基于多径效应的目标高度测量

基于多径效应的目标高度测量　基于多径效应的目标高度测量　罗成全　（中航雷达与电子设备研究院，江苏无锡２１４０６３）　摘要：介绍了基于多径效应的目标高度测量，推导了与高度有关的公式。结果表明，多径效应测高的优点是测量精度高，与　波束宽度和俯仰角无关。指出采用这种方法测高需要注意的几个问题，即多径效应存在判断、镜像目标确认。　关键词：恒虚警；多径效应；镜像目标　中圈分类号：ＴＮ９５７．５１；ＴＮ９５９．２　２　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—８８２９（２００７）１０—００１１—０２　Ｔａｒｇｅｔ　Ｈｅｉｇｈｔ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍｕｌｔｉ－Ｐａｔｈ　Ｅｆｆｅｃｔ　ＬＵＯ　Ｃｈｅｎｇ—ｑｕａｎ　（Ｒａｄａｒ　ａｎｄ　Ａｖｉｏｎｉｃｓ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＡＶＩＣ，Ｗｕｘｉ　２１４０６３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｔａｒｇｅｔ　ｈｅｉｇｈｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｕｈｉ－ｐａｔｈ　ｅｆｆｅｃｔ　ｉｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｉｔ　ｈａｓ　ｔｗｏ　ｐｏｗｅｒｆｕｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅ－　ｍｅｎｔ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｉｓ　ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｏｖｅｒ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｈｅｉｇｈｔ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｗｉｔｈ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｉｎａｌｇ　ｂｅａｍ　ｗｉｄｔｈ　ａｎｄ　ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ．Ｓｏｍｅ　ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ　ｑｕｅｓｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｍｕｌｔｉ－ｐａｔｈ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｍｉｒｒｏｒ　ｔａｒｇｅｔ　ｃｏｎｆｉｒ－　ｍａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＣＦＡＲ（ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｆａｌｓｅ　ａｌａｒｍ　ｒａｔｅ）；ｍｕｌｔｉ－ｐａｔｈ　ｅｆｆｅｃｔ；ｍｉｒｏｒ　ｔａ￣ｅｔ　现代预警雷达一般要求精确测量目标的高度，传统的仰角　测高法由于天线波束较宽而测量精度较差，不能满足现代雷达　作战的要求…。为此，介绍了一种基于多径效应的目标高度测　量方法，指出采用这种方法的高度测量误差与波束宽度无关，关　键是对镜像目标的正确识别，提出利用恒虚警等新的方法对镜　像目标进行正确的检测与识别，并对两种方法的测量误差进行　了对比分析。　以得到　＝　㈤　１仰角测高法　传统的仰角测高原理为：设天线的俯仰角为　，上视为正，　下视为负，载机的高度为Ｈ　，目标机的高度为Ｈ　，目标距离为　，天线的３　ｄＢ波束宽度为０　，利用天线俯仰角的测高公式和　Ｅ镜像目标　最大高度测量误差可以写成　ｒ　＝　＋Ｒｏｓｉｎ（　）　图１多径效应示意图　｛Ｉ△　＝２　ｃｏｓ（　）ｓｉｎ（下ｖａ）　二　０　（１）　上式表明，目标高度与天线的仰角　和波束宽度０　无关，　其中载机高度　是已知的，目标距离　和镜像目标距离Ｒ。通　过雷达恒虚警测量得到。　从上述分析知，要正确测量目标高度，有两个问题需要考　虑，一个是多径效应是否存在，一个是如何检测与确定镜像目　标。　目标在波束边沿位置时出现最大测量误差。　２多路径法测高　在不考虑地球曲率的情况下　，目标回波经过地面的反射　产生多径效应。多径回波的路径如图１，一条路径为Ａ—ｃ—Ｂ　—　２．１　多径效应存在判断　，另一条路径为　—　—ｃ—　，一般只考虑进入天线３　ｄＢ波　当　，０　，Ｈ　，Ｒｏ已知时，多径效应存在与否可以通过这些参　数确定。　图２考虑了下视且波束上沿在水平线以下的情况，ＡＢ和ＡＤ　为波束边沿，只有当在三角形ＢＣＤ内的目标才存在多径效应，　束内的单次反射　。　设真实目标的距离为Ｒ。＝ＡＣ，镜像目标的距离Ｒ，＝ＡＥ，可　收稿日期：２００７－０１—２９　作者简介：罗成全（１９７２一），男，四川广安人，高级工程师，硕士，主要研　究方向为雷达信号处理。　因为在此区域以外的目标，其多径回波不可能从天线的３　ｄＢ波　束内进入天线，此时的目标距离满足　＜Ｒｏ＜丽Ｈａ　（３）　维普资讯 http://www.cqvip.com ・１２・　《测控技术）２００７年第２６卷第１０期　其中　＋　０ａ　一孚。　解由直线ＡＤ和圆组成的方程组可以求得高度范围为　０＜Ｈ　＜　一Ｒ０ｓｉｎ（６）　（１１）　Ｙ　当参数Ｈａ：１０　ｋｍ，０。＝７。，　＝一３。，可以得到目标的最大　高度与目标的距离关系，见图３。　ｔ　一　图２多径效应示意图　当３　ｄＢ波束宽度的下沿高于水平线后，多径回波也不司能　进入天线主瓣，所以也不存在多径干扰。　采用类似的方法可以得到如下结论：　ｒ　＜０　下视　①｛　＋　＜０　上沿在水平线以下　ｒ　＜０　下视　②｛　＋下０ａ＞０　上沿在水平线以上　ｒ　＞０　上视　③｛　一　０ａ＜０　下沿在水平线以下　ｒ　＜０　上视　④｛　一　Ｏａ＞０　下沿在水平线以上　其中①、②、③存在多径效应，④不存在多径效应，无法利用　多径效应测量目标高度。　２．２镜像目标判断　利用多径效应测高的关键是正确地检测与判断镜像目标，　由于虚警目标的存在，干扰了对镜像目标的识别，造成测量误　差，本研究提出采用以下方法进行判断。　（１）估算目标高度范围。　考虑图２中目标在波束边沿的边界情况，在直角坐标系中　（原点设在０处），利用反射线一ＢＥ和Ａ—Ｄ可以求出交点Ｃ的坐标　一　＝　１　ｔ＋　ａ　ｎ（ｆｌ　ｔ）　ａｎ（　占）“　（４）　目标距离／ｋｉｎ　ｙ＝　１　ｔ＋　ａ　ｎ（８）　ｔａｎ（　占）一　（５）　图４目标与镜像目标的距离关系　此时的目标距离Ｒ。为Ａ—Ｃ的长度　（３）利用回波幅度。　镜像目标由于多经过一次反射，信号衰减较大，其回波信号　＝　（６）　弱于目标信号。　以Ａ点为圆心，半径为Ｒ。的圆的方程为　从上面的分析可以得出如下结论，在真实目标的距离之后　一。＋（ｙ—Ｈ　）。＝　（７）　定范围内，幅度满足一定要求的目标就是镜像目标，并且目标　当目标距离满足　高度是可以预期的。　Ｈａ＜　＜　商丽　丽　（　）８）　３试验精度分析　解直线面和圆组成的方程组可以求得高度范围为　试验参数，载机高度１０　ｋｍ，目标机高度５　ｋｍ，目标机从５０　０＜　＜Ｈ　ｃｏｓ（２１ｆ）＋，／￣ｃｏｓ２（卢）一　ｓｉｎ。（　）（９）　ｋｍ处远离载机，雷达天线跟踪目标，天线指向最大误差０．０２。，　当目标距离满足　波束宽度７。，雷达采样频率４　ＭＨｚ，镜像目标的检测误差最大为　±１８．７５　ｉｎ，试验结果见图５所示。　Ｃ０￥　（占）＋　ｔａｎ（　ｌｆ　ｓ）（而ｉｎ　占）　…。　ｓｉｎ（占）　（１、‘　０）　（下转第１５页）　维普资讯 http://www.cqvip.com 基于小渡变换和圆周期均值算法的ＩｎＳＡＲ干涉纹图噪声抑制　・１５・　市附近地区的ＥＲＳ．１／２串行ＳＡＲ数据，两幅单视ＳＡＲ复图像经　过配准后，进行干涉处理得到干涉纹图。实验图像大小取为　声抑制和图像特征的保持，不仅可以有效地抑制干涉纹图中的　珊噪声，而且很好地保留了干涉纹图中的边缘细节信息。　５１２×５１２像素，图４（ａ）为原始干涉相位图，图４（ｂ）为采用７×７　窗口均值滤波方法进行噪声抑制的结果，图４（Ｃ）为采用７×７　窗口中值滤波方法进行噪声抑制的结果，图４（ｄ）为采用小波变　４结束语　干涉纹图中的噪声会严重影响相位解缠运算的效率和精　度，最终影响生成的数字高程模型（ＤＥＭ）的精度，因此必须对　其进行有效的抑制。本研究在分析干涉纹图特点的基础上，提　出了一种基于小波变换和圆周期均值算法的ＩｎＳＡＲ干涉纹图　噪声抑制方法。实验结果证明该方法很好地滤除了干涉纹图中　的噪声，同时避免了对图像特征的损害，取得了良好的滤波效　果。　换和圆周期均值滤波算法进行噪声抑制的结果。　参考文献：　［１］舒宁．雷达影像干涉测量原理［Ｍ］．武汉：武汉大学出版社，２００３．　［２］　Ｂａｍｌｅｒ　Ｒ，Ｊｕｓｔ　Ｄ，ｅｔ　ａ１．Ｐｈａｓｅ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ　ｉｎ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍｓ　ｗｉｔｈ　ａｐｐｌｉｃａ—　ｔｉｏｎｓ　ｔｏ　ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ印ｅｎｕｒｅ　ｒａｄａｒ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，１９９４，３３（２Ｏ）：　（ａ）　原始干涉相位图　（ｂ）　均值滤波结果图　４　３６１—４　３６８．　Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ　Ｒ　Ｍ，Ｚｅｂｋｅｒ　Ｈ　Ａ　ａｎｄ　Ｗｅｒｎｅｒ　Ｃ　Ｌ．Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｒａｄａｒ　ｉｎｔｅｆｆｅｒｏｍ—　１ｊ　＿卜ｌ　ｅｔｒｙ：ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｐｈａｓｅ　ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ［Ｊ］．Ｒａｄｉｏ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９８８，２３　１　Ｊ　１；］　（４）：７１３—７２０．　Ｌｅｅ　Ｊ　Ｓ，Ｐａｐａｔｈａｎｓｓｉｏｕ　Ｋ　Ｐ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｎｅｗ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｎｏｉｓｅ　ｉｌｆｔｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ＳＡＲ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｍｅｔｒ／ｅ　ｐｈａｓｅ　ｉｍａｇｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｇｅｏｓｅｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｓｅｎｓｉｎｇ，１９９８，３６（５）：１　４５６—１　４６５．　汪鲁才，王耀南，毛六平．基于小波变换和中值滤波的ＩｎＳＡＲ干涉　图像滤波方法［Ｊ］．测绘学报，２００５，５（２）：１０９—１１２．　胡昌华，张军波，夏军，等．基于ＭＡＴＬＡＢ的系统分析与设计——　（ｃ）　中值滤波结果图　（ｄ）　小波和１圆周期均值滤波结果图　小波分析［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，１９９９．　Ｅｉｃｈｅｌ　Ｐ　Ｈ，Ｇｈｉｇｌｉａ　Ｄ　Ｃ，ｅｔ　ａ１．Ｓｐｏｔｌｉｇｈｔ　ＳＡＲ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ　ｆｏｒ　ｔｅｒｒａｉｎ　图４乌鲁木齐地区十涉纹图滤波结果对比　ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ｍａｐｐｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｆｆｅｍｍｅｔｒｉｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［Ｒ］．Ｓａｎｄｉａ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｌａｂｓ．Ｔｅｃｈ．Ｒｅｐｏ￣，１９９３：２　５３９—２　５４６．　从实验结果可以看出，均值滤波算法可以有效地滤除噪声，　但是将原干涉纹图中一些突变幅度比较小的边缘也平滑掉了。　Ｌａｎａｒｉ　Ｒ，Ｆｏｍａｒｏ　Ｇ，ｅｔ　ａ１．Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌｓ　ｂｙ　Ｕ・　ｓｉｎｇ　ＳＩＲ・Ｃ／Ｘ—ＳＡＲ　ｍｕｌｔｆｆｒｅｑｕｅｎｅｙ　ｔｗｏ・ｐａｓｓ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ：ｔｈｅ　ｅｔｎａ　中值滤波算法可以很好地保留边缘信息，去除孤立噪声，但如果　当前像素不是噪声且不等于中值，滤去的就是信息本身，很容易　造成信息的丢失。小波变换和均值滤波算法则较好地兼顾了噪　ｃａｓｅ　ｓｔｕｄｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　ＧＲＳ，１９９６，３４（５）：１　０９７—１　１１４．　口　（上接第１２页）　误差为±１００　ｍ，测量精度明显优于俯仰角测量的精度，并且其　测量误差随采样率的增大而降低。　４结束语　曼　试验表明，在测高过程中，利用上述对镜像目标进行检测识　赂　嘟　鼋　键　别的一些新方法，在正确地识别出镜像目标后，测得的目标高度　与天线的俯仰角度和波束宽度无关，测量精度明显优于传统的　仰角测高法。　参考文献：　［１］　（关）Ｓｋｏｌｎｉｋ　Ｍ　Ｉ．雷达系统导论（第３版）［Ｍ］．左群声，等译．北　京：电子工业出版社，２００６．　［２］　Ｂｌａｋｅ　Ｌ　Ｖ．Ｒａｄａｒ　ｒａｎｇｅ—ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｍ］．Ｌｅｘｉｎｇｔｏｎ　Ｂｏｏｋｓ，　目标距离／ｋｉｎ　ｌ９８０．　图５　目标距离与高度测量误差的关系　［３］耿文东，王元钦，张若禹．雷达组网减少多路径效应影响的探讨　从试验结果看，高度测量误差均随目标距离增大而增大，采　用俯仰角测量的最大误差为±４ｏ０　ｍ，采用多径效应测量的最大　［Ｊ］．现代雷达，２００６，２８（４）：１１—１３．　口