CN103048657A - 一种雷达目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达目标检测方法，涉及雷达检测技术，旨在针对采用单一波形的传统雷达检测技术不能同时解决距离模糊和速度模糊的问题，提供一种同时具有高距离分辨力及高速度分辨力的雷达检测方法。本发明中的雷达目标检测方法主要包括以下步骤：步骤1：发射雷达波信号，所述雷达波信号包含m个脉冲，每个脉冲的重复周期为T，每个脉冲又包含k个线性调频子脉冲的雷达波脉冲，k个线性调频子脉冲正好组成一个k位的巴克码或组合巴克码；步骤2：接收回波；步骤3：判断是否检测到雷达目标，若是则执行步骤4；若未检测到雷达目标，则重复步骤1~3；步骤4：根据所述雷达回波信号确定目标距离及运动速度。

Description

一种雷达目标检测方法

技术领域

本发明涉及雷达检测技术，尤其是具有高距离分辨力及高速度分辨力的雷达目标检测方法。

背景技术

目前，雷达系统通过测量发射信号的回波延迟来获得目标的距离信息，通过测量回波的多普勒频率来获得目标相对于雷达的径向速度。

常规的雷达所用的PRF范围从几百赫兹到十几万赫兹，PRF（pulse repetition frequency）即脉冲重复频率，表征雷达每秒发射脉冲波次数的量。比如说雷达的脉冲重复周期Tr为1毫秒，即发射一个脉冲到发射下一个脉冲的时间间隔为1毫秒，则脉冲重复频率=1/Tr=1000Hz。即每秒发射1000个脉冲。而PRF的选择对雷达的性能有极大的影响，根据是否使观测距离和多普勒频率模糊可以将PRF分为三种基本类型：低PRF、中PRF、高PRF。这三种类型波形性能如下所示：

。

由上表可知，采用单一波形的传统雷达检测技术不能同时解决距离模糊和速度模糊。

发明内容

本发明的目的是针对现有雷达检测技术不足之处提供一种同时具有高距离分辨力及高速度分辨力的雷达检测方法。

本发明中的雷达目标检测方法，包括以下步骤：

步骤1：发射雷达信号，包括：

步骤11：发射第一线性调频子脉冲；

步骤12：调节所述第一线性调频子脉冲的相位得到第二线性调频子脉冲，使第二线性调频子脉冲的相位与第一线性调频子脉冲的相位相等或者相反；并发射第二线性调频子脉冲；

步骤13：重复k-2次步骤12，将包含k个线性调频子脉冲的脉冲发射出去，且所述k个线性调频子脉冲构成一个巴克码或组合巴克码；

步骤14：重复m次步骤11、步骤12及步骤13，将包含m个脉冲的雷达波脉冲串发射出去，调整本步骤中的重复时间间隔，使得脉冲串中各个脉冲重复周期为T；

步骤2：接收回波；

步骤3：判断是否检测到雷达目标，若是则执行步骤4；若未检测到雷达目标，则重复步骤1～3；

步骤4：根据所述雷达的回波信号确定目标距离及运动速度。

优选地，所述线性调频信号为 $s\left(t\right)=\mathrm{Arect}\left(t\right)\exp \left(j(2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t+\frac{1}{2}{\mathrm{\&mu;t}}^2)\right),$ 其中 $\mathrm{Arect}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1;& t1\&le;t\&le;t2\\ 0;& 0\&le;t<t1,t>t2\end{array}\right.,$ t1≥0,t1<t2；，f₀为线性调频信号的中心频率，μ为线性调频斜率。

优选地，所述线性调频子脉冲的脉冲宽度τ=t2-t1满足下式：

其中λ为雷达波长，v_max为待检测的雷达目标最大运动速度。

优选地，所述时间T＝2R/C，R为雷达最远作用距离，C为光速。

优选地，所述步骤3包括对回波进行脉冲压缩得到脉压信号，计算所述的脉压信号的自相关，判断所述自相关结果是否大于设定的检测阈值，若大于则认为回波中具有确切的回波信号，进而确定检测到雷达目标。

优选地，所述步骤4包括：在确定收到回波信号后，进一步检测收到回波信号的时间，进而得到雷达目标的距离。

优选地，在确定收到回波信号后，提取所述回波的多普勒频移，进而得到雷达目标的速度。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1）发射信号采用脉冲串即突发脉冲波形，可实现雷达目标的远距离探测：由于脉冲之间时间间隔较大，因此脉冲串实际上构成了低重频的突发脉冲波形，这种波形本质上等同于所述的低PRF、长单脉冲波形。采用该波形，在峰值功率相同的情况下，平均功率明显地增加，可实现雷达目标的远距离探测；

2）发射信号中的各个脉冲为线性调频、组合巴克码波形在提高距离分辨力的同时提高了速度分辨力，解决距离模糊和速度模糊问题：由于突发脉冲波形脉冲串较长，导致距离分辨率较低，为此各个脉冲中的子脉冲采用线性调频信号并结合回波处理中的脉冲压缩处理能有效提高回波信噪比，进而提高距离分辨力；另外，脉冲中的子脉冲构成为巴克码或组合巴克码，结合回波处理中的自相关运算能进一步提高回波信噪比，提高距离分辨力。由于子脉冲之间时间间隔较小，子脉冲间构成高重频，通过对回波的多个子脉冲，以及多个周期的脉冲串之间进行多普勒分析，可精确估计目标的速度。

3）长时间相参积累：本发明的采用脉冲串这样的突发脉冲波形来替代现有技术中的单个脉冲，可实现长时间相参积累，有效利用时间资源，提高信号处理增益，改善目标检测信噪比，增大雷达作用距离，更利于探测弱小目标。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是为本发明波形一个实施例的示意图。

图2为本发明波形的线性调频子脉冲经过脉冲压缩处理后的结果。

图3a为本发明波形的线性调频子脉冲压缩实部。

图3b为本发明波形的线性调频子脉冲压缩虚部。

图4为本发明波形中一个脉冲回波脉冲压缩及自相关处理后的结果。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明中的雷达目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：发射雷达波，包括：

步骤11：发射第一线性调频子脉冲；

步骤12：调节所述第一线性调频子脉冲的相位得到第二线性调频子脉冲，使第二线性调频子脉冲的相位与第一线性调频子脉冲的相位相等或者相反；并发射第二线性调频子脉冲；

步骤13：重复k-2次步骤12，将包含k个线性调频子脉冲的雷达脉冲发射出去，且所述k个线性调频子脉冲的相位构成一个巴克码或组合巴克码，k为2、3、4、5、11或13或者前述7个数任意两个数的乘积或者前述7个数任意一个数的平方；

步骤14：重复m次步骤11、步骤12及步骤13，将包含m个雷达脉冲的雷达波脉冲串发射出去，调整本步骤中的重复时间间隔，使得脉冲串中各个脉冲重复周期为T；

步骤2：接收回波；

步骤3：判断是否检测到雷达目标，若是则执行步骤4；若未检测到雷达目标，则重复步骤1～3；

步骤4：根据所述雷达的回波信号确定目标距离及运动速度。

本发明中的雷达发射过程能够产生一种新型的雷达波形。

其中，所述步骤11、12、13能够产生一个包含k个线性调频子脉冲的雷达波脉冲，k个线性调频子脉冲之间重复周期与每个线性调频子脉冲的脉宽相等，k正好是巴克码或组合巴克码位数，且所述雷达脉冲中的各个线性调频子脉冲相位相同或者相反，所述k个线性调频子脉冲的相位变化规律正好构成一个巴克码或组合巴克码，也就是说所述的k个线性调频子脉冲组成了一个k位的巴克码或组合巴克码。例如包含3个线性调频子脉冲的雷达波脉冲，因为3位巴克码为[++-]，因此在所述雷达脉冲中，若第1个线性调频子脉冲相位为0，那么第2个线性调频子脉冲相位为0，第3个线性调频子脉冲相位为180。

组合巴克码就是用某个巴克码作为内码来组成另一个新的巴克码（称为外码）。在数学上，组合巴克码的形式可由外码和内码的Kronecker积来定义，即[外码]×[内码]，例如外码为2位巴克码[+-]，内码为3位巴克码[++-],则组合巴克码的形式为[+-]×[++-]=[++---+]。又如，外码为5位巴克码，内码为13位巴克码可以组成65位组合巴克码。

将一个雷达波脉冲设计为包括k个线性调频子脉冲，且各线性调频子脉冲构成一个k位巴克码或组合巴克码的目的是在回波处理时可以得到更高的压缩比，提高信号信噪比。对于一个k位的巴克码或组合巴克码，对其进行自相关运算后，其结果的幅值可以是原来的k倍。

本发明中线性调频子脉冲的具体形式是这样的 $s\left(t\right)=\mathrm{Arect}\left(t\right)\exp \left(j(2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t+\frac{1}{2}{\mathrm{\&mu;t}}^2)\right),$ 其中 $\mathrm{Arect}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1;& t1\&le;t\&le;t2\\ 0;& 0\&le;t<t1,t>t2\end{array}\right.,$ t1≥0,t1<t2；，f₀为线性调频信号的中心频率，μ为线性调频斜率。其中τ=t2-t1为所述线性调频子脉冲的脉冲宽度，考虑到较大的多普勒相位旋转会破坏巴克码之间固有的相位关系，所以设计线性调频子脉冲的宽度τ应当满足这样的关系：其中λ为雷达波长，可由光速C（即电磁波的传播速度）除以雷达载波频率得到，v_max为待检测的雷达目标最大运动速度。按照这样的关系设计出来的线性调频子脉冲可以准确探测到运动速度在_vmax以下的雷达目标。

步骤11、12、13、14能够产生一个包含m个雷达波脉冲的脉冲串，各个脉冲串之间的时间间隔为T，即突发脉冲波形。脉冲串中各脉冲间设计为低重频，T的取值范围由探测雷达目标的最远距离确定，若雷达最远作用距离为R，则T＝2R/C，C为光速，例如，对于雷达目标最远距离为150km时，设计T为1ms；雷达目标最远距离为300km时，设计T为2ms，以此类推。

所述步骤3进一步包括对回波进行脉冲压缩得到脉压信号：具体步骤为对回波进行混频处理，再对回波进行采样，将采样信号进行下变频得到基带信号，将基带信号进行低通滤波，对滤波后的基带信号进行抽取，然后对信号进行脉冲压缩得到脉压信号，计算所述的脉压信号的自相关，判断所述自相关结果是否大于设定的检测阈值，若大于则认为回波中具有确切的回波信号，进而确定检测到雷达目标。

所述步骤4进一步包括：在确定收到回波信号后，进一步检测收到回波信号的时间，进而得到雷达目标的距离；在确定收到回波信号的同时，提取所述回波的多普勒频移，进而得到雷达目标的速度。

脉冲压缩技术的原理是匹配滤波原理，依据最大输出信噪比设计本地滤波权系数。所述脉冲压缩技术是雷达回波处理技术的常用方法，在此不再赘述其具体步骤。

根据回波多普勒频移获取雷达目标速度的技术也是本领域常用的技术手段，在此也不再赘述其具体步骤。

本发明中回波处理步骤与现有技术的区别在于在采用脉冲压缩方法的同时还对回波进行自相关处理，目的在于进一步提高信号压缩比。

下面举例说明采用本发明中的方法能够显著回波信号的距离分辨力及速度分辨力：

波形设计如上所述：其中k=13，线性调频子脉冲的脉冲宽度为：32.5us，包含k个线性调频子脉冲的雷达波脉冲的脉冲宽度为：32.5×13=422.5us，脉冲之间的重复周期T=2ms，单个脉冲结构如图1所示。将包含500脉冲的雷达波形发射出去，整个雷达波形持续时间为1s。

为了在宽度为τ的子脉冲内检测多普勒频移，通常要求一个子脉冲内至少有一个周期的多普勒频移f_dmax，即

因此本实施例中的最大不模糊多普勒为：

$f_{d\max }=\frac{1}{32.5\mathrm{\&mu;s}}=30\mathrm{KHz}.$

检测回波：对回波进行混频得到频率为60MHz的中频信号，对该中频信号进行采样，采样频率为80MHz。

对采样信号进行下变频、低通滤波后，进行20倍抽取，然后抽取后的信号进行脉冲压缩得到脉压信号，其结果如图2，回波的中线性调频子脉冲经过脉冲压缩后形成13个峰值，对脉压信号进行自相关运算得到如图4所示的结果，由图4可知，经过回波中单个雷达波脉冲经过脉冲压缩后，该波形有较高的距离分辨率。图3a、b显示的是回波的中线性调频子脉冲经过脉冲压缩后实部与虚部，从图3a、b可见各子脉冲之间受到目标多普勒调制。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种雷达目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：发射雷达信号，包括：

步骤11：发射第一线性调频子脉冲；

步骤12：调节所述第一线性调频子脉冲的相位得到第二线性调频子脉冲，使第二线性调频子脉冲的相位与第一线性调频子脉冲的相位相等或者相反；并发射第二线性调频子脉冲；

步骤13：重复k-2次步骤12，将包含k个线性调频子脉冲的脉冲发射出去，且所述k个线性调频子脉冲构成一个巴克码或组合巴克码；

步骤14：重复m次步骤11、步骤12及步骤13，将包含m个脉冲的雷达脉冲串发射出去，调整本步骤中的重复时间间隔，使得脉冲串中各个脉冲重复周期为T；

步骤2：接收回波；

步骤3：判断是否检测到雷达目标，若是则执行步骤4；若未检测到雷达目标，则重复步骤1～3；

步骤4：根据所述雷达的回波信号确定目标距离及运动速度。

2.根据权利要求1所述的一种雷达目标检测方法，其特征在于，所述线性调频信号为 $s\left(t\right)=\mathrm{Arect}\left(t\right)\exp \left(j(2\mathrm{\&pi;}{f}_{0}t+\frac{1}{2}{\mathrm{\&mu;t}}^2)\right),$ 其中 $\mathrm{Arect}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1;& t1\&le;t\&le;t2\\ 0;& 0\&le;t<t1,t>t2\end{array}\right.,$ t1≥0,t1<t2；，f₀为线性调频信号的中心频率，μ为线性调频斜率。

3.根据权利要求1所述的一种雷达目标检测方法，其特征在于，所述线性调频子脉冲的脉冲宽度τ=t2-t1满足下式：

其中λ为雷达波长，v_max为待检测的雷达目标最大运动速度。

4.根据权利要求1所述的一种雷达目标检测方法，其特征在于，所述时间TT＝2R/C，R为雷达最远作用距离，C为光速。

5.根据权利要求1所述的一种雷达目标检测方法，其特征在于，所述步骤3包括对回波进行脉冲压缩得到脉压信号，计算所述的脉压信号的自相关，判断所述自相关结果是否大于设定的检测阈值，若大于则认为回波中具有确切的回波信号，进而确定检测到雷达目标。

6.根据权利要求5所述的一种雷达目标检测方法，其特征在于，所述步骤4包括：在确定收到回波信号后，进一步检测收到回波信号的时间，进而得到雷达目标的距离。

7.根据权利要求5或6所述的一种雷达目标检测方法，其特征在于，在确定收到回波信号后，提取所述回波的多普勒频移，进而得到雷达目标的速度。

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