基于雷達(dá)量測的多普勒速度計算方法研究

黃贊杰

【摘 要】環(huán)境惡劣的時候，雷達(dá)探測目標(biāo)會產(chǎn)生大量的虛警雜波點，這會導(dǎo)致目標(biāo)跟錯的現(xiàn)象。為了能正確跟蹤目標(biāo)，就需要在航跡關(guān)聯(lián)或者起始時，排除虛警雜波點，關(guān)聯(lián)真實目標(biāo)點跡。在現(xiàn)代脈沖多普勒體制雷達(dá)中，雷達(dá)可以測量得到很準(zhǔn)確的目標(biāo)徑向速度信息。在航跡關(guān)聯(lián)或者起始時，可以利用當(dāng)前點跡的多普勒速度與利用當(dāng)前探測點跡和上個時刻探測點跡位置計算出來的徑向速度的相關(guān)性，來抑制虛警雜波點，從而提高航跡相關(guān)或者起始的準(zhǔn)確度。于是，本文描述了三種利用前后點跡量測位置信息來計算當(dāng)前點跡多普勒速度的方法并進(jìn)行了比較。

【關(guān)鍵詞】雷達(dá)量測；多普勒速度；雜波抑制

中圖分類號： TN953 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）19-0009-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.003

Research on Doppler Velocity Calculation Method Based on Radar Measurement

HUANG Zan-jie

（1.No.38 Research Institute of CETC，Hefei Anhui，230088，China；

2.Key Lab of Aperture Array and Space Application （KLAASA），Hefei，Anhui，230088，China）

【Abstract】When the environment is bad，radar detection can generate many clutter points， it will result in error tracking. In order to follow the target correctly，it need exclude the clutter points and relate the real target point at track relation or track initiation. Now PD radar can measure accurate doppler velocity. Using the relation of the measurement Doppler velocity and the calculated radius velocity using the current point and the last detection point location suppress clutter， in order to raise the track relation accuracy. Therefore， in this paper three doppler velocity calculation methods are described and compared.

【Key words】Radar Measurement；Doppler Velocity；Clutter Suppression

0 引言

雷達(dá)[1]是一種通過發(fā)射電磁波來探測目標(biāo)，繼而通過雷達(dá)數(shù)據(jù)處理[2]輸出目標(biāo)航跡信息的設(shè)備。現(xiàn)代脈沖多普勒體制雷達(dá)，除了能獲取到目標(biāo)的距離、方位角和俯仰角之外，還可以測量得到準(zhǔn)確的目標(biāo)多普勒速度。環(huán)境惡劣的時候，雷達(dá)探測會產(chǎn)生大量的雜波點。例如機(jī)載預(yù)警雷達(dá)在下視探測過程中，它面臨的惡劣環(huán)境就是復(fù)雜多變的陸地環(huán)境。機(jī)載預(yù)警雷達(dá)往下發(fā)射的電磁波將從地面反射，這就可能產(chǎn)生大量的雜波點。在雜波點比較多的情況，要想起始或者穩(wěn)定跟蹤出真實目標(biāo)，就不能只靠點跡的位置信息，還需要從其他維度去考慮這個問題。在這種情況下，雷達(dá)探測的目標(biāo)多普勒速度將不失為一個好的選擇?，F(xiàn)在大部分雷達(dá)，特別是脈沖多普勒體制雷達(dá)，能獲取得到目標(biāo)準(zhǔn)確的多普勒速度（誤差很小，基本可以忽略不計），而獲取的目標(biāo)位置信息就未必那么準(zhǔn)確。

目前，已經(jīng)有研究人員利用目標(biāo)多普勒速度來輔助進(jìn)行航跡跟蹤處理。在下面描述中，徑向速度和多普勒速度是一個概念，都是指目標(biāo)在其和雷達(dá)連線方向上的速度分量。作者王汪圣利等在其研究[3]中提出了一種利用目標(biāo)徑向速度信息的多假設(shè)跟蹤算法。作者尹帥等在其研究[4]中提出了一種利用目標(biāo)徑向速度信息的聯(lián)合的綜合數(shù)據(jù)互聯(lián)算法。作者韓正國等在其研究[5]中將目標(biāo)徑向速度作為一個波門限制條件，從而提出了一個航跡起始方法。作者范雄華等在其研究[6]中推導(dǎo)了相鄰周期內(nèi)目標(biāo)徑向速度的差值范圍，并提出了一個機(jī)載預(yù)警雷達(dá)航跡起始方法。

本文基于機(jī)載預(yù)警雷達(dá)距離、方位和俯仰量測信息，通過三種方法來計算目標(biāo)在當(dāng)前時刻的徑向速度，并將計算出來的徑向速度來和雷達(dá)量測出來的徑向速度和目標(biāo)真實徑向速度進(jìn)行對比。這三種方法分別是：（1）通過雷達(dá)量測兩點的距離之差除以時間間隔得出當(dāng)前時刻的目標(biāo)相對載機(jī)徑向速度，并將載機(jī)的徑向速度補(bǔ)償?shù)贸瞿繕?biāo)絕對徑向速度；（2）通過計算雷達(dá)量測兩點移動的絕對徑向距離除以時間間隔來計算目標(biāo)絕對徑向速度；（3）根據(jù)雷達(dá)量測兩點信息，計算出出目標(biāo)當(dāng)前的速度，并將速度投影計算出徑向速度。

1 徑向速度

徑向速度，簡單來講就是目標(biāo)或者機(jī)載平臺速度在目標(biāo)和雷達(dá)連線方向上的速度分量。如圖 1所示，在某個時刻，雷達(dá)載機(jī)速度為VP，目標(biāo)速度為VT，其分別在連線AB上的速度大小為VA和VB。若定義沿BA方向為正，則目標(biāo)徑向速度為VB，而載機(jī)徑向速度為-VA。

2 問題描述

假設(shè)某一探測時刻t1，雷達(dá)載機(jī)平臺在WGS-84坐標(biāo)系下的經(jīng)度、緯度和高度分別為Long（t1）度，Lat（t1）度和Alt（t1）米，載機(jī)平臺的絕對速度為V（t1）米每秒。通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，載機(jī)平臺位置在地心地固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為[X（t1），Y（t1），Z（t1）]，同時在地心地固坐標(biāo)系下的速度為[Vx（t1），Vy（t1），Vz（t1）]。在時刻t1，探測到的某一目標(biāo)的平臺極坐標(biāo)系下的距離方位俯仰量測分別為R（t1）米，A（t1）度和E（t1）度，同時輸出該目標(biāo)的徑向速度為D（t1）（本文定義徑向速度沿目標(biāo)到雷達(dá)載機(jī)方向為正）。假設(shè)在上一個探測時刻t0，雷達(dá)載機(jī)在WGS-84坐標(biāo)系下的經(jīng)度、緯度和高度分別為Long（t0）度，Lat（t0）度和Alt（t0）米，載機(jī)平臺的絕對速度為V（t0）米每秒。通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，載機(jī)平臺位置在地心地固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為[X（t0），Y（t0），Z（t0）]，同時在地心地固坐標(biāo)系下的速度為[Vx（t0），Vy（t0），Vz（t0）]。在時刻t0，探測到的某一目標(biāo)的平臺極坐標(biāo)系下的距離方位俯仰量測分別為R（t0）米，A（t0）度和E（t0）度，同時輸出該目標(biāo)的徑向速度為D（t0）。時刻t0和時刻t1之間的時間間隔為ΔT秒。上述描述中，平臺極坐標(biāo)系中方位正北為0度，正北偏西為正，正北偏東為負(fù)，俯仰向上為正，向下為負(fù)；雷達(dá)輸出的目標(biāo)徑向速度實際上是雷達(dá)直接探測的目標(biāo)相對雷達(dá)的徑向速度加上載機(jī)的徑向速度補(bǔ)償?shù)贸龅哪繕?biāo)絕對徑向速度。

基于以上描述，本文要討論研究的問題就是怎么樣通過雷達(dá)的量測距離方位俯仰信息來計算目標(biāo)的絕對徑向速度。下面介紹利用雷達(dá)量測信息來計算目標(biāo)徑向速度的方法。

3 基于量測徑向速度計算

本文提到的雷達(dá)測量的目標(biāo)徑向速度實際上是雷達(dá)物理測量的目標(biāo)相對雷達(dá)載機(jī)平臺的徑向速度和雷達(dá)載機(jī)在目標(biāo)徑向上的速度分量的合成速度。由于雷達(dá)物理測量的相對徑向速度是非常準(zhǔn)確（誤差基本可以忽略不計），故本文將相對徑向速度真值作為雷達(dá)物理測量的相對徑向速度。接下來介紹三種計算目標(biāo)徑向速度方法。

3.1 計算徑向速度方法一

該方法利用時刻t0和時刻t1雷達(dá)探測距離R（t0）和R（t1）來計算目標(biāo)相對載機(jī)的徑向速度，繼而補(bǔ)償載機(jī)在徑向上的速度分量得到目標(biāo)絕對徑向速度。計算方法一的具體描述如下：

步驟一：用t0時刻和t1時刻雷達(dá)探測距離之差除以t0時刻和t1時刻時間間隔ΔT得到目標(biāo)相對載機(jī)徑向速度，即■；

步驟二：將t1時刻雷達(dá)量測的距離R（t1）、方位A（t1）、俯仰E（t1）通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到地心地固坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，假設(shè)轉(zhuǎn)換之后坐標(biāo)為[X0（t1），Y0（t1），Z0（t1）]；

3.2 計算徑向速度方法二

該方法將t0時刻探測的目標(biāo)距離R（t0）、方位A（t0）、俯仰E（t0），通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到t1時刻載機(jī)平臺位置下的極坐標(biāo)即距離R'（t0）、方位A'（t0）、俯仰E'（t0），繼而通過計算徑向距離的變化率來計算目標(biāo)徑向速度。計算方法二的具體描述如下：

4 仿真實驗

仿真實驗設(shè)置三種實驗場景，第一種場景，載機(jī)從經(jīng)緯高[110度，20度，10000m]處以300m/s的速度勻速直線往經(jīng)緯高[112度，20度，10000m]飛行，同時目標(biāo)從經(jīng)緯高[114度，21度，10000m]處以400m/s的速度勻速直線往經(jīng)緯高[114度，19度，10000m]飛行；第二種場景，載機(jī)從經(jīng)緯高[110度，20度，10000m]處以300m/s的速度勻速直線往經(jīng)緯高[112度，20度，10000m]飛行，同時目標(biāo)從經(jīng)緯高[114度，20度，10000m]處以400m/s的速度勻速直線往經(jīng)緯高[112度，20度，10000m]飛行；第三種場景，載機(jī)從經(jīng)緯高[110度，20度，10000m]處以300m/s的速度勻速直線往經(jīng)緯高[112度，20度，10000m]飛行，同時目標(biāo)從經(jīng)緯高[113度，21度，10000m]處以400m/s的速度勻速直線往經(jīng)緯高[114度，19度，10000m]飛行。假設(shè)雷達(dá)的探測周期為5秒，初始位置作為第一個探測時刻，給出從第二個探測時刻開始的共100個探測時刻的徑向速度計算結(jié)果圖。如下圖所示，分別計算了雷達(dá)距離方位俯仰探測誤差分別為[30米，0.1度，0.3度]和[30米，0.3度，0.9度]下的目標(biāo)徑向速度。由于本文側(cè)重徑向速度計算，故沒有考慮點跡探測過程，認(rèn)為每個探測時刻點跡均被探測到。

圖2展示的是場景一的計算結(jié)果，其中圖（a）是雷達(dá)量測誤差為[30米，0.1度，0.3度]時候的徑向速度結(jié)果，計算方法一、計算方法二和計算方法三與雷達(dá)量測徑向速度的誤差均方根分別為9.8682、9.8467和10.4160；其中圖（b）是雷達(dá)量測誤差為[30米，0.3度，0.9度]時候的徑向速度結(jié)果，計算方法一、計算方法二和計算方法三與雷達(dá)量測徑向速度的誤差均方根分別為10.0080、10.0326和31.6948。

圖3展示的是場景二的計算結(jié)果，其中圖（a）是雷達(dá)量測誤差為[30米，0.1度，0.3度]時候的徑向速度結(jié)果，計算方法一、計算方法二和計算方法三與雷達(dá)量測徑向速度的誤差均方根分別為9.9194、9.9205和10.1063；其中圖（b）是雷達(dá)量測誤差為[30米，0.3度，0.9度]時候的徑向速度結(jié)果，計算方法一、計算方法二和計算方法三與雷達(dá)量測徑向速度的誤差均方根分別為9.7997、9.7806和27.1151。

圖4展示的是場景三的計算結(jié)果，其中圖（a）是雷達(dá)量測誤差為[30米，0.1度，0.3度]時候的徑向速度結(jié)果，計算方法一、計算方法二和計算方法三與雷達(dá)量測徑向速度的誤差均方根分別為8.8159、8.8195和9.4942；其中圖（b）是雷達(dá)量測誤差為[30米，0.3度，0.9度]時候的徑向速度結(jié)果，計算方法一、計算方法二和計算方法三與雷達(dá)量測徑向速度的誤差均方根分別為8.2048、8.1588和24.0746。

5 小結(jié)

本文描述了三種利用前后探測時刻點跡位置信息來計算目標(biāo)徑向速度的方法。這三種目標(biāo)徑向速度計算方法以及其仿真結(jié)果可以為雷達(dá)數(shù)據(jù)處理提供一定的參考。但是本文和還沒有從理論上去推導(dǎo)這三種方法計算的目標(biāo)徑向速度與雷達(dá)量測目標(biāo)徑向速度的差異。今后一段時間的工作將爭取從理論上去定量分析這三種方法計算的目標(biāo)徑向速度與雷達(dá)量測目標(biāo)徑向速度的差異。

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[6]范雄華，江晶，吳衛(wèi)華.基于徑向速度的機(jī)載預(yù)警雷達(dá)航跡起始算法[J].電光與控制，2013，20（4）：22-26.