CN105445716B - 一种基于旋翼回波信号时域自相关的悬停直升机检测方法 - Google Patents

一种基于旋翼回波信号时域自相关的悬停直升机检测方法 Download PDF

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Abstract

一种基于旋翼回波信号时域自相关的悬停直升机检测方法，先对回波信号数据进行中频采样，将采样后的数据进行模数转换，并对转换后的数字信号进行数字正交化处理，转换为基带信号，计算基带信号的模值，进行恒虚警检测，根据恒虚警检测结果进行时域窗位置搜索，检测出闪烁脉冲信号数据，提取闪烁脉冲信号，并计算闪烁周期，将提取后的闪烁脉冲信号组合成新的序列，对闪烁脉冲信号新序列做自相关处理，得到自相关序列，对自相关序列进行恒虚警检测，根据恒虚警检测结果，完成慢速或悬停直升机检测识别。本发明设计简单，计算量小，通用性好，易于工程实现。

Description

一种基于旋翼回波信号时域自相关的悬停直升机检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于旋翼回波信号时域自相关的悬停直升机检测方法，特别适用于单一频域检测体制的脉冲多普勒雷达系统对悬停直升机的检测识别。
背景技术
传统脉冲多普勒雷达系统的直升机回波中频采样主要由机身回波、旋翼回波、地杂波和接收机热噪声四部分构成。对于运动直升机，其机身回波存在多普勒，雷达系统利用多普勒信息，提取制导信息。对于慢速或悬停直升机探测的主要难点在于直升机飞行高度低，其机身回波的多普勒频率接近于零频与地杂波叠加在一起，受地海杂波影响较大，传统脉冲多普勒雷达系统无法利用机身回波多普勒信息进行检测识别，导致对于慢速或悬停直升机脉冲多普勒雷达系统探测性能严重下降。
发明内容
本发明提供一种基于旋翼回波信号时域自相关的悬停直升机检测方法，设计简单，计算量小，通用性好，易于工程实现。
为了达到上述目的，本发明提供一种基于旋翼回波信号时域自相关的悬停直升机检测方法，包含以下步骤：
步骤S1、对回波信号数据进行中频采样，将采样后的数据进行模数转换，并对转换后的数字信号进行数字正交化处理，转换为基带信号；
步骤S2、计算基带信号的模值，对模值进行恒虚警检测；
步骤S3、根据恒虚警检测结果进行时域窗位置搜索，检测出闪烁脉冲信号数据；
步骤S4、提取闪烁脉冲信号，并计算闪烁周期，将提取后的闪烁脉冲信号按照出现的先后顺序组合成新的序列；
步骤S5、对闪烁脉冲信号新序列做自相关处理，得到自相关序列；
步骤S6、对自相关序列进行恒虚警检测；
步骤S7、根据恒虚警检测结果，完成慢速或悬停直升机检测识别。
所述的步骤S3中，在进行时域窗位置搜索时，每个时域窗包含3个子窗，子窗长度为3帧数据长度，子窗间隔为11帧数据长度，数据窗滑动5次，每次滑动2帧数据长度，每次统计窗内闪烁信号出现的次数，闪烁信号出现最多的窗所在的位置即为闪烁信号出现的位置。
所述的步骤S5中，在自相关处理中，对于周期性信号序列，自相关函数定义为：
公式中：x(m)为自相关序列，N为数据长度，k为延迟点数；
自相关函数具有周期性，即，R(k)＝R(k+Tp)，其中，Tp为信号周期。
所述的步骤S5中，在频域计算自相关序列：先将原序列做快速傅里叶变换，同时将原序列逆序后做快速傅里叶变换，接着将两个快速傅里叶变换的结果点乘，然后将结果做快速傅里叶逆变换，即可得到自相关序列。
所述的步骤S6中，对自相关序列进行恒虚警检测，当自相关序列中的数据信号超过恒虚警门限时，记录该数据信号。
所述的步骤S7中，将恒虚警检测获得的数据信号与恒虚警检测中的参考噪声门限比较，超过参考噪声门限的数据信号则认为是直升机目标。
本发明设计简单，计算量小，通用性好，易于工程实现。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是某型号直升机旋翼回波经过数字正交化处理后的基带信号。
图3是旋翼回波基带信号频谱。
图4是进行二进制检测即时域窗位置搜索的示意图。
具体实施方式
以下根据图1～图4，具体说明本发明的较佳实施例。
普通雷达目标回波能量在时域上是持续的，在多普勒频域上是积累集中的，与此相反，直升机旋翼回波在时域上表现为Sinc函数形状的周期闪烁脉冲，是周期性、小时宽闪烁脉冲，脉峰过后迅速衰减，在下一个闪烁脉冲出现之前几乎没有旋翼回波能量，而在多普勒频域是分散的，存在展宽，作相参积累可能性不大。就旋翼回波检测而言，慢速或悬停直升机机身的雷达回波可被视为目标杂波。旋翼回波时域检测时，信号具有最大瞬时功率，具有一定的优势，若能有效滤除地杂波和目标杂波，可以提高旋翼回波检测时的信杂比，提高旋翼回波检测概率。
如图1所示，本发明提供一种基于旋翼回波信号时域自相关的悬停直升机检测方法，包含以下步骤：
步骤S1、对回波信号数据进行中频采样，将采样后的数据进行模数转换，并对转换后的数字信号进行数字正交化处理，转换为基带信号；
图2为某型号直升机旋翼回波经过数字正交化处理后的基带信号，由图2可以看出旋翼回波为周期性小时宽闪烁脉冲，脉峰过后迅速衰减，在下一个闪烁脉冲出现之前几乎没有旋翼回波能量，对慢速或悬停直升机旋翼回波信号的检测应有一定的观测时间，以保证观测期间内至少2～3次有效闪烁脉冲；
图3为旋翼回波基带信号频谱，由于旋翼旋转的调制作用，直升机旋翼回波脉冲在时间上呈现sin c函数调制形状，其瞬时频谱将被展宽，当叶片朝向雷达方向运动时，形成正的多普勒谱，而当叶片背向雷达方向运动时，形成负的多普勒谱，自然，当叶片数目为偶数时，处在脉峰期间的回波脉冲将同时具有正、负两个多普勒谱；
本实施例中，采用中频接收机进行中频采样，采用模拟数字转换器ADC进行模数转换，中频接收机由微波-前中组件和中频接收信道共同构成，微波-前中组件的作用为将接收到的高频回波信号经过频率搬移，转换为中频信号，中频接收信道的作用为将接收的中频信号放大、滤波，使中频信号获得适当的增益并抑制带外干扰，中频接收信道本身具有一定的增益，同时在中频接收机的输出端采用数控衰减器，通过控制衰减量，使中频输出信号始终保持在模拟数字转换器ADC的动态范围内；
步骤S2、计算基带信号的模值，然后进行恒虚警检测；
将回波基带信号采样数据排列成恒虚警检测器所需的形式，接着将回波基带信号的I/Q数据取模值，然后对模值进行恒虚警检测，当被检测量超过恒虚警门限(门限设置为10dB)时，认为闪烁信号存在，记为“1”，同时记录闪烁信号的幅值和位置；
步骤S3、根据恒虚警检测结果进行时域窗位置搜索，检测出闪烁脉冲信号数据；
如图4所示，为进行二进制检测即时域窗位置搜索的示意图，每个时域窗包含3个子窗，子窗长度为3帧数据长度，子窗间隔为11帧数据长度，数据窗滑动5次，每次滑动2帧数据长度，每次统计窗内闪烁信号出现的次数，闪烁信号出现最多的窗所在的位置即为闪烁信号出现的位置；
步骤S4、提取闪烁脉冲信号，并计算闪烁周期，将提取后的闪烁脉冲信号按照出现的先后顺序组合成新的序列；
最多提取3个闪烁脉冲数据；
步骤S5、对闪烁脉冲信号新序列做自相关处理，得到自相关序列；
对于周期性信号序列，自相关函数定义为：
公式中：
x(m)为自相关序列，N为数据长度，k为延迟点数。
自相关反映了信号和其自身作了一段延迟后的相似程度，一个周期信号的自相关函数也是周期的，并且和原信号的周期相同，即R(k)＝R(k+Tp)，Tp为信号周期，由于调制回波基带信号具有闪烁周期，故其自相关函数具有周期性；
为了减少计算量，将在频域计算自相关序列，即，先将原序列做FFT(快速傅里叶变换)，同时将原序列逆序后做FFT，两个FFT结果点乘，然后将结果做IFFT(快速傅里叶逆变换)，即可得到自相关序列；
根据基带信号自相关结果可以看出，闪烁脉冲之间存在一定的相关性，而闪烁脉冲与噪声并没有相关性，故而提高了检测信噪比，有利于信号检测，从自相关波形中还可以看出，自相关函数具有明显的周期性，且周期等于基带信号闪烁周期；
步骤S6、对自相关序列进行恒虚警检测(门限设置为10dB)；
对自相关序列进行恒虚警检测，当自相关序列中的数据信号超过恒虚警门限(门限设置为10dB)时，记录该数据信号；
步骤S7、根据恒虚警检测结果，完成慢速或悬停直升机检测识别；
将步骤S6中恒虚警检测获得的数据信号与恒虚警检测中的参考噪声门限比较，超过参考噪声门限的数据信号则认为是直升机目标。本发明采用外环式速度跟踪回路，通过控制VCO来控制速度门的位置，可将目标和地杂波滤除，中频模拟信号数字化接收技术既避免了传统模拟接收机固有的温度漂移、增益变化和直流电平漂移等问题，还具备硬件可编程、参数可配置、调试方便等优点，本发明设计简单，计算量小，通用性好，易于工程实现，是一种适合于脉冲多普勒雷达系统使用的慢速或悬停直升机检测技术。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种基于旋翼回波信号时域自相关的悬停直升机检测方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1、对回波信号数据进行中频采样，将采样后的数据进行模数转换，并对转换后的数字信号进行数字正交化处理，转换为基带信号；
步骤S2、计算基带信号的模值，对模值进行恒虚警检测；
步骤S3、根据恒虚警检测结果进行时域窗位置搜索，检测出闪烁脉冲信号数据；
步骤S4、提取闪烁脉冲信号，并计算闪烁周期，将提取后的闪烁脉冲信号按照出现的先后顺序组合成新的序列；
步骤S5、对闪烁脉冲信号新序列做自相关处理，得到自相关序列；
步骤S6、对自相关序列进行恒虚警检测；
步骤S7、根据恒虚警检测结果，完成慢速或悬停直升机检测识别。
2.如权利要求1所述的基于旋翼回波信号时域自相关的悬停直升机检测方法，其特征在于，所述的步骤S3中，在进行时域窗位置搜索时，每个时域窗包含3个子窗，子窗长度为3帧数据长度，子窗间隔为11帧数据长度，数据窗滑动5次，每次滑动2帧数据长度，每次统计窗内闪烁信号出现的次数，闪烁信号出现最多的窗所在的位置即为闪烁信号出现的位置。
3.如权利要求1所述的基于旋翼回波信号时域自相关的悬停直升机检测方法，其特征在于，所述的步骤S5中，在自相关处理中，对于周期性信号序列，自相关函数定义为：
公式中：x(m)为自相关序列，N为数据长度，k为延迟点数；
自相关函数具有周期性，即，R(k)＝R(k+Tp)，其中，Tp为信号周期。
4.如权利要求3所述的基于旋翼回波信号时域自相关的悬停直升机检测方法，其特征在于，所述的步骤S5中，在频域计算自相关序列：先将原序列做快速傅里叶变换，同时将原序列逆序后做快速傅里叶变换，接着将两个快速傅里叶变换的结果点乘，然后将结果做快速傅里叶逆变换，即可得到自相关序列。
5.如权利要求1所述的基于旋翼回波信号时域自相关的悬停直升机检测方法，其特征在于，所述的步骤S6中，对自相关序列进行恒虚警检测，当自相关序列中的数据信号超过恒虚警门限时，记录该数据信号。
6.如权利要求1所述的基于旋翼回波信号时域自相关的悬停直升机检测方法，其特征在于，所述的步骤S7中，将恒虚警检测获得的数据信号与恒虚警检测中的参考噪声门限比较，超过参考噪声门限的数据信号则认为是直升机目标。
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