CN104020450B - 一种基于邻波相关和相位分层的雷达回波重构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种基于邻波相关和相位分层的雷达回波重构方法，该方法是通过邻波相关进行相位对齐，对相邻的回波脉冲进行采样，将得到的采样信号进行相关运算，根据相关结果的峰值实现回波相位预对齐；建立回波采样序列的相位差序列并进行线性拟合，进而将相位差序列分层为具有相同斜率的多个组合；根据分层结果对雷达回波进行筛选并重构，利用最终的重构雷达回波开展频率估计及速度解算。本方法用于解决传统技术中发射信号与回波相关而产生的相位对不齐以及由于目标运动状态或信号转发机制而产生的回波相位跳跃问题，降低了目标机动大时的测速误差。

Description

一种基于邻波相关和相位分层的雷达回波重构方法
技术领域
本发明涉及雷达测量领域，具体是一种合作式脉冲雷达测速机的测量回波信号处理方法。
背景技术
传统的合作式脉冲雷达测速机的测速原理如图1所示，脉冲雷达测速机在处理接收回波获取速度值时，以发射信号St(n)为参考信号，将回波Sr(n)与参考信号St(n)进行相关匹配滤波，匹配滤波的结果作为速度估计的回波数据，通过相参积累一段时间的回波数据后进行多普勒频率估计，进而使用αβ滤波器进行速度估计。传统测速机对机动小的目标展示了良好的测速性能，但是传统测速机参考信号固定为发射信号St(n)，通过运动目标反射之后的回波Sr(n)与St(n)相比，相当于进行了运动调制，当目标机动较大时，如图3所示，Sr(n)与St(n)进行相关后的相参性会有所损失，而同时受目标运动状态或信号转发机制的影响，回波Sr(n)的相位在目标机动较大时会出现阶梯式跳跃的现象，如图5所示，最终导致测速结果不准确，其测速误差率如图7所示。
发明内容
本发明的目的即是给出一种解决相位对不齐和相位跳跃的雷达回波重构方法，采用的技术方案如下：
步骤一、通过邻波相关进行相位对齐，对相邻的回波脉冲进行采样，将得到的采样信号进行相关运算，根据相关值的模值序列的最大值所对应的索引实现采样序列的相位对齐；
步骤二、相位分层的实现，积累m个相位对齐后的回波采样序列，根据加速度在短时间内可近似为恒定值的特性，求解这m个回波脉冲采样序列的相位差序列并进行线性拟合，将相位差序列分层为具有相同斜率的多个组合，求解各组合的拟合系数，实现最终的相位分层；其中m＝1，2...26；
步骤三、雷达回波重构的实现
(1)根据得到的所含元素最多的组合对应的拟合系数对相位差序列和回波脉冲采样序列进行重构；
(2)对于m+j个回波信号，找到第j个回波序列信号所属的相位差集合，去除第j个回波信号的采样序列，保持循环序列中回波信号的个数始终为m个，将第m+j个相位差的值与各组合根据拟合系数预报至m+j的值之差与门限值进行比较，判断其所属的分层，根据分层结果对相位差序列和回波脉冲采样序列进行重构；其中j为正整数，且j≥1；
(3)如果(1)中选定的回波信号所属线性拟合集合的中所含相位差序列的个数减少至零，则回到步骤二重新启动此流程。
发明的有益效果：
1.使用邻波相关的方法，解决了相位预对齐的问题，初步保证了后续处理过程中的相参性；
2.使用相位差分层的方法，解决了回波信号相位中出现的阶梯式跳跃问题，进一步保证了相参的准确性；
3.综合运用上述两种方法，解决了回波信号相位未对齐及相位跳变引起的测速不准确问题，降低了目标机动大时的测速误差。
附图说明
图1是传统测速机原理框图；
图2是改进后测速机原理框图；
图3是相位对齐前回波脉冲信号；
图4是相位对齐后回波脉冲信号；
图5是原始回波采样信号相位差分层示例；
图6是重构的回波采样信号相位差示例；
图7是改进前测速误差；
图8是改进后测速误差；
图9相位分层及重构流程图。
具体实施方式
本发明的目的即是给出一种解决相位对不齐和相位跳跃的雷达回波重构方法，具体的改进流程如图9所示，下面就结合附图进行进一步的阐述。
本发明的测速原理如图2所示，是以回波Sr(n-1)为参考信号，将回波信号Sr(n)与Sr(n-1)进行相关运算，根据相关结果的峰值实现Sr(n)序列的相位预对齐，如图4所示，建立Sr(n)的相位差序列θ(n)，分析相位差信息θ(n)，根据加速度在短时间内可近似为恒定值的特性，对θ(n)进行线性拟合，进而将θ(n)分层为具有相同斜率的多个组合，根据分层结果对雷达回波进行筛选并重构，如图6所示，利用最终的重构雷达回波开展频率估计及速度计算，最终达到提高测速精度的目的，改进后的测速误差率如图8所示。具体实现步骤如下：
步骤一：通过邻波相关进行相位对齐
对第n和n-1个回波脉冲Sr(n)和Sr(n-1)进行采样，得到采样信号xn与yn，其中n是正整数，n＝1...150，将xn与yn进行相关运算得到相关值Rxy(t)(t＝-149，...，0，...149)，表达式为：
由于相关值Rxy(t)为复数，令其模值为abs(Rxy(t))，根据模值序列abs(Rxy(t))(t＝-149，...，0，...149)的最大值对应的索引实现xn与yn采样序列的相位对齐。
步骤二：相位分层的实现
(1)求解回波脉冲采样序列的相位差序列
针对相位对齐后的回波脉冲采样序列Sr(m，p)，首先积累m个采样，对该m个采样进行分层与重构，之后对第m+1及以后的每个采样，进行逐点分层和重构。
假设相位对齐后的回波脉冲采样序列为Sr(m，p)，其中m＝1，2...26；p＝1，2，3...150，为了使输出信噪比尽量高，取p＝150/2，则Sr(m，150/2)(m＝1，2，3...26)，为表述方便简化表示为Sr(m)，令θ(m)表示Sr(m)的相位差序列，单位为度，则Sr(m)的相位差序列可表示为
θ(m)＝deg(Sr(m)*Sr*(m-1)) (3)
其中deg表示求Sr(m)与Sr(m-1)共轭乘积的角度值。
(2)对θ(m)进行线性拟合
θ(mi)＝k*mi+bi (4)
其中(mi∈[1，2，3...26]；i＝1，2，3，4)，k和bi分别是线性拟合的拟合系数，k为斜率和bi为斜距值。
令Cbi(i)表示满足θ(mi)＝k*mi+bi的θ(m)集合，则选择包含θ(m)最多的Cbi(i)对应的k和bi作为回波信号的最终拟合系数k和blast，由此实现最终的相位分层。
步骤三、雷达回波重构的实现
(1)根据得到的所含元素最多的组合对应的拟合系数对相位差序列θ(m)和回波脉冲采样序列Sr(m)进行重构
其中，为进行重构后的相位差序列，为重构后的回波脉冲采样序列，m＝1，2，3...26。
(2)对于下一个回波信号Sr(m+j)，判断其所属的分层组合：
对于m+j个回波信号，找到第j个回波序列信号所属的相位差集合，去除第j个回波信号的采样序列，保持循环序列中回波信号的个数始终为m个，将第m+j个相位差的值与各组合根据拟合系数预报至m+j的值之差与门限值进行比较，判断其所属的分层，根据分层结果对相位差序列和回波脉冲采样序列进行重构；
即k*(m+j)+bi-Sr(m+j)＜门限值，则Sr(m+1)∈Cbi(i)
其中j为正整数，且j≥1；
为保证测试结果，循环序列中回波信号的个数保持不变，对回波信号Sr(m+j)，则找到Sr(j)所属的Cbi(i)，将Sr(j)去掉，重新对该组进行系数拟合及重构。根据步骤四中的第(1)步重构Sr(m+j)所在组的如果选定的回波信号所属的Cbi(i)中所含θ(m)的个数为零，则回到步骤二重新启动此流程。

Claims (2)

1.一种基于邻波相关和相位分层的雷达回波重构方法，其特征包括以下步骤：
步骤一、通过邻波相关进行相位对齐
对相邻的回波脉冲进行采样，将得到的采样信号进行相关运算，根据相关值的模值序列的最大值所对应的索引实现采样序列的相位对齐；
对第n和n-1个回波脉冲Sr(n)和Sr(n-1)进行采样，得到采样信号xn与yn，其中n是正整数，n＝1...150，将xn与yn进行相关运算得到相关值Rxy(t)(t＝-149，...，0，...149)，表达式为：
由于相关值Rxy(t)为复数，令其模值为abs(Rxy(t))，根据模值序列abs(Rxy(t))(t＝-149，...，0，...149)的最大值对应的索引实现xn与yn采样序列的相位对齐；
步骤二、相位分层的实现
积累m个相位对齐后的回波采样序列，根据加速度在短时间内可近似为恒定值的特性，求解这m个回波脉冲采样序列的相位差序列并进行线性拟合，将相位差序列分层为具有相同斜率的多个组合，求解各组合的拟合系数，实现最终的相位分层；
步骤三、雷达回波重构的实现
(1)选择步骤二中得到的所含元素最多的组合对应的拟合系数，对相位差序列和回波脉冲采样序列进行重构；
(2)对于m+j个回波信号，找到第j个回波序列信号所属的相位差集合，去除第j个回波信号的采样序列，保持循环序列中回波信号的个数始终为m个，将第m+j个相位差的值与各组合根据拟合系数预报至m+j的值之差与门限值进行比较，判断其所属的分层，根据分层结果对相位差序列和回波脉冲采样序列进行重构；
(3)如果(1)中选定的回波信号所属线性拟合集合的中所含相位差序列的个数减少至零，则回到步骤二重新启动此流程。
2.如权利要求1所述的一种基于邻波相关和相位分层的雷达回波重构方法，其特征是：m＝1，2...26；j为正整数，且j≥1。
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