本發(fā)明涉及雷達(dá)測(cè)高裝置，尤其高頻雷達(dá)空中目標(biāo)高度估測(cè)系統(tǒng)及其估測(cè)方法。

背景技術(shù)：

航海是可通過高頻雷達(dá)檢測(cè)航船周圍的控制目標(biāo)，但目前的高頻雷達(dá)，只能檢測(cè)目標(biāo)距離航船的距離和位于航船的方位，但不能知道目標(biāo)的高度，目標(biāo)是航船還是飛機(jī)完全不知道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本申請(qǐng)人針對(duì)以上缺點(diǎn)，進(jìn)行了研究改進(jìn)，提供一種高頻雷達(dá)空中目標(biāo)高度估測(cè)系統(tǒng)及其估測(cè)方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種高頻雷達(dá)空中目標(biāo)高度估測(cè)系統(tǒng)，安裝在航船上，包括控制單元、處理主機(jī)、航海顯示器、高頻雷達(dá)和ads-b設(shè)備，所述控制單元包括加固鍵盤、軌跡球鼠標(biāo)和電源控制面板，處理主機(jī)通過vga線連接航海顯示器、通過網(wǎng)線連接高頻雷達(dá)和ads-b設(shè)備、通過usb線連接加固鍵盤和軌跡球鼠標(biāo)、通過串口線連接電源控制面板和電源，所述電源控制面板也與電源連接，所述電源控制面板通過插線板連接航海顯示器、高頻雷達(dá)和ads-b設(shè)備。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

所述電源包括ups電源和外界電源，所述外界電源通過ups電源連接處理主機(jī)和電源控制面板。

一種高頻雷達(dá)空中目標(biāo)估測(cè)方法，包括以下步驟：

1)數(shù)據(jù)收集：通過ads-b設(shè)備收集民航飛機(jī)的id地址、經(jīng)緯度、高度、飛機(jī)編號(hào)、航向和航速數(shù)據(jù)；通過高頻雷達(dá)收集目標(biāo)的距離、方位和目標(biāo)雷達(dá)散射截面積(rcs)回波強(qiáng)度值，并收集高頻雷達(dá)的工作頻率，并傳輸?shù)教幚碇鳈C(jī)存儲(chǔ)，也可通過控制單元將數(shù)據(jù)調(diào)取至航海顯示器顯示。

2)通過處理主機(jī)進(jìn)行rotheram傳播衰減模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合擴(kuò)展卡爾曼濾波處理，估計(jì)目標(biāo)真實(shí)高度：

基地高頻雷達(dá)的目標(biāo)回波強(qiáng)度可以寫成如下形式：

式中：n為第n個(gè)采樣時(shí)刻；pr(n)為消除雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)影響的目標(biāo)回波強(qiáng)度，單位為db。函數(shù)表示雷達(dá)的工作頻率為fhz(n)時(shí)，距離r(n)、高度h(n)的目標(biāo)的傳播衰減；

從統(tǒng)計(jì)角度，rcs可以看成由其平均值和疊加于其上的隨機(jī)起伏組成。于是，可將rcs寫成如下形式：

式中，φ(n)為rcs的平均值，可以用cv模型描述，為rcs的隨機(jī)起伏部分，并假設(shè)服從p階的ar模型，則有

ar模型參數(shù)未知時(shí)算法為

a1(n)，...，ap(n)是ar模型的時(shí)變參數(shù)，ar模型的驅(qū)動(dòng)噪聲e(n)是均值為0，方差為的高斯白噪聲。引入向量表示，令

θ(n)＝(a1(n),...,ap)^t

假設(shè)θ(n)中的參數(shù)可用下面的隨機(jī)模型描述：

ak(n+1)＝ak(n)+wk(n),k＝1,...p.

令wθ(n)＝(w1(n),...,wp(n))^t是高斯白噪聲序列，獨(dú)立于{e(n)}且滿足可以理解為系數(shù)變化的均方變化率。這里假設(shè)時(shí)變系數(shù)是相互獨(dú)立，所以wθ(n)的協(xié)方差矩陣應(yīng)是對(duì)角行式，改寫式為：θ(n+1)＝θ(n)+wθ(n)

用模型可知，θ(n)的估計(jì)和跟蹤可以看成在狀態(tài)空間里的濾波問題；

由于雷達(dá)的工作頻率fhz(n)是已知量，目標(biāo)距離r(n)可以通過高頻雷達(dá)測(cè)得，在傳播衰減函數(shù)中只有目標(biāo)高度h(n)是未知量；

高度參數(shù)化的擴(kuò)展卡爾曼濾波(height-parameterizedextendedkalmanfilter,簡(jiǎn)稱hpiekf)，通過遞歸計(jì)算各個(gè)不同高度初值濾波器的權(quán)值來(lái)逼近目標(biāo)真實(shí)高度。

系統(tǒng)模型傳播衰減是和目標(biāo)高度直接關(guān)聯(lián)的，想獲得對(duì)傳播衰減的估計(jì)，同時(shí)也要獲得對(duì)目標(biāo)rcs的估計(jì)。

聯(lián)合擴(kuò)展卡爾曼濾波方法如下：

初始化：k＝0

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出初始狀態(tài)濾波值令初始狀態(tài)濾波協(xié)方差

p0/0＝diag(10⁶,10⁴,1,0.01)

ekf濾波：設(shè)定k＝k+1

狀態(tài)預(yù)測(cè)

狀態(tài)預(yù)測(cè)協(xié)方差

線性化測(cè)量矩陣

卡爾曼增益

狀態(tài)濾波xk|k＝xk|k-1+kk[zk-γ(fhz,hk,rk)-ψk|k-1]

狀態(tài)濾波協(xié)方差pk|k＝pk|k-1-kkhkpk|k-1

其中，函數(shù)中，表示γ[]關(guān)于h的導(dǎo)數(shù)。為了計(jì)算效率，對(duì)應(yīng)于特定的r，函數(shù)γ[]可用一個(gè)關(guān)于r的插值函數(shù)來(lái)近似表示，保證了傳播衰減的快速計(jì)算。

3)數(shù)據(jù)顯示，將計(jì)算得到的目標(biāo)高度可在顯示在航海顯示器上查看。

本發(fā)明的有益效果如下：所述高頻雷達(dá)空中目標(biāo)高度估測(cè)系統(tǒng)，可利用高頻雷達(dá)和ads-b設(shè)備采集相關(guān)數(shù)據(jù)，通過采集空中目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積(rcs)回波強(qiáng)度值，經(jīng)過rotheram傳播衰減模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合擴(kuò)展卡爾曼濾波處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)估計(jì)航船周圍目標(biāo)真實(shí)高度，即可大概了解航船周圍具體是什么目標(biāo)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的高頻雷達(dá)空中目標(biāo)高度估測(cè)系統(tǒng)的模塊連接圖。

圖2為本發(fā)明提供的高頻雷達(dá)空中目標(biāo)高度估測(cè)系統(tǒng)的測(cè)高流程圖。

圖中：1、控制單元；2、處理主機(jī)；3、航海顯示器；4、高頻雷達(dá)；5、ads-b設(shè)備；6、ups電源；7、插線板。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

如圖1所示，本實(shí)施例的高頻雷達(dá)空中目標(biāo)高度估測(cè)系統(tǒng)，安裝在航船上，包括控制單元1、處理主機(jī)2、航海顯示器3、高頻雷達(dá)4和ads-b設(shè)備5，控制單元1包括加固鍵盤、軌跡球鼠標(biāo)和電源控制面板，處理主機(jī)2通過vga線連接航海顯示器3、通過網(wǎng)線連接高頻雷達(dá)4和ads-b設(shè)備5、通過usb線連接加固鍵盤和軌跡球鼠標(biāo)、通過串口線連接電源控制面板和ups電源6，電源控制面板也與ups電源6連接，所述ups電源6連接外界電源，電源控制面板通過插線板7連接控制航海顯示器3、高頻雷達(dá)4和ads-b設(shè)備5。

如圖2所示，為高頻雷達(dá)空中目標(biāo)高度估測(cè)系統(tǒng)的測(cè)高流程，包括以下步驟：

1)數(shù)據(jù)收集：通過ads-b設(shè)備5收集民航飛機(jī)的id地址、經(jīng)緯度、高度、飛機(jī)編號(hào)、航向和航速數(shù)據(jù)；通過高頻雷達(dá)4收集目標(biāo)的距離、方位和目標(biāo)雷達(dá)散射截面積(rcs)回波強(qiáng)度值，并收集高頻雷達(dá)4的工作頻率，并傳輸?shù)教幚碇鳈C(jī)2存儲(chǔ)，也可通過控制單元1將數(shù)據(jù)調(diào)取至航海顯示器3顯示。

2)通過處理主機(jī)2進(jìn)行rotheram傳播衰減模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合擴(kuò)展卡爾曼濾波處理，估計(jì)目標(biāo)真實(shí)高度：

基地高頻雷達(dá)4的目標(biāo)回波強(qiáng)度可以寫成如下形式：

式中：n為第n個(gè)采樣時(shí)刻；pr(n)為消除雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)影響的目標(biāo)回波強(qiáng)度，單位為db。函數(shù)表示雷達(dá)的工作頻率為fhz(n)時(shí)，距離r(n)、高度h(n)的目標(biāo)的傳播衰減；

從統(tǒng)計(jì)角度，rcs可以看成由其平均值和疊加于其上的隨機(jī)起伏組成。于是，可將rcs寫成如下形式：

式中，φ(n)為rcs的平均值，可以用cv模型描述，為rcs的隨機(jī)起伏部分，并假設(shè)服從p階的ar模型，則有

ar模型參數(shù)未知時(shí)算法為

a1(n)，...，ap(n)是ar模型的時(shí)變參數(shù)，ar模型的驅(qū)動(dòng)噪聲e(n)是均值為0，方差為的高斯白噪聲。引入向量表示，令

θ(n)＝(a1(n),...,ap)^t

假設(shè)θ(n)中的參數(shù)可用下面的隨機(jī)模型描述：

ak(n+1)＝ak(n)+wk(n),k＝1,...p.

令wθ(n)＝(w1(n),...,wp(n))^t是高斯白噪聲序列，獨(dú)立于{e(n)}且滿足可以理解為系數(shù)變化的均方變化率。這里假設(shè)時(shí)變系數(shù)是相互獨(dú)立，所以wθ(n)的協(xié)方差矩陣應(yīng)是對(duì)角行式，改寫式為：

θ(n+1)＝θ(n)+wθ(n)

用模型可知，θ(n)的估計(jì)和跟蹤可以看成在狀態(tài)空間里的濾波問題；

由于雷達(dá)的工作頻率fhz(n)是已知量，目標(biāo)距離r(n)可以通過高頻雷達(dá)測(cè)得，在傳播衰減函數(shù)中只有目標(biāo)高度h(n)是未知量；

高度參數(shù)化的擴(kuò)展卡爾曼濾波(height-parameterizedextendedkalmanfilter,簡(jiǎn)稱hpiekf)，通過遞歸計(jì)算各個(gè)不同高度初值濾波器的權(quán)值來(lái)逼近目標(biāo)真實(shí)高度。

系統(tǒng)模型傳播衰減是和目標(biāo)高度直接關(guān)聯(lián)的，想獲得對(duì)傳播衰減的估計(jì)，同時(shí)也要獲得對(duì)目標(biāo)rcs的估計(jì)。

聯(lián)合擴(kuò)展卡爾曼濾波方法如下：

初始化：k＝0

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出初始狀態(tài)濾波值令初始狀態(tài)濾波協(xié)方差p0/0＝diag(10⁶,10⁴,1,0.01)

ekf濾波：設(shè)定k＝k+1

狀態(tài)預(yù)測(cè)xk|k-1＝φk-1xk-1|k-1

狀態(tài)預(yù)測(cè)協(xié)方差

線性化測(cè)量矩陣

卡爾曼增益

狀態(tài)濾波

狀態(tài)濾波協(xié)方差pk|k＝pk|k-1-kkhkpk|k-1

其中，函數(shù)中，表示γ[]關(guān)于h的導(dǎo)數(shù)。為了計(jì)算效率，對(duì)應(yīng)于特定的r，函數(shù)γ[]可用一個(gè)關(guān)于r的插值函數(shù)來(lái)近似表示，保證了傳播衰減的快速計(jì)算。

3)數(shù)據(jù)顯示，將計(jì)算得到的目標(biāo)高度可在顯示在航海顯示器3上查看。

以上描述是對(duì)本發(fā)明的解釋，不是對(duì)發(fā)明的限定，本發(fā)明所限定的范圍參見權(quán)利要求，在不違背本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)的情況下，本發(fā)明可以作任何形式的修改。