一种机载雷达的主瓣杂波时频域分布的计算方法与流程

1.本发明涉及雷达目标识别与跟踪领域，特别涉及一种机载雷达主瓣杂波时频域分布的计算方法。


背景技术：

2.机载雷达进行目标探测主瓣波束照射到地面、海面(下视情况)或云层(上视情况)时，回波中会产生较强的主杂波，若回波中目标在时频二维图上的位置在主杂波区域内，则进行目标检测与跟踪时将较为困难。虽然目前存在较多杂波背景下的目标检测方法研究，但由于主瓣杂波一般远强于目标回波，机载雷达在进行目标检测与跟踪时，应尽量避开主杂波区域。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种机载雷达主瓣杂波时频域分布计算方法，以实时快速计算主杂波在时域和频域上二维分布结果，为机载雷达进行目标检测划出检测盲区边界，以避免产生虚警，实现为目标连续跟踪时提供避开主杂波盲区的依据的目的。
4.为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
5.一种机载雷达主瓣杂波时频域分布的计算方法，包括：
6.步骤s1、将雷达的主瓣波束的波束指向转换至北天东坐标系；
7.步骤s2、计算所述主瓣波束相对照射面的照射角；
8.步骤s3、根据所述照射角、主瓣波束宽度和载机飞行高度计算杂波在时域上的位置分布；
9.步骤s4、根据载机飞行速度与雷达主瓣波束参数计算杂波在频域上的位置分布。
10.可选地，所述雷达波束参数包括所述主瓣波束的波束宽度、所述主瓣波束的相对天线阵面的方位指向角和俯仰指向角。
11.可选地，所述步骤s1包括：
12.雷达的主瓣波束的波束指向相对其天线阵面的指向角度为(θ
y
,θ
z
)，将主瓣波束的指向角度(θ
y
,θ
z
)转换到载机坐标系(x1,y1,z1)下：
[0013][0014]
其中，θ
y
表示主瓣波束相对天线阵面的方位指向，θ
z
表示主瓣波束相对天线阵面的俯仰指向；
[0015]
将波束指向根据载机姿态角由载机坐标系(x1,y1,z1)转到北天东坐标系(x2,y2,z2)下：
[0016][0017]
其中，θ
n
、θ
e
、θ
d
分别表示载机姿态角的俯仰角、滚转角、偏航角。
[0018]
可选地，所述步骤s2包括：
[0019]
计算波束指向在北天东坐标系下的方位角θ
′
y
和俯仰角θ
′
z
：
[0020][0021]
θ
′
z
＝asin(
‑
z2)
[0022]
根据波束指向在北天东坐标系下俯仰角θ
′
z
，计算所述主瓣波束相对照射面的照射角θ
dep
＝
‑
θ
′
z
。
[0023]
可选地，所述步骤s3包括：
[0024]
所述杂波在时域上的位置r分布采用如下公式进行计算：
[0025][0026]
其中，θ
b
∈(
‑
θ
bw
/2,θ
bw
/2)，θ
bw
表示主瓣波束宽度，h表示载机飞行相对照射面的高度。
[0027]
可选地，所述步骤s4包括：
[0028]
所述波束指向在北天东坐标系的矢量为载机飞行速度矢量为载机速度矢量则两个矢量夹角θ为：
[0029][0030]
根据载机速度矢量在主瓣波束上的投影，计算杂波在频域上的位置f
c
分布：
[0031][0032]
其中，表示载机飞行速度在雷达主瓣波束中心上的投影；θ
b
∈(
‑
θ
bw
/2,θ
bw
/2),λ表示雷达的主瓣波束的波长。
[0033]
另一方面，本发明还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如上文所述的方法。
[0034]
再一方面，本发明还提供一种可读存储介质，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上文所述的方法。
[0035]
本发明至少具有以下优点之一：
[0036]
本发明采用的基于载机飞行参数(所述载机飞行参数包括载机飞行姿态角、载机飞行速度矢量、载机飞行高度)、雷达波束参数(所述雷达波束参数包括雷达主波束波束宽度、主波束相对天线阵面的方位指向角和俯仰指向角)主瓣杂波(简称杂波)计算模型可实
时快速计算主瓣杂波在时频域二位上的分布情况，为机载雷达进行目标检测划出检测盲区边界避免产生虚警，针对目标连续跟踪时提供避开主瓣杂波盲区的依据。
附图说明
[0037]
图1为本发明一实施例提供的一种机载雷达主瓣杂波时频域分布的计算方法的流程示意图；
[0038]
图2为本发明一实施例提供的关于北天东坐标系和机载坐标系的坐标表征示意图；
[0039]
图3为本发明一实施例提供的关于单元划分法仿真杂波示意图。
具体实施方式
[0040]
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种机载雷达主瓣杂波时频域分布的计算方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0041]
如图1所示，本实施例提供一种机载雷达主瓣杂波时频域分布的计算方法，包括：
[0042]
步骤s1、将雷达的主瓣波束的波束指向转换至北天东坐标系。
[0043]
具体的，结合图2所示，载机在弹体坐标系(满足右手准则xyz)下速度为(v
x
,v
y
,v
z
)，载机的姿态角以北东地坐标系(满足右手准则ned)：θ
d
为偏航角，θ
e
为俯仰角，θ
n
为滚转角。所述步骤s1包括：
[0044]
雷达的主瓣波束的波束指向相对其天线阵面的指向角度为(θ
y
,θ
z
)，将主瓣波束的指向角度(θ
y
,θ
z
)转换到载机坐标系(x1,y1,z1)下：
[0045][0046]
其中，θ
y
表示主瓣波束相对天线阵面的方位指向，θ
z
表示主瓣波束相对天线阵面的俯仰指向；
[0047]
将波束指向根据载机姿态角由载机坐标系(x1,y1,z1)转到北天东坐标系(x2,y2,z2)下：
[0048][0049]
其中，θ
n
、θ
e
、θ
d
分别表示载机姿态角的俯仰角、滚转角、偏航角。
[0050]
所述雷达波束参数包括所述主瓣波束的波束宽度、所述主瓣波束的相对天线阵面
的方位指向角和俯仰指向角。
[0051]
步骤s2、计算所述主瓣波束相对照射面的照射角。
[0052]
具体的，所述步骤s2包括：
[0053]
计算波束指向在北天东坐标系下的方位角θ
′
y
和俯仰角θ
′
z
：
[0054][0055]
θ
′
z
＝asin(
‑
z2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0056]
根据波束指向在北天东坐标系下俯仰角θ
′
z
，计算所述主瓣波束相对照射面的照射角θ
dep
＝
‑
θ
′
z
(向下为正)。
[0057]
步骤s3、根据所述照射角、主瓣波束宽度和载机飞行高度计算杂波(本实施例中的杂波为主瓣杂波)在时域上的位置分布。
[0058]
所述步骤s3包括：所述杂波在时域上的位置r分布采用如下公式进行计算：
[0059][0060]
其中，θ
b
∈(
‑
θ
bw
/2,θ
bw
/2)，θ
bw
表示主瓣波束宽度，h表示载机飞行相对照射面的高度。
[0061]
步骤s4、根据载机飞行速度与雷达主瓣波束参数计算杂波在频域上的位置分布。
[0062]
所述步骤s4包括：所述波束指向在北天东坐标系的矢量为载机飞行速度矢量为载机速度矢量则两个矢量夹角θ为：
[0063][0064]
根据载机速度矢量在主瓣波束上的投影，计算杂波在频域上的位置f
c
分布：
[0065][0066]
其中，表示载机飞行速度在雷达主瓣波束中心上的投影；θ
b
∈(
‑
θ
bw
/2,θ
bw
/2),λ表示雷达的主瓣波束的波长。
[0067]
根据载机飞行速度矢量与波束指向夹角计算载机飞行速度在波束指向上的投影分量；计算杂波多普勒，载机飞行速度大小确定时，杂波在频域的分布取决于飞行速度矢量与波束指向的夹角范围、波束宽度。
[0068]
为了更好的了解本实施例的技术方案，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本实施例做进一步阐述。
[0069]
在本实施例中，暂不考虑照射面的高度起伏变化，认为照射面为平面。
[0070]
设定载机飞行速度为v
x
＝181m/s，v
y
＝66m/s，v
z
＝
‑
51m/s，载机相对地面飞行高度h＝8km。载机姿态角为：偏航角θ
d
＝20
°
，俯仰角θ
e
＝15
°
，
°
滚转角θ
n
＝0
°
。
°
雷达主瓣波束的波束指向为：方位角θ
y
＝0
°
，
°
俯仰角θ
z
＝15。
°
雷达主瓣波束宽度为θ
bw
＝9
°
。
°
雷达主瓣波束
的波长为25mm。
[0071]
采用距离多普勒散射单元划分法进行杂波仿真，采用波形脉冲重复频率为6.25khz，杂波仿真结果如图3所示。图3中可见主瓣杂波范围：r∈(14.1km,18.68km)，f
c
∈(2.55khz,3.27khz)。以下根据本发明计算方法计算杂波范围。
[0072]
根据上述公式(1)进行计算得到：
[0073][0074]
根据上述公式(2)进行计算得到：
[0075][0076]
根据上述公式(3)和公式(4)进行计算得到：θ
′
y
＝20
°
，θ
′
z
＝
‑
30
°
。
[0077]
根据上述公式(5)计算得到：r∈(14.12km,18.58km)。
[0078]
根据上述公式(6)和(7)进行计算得到：θ＝15.1729
°
，f
c
∈(15.07khz,15.72khz)。
[0079]
其中，f
c
在频域按照脉冲重复频率6.25khz折叠后(f
c
＝f
c
‑2×
6.25)，变成f
c
∈(2.57khz，3.22khz)。
[0080]
本实施例计算的主瓣杂波在时频域分布结果为r∈(14.12km,18.58km)，f
c
∈(2.57khz，3.22khz)，实际仿真的杂波结果为r∈(14.1km,18.68km)，f
c
∈(2.55khz，3.27khz)，计算结果与仿真结果基本保持一致。
[0081]
本实施例采用的基于载机飞行参数(所述载机飞行参数包括载机飞行姿态角、载机飞行速度矢量、载机飞行高度)、雷达波束参数(所述雷达波束参数包括雷达主波束波束宽度、主波束相对天线阵面的方位指向角和俯仰指向角)主瓣杂波(简称杂波)计算模型可实时快速计算主瓣杂波在时频域二位上的分布情况，为机载雷达进行目标检测划出检测盲区边界避免产生虚警，针对目标连续跟踪时提供避开主瓣杂波盲区的依据。
[0082]
另一方面，本发明还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如上文所述的方法。
[0083]
再一方面，本发明还提供一种可读存储介质，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上文所述的方法。
[0084]
综上所述，本实施例提供一种机载雷达的主瓣杂波时频域分布计算方法，基于载机飞行参数、雷达波束指向实时计算主瓣杂波在时频域上的分布边界。机载雷达在进行下视目标探测时，雷达主瓣波束照射到地面或海面产生较强的主杂波，杂波在时域上的分布取决于主波束照射的平面区域与机载雷达距离，在频域上的分布取决于载机速度在主波束上的投影分量。因此，本发明计算主瓣杂波分布主要包含以下过程：基于载机飞行的速度矢量、载机坐标系下的雷达波束指向，通过坐标系转换计算雷达主波束相对照射面的照射角；根据载机相对地面高度、照射角、主波束宽度计算时域杂波分布的上下边界；根据载机飞行速度矢量与波束指向的关系，计算频域杂波分布的上下边界。最终得到主杂波的时频域分布结果。本实施例采用的主杂波计算模型可实时快速计算主杂波在时频域二位上的分布情
况，为机载雷达进行目标检测划出检测盲区边界避免产生虚警，针对目标连续跟踪时提供避开主杂波盲区的依据。
[0085]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0086]
应当注意的是，在本文的实施方式中所揭露的装置和方法，也可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本文的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用于执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0087]
另外，在本文各个实施方式中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
[0088]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。