高度。
在低仰角测高中，由于目标与雷达之间的距离较远，电磁波传播过程中会受到地物干扰和射线曲率效应的影响。
3. 地物干扰问题
在低仰角测高中，地物干扰是一个常见的问题。
地物如建筑物、树木等会散射电磁波，导致雷达接收到的信号被干扰。
为了解决这个问题，可以采用波束形成和滤波等技术，将雷达的发射和接收波束调整到目标方向，减少地物干扰的影响。
4. 射线曲率问题
低仰角测高中，射线曲率效应是一个重要的问题。
由于地球的曲率，电磁波传播过程中会发生弯曲，使得雷达接收到的信号与实际目标高度存在偏差。
为了解决射线曲率问题，可以通过
引入传输算法和修正模型等方法，对接收到的信号进行校正，减少射线曲率带来的误差。
5. 实验与结果
通过在实际环境中进行实验，可以验证提出的解决方案的有效性。
实验结果表明，在采用波束形成和滤波技术的情况下，地物干扰对测高结果的影响减小了；同时，通过引入传输算法和修正模型，射线曲率效应引起的误差也得到了一定的校正。
6. 结论
本文通过对米波雷达低仰角测高的相关问题进行研究，提出了解决方案，并通过实验验证了其有效性。
研究结果表明，在低仰角测高中，通过适当的波束形成和滤波技术，以及射线曲率校正方法，可以提高测高精度，减少地物干扰和射线曲率效应带来的误差。
这对于米波雷达低仰角测高在航空领域、气象观测和地质探测等领域的应用具有一定的理论和实践意义。
综上所述，通过采用波束形成和滤波技术，以及引入传输算法和修正模型等方法，可以有效解决米波雷达低仰角测高中的地物干扰和射线曲率问题。
实验结果验证了提出的解决方案的有效性，表明测高精度得到了提高，地物干扰的影响减小，射线曲率效应引起的误差得到了校正。
这些成果对于米波雷达低仰角测高在航空领域、气象观测和地质探测等领域的应用具有重要的意义，并为相关领域的研究提供了一定的理论和实践基础。