CN102830394A - 基于多谱线积累的弱目标探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多谱线积累的弱目标探测方法，主要解决现有技术探测微弱目标时作用距离降低，仅依靠时间积累无法达到提高作用距离的问题。其实现过程是：1）把模拟信号分别通过三路模拟滤波器，滤出目标信号主谱线以及左右的两根谱线，变为三路连续波信号；2）对三路连续波信号分别进行数字采样，并计算得到数字权值，然后通过数字加权对三路信号进行相参积累；3）对相参积累后数据搜索加速度的值并补偿，并进行谱分析形成多普勒－加速度两维平面；4）在多普勒－加速度平面上恒虚警检测，对过门限的点进行聚心处理获得目标运动参数。本发明可在不增加发射功率和导引头孔径的情况下，提高雷达导引头的探测距离。

Description

基于多谱线积累的弱目标探测方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种采用多谱线积累提高弱目标探测距离的方法，可用于提高对微弱目标的探测距离。

背景技术

随着现代各种技术特别是隐身技术的发展与日趋成熟，飞机和导弹类目标的雷达反射截面积RCS减小了一到两个数量级，极大地影响了现有雷达的探测能力。同时，不断发展的隐身、高速微弱目标对现代雷达也提出了严峻挑战。为此，必须研究相应的技术来应对挑战，提高现有雷达导引头的探测能力，提高对微弱目标的探测距离。

目前，雷达导引头通常采用高重复频率波形，经过窄带滤波器滤出主谱线后变成连续波信号，对该连续波信号数字采样后进行谱分析，检测目标是否存在，但由于微弱目标的RCS比较小，采用该方法探测微弱目标时，雷达的最大作用距离将变小，从而影响现有雷达的探测性能。为了提高雷达的最大作用距离，通常需要增加雷达功率孔径积，但在现有的技术条件下，雷达功率孔径积无法增加或者增加需要的代价过于大，因此采用信号处理的方法，实现目标在长观测时间内回波能量的积累，增加目标积累时间，是提高对微弱目标检测性能的主要途径。但是，由于目前各种飞行器的机动性能大幅提高，目标的机动特性也越来越强，在长相干积累时间内目标速度会发生变化，导致其回波信号分布于多个多普勒单元,从而使多普勒频谱展宽、相干积累性能变差、系统的检测性能下降，进而使雷达的探测距离变小，影响雷达的探测性能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种基于多谱线积累的弱目标探测方法，以增加雷达导引头的探测距离，提高其探测性能。

实现本发明目的的技术思路是：充分利用多根谱线的积累并对加速度的值补偿，提高目标的增益，从而进一步提高对空中微弱目标的探测距离，其实现步骤包括如下：

（1）将一个模拟信号分别通过三路模拟滤波器，滤出目标信号的主谱线以及左右的两根谱线，变为三路连续波信号；

（2）对上述三路连续波信号分别进行数字采样，得到三路数字信号分别为x₁(n),x₂(n),x₃(n)；

（3）构建三路数字信号的权值公式，用该权值公式分别计算三路数字信号的权值w₁,w₂,w₃：

w₁=1

$w_2=\frac{1}{T_r-2T_p}{\∫}_{T_p/2}^{T_r-3T_p/2}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_r\mathrm{\γ}}\mathrm{d\γ},$

$w_3=\frac{1}{T_r-2T_p}{\∫}_{T_p/2}^{T_r-3T_p/2}{e}^{-j2\mathrm{\π}{f}_r\mathrm{\γ}}\mathrm{d\γ}$

其中w₁是信号x₁(n)的权值，w₂是信号x₂(n)的权值，w₃是信号x₃(n)的权值，f_r是发射波形的重复频率，T_r=1/f_r是脉冲重复周期，T_p是发射脉冲宽度，γ是接收信号相对于发射信号的延时；

（4）将上述的权值与三路数字信号进行加权相参积累，得到相参积累后的信号x(n)：

$x\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{x}_i\left(n\right),$

其中w_i为第i路信号的权值，x_i(n)为第i路数字信号；

（5）从相参积累后的数据中搜索加速度的值，利用搜索到的加速度值产生补偿因子

并对相参积累后的信号x(n)进行补偿，即用x(n)乘以补偿因子，其中a为搜索的加速度值，λ为发射信号的波长，T_s是数字采样间隔；

（6）对补偿后的相参积累信号进行快速傅立叶变换，根据变换结果画出多普勒－加速度两维平面；

（7）在多普勒－加速度平面上做恒虚警检测，根据虚警概率P_fa确定门限值：

，其中σ²是噪声功率；

（8）用滑窗法对过门限值U_T的点进行聚心处理获得目标参数，即对窗内过门限的点进行搜索，搜索出最大值点，将该点对应的横坐标为目标多普勒，纵坐标为目标的加速度，得到了目标运动参数。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1）现有的较常用的提高弱目标探测距离的方法是增加雷达功率孔径积，但目前雷达导引头的功率和孔径已经接近现有水平的上界，想进一步提高功率孔径积异常困难，且成本大幅增加，本发明采用信号处理的方法，在仅增加两个滤波器和数字采样器的情况下，使得信号积累增益提高约3dB，在花费成本很低的情况下提高了弱目标的探测距离；

2）现有的较常用的提高弱目标探测距离的方法，在长相干积累时间内目标速度会发生变化，从而使多普勒频谱展宽、相干积累性能变差、系统的检测性能下降，本发明采用多根谱线积累的方法并对加速度的值补偿，提高目标的增益，在同样的发射功率和信号积累时间的情况下，作用距离比单根主谱线方法提高约19％，对雷达导引头的自主截获提供了充足时间。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明中三根谱线相对单谱线在积累时间为6.5ms时的信噪比改善图；

图3是本发明中三根谱线相对单谱线在积累时间为100ms时的信噪比改善图；

图4是本发明中单谱线在积累时间为100ms时的多普勒－加速度平面图；

图5是本发明中三根谱线在积累时间为100ms时的多普勒－加速度平面图；

图6是本发明中目标聚心处理后的结果图。

具体实施方式

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，将一个模拟信号分别通过三路模拟滤波器，滤出目标信号的主谱线以及左右的两根谱线，变为三路连续波信号。

设置三个模拟滤波器，滤出目标信号的主谱线以及左右的两根谱线，变为三路连续波信号。滤波器的中心分别为和

滤波器带宽由多普勒误差范围决定，其中

为目标粗多普勒值，其初始值可由地面制导雷达给出，f_r为发射波形的重复频率，滤波器只滤出三根谱线是因为三根谱线的能量已经占据了信号绝大部分能量，再增加谱线个数对提高积累增益作用很小。

步骤2，对上述三路连续波信号分别进行数字采样，得到三路数字信号分别为x₁(n),x₂(n),x₃(n)。

设三路连续波信号分别为x₁(t),x₂(t),x₃(t)，以采样频率f_s对三路信号分别采样，数字采样后信号分别为x₁(n),x₂(n),x₃(n)。

步骤3，构建三路数字信号的权值公式，用该权值公式分别计算三路数字信号的权值w₁,w₂,w₃。

3a）根据发射周期方波信号为s(n)，接收信号为s(n-γ)，将接收信号的频域表示为F(ω)e^-j2πfγ：

F(ω)e^-j2πfγ=FFT[s(n-γ)]，

其中F(ω)=FFT[s(n)]，ω是角频率，F(ω)是发射信号的频域表示，e^-j2πfγ为接收信号频域表示中的相位因子，FFT[]表示快速傅立叶变换，f是频率；

由傅立叶变换性质知，当周期方波信号关于时间轴对称时，其傅立叶系数均为实数，即其相位均为0，各谱线的相位相同，接收信号相对于发射信号的延时为γ，接收信号频域表示中的相位因子为e^-j2πfγ，此时各频率分量的相位不再相同，而是有一个与角频率和延时都成正比的相位-2πfγ，若想把各谱线相参积累起来，需要通过数字加权补偿掉这个相位因子；

3b）根据接收信号频域表示中的相位因子e^-j2πfγ，以及三根谱线的频率分别为f_d，f_d+f_r和f_d-f_r，取数字权值w₁',w₂',w₃'分别为：

$w_1^{\′}=e^{j2\mathrm{\π}{f}_d\mathrm{\γ}}$

$w_2^{\′}=e^{j2\mathrm{\π}(f_d+f_r)\mathrm{\γ}},$

$w_3^{\′}=e^{j2\mathrm{\π}(f_d-f_r)\mathrm{\γ}}$

其中，w₁'是第一路信号x₁(n)的权值，w₂'是第二路信号x₂(n)的权值，w₃′是第三路信号x₃(n)的权值，f_d是目标真实多普勒，f_r是发射波形的重复频率；

3c）对上述权值同时乘以得到修改后的权值w₁ ^*,w₂ ^*,w₃ ^*分别为：

w₁ ^*=1

${w_2}^{*}=e^{j2\mathrm{\π}{f}_r\mathrm{\γ}},$

${w_3}^{*}=e^{-j2\mathrm{\π}{f}_r\mathrm{\γ}}$

从上述权值可以看出，权值与目标多普勒无关，只与发射信号重复频率f_r以及接收信号相对于发射信号的延时γ有关，而发射信号重复频率是确定的，故权值只与延时γ有关，且权值是一个以T_r=1/f_r为周期的相位项；

3d）为了尽可能提高目标探测距离，需要增加积累时间，即利用一个脉冲重复周期T_r的有效时间T_max，对上述修改后的权值w₁ ^*,w₂ ^*,w₃ ^*分别求均值，T_max=T_r-2T_p，得到三路信号的最终权值：

w₁=1

$w_2=\frac{1}{T_r-2T_p}{\∫}_{T_p/2}^{T_r-3T_p/2}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_r\mathrm{\γ}}\mathrm{d\γ}.$

$w_3=\frac{1}{T_r-2T_p}{\∫}_{T_p/2}^{T_r-3T_p/2}{e}^{-j2\mathrm{\π}{f}_r\mathrm{\γ}}\mathrm{d\γ}$

步骤4，将上述的权值与三路数字信号进行加权相参积累，得到相参积累后的信号x(n)：

$x\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{x}_i\left(n\right),$

其中w_i为第i路信号的权值，x_i(n)为第i路数字信号。

步骤5，从相参积累后的数据中搜索加速度的值，利用搜索到的加速度值产生补偿因子

对相参积累后的信号x(n)进行补偿，即用x(n)乘以补偿因子

得到补偿后的相参积累信号y(n)为：

$y\left(n\right)=x\left(n\right)\·e^{-\mathrm{j\π}\frac{2a}{\mathrm{\λ}}{\left({\mathrm{nT}}_s\right)}^2},$

其中a是在0~a_max内以间隔1m/s²取出的一连串加速度的值，a_max是目标加速度的最大值，λ为发射信号的波长，T_s是数字采样间隔，

f_s为采样频率。

长时间积累时目标加速度会造成多普勒谱的展宽，如果不加以补偿直接进行傅立叶变换会造成积累增益的下降，所以要对加速度在一定范围内搜索并对相参积累后的信号补偿。

步骤6，对补偿后的相参积累信号进行快速傅立叶变换，根据变换结果画出多普勒－加速度两维平面，即：

X(a)=FFT[y(n)]，

对上式分析可知，当搜索的加速度a=a₀时，傅立叶变换结果最大，最大值对应的多普勒频率为Δf_d，其中a₀为做匀加速运动的目标的加速度，Δf_d为目标真实多普勒f_d与目标粗多普勒值

的差，即

v₀为目标的初速度，λ为发射信号的波长。

步骤7，在多普勒－加速度平面上做恒虚警检测，根据虚警概率P_fa确定门限值U_T：其中σ²是噪声功率。

步骤8，采用滑窗法对过门限的点进行聚心处理，获得目标运动参数。

聚心处理，是取每个滑窗内的最强散射点作为目标的位置，对全部距离单元和多普勒单元的数据作处理，使原来分布在一定范围内目标的尺寸变成1*1，即将面目标变成了点目标。

在本发明中由于目标是单一的，故此时的聚心处理即为对窗内过门限的点进行搜索，搜索出最大值点，该点对应的横坐标为目标多普勒，纵坐标为目标的加速度，从而得到了目标运动参数。

本发明的效果通过以下仿真试验进一步说明：

1.仿真条件：

设发射波形的载频为X波段即10GHz，发射信号脉冲宽度为1us，脉冲重复周期为3us，导弹的初速度为1100m/s，加速度为100m/s²，弹目距离为8.9Km，目标速度为350m/s，粗估计的多普勒频率与真实多普勒频率相差约3KHz，采样频率为10KHz。

2.仿真内容：

仿真1，在积累时间为6.5ms时，用本发明中的三根谱线积累仿真相对单谱线积累的信噪比改善情况，结果如图2。

仿真2，在积累时间为100ms时，用本发明中的三根谱线积累仿真相对单谱线积累的信噪比改善情况，结果如图3。

仿真3，在积累时间为100ms时，对单谱线进行相参积累，得到多普勒－加速度平面图，如图4。

仿真4，在积累时间为100ms时，对三根谱线进行相参积累，得到多普勒－加速度平面图，如图5。

仿真5，在图5上做恒虚警检测，根据虚警概率P_fa确定门限值U_T，对过门限的点进行聚心处理，结果如图6。

3.仿真分析：

从图2和图3可以看出，采用本发明的三根谱线积累相对单谱线积累平均信噪比分别提高了3.2dB、2.4dB，由此可见，采用多谱线积累时信噪比得到了较好的改善，从而提高了对微弱目标的探测距离。

从图4中可以看出，在单谱线积累的情况下，由于积累增益达不到检测要求，从而不能有效地检测到目标。

从图5可以看出，在多谱线积累并对加速度补偿的情况下，可有效地检测到目标。

从图6可以看出，本发明有效检测并准确估计了目标的参数。

以上是本发明的优选实例，并不构成对本发明的任何限制，显然在不脱离本发明原理的情况下，均可作出不同根谱线的相参积累，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (2)

1.一种基于多谱线积累的弱目标探测方法，包括如下步骤：

（1）将一个模拟信号分别通过三路模拟滤波器，滤出目标信号的主谱线以及左右的两根谱线，变为三路连续波信号；

（2）对上述三路连续波信号分别进行数字采样，得到三路数字信号分别为x₁(n),x₂(n),x₃(n)；

（3）构建三路数字信号的权值公式，用该权值公式分别计算三路数字信号的权值w₁,w₂,w₃：

w₁=1

$w_2=\frac{1}{T_r-2T_p}{\∫}_{T_p/2}^{T_r-3T_p/2}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_r\mathrm{\γ}}\mathrm{d\γ},$

$w_3=\frac{1}{T_r-2T_p}{\∫}_{T_p/2}^{T_r-3T_p/2}{e}^{-j2\mathrm{\π}{f}_r\mathrm{\γ}}\mathrm{d\γ}$

其中w₁是信号x₁(n)的权值，w₂是信号x₂(n)的权值，w₃是信号x₃(n)的权值，f_r是发射波形的重复频率，T_r=1/f_r是脉冲重复周期，T_p是发射脉冲宽度，γ是接收信号相对于发射信号的延时；

（4）将上述的权值与三路数字信号进行加权相参积累，得到相参积累后的信号x(n)：

$x\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{x}_i\left(n\right),$

其中w_i为第i路信号的权值，x_i(n)为第i路数字信号；

（5）从相参积累后的数据中搜索加速度的值，利用搜索到的加速度值产生补偿因子

并对相参积累后的信号x(n)进行补偿，即用x(n)乘以补偿因子，其中a为搜索的加速度值，λ为发射信号的波长，T_s是数字采样间隔；

（6）对补偿后的相参积累信号进行快速傅立叶变换，根据变换结果画出多普勒－加速度两维平面；

（7）在多普勒－加速度平面上做恒虚警检测，根据虚警概率P_fa确定门限值：

其中σ²是噪声功率；

（8）用滑窗法对过门限值U_T的点进行聚心处理获得目标参数，即对窗内过门限的点进行搜索，搜索出最大值点，将该点对应的横坐标为目标多普勒，纵坐标为目标的加速度，得到了目标运动参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤（3）所述的构建三路数字信号的权值公式，按如下步骤进行：

3a）根据发射周期方波信号为s(n)，接收信号为s(n-γ)，将接收信号的频域表示为F(ω)e^-j2πfγ：

F(ω)e^-j2πfγ=FFT[s(n-γ)]，

其中F(ω)=FFT[s(n)]，ω是角频率，F(ω)是发射信号的频域表示，e^-j2πfγ为接收信号频域表示中的相位因子，FFT[]表示快速傅立叶变换，f是频率；

3b）根据接收信号频域表示中的相位因子e^-j2πfγ，取数字权值w₁′,w₂′,w₃′分别为：

$w_1^{\′}=e^{j2\mathrm{\π}{f}_d\mathrm{\γ}}$

$w_2^{\′}=e^{j2\mathrm{\π}(f_d+f_r)\mathrm{\γ}},$

$w_3^{\′}=e^{j2\mathrm{\π}(f_d-f_r)\mathrm{\γ}}$

其中，w₁'是第一路信号x₁(n)的权值，w₂′是第二路信号x₂(n)的权值，w₃′是第三路信号x₃(n)的权值，f_d是目标真实多普勒，f_r是发射波形的重复频率；

3c）对上述权值同时乘以

得到修改后的权值w₁ ^*,w₂ ^*,w₃ ^*分别为：

w₁ ^*＝1

${w_2}^{*}=e^{j2\mathrm{\π}{f}_r\mathrm{\γ}},$

${w_3}^{*}=e^{-j2\mathrm{\π}{f}_r\mathrm{\γ}}$

3d）在一个脉冲重复周期T_r的有效时间T_max内对上述修改后的权值w₁ ^*,w₂ ^*,w₃ ^*分别求均值，T_max=T_r-2T_p，得到三路信号的最终权值：

w₁=1

$w_2=\frac{1}{T_r-2T_p}{\∫}_{T_p/2}^{T_r-3T_p/2}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_r\mathrm{\γ}}\mathrm{d\γ}.$

$w_3=\frac{1}{T_r-2T_p}{\∫}_{T_p/2}^{T_r-3T_p/2}{e}^{-j2\mathrm{\π}{f}_r\mathrm{\γ}}\mathrm{d\γ}$

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