CN105548987B

CN105548987B - 一种连续波雷达目标加速度盲估计方法

Info

Publication number: CN105548987B
Application number: CN201610023400.3A
Authority: CN
Inventors: 楼生强; 王展; 李双勋; 辛勤; 刘海涛; 程翥
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2016-01-14
Publication date: 2017-11-21
Anticipated expiration: 2036-01-14
Also published as: CN105548987A

Abstract

本发明提供一种连续波雷达目标加速度盲估计方法。技术方案包括以下三步：第一步、子带分解。把连续波雷达任意一个测量周期内多普勒回波信号的离散采样序列分成若干路子带信号；第二步、选取目标回波子带信号。选取子带信号的平方和最大的一路作为目标回波子带信号。第三步、估计最佳加速度。利用目标回波子带信号估算加速度。本发明的计算量小，实时性强。

Description

一种连续波雷达目标加速度盲估计方法

技术领域

本发明涉及连续波雷达信号处理领域，设计了一种适用于连续波雷达的实时目标加速度盲估计方法。

背景技术

常见的广泛应用于靶场测量的连续波雷达是一种单波束窄带雷达。它可用于常规武器、火箭、导弹等武器系统的外弹道测量，能同时测量运动目标的速度、角度和距离，测量精度高。

通常，连续波雷达按一定时间间隔(称为测量周期)，截取一段多普勒回波数据并作相应的数据处理。在一个较短的时间段内，目标相对雷达径向的运动可以近似为匀加速运动，连续波雷达的目标多普勒回波信号近似为线性调频信号。通过FFT(Fast FourierTransformation，快速傅里叶变换)算法等频谱分析方法分析多普勒回波信号时，如果在谱分析时间段内，目标加速度引起的位移大于雷达射频波长的二分之一，则在分析多普勒回波信号之前需要估计加速度并作相应的补偿。

现有常用的加速度盲估计方法有：(1)纪飞、楼生强、辛勤、王展在文章《连续波雷达加速度和速度估计方法研究[J]》(现代电子技术，2011，34(21)：19～22)中利用互相关技术估计加速度，这种方法需要多普勒回波信号有较高的信噪比；(2)基于加速度模板匹配的方法，把目标加速度范围按一定间隔分割，每个间隔生成一个补偿相位序列，用它对多普勒回波信号作相位补偿后再作谱分析，这种方法估计精度高，但计算量太大，不适合实时测量应用。江志红、曹延伟、程翥、皇甫堪在文章《基于局部解线性调频的多频连续波雷达实时加速度补偿算法[J]》(信号处理，2006，22(5)：663～667)中通过抽取减少计算量，但该方法需要目标速度的先验知识。

发明内容

本发明提供的目标加速度盲估计方法无需先验知识，计算效率高，适合实时测量过程目标捕获阶段的加速度估计，或跟踪过程中目标机动特性的快速检测，同时适合信噪比较低应用场合的使用。

本发明的技术方案是，一种连续波雷达目标加速度盲估计方法，包括：

第一步、子带分解

设d(n),n＝0,1,…,N-1，是连续波雷达任意一个测量周期内多普勒回波信号的离散采样序列，把d(n)平均分割为M段，每段包括B个采样点，其中N和B均为2的幂次方，且B的取值根据实际情况确定。则，第m段数据表示为：

x(m,i)＝d(mB+i)

其中：m＝0,1,...,M-1,i＝0,1,...,B-1

对于m＝0,1,...,M-1，利用下述计算离散傅里叶变换：

其中：m＝0,1,...,M-1,k＝0,1,...,B-1

这样d(n)被分解为B路M点的子带信号，其中第k路子带信号为：

{X(0,k),X(1,k),...,X(M-1,k)}

利用下式计算第k路子带信号的平方和P(k)：

则共得到B个子带信号的平方和。

第二步、选取目标回波子带信号

设：其中：max{...}表示选取大括号内数据的最大值，t₀是[0,B-1]中的某个整数，并且第t₀路子带信号的平方和最大。选取第t₀路子带信号{X(m,t₀),m＝0,1,...,M-1}作为目标回波子带信号。

第三步、估计最佳加速度

设已知的目标加速度区间为[A_down,A_up]，按间隔DeltA对该区间进行平均分割，DeltA根据估计精度要求确定。对于l＝0,1,…,L-1，其中，[.]表示取整运算，利用下式计算序列Y_l(r)，并求其最大值A(l)：

A(l)＝max{Y_l(0),Y_l(1),...,Y_l(M-1)}

其中：a_l＝A_down+(l+0.5)×DeltA，T_s是连续波雷达多普勒回波信号离散采样序列d(n)的采样周期，λ是连续波雷达射频波长。

设：p₀是[0,L-1]中的某个整数。则估计的目标加速度为：

本发明取得的有益效果为：本发明首先对N点离散信号d(n)作子带分解，得到B路子带信号(参见技术方案的第一步)。通过B路子带信号的平方和的大小选择目标回波子带信号，其数据点数为M(其中参见技术方案的第二步)，极大地减少了估计最佳加速度的计算量(参见技术方案的第三步)，使该方法适合应用于连续波雷达目标实时加速度的盲估计。因此，本发明的计算量小，实时性强。

附图说明

图1是本发明提供的连续波雷达目标加速度盲估计方法的流程图；

图2是利用本发明得到的加速度和速度差分方法得到的加速度的对比图；

图3是利用本发明得到的加速度补偿和不补偿多普勒回波谱线的信噪比曲线。

具体实施方式

下面结合附图及实测数据的处理对本发明进行进一步阐述。

图1是本发明提供的连续波雷达目标加速度盲估计方法的流程图。

图2、图3是实测数据处理结果图，图的横坐标均是计算周期序号。相关参数为：实测数据是某火箭弹X波段连续波雷达回波数据，数据时间段落从初始助推段开始一直延续到随后的自由飞行段，采样周期T_s＝4us。数据处理参数：N＝32768，M＝128，B＝256，DeltA＝5m/s²。图2是利用本发明得到的加速度和速度差分方法得到的加速度的对比图，纵坐标单位为m/s²。其中利用本发明得到的加速度是在火箭弹飞行过程中实时计算得到的，速度差分方法得到的加速度是事后利用目标速度曲线得到的。从图可知，估计的加速度和速度差分得到的加速度高度吻合。图3是利用本发明得到的加速度作补偿和不补偿多普勒回波谱线的信噪比曲线，纵坐标单位为dB，图中实线是经过加速度补偿的多普勒回波谱线的信噪比曲线，虚线是没有经过加速度补偿的多普勒回波谱线的信噪比曲线。从图中可以看出，经过加速度补偿的多普勒回波谱线的信噪比得到提高，从而进一步证明本发明估计加速度的准确性。

Claims

1.一种连续波雷达目标加速度盲估计方法，包括：

第一步、子带分解：

设d(n),n＝0,1,…,N-1，是连续波雷达任意一个测量周期内多普勒回波信号的离散采样序列，把d(n)平均分割为M段，每段包括B个采样点，其中N和B均为2的幂次方；则，第m段数据表示为：

x(m,i)＝d(mB+i)

其中：m＝0,1,...,M-1,i＝0,1,...,B-1

利用下式计算离散傅里叶变换：

<mrow> <mi>X</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>B</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> </mrow> <mi>B</mi> </mfrac> <mi>i</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msup> </mrow>

其中：k＝0,1,...,B-1

则第k路子带信号为：

{X(0,k),X(1,k),...,X(M-1,k)}

利用下式计算第k路子带信号的平方和P(k)：

<mrow> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>m</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>M</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <mo>|</mo> <mi>X</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> </mrow>

第二步、选取目标回波子带信号：

设：其中：max{...}表示选取大括号内数据的最大值，t₀是[0,B-1]中的某个整数，选取第t₀路子带信号{X(m,t₀),m＝0,1,...,M-1}作为目标回波子带信号；

第三步、估计最佳加速度：

设已知的目标加速度区间为[A_down,A_up]，按间隔DeltA对该区间进行平均分割；对于l＝0,1,…,L-1，其中，[.]表示取整运算，利用下式计算序列Y_l(r)，并求其最大值A(l)：

<mrow> <msub> <mi>Y</mi> <mi>l</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mo>|</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>m</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>M</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <mi>X</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>,</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&pi;a</mi> <mi>l</mi> </msub> <msup> <mi>B</mi> <mn>2</mn> </msup> <msubsup> <mi>T</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> <mi>&lambda;</mi> </mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mi>M</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msup> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> <mfrac> <mrow> <mi>r</mi> <mi>m</mi> </mrow> <mi>M</mi> </mfrac> </mrow> </msup> <mo>|</mo> <mo>,</mo> <mi>r</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mi>M</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow>

A(l)＝max{Y_l(0),Y_l(1),...,Y_l(M-1)}

其中：a_l＝A_down+(l+0.5)×DeltA，T_s是连续波雷达多普勒回波信号离散采样序列d(n)的采样周期，λ是连续波雷达射频波长；

设p₀是[0,L-1]中的某个整数，则估计的目标加速度