基于雷达量测的多普勒速度计算方法研究

黄赞杰

【摘 要】环境恶劣的时候，雷达探测目标会产生大量的虚警杂波点，这会导致目标跟错的现象。为了能正确跟踪目标，就需要在航迹关联或者起始时，排除虚警杂波点，关联真实目标点迹。在现代脉冲多普勒体制雷达中，雷达可以测量得到很准确的目标径向速度信息。在航迹关联或者起始时，可以利用当前点迹的多普勒速度与利用当前探测点迹和上个时刻探测点迹位置计算出来的径向速度的相关性，来抑制虚警杂波点，从而提高航迹相关或者起始的准确度。于是，本文描述了三种利用前后点迹量测位置信息来计算当前点迹多普勒速度的方法并进行了比较。

【关键词】雷达量测；多普勒速度；杂波抑制

中图分类号： TN953 文献标识码： A 文章编号： 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[1]是一种通过发射电磁波来探测目标，继而通过雷达数据处理[2]输出目标航迹信息的设备。现代脉冲多普勒体制雷达，除了能获取到目标的距离、方位角和俯仰角之外，还可以测量得到准确的目标多普勒速度。环境恶劣的时候，雷达探测会产生大量的杂波点。例如机载预警雷达在下视探测过程中，它面临的恶劣环境就是复杂多变的陆地环境。机载预警雷达往下发射的电磁波将从地面反射，这就可能产生大量的杂波点。在杂波点比较多的情况，要想起始或者稳定跟踪出真实目标，就不能只靠点迹的位置信息，还需要从其他维度去考虑这个问题。在这种情况下，雷达探测的目标多普勒速度将不失为一个好的选择。现在大部分雷达，特别是脉冲多普勒体制雷达，能获取得到目标准确的多普勒速度（误差很小，基本可以忽略不计），而获取的目标位置信息就未必那么准确。

目前，已经有研究人员利用目标多普勒速度来辅助进行航迹跟踪处理。在下面描述中，径向速度和多普勒速度是一个概念，都是指目标在其和雷达连线方向上的速度分量。作者王汪圣利等在其研究[3]中提出了一种利用目标径向速度信息的多假设跟踪算法。作者尹帅等在其研究[4]中提出了一种利用目标径向速度信息的联合的综合数据互联算法。作者韩正国等在其研究[5]中将目标径向速度作为一个波门限制条件，从而提出了一个航迹起始方法。作者范雄华等在其研究[6]中推导了相邻周期内目标径向速度的差值范围，并提出了一个机载预警雷达航迹起始方法。

本文基于机载预警雷达距离、方位和俯仰量测信息，通过三种方法来计算目标在当前时刻的径向速度，并将计算出来的径向速度来和雷达量测出来的径向速度和目标真实径向速度进行对比。这三种方法分别是：（1）通过雷达量测两点的距离之差除以时间间隔得出当前时刻的目标相对载机径向速度，并将载机的径向速度补偿得出目标绝对径向速度；（2）通过计算雷达量测两点移动的绝对径向距离除以时间间隔来计算目标绝对径向速度；（3）根据雷达量测两点信息，计算出出目标当前的速度，并将速度投影计算出径向速度。

1 径向速度

径向速度，简单来讲就是目标或者机载平台速度在目标和雷达连线方向上的速度分量。如图 1所示，在某个时刻，雷达载机速度为VP，目标速度为VT，其分别在连线AB上的速度大小为VA和VB。若定义沿BA方向为正，则目标径向速度为VB，而载机径向速度为-VA。

2 问题描述

假设某一探测时刻t1，雷达载机平台在WGS-84坐标系下的经度、纬度和高度分别为Long（t1）度，Lat（t1）度和Alt（t1）米，载机平台的绝对速度为V（t1）米每秒。通过坐标转换，载机平台位置在地心地固坐标系下的坐标为[X（t1），Y（t1），Z（t1）]，同时在地心地固坐标系下的速度为[Vx（t1），Vy（t1），Vz（t1）]。在时刻t1，探测到的某一目标的平台极坐标系下的距离方位俯仰量测分别为R（t1）米，A（t1）度和E（t1）度，同时输出该目标的径向速度为D（t1）（本文定义径向速度沿目标到雷达载机方向为正）。假设在上一个探测时刻t0，雷达载机在WGS-84坐标系下的经度、纬度和高度分别为Long（t0）度，Lat（t0）度和Alt（t0）米，载机平台的绝对速度为V（t0）米每秒。通过坐标转换，载机平台位置在地心地固坐标系下的坐标为[X（t0），Y（t0），Z（t0）]，同时在地心地固坐标系下的速度为[Vx（t0），Vy（t0），Vz（t0）]。在时刻t0，探测到的某一目标的平台极坐标系下的距离方位俯仰量测分别为R（t0）米，A（t0）度和E（t0）度，同时输出该目标的径向速度为D（t0）。时刻t0和时刻t1之间的时间间隔为ΔT秒。上述描述中，平台极坐标系中方位正北为0度，正北偏西为正，正北偏东为负，俯仰向上为正，向下为负；雷达输出的目标径向速度实际上是雷达直接探测的目标相对雷达的径向速度加上载机的径向速度补偿得出的目标绝对径向速度。

基于以上描述，本文要讨论研究的问题就是怎么样通过雷达的量测距离方位俯仰信息来计算目标的绝对径向速度。下面介绍利用雷达量测信息来计算目标径向速度的方法。

3 基于量测径向速度计算

本文提到的雷达测量的目标径向速度实际上是雷达物理测量的目标相对雷达载机平台的径向速度和雷达载机在目标径向上的速度分量的合成速度。由于雷达物理测量的相对径向速度是非常准确（误差基本可以忽略不计），故本文将相对径向速度真值作为雷达物理测量的相对径向速度。接下来介绍三种计算目标径向速度方法。

3.1 计算径向速度方法一

该方法利用时刻t0和时刻t1雷达探测距离R（t0）和R（t1）来计算目标相对载机的径向速度，继而补偿载机在径向上的速度分量得到目标绝对径向速度。计算方法一的具体描述如下：

步骤一：用t0时刻和t1时刻雷达探测距离之差除以t0时刻和t1时刻时间间隔ΔT得到目标相对载机径向速度，即■；

步骤二：将t1时刻雷达量测的距离R（t1）、方位A（t1）、俯仰E（t1）通过坐标转换，转换到地心地固坐标系下的坐标，假设转换之后坐标为[X0（t1），Y0（t1），Z0（t1）]；

3.2 计算径向速度方法二

该方法将t0时刻探测的目标距离R（t0）、方位A（t0）、俯仰E（t0），通过坐标转换，转换到t1时刻载机平台位置下的极坐标即距离R'（t0）、方位A'（t0）、俯仰E'（t0），继而通过计算径向距离的变化率来计算目标径向速度。计算方法二的具体描述如下：

4 仿真实验

仿真实验设置三种实验场景，第一种场景，载机从经纬高[110度，20度，10000m]处以300m/s的速度匀速直线往经纬高[112度，20度，10000m]飞行，同时目标从经纬高[114度，21度，10000m]处以400m/s的速度匀速直线往经纬高[114度，19度，10000m]飞行；第二种场景，载机从经纬高[110度，20度，10000m]处以300m/s的速度匀速直线往经纬高[112度，20度，10000m]飞行，同时目标从经纬高[114度，20度，10000m]处以400m/s的速度匀速直线往经纬高[112度，20度，10000m]飞行；第三种场景，载机从经纬高[110度，20度，10000m]处以300m/s的速度匀速直线往经纬高[112度，20度，10000m]飞行，同时目标从经纬高[113度，21度，10000m]处以400m/s的速度匀速直线往经纬高[114度，19度，10000m]飞行。假设雷达的探测周期为5秒，初始位置作为第一个探测时刻，给出从第二个探测时刻开始的共100个探测时刻的径向速度计算结果图。如下图所示，分别计算了雷达距离方位俯仰探测误差分别为[30米，0.1度，0.3度]和[30米，0.3度，0.9度]下的目标径向速度。由于本文侧重径向速度计算，故没有考虑点迹探测过程，认为每个探测时刻点迹均被探测到。

图2展示的是场景一的计算结果，其中图（a）是雷达量测误差为[30米，0.1度，0.3度]时候的径向速度结果，计算方法一、计算方法二和计算方法三与雷达量测径向速度的误差均方根分别为9.8682、9.8467和10.4160；其中图（b）是雷达量测误差为[30米，0.3度，0.9度]時候的径向速度结果，计算方法一、计算方法二和计算方法三与雷达量测径向速度的误差均方根分别为10.0080、10.0326和31.6948。

图3展示的是场景二的计算结果，其中图（a）是雷达量测误差为[30米，0.1度，0.3度]时候的径向速度结果，计算方法一、计算方法二和计算方法三与雷达量测径向速度的误差均方根分别为9.9194、9.9205和10.1063；其中图（b）是雷达量测误差为[30米，0.3度，0.9度]时候的径向速度结果，计算方法一、计算方法二和计算方法三与雷达量测径向速度的误差均方根分别为9.7997、9.7806和27.1151。

图4展示的是场景三的计算结果，其中图（a）是雷达量测误差为[30米，0.1度，0.3度]时候的径向速度结果，计算方法一、计算方法二和计算方法三与雷达量测径向速度的误差均方根分别为8.8159、8.8195和9.4942；其中图（b）是雷达量测误差为[30米，0.3度，0.9度]时候的径向速度结果，计算方法一、计算方法二和计算方法三与雷达量测径向速度的误差均方根分别为8.2048、8.1588和24.0746。

5 小结

本文描述了三种利用前后探测时刻点迹位置信息来计算目标径向速度的方法。这三种目标径向速度计算方法以及其仿真结果可以为雷达数据处理提供一定的参考。但是本文和还没有从理论上去推导这三种方法计算的目标径向速度与雷达量测目标径向速度的差异。今后一段时间的工作将争取从理论上去定量分析这三种方法计算的目标径向速度与雷达量测目标径向速度的差异。

【参考文献】

[1]（美）斯科尼克著，左群声等译.雷达系统导论[M].第三版.电子工业出版社.2014.

[2]何友，修建娟，关欣，等著.雷达数据处理及应用[M].第三版.电子工业出版社.2013.

[3]汪圣利，程知敬.引入目标径向速度信息的多假设跟踪方法[J].现代雷达，2011，33（7）：45-48.

[4]尹帅，袁俊泉，吴顺华，王利才.一种改进的JIPDA多目标跟踪算法[J].雷达科学与技术，2014，12（3）：285-290.

[5]韩正国，江晶，刘刚，王家秀.一种利用径向速度量测的航迹起始新算法[J].现代雷达，2009，31（10）：47-50.

[6]范雄华，江晶，吴卫华.基于径向速度的机载预警雷达航迹起始算法[J].电光与控制，2013，20（4）：22-26.