CN104076351B - 一种用于高速高机动目标的相参积累检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于高速高机动目标的相参积累检测方法，首先利用Keystone变换来补偿目标在一个距离单元内的距离走动，再通过遍历搜索得到目标的速度倍数来补偿目标在个距离单元上的距离走动，从而完成对目标距离走动的校正，使得补偿了距离走动的目标回波包络峰值能够在一个距离单元内。之后，本发明再利用二维遍历搜索估计出目标的径向加速度和加速度变化率，并补偿消除掉目标的多普勒走动，使得回波的相位呈线性变化，最后通过FFT实现了目标能量的有效积累。

Description

一种用于高速高机动目标的相参积累检测方法

技术领域

本发明属于雷达信号领域，涉及目标检测方法。

背景技术

随着科学技术的发展，尤其是高速目标的不断发展，越来越多的高速机动目标出现在雷达信号检测领域。如临近空间高超速飞行器，其飞行速度可高达25马赫，而且可做变加速度运动，机动性极强，另一方面隐身技术的日益成熟，使得临近空间飞行器雷达反射截面积急剧减少，导致雷达回波很微弱，降低了雷达的检测性能。

长时间相参积累利用目标的运动特性与多普勒信息，可以有效的提高目标信号能量和雷达的检测性能。长时间相参积累的关键就在于对目标回波能量的有效叠加。但是目标的高速度和很强的机动性会使得目标回波包络峰值出现在不同给的距离单元内，称为距离走动效应；另一方面在长时间相参积累时，目标的加速度会引起回波相位变化，目标的多普勒频率将跨越多个多普勒单元，称为多普勒走动效应，使得目标能量在频域分散。距离走动和多普勒走动都会使得传统的基于距离单元的目标检测方法失效。

现有的研究文献中，针对距离走动和多普勒走动下的目标相参积累检测的方法，可以分为两类：第一类考虑的是匀速目标，典型代表是Keystone变换法。然而，目标的高速度会使得目标发生多普勒模糊，使得传统keystone变换失效，另一方面，传统Keystone变换只能处理发生距离走动的目标，当目标发生多普勒走动时，传统Keystone变换也不再适用。

第二类考虑的匀加速目标，主要有Keystone-最小熵方法，尺度变换-分数阶傅里叶变换方法。然而，现实当中往往存在大量的高机动目标，如巡航导弹、临近空间飞行器、旋转运动的飞行器等，这类目标除了速度与加速度外，还存在加加速度，也就是目标做的是变加速运动。加加速度的存在使得目标的回波相位表现为三阶多项式，此时，前面提到的针对匀速或者匀加速目标的参数估计方法都不再适用。目前，还没有针对变加速运动的高速高机动目标的运动参数估计方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能消除距离走动以及多普勒走动的，适用高速机动目标的雷达检测方法。

本发明为解决上述技术问题所采用技术方案是，一种用于高速高机动目标的相参积累检测方法，包括以下步骤：

1、一种用于高速高机动目标的相参积累检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)距离单元内的距离走动校正：

1-1)对雷达接收机接收到的脉冲回波信号以快时间为变量做快速傅里叶变换FFT到距离频率域，得到回波距离维的频域数据；

1-2)将距离维的频域数据沿距离维作频域脉冲压缩，并对该脉冲压缩后的数据进行Keystone变换；

步骤2)距离单元间的距离走动校正：

2-1)设定速度倍数n的搜索范围[n_min,n_max]，其中最小速度倍数n_min到最大速度n_max共N个，速度倍数n均为正整数，最小，最大，共N个，且都为正整数，v_min表示目标速度的最小值，v_max表示目标速度的最大值，λ表示雷达发射波的波长，f_p表示发射脉冲的频率，用N个速度倍数分别对Keystone变换后的回波数据进行速度补偿；

2-2)将速度补偿后的回波数据沿距离维作傅里叶逆变换IFFT，并对IFFT后的N组回波数据沿慢时间维进行非相参积累，得到N组非相参积累结果；

2-3)在N组非相参积累结果中取积累峰值最大的结果对应的速度倍数为目标速度倍数的估计值，记为

2-4)利用目标速度倍数的估计值对Keystone变换后的回波数据进行速度补偿，再将补偿后的回波数据通过IFFT到距离时域，得到回波距离维的时域数据；

步骤3)多普勒走动校正：

3-1)设定加速度与加速度变化率组合的搜索范围进行二维搜索，在搜索范围内遍历每一个加速度与加速度变化率组合对回波距离维的时域数据进行慢时间维二次项和三次项的速度补偿，得到对应的速度补偿后的回波数据；

3-2)将利用各补偿加速度与加速度变化率组合补偿后的各回波数据分别沿慢时间维进行相参积累，将在所有相参积累结果中取积累峰值最大的结果对应的加速度与加速度变化率组合为估计的目标的加速度与加速度变化率

3-4)利用估计得到的目标加速度的估计值和加速度变化率的估计值对回波距离维的时域数据进行慢时间维二次项和三次项的补偿，得到完成全部补偿的回波数据；

步骤4)对完成全部补偿的回波数据沿慢时间维进行相参积累，相参积累结果中的峰值与预设门限比较，如大于则认为目标存在高速高机动目标，否则认为没有目标。

本发明首先利用Keystone变换来补偿目标在一个距离单元内的距离走动，再通过遍历搜索得到目标的速度倍数来补偿目标在个距离单元上的距离走动，从而完成对目标距离走动的校正，使得补偿了距离走动的目标回波包络峰值能够在一个距离单元内。之后，本发明再利用二维遍历搜索估计出目标的径向加速度和加速度变化率，并补偿消除掉目标的多普勒走动，使得回波的相位呈线性变化，最后通过FFT实现了目标能量的有效积累。

本发明的有益效果是，能有效地实现变加速目标能量的相参积累，可有效地提高雷达目标的检测性能。

附图说明

图1是本发明的实现总流程图；

图2是为雷达回波脉冲压缩后的距离时域图；

图3是目标的速度倍数估计结果图；

图4是进行距离走动校正后的结果图

图5是采用本发明方法的检测结果图；

具体实施方式

下面结合图1给出本发明的具体实现方式。

采用科学计算软件matlab R2008a仿真产生的高速高机动目标的雷达回波，目标个数为1，目标相对雷达的初始距离为600km，目标径向速度为3600km/s，目标径向加速度为20m/s²，目标径向加速度变换率为10m/s³，雷达发射载频为10GHz，距离分辨率为150米，雷达脉冲重复频率为200Hz，一个相参积累时间内包含201个脉冲，信噪比为-8dB。

第一步：回波信号脉冲压缩：对雷达接收机接收到的脉冲回波信号以快时间为变量做快速傅氏变换FFT到距离频率域，得到回波距离维的频域数据z(f,t_m)，其中表示f距离维频率，t_m表示慢时间；将距离维的频率域数据z(f,t_m)沿距离维做频域脉冲压缩，将脉冲压缩后的数据记为z′(f,t_m)。由于目标的高速运动，脉压后回波的包络峰值出现在了不同的距离单元内，如图2所示。原始的回波数据由快时间维与慢时间维组成。雷达领域中，将一个脉冲从发射到接收到的时间称为快时间，也常用来对应表示目标距离。慢时间则由一系列脉冲组成。距离频率域就是距离上的频率维，对快时间维做傅里叶变换后，就把数据变换到距离上的频率维了，慢时间维保持不变。

第二步：对脉压后的回波数据做Keystone变换，即，对该脉冲压缩后的数据z′(f,t_m)中的慢时间变量t_m用时间变量τ_m进行替换，变量替换式为其中f_c表示雷达载波频率，变量替换后得到的数据记为z′(f,τ_m)；

第三步：利用非相参积累估计出目标速度倍数：

设定速度倍数n的搜索范围[n_min,n_max]，其中最小速度倍数n_min到最大速度n_max共N个，速度倍数n均为正整数，最小，最大，共N个，且都为正整数，v_min表示目标速度的最小值，v_max表示目标速度的最大值，λ表示雷达发射波的波长，f_p表示发射脉冲的频率，用N个对速度倍数对数据z′(f,τ_m)进行速度补偿，补偿后的回波数据为z_i′(f,τ_m),i＝1...N；

用N个对速度倍数对数据z′(f,τ_m)进行速度补偿如下：

$z_i^{\′}(f,{\mathrm{\τ}}_m)=z^{\′}(f,{\mathrm{\τ}}_m)\exp \left(j2{\mathrm{\πn}}_i{f}_p\frac{f}{f_c}{\mathrm{\τ}}_m\right),i=1...N$

其中，n_i表示模糊倍数的第i个搜索值，f_p表示发射脉冲的频率，表示单位虚数，f_c表示雷达载波频率，exp表示以自然对数e为底指数函数；

将补偿后的回波数据z_i′(f,τ_m),i＝1...N沿距离维作傅里叶逆变换IFFT得到数据z_i′(t,τ_m),i＝1...N，并对IFFT后的N组回波数据沿慢时间维进行非相参积累，得到N组非相参积累结果其中，M表示脉冲的总个数，|·|表示的是取摸操作；

在N组非相参积累结果中取积累峰值最大的结果对应的速度倍数为目标速度倍数的估计值，记为

如图3所示，为速度倍数的搜索结果，纵坐标(即图中的Y轴)就是表示搜索的速度倍数，每一个速度倍数对应一个积累结果，峰值位置处就对应的目标的速度倍数。

第四步：利用目标速度倍数的估计值对Keystone变换后的回波数据z′(f,τ_m)进行速度补偿，补偿方法同上，再将补偿后的回波数据通过快时间维IFFT到距离时域，得到回波距离维的时域数据完成距离走动校正，从而使得目标回波包络峰值落在了同一距离单元内，如图4所示。

第五步：加速度与加速度变化率的估计：

高速高机动目标的运动模型如下：

$R\left(t_m\right)=R_0+a_1{t}_m+a_2{t}_m^2+a_3{t}_m^3$

R(t_m)是t_m时刻目标到雷达的距离，R₀为目标初始时刻距离，a₁是目标径向速度，a₂是目标径向加速度，a₃是目标径向加速度变化率。

设定加速度与加速度变化率组合(a₂,a₃)的搜索范围[(a_2min,a_3min),(a_2max,a_3max)]进行二维搜素，在搜索范围内遍历每一个加速度与加速度变化率组合对数据进行慢时间维二次项和三次项的速度补偿，得到补偿后的回波数据p＝1...P，P为加速度与加速度变化率组合总数；

进行慢时间维二次项和三次项的速度补偿方法如下：

$z_p^{\′}(\hat{t},{\mathrm{\τ}}_m)=z^{\′}(\hat{t},{\mathrm{\τ}}_m)\exp \left(j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{a}_2{\mathrm{\τ}}_m^2\right)\exp \left(j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{a}_3{\mathrm{\τ}}_m^3\right)$

其中，a₂表示搜索的加速度，a₃表示搜索的加速度变化率；

将补偿后的回波数据沿慢时间维进行相参积累，得到P组相参积累结果j＝1...P；

在P组相参积累结果中取积累峰值最大的结果对应的加速度与加速度变化率组合为估计的目标的加速度与加速度变化率

本实施例通过广义derchirp处理完成二维搜索。即，广义dechirp处理估计目标的径向加速度与加速度变化率按下面式子进行：

$({\hat{a}}_2,{\hat{a}}_3)=\underset{a_2,a_3}{\mathrm{argmax}}\underset{{}_{{\mathrm{\τ}}_m}}{FT}\[z^{\′}(\hat{t},{\mathrm{\τ}}_m)\exp \left(j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{a}_2{\mathrm{\τ}}_m^2\right)\exp \left(j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{a}_3{\mathrm{\τ}}_m^3\right)\]$

式中，表示慢时间维做傅里叶变换，表示快时间，τ_m表示慢时间，λ为雷达波长，a₂表示加速度的搜索值，a₃表示加速度变化率的搜索值。

第六步：利用估计得到的目标加速度的估计值和加速度变化率的估计值对数据进行慢时间维二次项和三次项的补偿，补偿方法同上，补偿后的回波数据

第七步：对数据沿慢时间维进行相参积累，相参积累结果中的峰值大于门限值则为检测到的目标，如图5所示。

综上所述，本方法能够有效的去除距离走动和多普勒走动，实现高速机动目标回波能量的有效积累，提高雷达对高速机动目标的检测能力。

Claims (5)

1.一种用于高速高机动目标的相参积累检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)距离单元内的距离走动校正：

1-1)对雷达接收机接收到的脉冲回波信号以快时间为变量做快速傅里叶变换FFT到距离频率域，得到回波距离维的频域数据；

1-2)将距离维的频域数据沿距离维作频域脉冲压缩，并对该脉冲压缩后的数据进行Keystone变换；

步骤2)距离单元间的距离走动校正：

2-1)设定速度倍数n的搜索范围[n_min,n_max]，其中最小速度倍数n_min到最大速度n_max共N个，速度倍数n均为正整数，用N个速度倍数分别对Keystone变换后的回波数据进行速度补偿；

2-2)将速度补偿后的回波数据沿距离维作傅里叶逆变换IFFT，并对IFFT后的N组回波数据沿慢时间维进行非相参积累，得到N组非相参积累结果；

2-3)在N组非相参积累结果中取积累峰值最大的结果对应的速度倍数为目标速度倍数的估计值，记为

2-4)利用目标速度倍数的估计值对Keystone变换后的回波数据进行速度补偿，再将补偿后的回波数据通过IFFT到距离时域，得到回波距离维的时域数据；

步骤3)多普勒走动校正：

3-1)设定加速度与加速度变化率组合的搜索范围进行二维搜索，在搜索范围内遍历每一个加速度与加速度变化率组合对回波距离维的时域数据进行慢时间维二次项和三次项的速度补偿，得到对应的速度补偿后的回波数据；

3-2)将利用各补偿加速度与加速度变化率组合补偿后的各回波数据分别沿慢时间维进行相参积累，将在所有相参积累结果中取积累峰值最大的结果对应的加速度与加速度变化率组合为估计的目标的加速度与加速度变化率

3-3)利用估计得到的目标加速度的估计值和加速度变化率的估计值对回波距离维的时域数据进行慢时间维二次项和三次项的补偿，得到完成全部补偿的回波数据；

步骤4)对完成全部补偿的回波数据沿慢时间维进行相参积累，相参积累结果中的峰值与预设门限比较，如大于则认为目标存在高速高机动目标，否则认为没有目标。

2.如权利要求1所述一种用于高速高机动目标的相参积累检测方法，其特征在于，最小，

v_min表示目标速度的最小值，v_max表示目标速度的最大值，λ表示雷达发射波的波长，f_p表示发射脉冲的频率。

3.如权利要求1所述一种用于高速高机动目标的相参积累检测方法，其特征在于，对该脉冲压缩后的数据进行Keystone变换的具体方法是：t_m为脉冲压缩后的数据中的慢时间变量，τ_m为变换后的时间变量。

4.如权利要求1所述一种用于高速高机动目标的相参积累检测方法，其特征在于，用速度倍数对Keystone变换后的回波数据进行速度补偿的方法如下：

$z_n^{\′}(f,{\mathrm{\τ}}_m)=z^{\′}(f,{\mathrm{\τ}}_m)\exp \left(j2{\mathrm{\πn}}_i{f}_p\frac{f}{f_c}{\mathrm{\τ}}_m\right)$

其中，z′(f,τ_m)为Keystone变换后的回波数据，n表示用于补偿的速度倍数，z′_n(f,τ_m)为用速度倍数n进行补偿后的结果，f_p表示发射脉冲的频率，表示单位虚数，f_c表示雷达载波频率，τ_m为Keystone变换后的时间变量，exp表示以自然对数e为底指数函数。

5.如权利要求1所述一种用于高速高机动目标的相参积累检测方法，其特征在于，利用加速度和加速度变化率对回波距离维的时域数据进行慢时间维二次项和三次项的补偿的方法如下：

$z_j^{\′}(\hat{t},{\mathrm{\τ}}_m)=z^{\′}(\hat{t},{\mathrm{\τ}}_m)\exp \left(j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{a}_2{\mathrm{\τ}}_m^2\right)\exp \left(j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{a}_3{\mathrm{\τ}}_m^3\right)$

其中，为回波距离维的时域数据，a₂表示用于补偿的加速度，a₃表示用于补偿的加速度变化率，为用当前加速度a₂以及加速度变化率a₃进行补偿的结果，λ表示雷达发射波的波长，表示单位虚数，exp表示以自然对数e为底指数函数。