一种基于波束增益差的两坐标雷达估高方法

陈 磊，方 青

(中国电子科技集团公司第38研究所,合肥 230031)



一种基于波束增益差的两坐标雷达估高方法

陈 磊，方 青

(中国电子科技集团公司第38研究所,合肥 230031)

两坐标雷达只能提供探测目标的距离、方位信息，不能获取目标的高度或俯仰信息。为了估算目标的高度，提出了一种基于波束增益差的两坐标雷达估高方法，根据雷达天线的“仰角-增益”测试数据，利用目标点迹属性中的高低波束增益差，求出目标的仰角，进而估算目标的高度信息；同时采用加权平均值的方法平滑目标的估高值。该方法简单实用，方便工程实现，实验中通过与目标二次雷达的高度信息的对比，以验证该方法的有效性。

两坐标雷达；波束增益差；估高算法；高度平滑

0 引 言

两坐标雷达，顾名思义，只能提供探测目标2个维度的坐标信息(距离和方位信息)。要获取目标的高度或俯仰信息，可采用以下几种方式：(1)多部两坐标雷达组网测高的方式[1-3]；(2)两坐标雷达搭配测高雷达[4];(3)三坐标雷达直接测高[5-7]。雷达组网测高利用多部雷达融合信息(例如距离和角度)来估计目标的高度，进行目标三维定位，但具体实现时，一方面需要多部雷达的组网融合，另一方面系统的工作依赖于各雷达站之间的网络通信情况，可靠性不高。两坐标搭配测高雷达的工作方式，测量过程较为复杂，实时性不高，且需要额外的测高雷达设备的支持。三坐标雷达通常采用的是多波束比幅测高的方法，虽然可以实时、精确地测算目标高度，但三坐标雷达的生产和维护成本更高，技术更为复杂。因此，单部两坐标雷达测高的问题开始吸引了相关学者的研究，并出现了一些研究方法[8-9]。矫志宁等人[8]提出了一种两坐标雷达的测高方法研究，利用目标幅度和距离变化信息进行目标估高，但该方法仅适用于飞行高度比较稳定的目标，而且需要长时间的积累，不具备普适性; 严俊坤等人[9]提出的基于单雷达的两坐标三维定位方法，是在假设目标匀速运动的前提下，利用目标的动态模型，结合两坐标雷达关于目标多个时刻的测量信息对目标高度进行最大似然估计。该方法也具有一定的局限性，且运算较复杂，又仅是仿真实验的验证。

针对以上问题，本文依托于某XX波段航空管制一次雷达项目，提出了一种基于波束增益差的两坐标雷达估高算法，根据雷达天线的“仰角-增益”测试数据，利用目标点迹高低波束增益差信息，求出目标的仰角，进而估算目标的高度，并采用加权平均值的方法平滑目标的估高值。

1 估高原理

目标高度并非一个直接测量值，而是一个导出值，根据目标的斜距和仰角计算可得[5-6]。当大气随高度的变化梯度为-0.039×10-8m时，ae=(4/3)a=8 490km，a=6 370km，为地球曲率半径。大气折射使雷达电波传播路径发生弯曲，采用等效半径后，可认为电波仍沿直线传播，则：

(1)

式中：ha为雷达天线安装高度；R为目标斜距；β为目标仰角。

由式(1)可知， 只要测出目标仰角β与斜距R，就可以导出目标高度。

传统的两坐标雷达收发共用波束，没有其他多余的信息可用，无法估算目标仰角。本文依托的某XX波段航空管制一次雷达项目，天线发射采用1个波束，接收采用高低2个波束的方式。根据天线每种波束的“仰角-波束增益”测试数据，可以得出“仰角-波束增益差”的数据，如图1所示。

图1 仰角-波束增益差图

由图1可知，在0°～6°仰角范围内,波束增益差呈现单调减的趋势，在仰角大于6°时，波束增益差则呈现曲线震荡的形式，所以为了避免仰角-波束增益差的二值性，这里只选取0°～6°仰角作为估高区，并将这部分的数据作为配置文件存储。

2 一种基于波束增益差的估高方法

在雷达探测范围内，探测到的民航飞机目标一般的最大高度为12 000 m左右(由飞机自带的GPS信息或二次雷达信息可得)，在0～6°仰角范围内，对应的估高距离区间：最小距离为12 000/sin6°=114 801m，最大距离为对应的雷达最大探测距离。在雷达探测目标的过程中，由信号处理模块过滤和凝聚点迹，并送给数据处理模块处理，点迹所带的属性参数中有高波束增益和低波束增益的信息。数据处理模块经过点迹预处理、点航相关、自动起始、滤波跟踪等过程实现对目标的发现、起始和跟踪，在形成的目标航迹参数中有每帧的点迹属性信息，根据点迹属性可提取出每帧的波束增益差，再通过查“仰角-增益差”对照表可以获得对应的仰角，进而根据公式(1)估算出当前帧的目标高度。

在算法实现中，为了避免奇异值的出现，需要剔除估算的奇异值，奇异值的剔除一方面需要考虑目标可能出现的最大高度，另一方面需要结合估高的历史值，以2帧平稳为原则：假定目标单帧最大的高度变化范围为Δh，若第3帧目标估高相比第1帧超过2Δh，则第3帧高度将作为奇异值剔除，并用合理值代替[10]。估高过程中还采取加权平均法对估高值进行平滑，具体的算法流程如下：

STEP1：读取“仰角-波束增益差”配置文件，得到目标对应的“波束增益差”和“仰角”对照表，其中仰角以0.1°步进初始化目标估高历史值数组，保留5帧历史值。

STEP2：待目标稳定跟踪后，即目标跟踪历史帧超过10帧，且目标点落入估高的距离范围时，可对目标估高值进行更新，并根据目标当前帧点迹属性中的高波束增益和低波束增益求出当前帧的波束增益差。

STEP3：由波束增益差查表求出对应的仰角，分为以下几种情况：

(1) 若实际增益差大于对照表中0°仰角对应的增益，则仰角就取0°；

(2) 若实际增益差小于对照表中6°仰角对应的增益，则仰角就取6°；

(3) 若实际增益差在对照表的增益差范围内，因为对照表的单调性，可采取“二分查找”法找寻仰角，若表中恰好有该增益值，则选取对应的仰角；若没有，则选取与该增益值距离最近的2个仰角，采用“线性插值”法计算获取对应的仰角。

STEP4：根据公式(1)，求出目标当前帧该仰角对应的估高值：

(1) 若估高值大于12 000m，则认为是奇异值，将其剔除，并用12 000m作为当前帧的估高值；

(2) 若当前帧的估高值与上2帧的估高值的差大于2×Δh，则认为是奇异值，将其剔除，并以前两帧估高值为基点的当前帧线性预测值作为当前帧的估高值。

STEP5：对STEP4中计算的当前估高值，进行平滑处理：

(1) 若估高值落入估高范围内的目标首点，则直接采用该值作为当前估高值；

(2) 非首点情况，需根据估高的历史值，结合当前值进行加权平滑处理，本算法保留最大历史帧为5。每帧平滑系数的选取如表 1所示。

表1 每帧平滑系数

最后以平滑的估高值作为当前帧的估高值。

STEP6：若在估高距离范围内，目标当前帧没有跟踪点，即目标点跟踪丢失，则同样以前两帧估高值为基点预测当前帧的估高值；若目标连续丢失三点，则将估高值清零。

3 实验验证

该估高方法目前已应用于最新研制的某XX波段航空管制一次雷达数据处理系统模块。该航空管制雷达同时搭配了本地同轴的二次雷达，数据处理模块在进行点航相关时，与同一批目标航迹相关的一次雷达点迹、二次雷达点迹会进行融合处理，融合后的点迹带有一次点迹和二次点迹的属性信息，之后对融合后的点迹再进行滤波跟踪。本节利用目标的二次雷达高度作为目标估高算法性能分析的对比对象，二次雷达高度是目标飞机上应答器与二次雷达之间的应答信号，一般与目标的真实飞行高度比较接近，可作为目标真实高度上报航空管制中心。

这里选取观测范围包含估高区间的目标作为实验对象，在估高距离区间[150km，350km]内，目标共观测到76帧，观察目标估高值与目标二次雷达高度的差值随距离变化的情况如图 2所示。目标在距离范围[240km,320km]内，估高值与高度真值最为接近，且在[260km,280km]距离内，目标真实飞行高度发生变化时，估高值也随之变化。在整个估高区间内，高度差绝对值的均值为524m，估高值的相对均方根误差为591m。之后再选取8批估高距离区间内的目标进行观察，估高值与二次雷达高度差值的情况如表 2所示。由表 2可知，这些目标的估高值与高度真值差值的绝对均值大约在580m左右，估高值的相对均方根误差大约在640m左右，具有比较高的估高准确度。多批目标估高的观察结果也说明了该算法的有效性和普适性。

图2 目标估高结果

表2 目标估高结果分析

4 结束语

本文提出了一种基于波束增益差的两坐标雷达估高方法，通过目标点迹高低波束增益差，求出目标的仰角，估算目标高度，剔除奇异值，并采用加权平均值的方法对其进行平滑。该方法简单实用，已在新型的两坐标一次雷达数据处理中得到了应用。最后，通过与本地同轴的二次雷达的目标高度数据的对比，验证了该方法的有效性。

[1] 罗志勇,何佳洲.2D组网雷达目标真实高度的最小二乘估计[J].指挥控制与仿真，2007，29(3)：41-44.

[2] 孙景明,刘兆磊,王国宏.2D组网雷达目标高度的最大似然估计[J].现代雷达，2005,27(9):7-9.

[3] 熊伟,潘旭东,彭应宁,等.分布式2D 雷达网的高度估计技术[J].信息与控制，2010，39(4):408-412.

[4] 庞志兵．测高雷达与二维雷达数据融合问题研究[J]．指挥控制与仿真，2006,28(4):10-12.

[5] 刘玉杰，刁丹丹，张涛,等.一种改进的三坐标雷达测高方法[J].现代电子技术，2014，37(5):16-17.

[6] 邵余峰.高机动三坐标雷达比幅测高误差分析及修正[J].现代雷达，2007，29(4):79-81.

[7] 徐绵起,王斌,徐瀚智.三坐标地面情报雷达测高误差修正方法[J].雷达科学与技术,2013，11(1):21-25.

[8] 矫志宁，陶晶.两坐标雷达测高方法研究[J].现代雷达，2011，33(12):18-21.

[9] 严俊坤，夏双志，戴奉周，等.基于单部两坐标雷达的目标三维定位算法[J].电波科学学报,2013,28(3):405-411.

[10]林晓斌，张承志，王宝,等.雷达数据处理软件中的高度平滑算法[J].计算机光盘软件与应用，2013(1):228-229.

A Height Estimation Approach of 2D Radar Based on Beam Gain Difference

CHEN Lei,FANG Qing

(No.38 Research Institute of CETC,Hefei 230031,China)

2D radars can only provide the distance and azimuth information of target,not provide the height or elevation information of target.For estimating the height of target,this paper presents a height estimation method for 2D radar based on beam gain difference,according to the "elevation gain" test data of radar antenna,calculates the target elevation by using high and low beam gain difference of target point properties and estimates the height information of targets,at the same time uses the weighted average method to smooth the height estimation value of target.The algorithm is simple and applicable,and easy to be realized in engineering.The experiment validates the validity of the method through comparing the height estimation with the second survellance radar (SSR) height information of target.

2D radar;beam gain difference;height estimation approach;height smoothing

2015-04-28

国家科技支撑计划课题，机场场面监视雷达系统，项目编号：2011BAH24B05

TN957.51

A

CN32-1413(2015)04-0033-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.04.009