CN104122539A - 基于欠采样的高速运动目标微多普勒参数估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于欠采样的高速运动目标微多普勒参数估计方法，针对高速运动目标的雷达微多普勒信号，引入了欠采样技术。对于具有较高运动速度的目标，其雷达微多普勒回波信号是一中心频率值较大的窄带信号，使用传统的奈奎斯特采样频率对信号进行采样，则会需要较高的采样率。而根据欠采样定理，可使用高于2倍微多普勒信号带宽，远小于奈奎斯特采样率的采样频率对信号进行采样。欠采样技术舍去目标的平动速度信息，大大减少信号采样数据量，降低了后期计算代价和对硬件设备的要求，同时保留目标的微动信息，然后对采样数据进行时频分布处理，仍可获得回波信号的时频特征和进行目标的微动参数估计。

Description

基于欠采样的高速运动目标微多普勒参数估计方法
技术领域
本发明属于雷达微多普勒信号处理技术领域，具体涉及基于欠采样的高速运动目标微多普勒参数估计方法。
背景技术
1842年，奥地利的科学家克里斯琴·约翰·多普勒（Doppler）最早发现并提出了多普勒效应，多普勒效应是由于探测器与目标的相对运动而产生的多普勒频移现象，在频谱上的表现就是一个常量的频移。但目标相对于探测器做径向运动时，常常还存在着自身的微动现象。微动是普遍存在的，如生命体的心跳，引擎引起的物体表面的振动，直升机上螺旋桨的旋转或船上雷达天线的旋转，弹道导弹弹头的各种运动状态，机械的振动和车辆船支的晃动等。目标的微动会对回波频谱产生展宽调制，使目标的多普勒频率产生边带，由于该附加的频率调制相对多普勒频移较小，这一现象被称为微多普勒效应，由美国海军研究实验室的V．C．Chen最早发现和提出，并将微多普勒现象从激光雷达领域引入到了微波雷达领域。在研究中，V．C．Chen等人理论推导了四种常见微动模型（振动、旋转、翻滚和锥旋）的微多普勒特征，并仿真验证了推导结果的正确性。
目标微动所产生的微多普勒特征包含了目标的运动和结构等信息，是现存的分析目标特征方法上的一种补充，为细化分析微动目标提供了可能。目标的微动会对回波产生频率调制，则有效提取微多普勒信号的瞬时频率，得到相应调制信息，可推导出目标的微动参数。有效提取微多普勒特征可以反演目标的相关参数，可用于目标的探测、分类和识别等领域。微多普勒的应用实例得到了许多学者的研究，取得了可观的成绩，验证了微多普勒效应的可行性。为了提取目标微动参数，对接收到的微多普勒信号，一般是先由奈奎斯特采样率对信号进行采样，然后对采样后所得数据序列进行时频分布处理，对提取的瞬时频率进行目标的微动参数估计。雷达的探测目标一般都具有平动速度，如飞行中的直升机，行驶中的车辆，发射的导弹等。存在高速运动的目标，会产生很大的多普勒频移，得到一个中心频率值很大的窄带微多普勒信号。当目标具有较高平动速度时，根据奈奎斯特采样定理，需要较高的采样频率，这样就会得到大量的采样数据，增加了后期计算代价和提高了对硬件条件的要求。为了有效提取高速运动目标微多普勒信号的时频特性，对目标微动参数进行准确估计，我们急需有效的分析处理方法。  
发明内容
本发明为了克服对高速运动目标微多普勒信号进行传统奈奎斯特采样导致的数据量大，计算代价高，硬件要求高的不足，达到准确地提取高速运动目标微多普勒参数的目的，提出了基于欠采样的高速运动目标微多普勒参数估计方法。
本发明采用了如下技术方案：根据欠采样定理，由于高速运动目标微多普勒回波信号为中心频率值较高的窄带信号，可使用高于2倍微多普勒信号带宽B，远小于2倍微多普勒信号最高频率                                                （奈奎斯特理论采样率）的采样率对信号进行采样，即采样频率满足：。对于运动速度高的目标，欠采样技术可保证不丢失目标的微动信息，同时采样数据量比传统奈奎斯特采样数据量减少了两个数量级左右，降低了后期计算代价和对硬件设备的要求，然后对采样数据进行时频分布处理，仍可获得回波信号的时频特征和进行微动参数估计。
附图说明
图1是本发明的实现流程图
图2是运动目标微多普勒信号频谱图
图3是微多普勒信号的欠采样波形图与频谱图
图4是欠采样微多普勒信号的SPWV分布
具体实施方式
步骤一：高速运动目标，会产生中心频率较高的窄带微多普勒回波信号，根据欠采样定理，对回波信号进行欠采样，即使用高于2倍微多普勒信号带宽B，低于信号2倍最高频率的采样率对信号进行采样， 
采样率满足：
这里要求采样频率不能小于2倍信号带宽，是为了避免采样后发生频谱混叠现象，不利于信号分析提取。对于高速运动目标，雷达回波信号多普勒频移值较大，需要很高的奈奎斯特采样率，必然会导致采样数据量过大，但欠采样很好地解决了这个问题，大大减少了采样数据量，降低了对硬件设备的要求。如图2，具有平动速度目标的微多普勒信号最高频率很大，根据奈奎斯特采样定理，至少需要130KHz的采样率。但由欠采样定理，可使用少了两个数量级的5KHz采样率对信号进行采样，目标平动速度越高，这一优势越明显，得到图3所示微多普勒信号及频谱图。这样对信号进行欠采样，会丢失回波信号原本的中心频率，即多普勒频移信息，但欠采样不会改变信号原本的频谱形状，即不会丢失回波信号中我们需要的微动信息，仍可从欠采样微多普勒信号中提取目标微动参数。
步骤二：微多普勒回波信号的瞬时频率可直接反应目标的微动信息，对数据采样后，需对采样信号进行时频分布分析，这里采用平滑伪Wigner-Ville分布(SPWVD)得到微多普勒信号的时频分布，它将信号的能量分布于时频平面，是一种双线性变换，
其表达式为：
式中表示时域的平滑窗函数，表示频域的平滑窗函数。
对欠采样信号进行时频SPWV变换，如图4可得目标微多普勒信号的时频特征，对其分析处理可得目标的微动信息。
步骤三：利用谱图峰值估计法对所得微多普勒信号的时频分布图进行瞬时频率提取，时频分布图是时间为横坐标，频率为纵坐标，信号的能量值为数据值的矩阵。谱图峰值估计法是在每一时间点上，搜索其能量最大值点，并认为这一点所对应的频率即为这一时刻的频率，以提取得到微多普勒信号的瞬时频率。振动目标的微多普勒信号瞬时频率数学表达式为：
式中为雷达载波波长，为目标振动幅度，为目标振动频率，为探测器视线方向与振动法平面的夹角。
由表达式可知，瞬时频率的波动频率即为目标的振动频率，同时可由瞬时频率波形的幅值等信息，估计目标振动的幅值、相位等参数。 

Claims (2)

1.基于欠采样的高速运动目标微多普勒参数估计方法，其特征在于：该方法引入了欠采样技术，由于高速运动目标微多普勒回波信号为中心频率值较高的窄带信号，可使用高于2倍微多普勒信号带宽，远小于2倍信号最高频率（奈奎斯特理论采样率）的采样率对信号进行采样；对于高速运动目标，欠采样技术舍去目标的平动速度信息，大大减少信号采样数据量，降低了后期计算代价和对硬件设备的要求，同时保留目标的微动信息，然后对采样数据进行时频分布处理，仍可获得回波信号的时频特征和进行目标的微动参数估计。
2.根据权利要求1所述的基于欠采样的高速运动目标微多普勒参数估计方法，其中欠采样特征在于：对高速运动目标微多普勒回波信号，使用高于2倍微多普勒信号带宽B，低于2倍信号最高频率                                                （奈奎斯特采样率）的采样频率进行采样，即欠采样频率值满足不等式：
  
要求采样频率不能小于2倍微多普勒信号带宽B，是为了避免采样后发生频谱混叠现象，不利于信号分析提取；高速运动目标的微多普勒回波信号为最高频率值较大的窄带信号，传统奈奎斯特采样频率会很大，而欠采样技术将会使采样频率减少两个数量级左右，大大减少信号数据处理量，目标运动速度越快，这一优势越明显。
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