CN105158748B - 一种高速目标多通道补偿聚焦与tbd混合积累检测方法 - Google Patents

Abstract

针对现有雷达对高超声速隐身机动目标发现能力低的问题，本发明提供一种高速目标多通道补偿聚焦与TBD混合积累检测方法，通过多通道并行对高超声速目标回波信号进行距离走动补偿和相位补偿的聚焦处理，现实信号的相参积累，通过多速度通道在雷达的扫描周期间进行TBD处理，实现沿着目标运动轨迹的非相参积累，并通过两级之间的信息交互来减少计算量，通过多通道选优的方法实现目标的检测，提高雷达对高超声速隐身目标的持续、快速检测。与传统相参积累方法相比，具有更低的最小可检测信噪比，并通过相参非相参积累之间的信息交互，降低了计算量、存储量和复杂度，便于工程实现。

Description

一种高速目标多通道补偿聚焦与TBD混合积累检测方法

技术领域

本发明隶属于雷达信号和数据处理研究领域，适用于解决临近空间高超声速飞行器、弹道导弹、空间碎片等高超声速隐身目标的持续、快速检测跟踪问题。

背景技术

临近空间高超声速飞行器、弹道导弹、空间碎片等新型高威胁目标具有速度快、机动性好、隐身性强等特点，使得现代雷达的探测环境变得异常恶劣，雷达装备探测跟踪这些目标时面临着发现目标能力低、航迹不连续等突出难题。

高超声速隐身机动目标的受到激波等离子体、隐身材料等因素的影响，会呈现一定的隐身特性，对于隐身目标的探测，常用的信号处理方法有脉冲压缩、相参积累等。脉冲压缩是通过匹配滤波把时宽宽的信号进行压缩，可以极大的提高回波信号的幅度，若脉冲幅度为1，匹配滤波带通内传输系数为1，则输出脉冲幅度(D为信号时宽带宽积)，对于相参积累，理论上n个脉冲相参积累信噪比提高n倍。于对反隐身目标的雷达，一般信号处理流程是先脉冲压缩，对多个回波脉冲FFT相参积累，最后进行目标检测。这种方法适用于飞机、舰船等传统目标，而对于高超声速目标，由于通常脉冲压缩体制雷达的线性调频信号时宽较宽，相参积累后的总时间较长，在积累的时间内目标高速度、高加速度会导致回波信号出现“跨距离门”走动和“跨速度门”走动，严重影响积累效果。针对“跨距离门”和“跨速度门”问题，一般处理思路是先对走动补偿后再进行FFT积累，但是雷达处于搜索阶段时，波束的大范围搜索导致单波位上的驻留时间受到限制，由于激波等离子体的影响，目标RCS衰减很严重，例如对于S波段雷达，信噪比衰减达到10dB以上，这种情况下脉冲压缩加相参积累的处理方式对信噪比的改善难以满足需求。

因此，本发明提出在脉冲压缩后再进行相参-非相参混合积累，先通过粗补偿的相参积累提高回波信号信噪比，如果相参积累后信噪比超过门限，则进行精确补偿聚焦处理并实现目标检测；如果相参积累后信噪比低于检测门限，则在相参积累的基础上进行多通道TBD非相参积累，最后通过多通道选优实现目标检测。

发明内容

本发明所要解决的问题就是，针对现有雷达对高超声速隐身机动目标发现能力低的问题，提供一种高速目标多通道补偿聚焦与TBD混合积累检测方法，通过多个通道并行对高超声速目标回波信号进行距离走动补偿和相位补偿的聚焦处理，现实信号的相参积累，通过各个通道在雷达的扫描周期间进行TBD处理，实现沿着目标运动轨迹的非相参积累，并通过两级之间的交互来减少计算量，通过多通道选优的方法实现目标的检测，提高雷达对高超声速隐身目标的持续、快速检测。

本发明解决所述技术问题，采用技术方案步骤如下：

(1)雷达处于搜索模式，对雷达距离波门内的回波数据先脉冲压缩后，然后以速度、加速度等为参数，分区间进行多通道补偿相参积累；

(2)比较所有速度、加速度组合补偿积累后的信号能量，找出最大能量值，如果最大能量值大于检测门限，则完成检测，得到能量最大值对应的速度v_re、加速度参数a_re，进入(3)步；如果最大能量值小于检测门限，则进入(4)步；

(3)以速度v_re、加速度参数a_re为中心进行更精确的搜索补偿积累，完成该扫描帧的目标检测，进入第(5)步；

(4)将所有通道量测先与一个较低门限进行比较，实现各个通道信号初始检测；

(5)连续n(n≥2)次扫描周期后，在每个通道内利用TBD方法对这n帧扫描周期的信号进行沿着目标轨迹的非相参积累，各通道并行积累检测，各个通道选优得到目标所在通道以其对应的量测；

(6)雷达进入跟踪模式，利用TBD检测出来的量测估计出目标径向速度参数；

(7)目标的下一次相参积累时，利用估计的径向速度为区间中心进行小范围内的多通道补偿相参能量积累；

(8)如果各个通道内对应距离波门内能量最大值大于检测门限，则这些通道中能量最大值对应的点为目标量测点，完成该扫描帧的目标检测，第(7)步，否则，进入第(9)步；

(9)所有通道量测先与一个较低门限进行比较，实现各个通道信号初始检测，利用目标的径向速度量测对通过第一门限检测后的数据进行过滤，以去除杂波；

(10)量测滑窗前移，对新的滑窗内的量测进行TBD积累检测，得到目标的量测，回到第(6)步。

具体的，所述步骤(1)中搜索补偿相参积累方法具体为：

对脉冲压缩后的回波信号以较大的速度间隔d_vr在区间[-V_max,V_max]进行分段多通道并行补偿积累处理，在每一个速度分段通道内再进行以较大的加速度搜索间隔d_ka在[-a_max,a_max]进行分段多通道并行补偿积累处理，其中V_max为目标最大可能速度，a_max为目标最大可能加速度，速度间隔

d_v＝0.5d_r/(M/PRF)

式中，M表示积累的脉冲数，PRF脉冲重复频率，d_r表示距离采样间隔，即

d_r＝c/(2·F_s)

其中，c为光速3×10⁸m/s，F_s表示回波信号的采样频率。

加速度间隔

d_a＝5d_fa/(M/PRF)

式中，d_fa表示多普勒采样间隔，M表示积累的脉冲数，PRF脉冲重复频率，其中

d_fa＝PRF/M

各个通道按照速度、加速度的中值对输入信号进行走动补偿和相位校正，其中，走动补偿是利用频域补偿校正法实现距离走动补偿、相位校正利用Dechirp法实现多普勒扩展补偿，补偿后的信号利用FFT实现相参积累；

具体的，所述步骤(3)中更精确的搜索补偿积累具体为：

在该速度、加速度参数的较小区间范围内(速度范围为[v_re-d_v,v_re+d_v]，加速度范围为[a_re-d_a,a_re+d_a])，分别对速度、加速度进行更高分辨率划分，把原来的速度分段间隔d_v和加速度分段间隔d_a按比例缩小，得到更小的速度分段间隔d_v′＝d_v/n和更小的加速度分段间隔d_a′＝d_a/n'，其中，n、n'为大于1的实数，比较所有速度、加速度参数补偿积累后的信号能量，找出能量最大值对应的速度v_re′、加速度a_re′，得到的速度、加速度分别利用频域补偿校正法和Dechirp法进行补偿，对补偿后的信号利用FFT进行相参积累；

具体的，所述步骤(4)较低门限求法具体为：

假设较低门限为t_d′，有

t_d′＝t_d-I(n_p)

式中，t_d表示雷达在恒虚警概率条件下正常检测目标的门限(单位为dB)，n_p为TBD积累的周期数，I(n_p)表示在恒虚警概率条件下n_p个脉冲非相参积累信噪比提高的理论值(单位dB)，I(n_p)可以根据经验公式求出，即

其中，P_fa为雷达正常恒虚警检测时对应的虚警概率，P_D为雷达正常检测目标时的检测概率。

具体的，所述步骤(5)中TBD方法具体为：

51)将雷达的俯仰方向划分成多个相邻的波位，每个波束簇对应一个处理通道，计算每个量测的俯仰角，按俯仰角落归属的波位来对量测进行分簇；

52)对相关区域内的每一个波位内量测向水平面投影，得到投影的距离、方位伪量测，对伪量测进行Hough变换，所有的通道中积累能量最大的通道认为是可能目标量测点，对应找出这些目标点对应的原始量测点；

53)然后取所有这些量测点的距离、俯仰信息并转化成二维直角坐标，对这些坐标再进行Hough变换，检测出目标所在直线，通过直线找到目标的坐标，进而找出对应原始的目标量测，从而实现了目标的TBD检测。

具体的，所述步骤(10)中的TBD积累检测具体为：

量测滑窗前移，不考虑原滑窗中的第1帧数据在Hough变换参数空间所积累的能量，在原滑窗的第2帧至第n-1帧数据在Hough变换参数空间积累能量的基础上，将新一帧的数据进行Hough变换，将量测对应的能量积累到同一参数空间，对参数空间进行能量选大，根据最大值对应参数所确定的直线可以检测出目标的量测。

本发明的有益效果是，可以提高雷达对高超声速隐身机动目标的检测概率和实时性。在雷达搜索目标阶段，首先在大范围内对速度加速度分段并行搜索补偿相参积累检测，然后设计多个径向速度通道，按径向速度将量测划分到不同的通道，多速度通道并行TBD检测，检测出的量测估计出目标的径向速度；雷达进入搜索模式，在径向速度指示下小范围分段并行搜索补偿相参积累检测，利用径向速度估计去除杂波，再将TBD处理的滑窗后移，通过递推Hough变换TBD实现目标的积累检测。与传统相参积累方法相比，具有更低的最小可检测信噪比，并通过相参非相参积累之间的信息交互，降低了计算量、存储量和复杂度，便于工程实现。

附图说明

附图1是本发明方法的结构图；

附图2是本发明的方法详细流程图；

附图3是本发明仿真实验时目标飞行轨迹图(加粗线条为选取的检测区域)；

附图4是本发明仿真实验时不加噪声脉冲压缩后信号包络；

附图5是本发明仿真实验时不加噪声时传统FFT积累256次后的信号包络；

附图6是本发明仿真实验时加噪声时传统FFT积累256次后的信号包络；

附图7是本发明仿真实验时不加噪声时本发明的补偿积累方法积累256次后信号包络；

附图8是本发明仿真实验时加噪声时本发明的补偿积累方法积累256次后信号包络；

附图9是本发明仿真实验时不加噪声时传统FFT积累60次后的信号包络；

附图10是本发明仿真实验时不加噪声时本发明的补偿积累方法积累60次后信号包络；

附图11是本发明仿真实验时本发明方法TBD积累时对应的目标量测在水平面的投影；

附图12是本发明仿真实验时本发明方法TBD积累时参数空间峰值检测图；

附图13是本发明仿真实验时本发明方法TBD积累检测出的航迹图。

具体实施方法

下面参照附图对本发明创造做进一步详细说明

参照附图2，本发明的具体步骤如下：

步骤一：雷达处于搜索模式，对雷达距离波门内的回波数据先脉冲压缩后，然后以速度、加速度等为参数，分区间进行多通道补偿相参积累。具体的

对脉冲压缩后的回波信号以较大的速度间隔d_v在区间[-V_max,V_max](V_max为目标最大可能速度)进行分段多通道并行补偿积累处理，在每一个速度分段通道内再进行以较大的加速度搜索间隔d_a在[-a_max,a_max](a_max为目标最大可能加速度)进行分段多通道并行补偿积累处理，各个通道按照速度、加速度的中值对输入信号进行走动补偿和相位校正，补偿后的信号利用FFT实现相参积累。其中，速度间隔d_v为

d_v＝0.5d_r/(M/PRF)

式中，M表示积累的脉冲数，PRF脉冲重复频率，d_r表示距离采样间隔，即

d_r＝c/(2·F_s)

其中，c为光速3×10⁸m/s，F_s表示回波信号的采样频率。

加速度间隔d_a为

d_a＝5d_fa/(M/PRF)

式中，d_fa表示多普勒采样间隔，M表示积累的脉冲数，PRF脉冲重复频率，其中

d_fa＝PRF/M

利用频域补偿校正法实现距离走动补偿，具体为：

以第m个周期的脉冲信号为例，补偿后的信号为S”(m,:)，有

S'(:,m)＝IFFT(FFT(S'(:,m))·exp(j4πf_rv_lT(m)/c)))

T＝[0,T_PRF,2T_PRF,3T_PRF,...,(M-1)T_PRF]

其中，j表示虚数单位，IFFT()表示对括号中的信号进行快速傅里叶逆变换，FFT()表示对括号中的信号进行快速傅里叶变换，S'(m,:)表示第m个脉冲重复周期信号的采样序列，f_s为采样频率，c为光速，T_PRF为脉冲重复周期；

相位校正利用Dechirp法实现多普勒扩展补偿，具体为

对1至M个脉冲重复周期的信号进行加速度为a_k的相位补偿，以M个脉冲周期信号序列的同一点第n点为例，相位补偿后的信号为S”(:,n)，有

式中，λ为雷达波长。

步骤二：比较所有速度、加速度组合补偿积累后的信号能量，找出最大能量值，如果最大能量值大于检测门限，则完成检测，得到能量最大值对应的速度v_re、加速度参数a_re，进入步骤三；如果最大能量值小于检测门限，则进入步骤四；

步骤三：这些通道中能量最大值对应的点为目标量测点，以该量测点所在通道中心对应的速度、加速度参数进行更精确的补偿积累，完成该扫描帧的目标检测，进入步骤五。更精确的搜索补偿积累具体为：

在该速度、加速度参数的较小区间范围内(速度范围为[v_re-d_v,v_re+d_v]，加速度范围为[a_re-d_a,a_re+d_a])，分别对速度、加速度进行更高分辨率划分，把原来的速度分段间隔d_v和加速度分段间隔d_a按比例缩小，得到更小的速度分段间隔d_v′＝d_v/n和更小的加速度分段间隔d_a′＝d_a/n'，其中，n、n'为大于1的实数，比较所有速度、加速度参数补偿积累后的信号能量，找出能量最大值对应的速度v_re′、加速度a_re′，得到的速度、加速度分别利用频域补偿校正法和Dechirp法进行补偿，对补偿后的信号利用FFT进行相参积累；

步骤四：将所有通道量测先与一个较低门限进行比较，实现各个通道信号初始检测。具体的，较低门限求法具体为：

假设较低门限为t_d′，有

t_d′＝t_d-I(n_p)

式中，t_d表示雷达在恒虚警概率条件下正常检测目标的门限(单位为dB)，n_p为TBD积累的周期数，I(n_p)表示在恒虚警概率条件下n_p个脉冲非相参积累信噪比提高的理论值(单位dB)，I(n_p)可以根据经验公式求出，即

其中，P_fa为雷达正常恒虚警检测时对应的虚警概率，P_D为雷达正常检测目标时的检测概率。

步骤五：连续n(n≥2)次扫描周期后，在每个通道内利用TBD方法对这n帧扫描周期的信号进行沿着目标轨迹的非相参积累，各通道并行积累检测，各个通道选优的方法得到目标所在通道以其对应的量测。具体的TBD方法具体为：

5a)将雷达的俯仰方向划分成多个相邻的波位，每个波束簇对应一个处理通道，计算每个量测的俯仰角，按俯仰角落归属的波位来对量测进行分簇；

5b)对相关区域内的每一个波位内量测向水平面投影，得到投影的距离、方位伪量测，对伪量测进行Hough变换，所有的通道中积累能量最大的通道认为是可能目标量测点，对应找出这些目标点对应的原始量测点；

5c)然后取所有这些量测点的距离、俯仰信息并转化成二维直角坐标，对这些坐标再进行Hough变换，检测出目标所在直线，通过直线找到目标的坐标，进而找出对应原始的目标量测，从而实现了目标的TBD检测。

步骤六：雷达进入跟踪模式，利用TBD检测出来的量测估计出目标径向速度、径向加速度等运动参数；

步骤七：目标的下一次相参积累时，利用估计的径向速度和加速度等运动参数为区间中心进行小范围内的多通道补偿相参能量积累，具体方法与步骤三“更精确的搜索补偿积累”处理方法类似；

步骤八：如果各个通道内对应距离波门内能量最大值大于检测门限，则这些通道中能量最大值对应的点为目标量测点，完成该扫描帧的目标检测，第七步，否则，进入第九步；

步骤九：所有通道量测先与一个较低门限进行比较，实现各个通道信号初始检测，利用目标的径向速度量测对通过第一门限检测后的数据进行过滤，以去除杂波；

步骤十：量测滑窗前移，对新的滑窗内的量测进行TBD积累检测，得到目标的量测，回到第六步。具体的：量测滑窗前移，不考虑原滑窗中的第1帧数据在Hough变换参数空间所积累的能量，在原滑窗的第2帧至第n-1帧数据在Hough变换参数空间积累能量的基础上，将新一帧的数据进行Hough变换，将量测对应的能量积累到同一参数空间，对参数空间进行能量选大，根据最大值对应参数所确定的直线可以检测出目标的量测。

本发明的效果可以通过以下matlab仿真结果进一步说明：

仿真实验条件：设高超声速隐身机动飞行器初始的速度为3400米/秒，航向角为270度、俯仰角为10度，初始位置为[0,300000米,70000米]，雷达坐标为[0,0,0],目标在重力、推力、升力、阻力的作用下在三维空间“打水漂式”飞行，雷达发射信号为线性调频信号，雷达载频为3G，雷达带宽为1MHz，信号采样频率2MHz，信号时宽为500us，脉冲重复频率为1250，方位和俯仰角度误差均为0.2度，噪声为0均值方差为1的高斯白噪声，脉冲重复频率为500Hz，雷达数据率为2s。

在以上仿真场景下，选取临近空间目标飞行轨迹的一段进行检测，如图3所示。假设单个回波信号的信噪比为-36dB，将信号脉冲压缩后的信号如图4所示。

图4中脉压后信号幅度为1.2109，幅度仍然很低，无法实现检测。

对回波信号再进行长时间积累，假设积累次数为256次，利用传统的FFT积累后的信号图如图5所示，加入噪声后的信号如图6所示；利用本发明的补偿积累方法积累后信号如图7所示，加入噪声后的信号如图8所示。对-36dB信号相参积累256次处理的仿真结果进行分析，可得表1所列结果。

表1 -36dB信号相参积累256次处理相关结果

由表1可以看出，当脉冲积累数较大时，由于目标距离走动比较严重，传统FFT方法由于距离走动，积累瞬时很大，利用本发明的方法信噪比改善比较明显，如表1中，256次相参积累，FFT积累后信噪比是3.2581dB，本发明补偿积累发法信噪比提高到13.4515dB，提高了约10dB。

由于雷达搜索目标时，波束驻留时间有限，因而脉冲积累次数受到限制。假设脉冲积累次数为60次时，不考虑噪声时利用传统的FFT积累后的信号图如图9所示，利用本发明的补偿积累方法积累后信号如图10所示。

将-36dB信号相参积累60次处理的仿真结果进行分析，可得表2所列结果。

表2 -36dB信号60次相参积累处理相关结果

从图9和图10可以看出，脉冲积累60次时本发明方法补偿积累后信号幅度略高于直接FFT积累的幅度。由表2可以看出，由于积累60次后信噪比也只有8.3128dB，对应检测概率只有0.0481(假设虚警为10^-6时)，无法满足检测要求，因此再利用TBD进行轨迹积累。利用本发明方法TBD积累时对应的目标量测在水平面的投影如图11所示，参数空间峰值检测图如图12所示，检测出的航迹图如图13所示。蒙特卡罗仿真100次，对于8.3128dB的回波信号，正确检测出目标航迹的概率约为0.73，证明了本发明方法的有效的。

Claims (4)

1.一种高速目标多通道补偿聚焦与TBD混合积累检测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)雷达处于搜索模式，对雷达距离波门内的回波数据先脉冲压缩后，然后以速度、加速度等为参数，分区间进行多通道补偿相参积累；

(2)比较所有速度、加速度组合补偿积累后的信号能量，找出最大能量值，如果最大能量值大于检测门限，则完成检测，得到能量最大值对应的速度v_re、加速度参数a_re，进入(3)步；如果最大能量值小于检测门限，则进入(4)步；

(3)以速度v_re、加速度参数a_re为中心进行更精确的搜索补偿积累，完成扫描帧的目标检测，进入第(5)步；

(4)将所有通道量测先与一个较低门限进行比较，实现各个通道信号初始检测；

(5)连续n(n≥2)次扫描周期后，在每个通道内利用TBD方法对这n帧扫描周期的信号进行沿着目标轨迹的非相参积累，各通道并行积累检测，各个通道选优得到目标所在通道以其对应的量测；

(6)雷达进入跟踪模式，利用TBD检测出来的量测估计出目标径向速度参数；

(7)目标的下一次相参积累时，利用估计的径向速度为区间中心进行小范围内的多通道补偿相参能量积累；

(8)如果各个通道内对应距离波门内能量最大值大于检测门限，则这些通道中能量最大值对应的点为目标量测点，完成该扫描帧的目标检测，第(7)步，否则，进入第(9)步；

(9)所有通道量测先与一个较低门限进行比较，实现各个通道信号初始检测，利用目标的径向速度量测对通过第一门限检测后的数据进行过滤，以去除杂波；

(10)量测滑窗前移，对新的滑窗内的量测进行TBD积累检测，得到目标的量测，回到第(6)步。

2.根据权利要求1所述的一种高速目标多通道补偿聚焦与TBD混合积累检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中搜索补偿相参积累方法具体为：

对脉冲压缩后的回波信号以较大的速度间隔d_vr在区间[-V_max,V_max]进行分段多通道并行补偿积累处理，在每一个速度分段通道内再进行以较大的加速度搜索间隔d_ka在[-a_max,a_max]进行分段多通道并行补偿积累处理，其中V_max为目标最大可能速度，a_max为目标最大可能加速度，速度间隔

d_v＝0.5d_r/(M/PRF)

式中，M表示积累的脉冲数，PRF脉冲重复频率，d_r表示距离采样间隔，即

d_r＝c/(2·F_s)

其中，c为光速3×10⁸m/s，F_s表示回波信号的采样频率；

加速度间隔

d_a＝5d_fa/(M/PRF)

式中，d_fa表示多普勒采样间隔，M表示积累的脉冲数，PRF脉冲重复频率，其中

d_fa＝PRF/M

各个通道按照速度、加速度的中值对输入信号进行走动补偿和相位校正，其中，走动补偿是利用频域补偿校正法实现距离走动补偿、相位校正利用Dechirp法实现多普勒扩展补偿，补偿后的信号利用FFT实现相参积累。

3.根据权利要求1所述的一种高速目标多通道补偿聚焦与TBD混合积累检测方法，其特征在于，所述步骤(5)中TBD方法具体为：

51)将雷达的俯仰方向划分成多个相邻的波位，每个波束簇对应一个处理通道，计算每个量测的俯仰角，按俯仰角落归属的波位来对量测进行分簇；

52)对相关区域内的每一个波位内量测向水平面投影，得到投影的距离、方位伪量测，对伪量测进行Hough变换，所有的通道中积累能量最大的通道认为是可能目标量测点，对应找出这些目标点对应的原始量测点；

53)然后取所有这些量测点的距离、俯仰信息并转化成二维直角坐标，对这些坐标再进行Hough变换，检测出目标所在直线，通过直线找到目标的坐标，进而找出对应原始的目标量测，从而实现了目标的TBD检测。

4.根据权利要求1所述的一种高速目标多通道补偿聚焦与TBD混合积累检测方法，其特征在于，所述步骤(10)中的TBD积累检测具体为：

量测滑窗前移，不考虑原滑窗中的第1帧数据在Hough变换参数空间所积累的能量，在原滑窗的第2帧至第n-1帧数据在Hough变换参数空间积累能量的基础上，将新一帧的数据进行Hough变换，将量测对应的能量积累到同一参数空间，对参数空间进行能量选大，根据最大值对应参数所确定的直线可以检测出目标的量测。