CN104950295A - 一种基于相关函数与尺度变换的高速机动目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于相关函数和尺度变换的高速机动目标快速积累检测方法，属于雷达技术领域，涉及目标检测方法，可用于高斯白噪声环境中基于多个相参脉冲回波的雷达检测高效处理。首先利用回波信号的相关函数来校正目标的距离走动，然后通过尺度变换消除目标的多普勒走动，最后通过二维傅里叶变换(FFT)实现目标能量的有效积累。由于本发明所有的操作都可以利用快速傅里叶变换以及快速逆傅里叶变换实现，从而极大的减小了方法的运算量，快速地实现变加速机动目标能量的相参积累，可有效地提高雷达对高速高机动目标的实时检测能力，且易于工程实现。

Description

一种基于相关函数与尺度变换的高速机动目标检测方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，涉及目标检测方法，可用于高斯白噪声环境中基于多个相参脉冲回波的雷达检测高效处理。

背景技术

随着科学技术的发展，尤其是航天航空技术与高速机动目标技术的不断发展，越来越多的高速机动目标出现在雷达信号检测领域。如临近空间高超声速飞行器，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；还有弹道导弹等目标，可做蛇形机动突防。另一方面，隐身技术的日益成熟，使得临近空间飞行器等高速机动目标的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。

利用信号处理方法来实现对低可探测性目标的检测，手段灵活，成本较低，具有较好的应用前景。通常可以利用长时间积累来增加目标的能量，达到提高信号信噪比的要求，从而提高雷达对目标的检测能力。长时间积累技术根据是否利用目标信号的相位信息，可分为非相参积累(仅利用信号幅度信息)和相参积累(同时利用信号的幅度和相位信息)两种。与非相参积累技术相比，相参积累利用目标的相位信息，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，目标的加速度以及加速度变化率会引起回波相位成非线性变化，从而使得目标多普勒频率跨越多个多普勒分辨单元，称为多普勒走动效应，引起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目标积累检测方法失效。

现有的研究文献中，针对距离走动和多普勒走动下的高速机动目标相参积累检测的方法，主要有两类：一类是基于keystone变换的方法，但是该类方法需要进行插值运算，同时还需要进行多普勒模糊倍数搜索，计算量大；另一类是基于Radon变换的方法，典型的有Radon傅里叶变换法(RFT)以及Radon分数阶傅里叶变换法(RFRFT)，这类方法都需要在目标的运动参数空间(距离，速度等)进行多维搜索，计算更复杂。另一方面，现有的方法都只能适用于目标匀速运动或者匀加速运动情况；对于作变加速运动的高速高机动目标，这些方法都将失效。

总的说来，现有的方法都需要进行插值运算或者多维度搜索操作，运算复杂，非常耗时间；不利于机动目标的快速实时检测；同时，已有的积累检测方法只适用于目标机动性较低的情况。因此亟需针对变加速运动目标的快速积累检测方法。

发明内容

本发明针对背景技术的不足提出一种基于相关函数与尺度变换的高速机动目标检测方法，解决做变加速运动的高速机动目标的快速积累检测问题，该方法不需要进行任何插值运算或者搜索操作，从而达到计算量小，易于工程实现，有利于提高雷达对高速机动目标的实时检测性能的目的。

本发明的技术方案是一种基于相关函数与尺度变换的高速机动目标检测方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：雷达接收信号，对接收信号做脉冲压缩处理，并将脉冲压缩后的多个脉冲回波数据记为z(r_n,t_m)，n＝1,2...N,m＝1,2...M，其中，r_n表示第n个距离单元，t_m表示第m个脉冲所需的时间，N表示总的距离单元数目,M表示总的脉冲数目，脉冲压缩后的回波数据可以看成一个二维数组；

步骤2：对脉冲回波z(r_n,t_m)沿r_n方向做快速傅立叶变换到距离频率域，得到回波距离维的频域数据z(f,t_m)；其中f表示距离频率；

步骤3：计算雷达脉冲回波z(r_n,t_m)的互相关函数R₁(r_n,t_m)，校正目标的距离走动效应，回波能量落在了同一距离单元内；

步骤4：对消除了距离走动后的互相关数据R₁(r_n,t_m)，n＝1,2...N，沿距离单元进行抽取数据，记第n个(n＝1,2,3...N)距离单元上抽取得到数据为Q_n(t_m)；

步骤5：计算Q_n(t_m)的瞬时自相关函数P_n(τ,t_m)，n＝1,2...N；

步骤6：对计算得到的瞬时自相关函数P_n(τ,t_m)，进行尺度变换，得到尺度变换后的数据S_n(τ,t_m)，尺度变换按如下公式进行

$S_n(\mathrm{\τ},t_m)=P_n(\mathrm{\τ},\frac{t_m}{\mathrm{\τ}+1})$

步骤7：对尺度变换后的数据S_n(τ,t_m)，分别沿τ方向与t_m方向做傅里叶变换(FT)，得到相参积累结果，记为S_n(f,f_d)；相参积累结果中的峰值即为检测的目标。其中，f_d表示多普勒频率。

所述步骤3的计算雷达脉冲回波z(r_n,t_m)的互相关函数R₁(r_n,t_m),计算公式为：

$R_1(r_n,t_m)=\underset{f}{\mathrm{IFT}}\left[z_1(f,t_m){z_2}^{*}(f,t_m)\right]$

其中：z₁(f,t_m)为z(f,t_m)在t_m方向上第1到第M-1个脉冲数据，m＝1,2...M-1；z₂(f,t_m)为z(f,t_m)在t_m方向上第2到第N个脉冲数据；表示以距离频率f为变量做逆傅里叶变换(IFT)，z₂ ^*(f,t_m)表示z₂(f,t_m)的共轭；通过互相关计算后，目标的距离走动效应得到校正，回波能量落在了同一距离单元内。

所述步骤5为计算Q_n(t_m)的瞬时自相关函数P_n(τ,t_m)，n＝1,2...N，计算公式如下

$P_n(\mathrm{\τ},t_m)=Q_n(t_m+\frac{\mathrm{\τ}+1}{2})Q_n^{*}(t_m+\frac{\mathrm{\τ}-1}{2})$

其中，τ表示时间延迟，*表示共轭操作。

本发明由于利用脉冲积累的方法进行目标检测，能有效抑制噪声，同时由于利用相关函数与尺度变换校正目标距离走动和多普勒走动，使得信号能量能够进行相干叠加，提高回波信噪比和雷达的检测性能。此外，由于本发明所有的操作都可以利用快速傅里叶变换以及快速逆傅里叶变换实现，从而极大的减小了检测方法的运算量，能够快速地实现变加速目标的能量积累，可有效地提高雷达对高速机动目标的快速检测能力，且易于工程实现。

附图说明：

图1是本发明的实现总流程图；

图2表示雷达接收到的回波脉冲压缩后的结果；

图3表示脉冲压缩信号的相关函数R₁(r_n,t_m)结果；

图4表示本发明方法的相参积累结果；

图5表示现有方法Radon傅里叶变换(RFT)的相参积累结果；

图6表示现有方法Radon分数阶傅里叶变换(RFRFT)的相参积累结果。

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 R2012b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300km，目标径向速度为1600m/s，目标径向加速度为200m/s²，目标径向加速度变化率为60m/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513个脉冲，雷达接收到的原始回波信噪比为-10dB。

第一步：对雷达接收到回波信号进行脉冲压缩处理，得到脉冲压缩后的回波数据，如图2所示，可以清楚的看到，目标的能量分布在不同的距离单元，也就是发生了距离走动。

第二步：计算回波信号相邻脉冲的互相关函数R₁(r_n,t_m)；互相关函数结果如图4所示，从该图可以看到，通过相关处理后，目标能量落在了同一个距离单元内，距离走动得到校正。

第三步：计算信号R₁(r_n,t_m)的瞬时自相关函数P_n(τ,t_m)，然后对P_n(τ,t_m)进行尺度变换，得到尺度变换后的数据S_n(τ,t_m)，最后对对S_n(τ,t_m)沿τ方向与t_m方向分别做傅里叶变换(FFT)，得到相参积累结果，如图4所示。由于通过前面的相关处理和尺度变换完成了距离走动和多普勒走动校正，目标的能量得以相参叠加，从而能够凸显目标，有利于雷达对目标的检测。

最后，为了对比说明本发明方法的有效性，图5和图6分别给出了现有两种方法的(Radon傅里叶变换和Radon分数傅里叶变换)相参积累结果；可以看到，由于目标的超高机动性，现有的两种方法失效，未能实现目标的能量积累。

Claims (3)

1.一种基于相关函数与尺度变换的高速机动目标检测方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：雷达接收信号，对接收信号做脉冲压缩处理，并将脉冲压缩后的多个脉冲回波数据记为z(r_n,t_m)，n＝1,2...N,m＝1,2...M，其中，r_n表示第n个距离单元，t_m表示第m个脉冲所需的时间，N表示总的距离单元数目,M表示总的脉冲数目，脉冲压缩后的回波数据可以看成一个二维数组；

步骤2：对脉冲回波z(r_n,t_m)沿r_n方向做快速傅立叶变换到距离频率域，得到回波距离维的频域数据z(f,t_m)；其中f表示距离频率；

步骤3：计算雷达脉冲回波z(r_n,t_m)的互相关函数R₁(r_n,t_m)，校正目标的距离走动效应，回波能量落在了同一距离单元内；

步骤4：对消除了距离走动后的互相关数据R₁(r_n,t_m)，n＝1,2...N，沿距离单元进行抽取数据，记第n个(n＝1,2,3...N)距离单元上抽取得到数据为Q_n(t_m)；

步骤5：计算Q_n(t_m)的瞬时自相关函数P_n(τ,t_m)，n＝1,2...N；

步骤6：对计算得到的瞬时自相关函数P_n(τ,t_m)，进行尺度变换，得到尺度变换后的数据S_n(τ,t_m)，尺度变换按如下公式进行

$S_n(\mathrm{\τ},t_m)=P_n(\mathrm{\τ},\frac{t_m}{\mathrm{\τ}+1})$

步骤7：对尺度变换后的数据S_n(τ,t_m)，分别沿τ方向与t_m方向做傅里叶变换(FT)，得到相参积累结果，记为S_n(f,f_d)；相参积累结果中的峰值即为检测的目标。其中，f_d表示多普勒频率。

2.如权利要求1所述的一种基于相关函数与尺度变换的高速机动目标检测方法，其特征在于所述步骤3的计算雷达脉冲回波z(r_n,t_m)的互相关函数R₁(r_n,t_m),计算公式为：

$R_1(r_n,t_m)=\underset{f}{\mathrm{IFT}}\left[z_1(f,t_m){z_2}^{*}(f,t_m)\right]$

其中：z₁(f,t_m)为z(f,t_m)在t_m方向上第1到第M-1个脉冲数据，m＝1,2...M-1；z₂(f,t_m)为z(f,t_m)在t_m方向上第2到第N个脉冲数据；表示以距离频率f为变量做逆傅里叶变换(IFT)，z₂ ^*(f,t_m)表示z₂(f,t_m)的共轭；通过互相关计算后，目标的距离走动效应得到校正，回波能量落在了同一距离单元内。

3.如权利要求1所述的一种基于相关函数与尺度变换的高速机动目标检测方法，其特征在于所述步骤5为计算Q_n(t_m)的瞬时自相关函数P_n(τ,t_m)，n＝1,2...N，计算公式如下

$P_n(\mathrm{\τ},t_m)=Q_n(t_m+\frac{\mathrm{\τ}+1}{2})Q_n^{*}(t_m+\frac{\mathrm{\τ}-1}{2})$

其中，τ表示时间延迟，*表示共轭操作。