CN105807277B - 适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理方法及系统。该方法包括：设定待测高速运动目标与冲激雷达间的相对速度初始值，根据所述速度初始值获取时延补偿量的初始值；根据所述时延补偿量对各个发射脉冲对应的接收回波进行时移补偿；对各个经过时移补偿的接收回波进行相干积累和恒虚警检测。本发明提供的适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理方法及系统，通过根据时延补偿量对各个发射脉冲对应的接收回波进行时移补偿，有效提升积累后目标回波信号的信噪比，提高了冲激雷达对高速运动目标的检测概率。

Description

适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理方法及系统

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理方法及系统。

背景技术

冲激雷达是超宽带雷达的一种，许多文献都对其展开了大量研究，其本质为利用超窄脉冲实现目标探测。相干积累是现代雷达系统中常用的信号处理方式。当目标回波信号微弱，通过接收信号的脉冲间的相干积累可以有效地提高接收信号信噪比，从而有助于提高目标检测概率。

传统的冲激雷达相干积累方法，采用的是直接对接收到的信号进行相干叠加。这种处理方式适合静止或低速运动目标。在进行动目标探测时，由于目标的运动，不同发射脉冲对应的回波信号在时间轴上的位置是变化的。

当目标运动速度较慢或脉冲宽度较宽时，相干积累过程中这种位置变化相对于脉冲宽度并不明显可以忽略，通过前后脉冲间的简单相加即可达到好的积累效果。但由于冲激雷达脉宽极窄，当目标运动速度较快时，这种位置变化相对于脉冲宽度不能忽略。简单的信号回波累加过程中，信号回波在时间轴上已经发生了较大的移动，甚至超过一个脉冲宽度的范围，这不但不会使积累后信号的信噪比得到改善，反而可能出现脉冲间回波信号反相叠加，从而降低信噪比的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的冲激雷达目标检测的积累方法不适用于高速运动的目标、无法有效改善积累后目标回波信号的信噪比的问题。

为解决上述技术问题，本发明一方面提出了一种方法，该方法包括：

设定待测高速运动目标与冲激雷达间的相对速度初始值，根据所述速度初始值获取时延补偿量的初始值；

根据所述时延补偿量对各个发射脉冲对应的接收回波进行时移补偿；

对各个经过时移补偿的接收回波进行相干积累和恒虚警检测。

可选地，该方法还包括：

对所述待测高速运动目标与冲激雷达间的相对速度的设定值进行步进式更新，并根据更新后的相对速度获取时延补偿量。

可选地，所述根据所述速度初始值获取时延补偿量的初始值包括：

根据以下公式获取时延补偿量的初始值T₀(m)：

其中，m为发射脉冲的序号，V₀为速度初始值，T_p为发射信号的脉冲重复间隔，c为电磁波在介质中的传输速度，M为发射脉冲的总个数。

可选地，所述根据所述时延补偿量对各个发射脉冲对应的接收回波进行时移补偿包括：

将第1个发射脉冲对应的接收回波r₁(k)存储为r_s(k)，即r_s(k)＝r₁(k)，并发射脉冲计数m＝1；

发射脉冲计数m＝m+1，并对第m个发射脉冲对应的接收回波r_m(k)进行时移补偿，即r_m′(k)＝r_m(k-T₀(m))；

对存储的r_s(k)用r_s(k)+r_m′(k)进行替代。

本发明另一方面提出了一种系统，该系统包括：

时延补偿量获取单元，用于设定待测高速运动目标与冲激雷达间的相对速度初始值，根据所述速度初始值获取时延补偿量的初始值；

时移补偿单元，用于根据所述时延补偿量对各个发射脉冲对应的接收回波进行时移补偿；

相干积累单元，用于对各个经过时移补偿的接收回波进行相干积累和恒虚警检测。

可选地，该系统还包括：

时延补偿量更新单元，用于对所述待测高速运动目标与冲激雷达间的相对速度的设定值进行步进式更新，并根据更新后的相对速度获取时延补偿量。

可选地，所述时延补偿量获取单元进一步用于：

根据以下公式获取时延补偿量的初始值T₀(m)：

其中，m为发射脉冲的序号，V₀为速度初始值，T_p为发射信号的脉冲重复间隔，c为电磁波在介质中的传输速度，M为发射脉冲的总个数。

可选地，所述时移补偿单元进一步用于：

将第1个发射脉冲对应的接收回波r₁(k)存储为r_s(k)，即r_s(k)＝r₁(k)，并发射脉冲计数m＝1；

发射脉冲计数m＝m+1，并对第m个发射脉冲对应的接收回波r_m(k)进行时移补偿，即r_m′(k)＝r_m(k-T₀(m))；

对存储的r_s(k)用r_s(k)+r_m′(k)进行替代。

本发明提供的适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理方法及系统，通过根据时延补偿量对各个发射脉冲对应的接收回波进行时移补偿，有效改善积累后目标回波信号的信噪比，提高了冲激雷达对高速运动目标的检测概率。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明一个实施例的适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理方法的示意图；

图2示出了本发明另一个实施例的适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理方法的示意图；

图3a示出了本发明一个实施例的发射脉冲为单极性脉冲的脉冲宽度示意图；

图3b示出了本发明一个实施例的发射脉冲为多周波的脉冲宽度示意图；

图4a示出了本发明冲激雷达峰值信噪比10dB目标回波信号图；

图4b示出了冲激雷达对消后直接相干积累结果图；

图4c示出了本发明冲激雷达对消后补偿后的相干积累结果图；

图5示出了本发明一个实施例的适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

图1是本发明一个实施例的适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理方法的示意图。如图1所示，该适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理方法包括：

S11：设定待测高速运动目标与冲激雷达间的相对速度初始值，根据所述速度初始值获取时延补偿量的初始值；

S12：根据所述时延补偿量对各个发射脉冲对应的接收回波进行时移补偿；

S13：对各个经过时移补偿的接收回波进行相干积累和恒虚警检测。

冲激雷达发射信号为s(t)，在介质中传播遇到目标后反射，由冲激雷达接收机接收到的目标回波信号可表示为：

r(t)＝s(t)*h(t-τ)+n(t)

其中，*代表卷积，h(t)为目标的冲激响应，n(t)表示加性高斯白噪声，τ为接收信号相对于发射信号的传播延时

其中，R为目标到雷达的距离，c为电磁波在介质中的传播速度。发射信号的脉冲重复间隔为T_p，目标相对于雷达的径向运动速度为v，则第m个发射脉冲对应的接收信号回波可表示为：

其中，R₀为第1个发射脉冲时目标相对于雷达的距离。由此可以看出，由于目标的运动将使得脉冲间目标回波信号在时间轴上发生变化，即产生多普勒时移t_D为：

其中，T_p代表脉冲重复周期，v为目标径向速度。由于冲激雷达信号脉宽极窄(纳秒级)，当目标和雷达之间相对径向速度较大时，不同脉冲间目标同一个散射中心回波信号将发生较大的多普勒时移，在这种情况下对脉冲间回波信号直接相加实现积累会产生大的积累损失，不利于实现对目标的检测。

本实施例的适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理方法，通过根据时延补偿量对各个发射脉冲对应的接收回波进行时移补偿，有效提升积累后目标回波信号的信噪比，提高了冲激雷达对高速运动目标的检测概率。

在一种可选的实施方式中，该方法还包括：

对所述待测高速运动目标与冲激雷达间的相对速度的设定值进行步进式更新，并根据更新后的相对速度获取时延补偿量。

进一步地，所述根据所述速度初始值获取时延补偿量的初始值包括：

根据以下公式获取时延补偿量的初始值T₀(m)：

其中，m为发射脉冲的序号，V₀为速度初始值，T_p为发射信号的脉冲重复间隔，c为电磁波在介质中的传输速度，M为发射脉冲的总个数。

进一步地，所述根据所述时延补偿量对各个发射脉冲对应的接收回波进行时移补偿包括：

将第1个发射脉冲对应的接收回波r₁(k)存储为r_s(k)，即r_s(k)＝r₁(k)，并设定发射脉冲计数m＝1；

发射脉冲计数m＝m+1，并对第m个发射脉冲对应的接收回波r_m(k)进行时移补偿，即r_m′(k)＝r_m(k-T₀(m))；

对存储的r_s(k)用r_s(k)+r_m′(k)进行替代。

由于在检测时目标与雷达间的径向速度是未知的，因此，在检测过程中需要对速度进行估计，以便得到精确的时延补偿量，进而实现回波信号的脉冲间的相干积累。第m个发射脉冲对应的接收信号r_m(t)经过AD采样输出结果的表达式为：

设待检测目标与雷达间的相对运动速度最小值和最大值分别为V_min和V_max，雷达发射信号的脉冲宽度为t_w。设定检测过程中最大积累次数为M，过门限最大计数值为N(N<M)。图2示出了本发明另一个实施例的适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理方法的示意图。如图2所示，具体的步骤为：

(1)设定速度初始估计值V₀＝V_min,计算时延补偿量初始值

(2)将第1个发射脉冲对应的接收回波r₁(k)存储为r_s(k)，即r_s(k)＝r₁(k)，并设定积累次数s初始值为1，发射脉冲计数m＝1，过门限计数K＝0；

(3)发射脉冲计数m＝m+1，并对第m个发射脉冲对应的接收回波r_m(k)进行时移补偿，即r_m′(k)＝r_m(k-T₀(m))；

(4)对存储的r_s(k)用r_s(k)+r_m′(k)进行替代；

(5)对r_s(k)进行恒虚警检测。若超过检测阈值门限，则说明回波中可能包含有速度为V₀的运动目标，置过门限计数K＝K+1，并跳转执行步骤(8)；

(6)若(5)的检测结果未超过门限，则积累次数s加1，并与最大积累次数M进行比较。若s＜M，则跳转执行步骤(3)；否则，s＝M跳转执行步骤(7)；

(7)更新V₀＝V₀+Δv，式中Δv为速度搜索步进间隔，比较V₀与V_max。若V₀＞V_max，则跳转到步骤(1)；若V₀≤V_max，则更新时延补偿量跳转到步骤(2)；

(8)比较过门限计数值K与过门限最大计数值N。若K＝N，则判断检测到目标；否则，跳转至步骤(3)继续执行。

在工程实现中，我们可以将上述方法并行化以达到在相同时间内完成不同速度下的回波信号相干积累。在算法开始时，设置所有可能的速度值为

对应的，可计算时移补偿量为：

这样，我们可以对每一个可能的速度值按照上述步骤(2)至(6)进行执行即可。

在上述实施步骤中，速度搜索步进间隔Δv的选取对于相干积累的效果以及算法所需的运算量、数据缓存量和检测时间有着直接联系。我们这里从积累损失的角度出发提供一个Δv的选取准则，即积累过程中每个补偿后回波的时移对齐误差需小于脉冲宽度(发射脉冲为单极性脉冲时，如图3a)或脉冲半个周期(发射脉冲为多周波时，如图3b)t_w的1/4,即满足

则Δv需满足：

仿真实例：

在相干积累数设定为28次的条件下，速度搜索步进间隔应满足

这里，我们取Δv＝10m/s，这样可以完成时延补偿后28个接收回波信号的相干积累，最高可获得17.48dB的处理增益。

图4a给出了脉冲有效宽度为1.1ns的一阶高斯脉冲作为发射信号，峰值信噪比为10dB的回波信号时域图。图4b给出了脉冲重复周期为0.15ms，目标速度为590m/s的情况下进行28次对消后直接相干积累处理的结果。图4c给出了在目标估计速度600m/s，即与目标真实速度相差10m/s的情况下进行时移补偿后相干积累处理的结果。经过比较可以看出应用本实施例的相关积累处理方法的信噪比明显改善。

图5示出了本发明一个实施例的适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理系统的结构示意图。如图5所示，该实施例的适用于高速运动目标的冲激雷达相关积累处理系统包括：

时延补偿量获取单元51，用于设定待测高速运动目标与冲激雷达间的相对速度初始值，根据所述速度初始值获取时延补偿量的初始值；

时移补偿单元52，用于根据所述时延补偿量对各个发射脉冲对应的接收回波进行时移补偿；

相干积累单元53，用于对各个经过时移补偿的接收回波进行相干积累和恒虚警检测。

在一种可选的实施方式中，该系统还包括：

时延补偿量更新单元，用于对所述待测高速运动目标与冲激雷达间的相对速度的设定值进行步进式更新，并根据更新后的相对速度获取时延补偿量。

进一步地，时延补偿量获取单元51进一步用于：

根据以下公式获取时延补偿量的初始值T₀(m)：

其中，m为发射脉冲的序号，V₀为速度初始值，T_p为发射信号的脉冲重复间隔，c为电磁波在介质中的传输速度，M为发射脉冲的总个数。

进一步地，时移补偿单元52进一步用于：

将第1个发射脉冲对应的接收回波r₁(k)存储为r_s(k)，即r_s(k)＝r₁(k)，并设定发射脉冲计数m＝1；

发射脉冲计数m＝m+1，并对第m个发射脉冲对应的接收回波r_m(k)进行时移补偿，即r_m′(k)＝r_m(k-T₀(m))；

对存储的r_s(k)用r_s(k)+r_m′(k)进行替代。

本实施例所述的适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理系统可以用于执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。

本发明提供的适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理方法及系统，通过根据时延补偿量对各个发射脉冲对应的接收回波进行时移补偿，有效提升积累后目标回波信号的信噪比，提高了冲激雷达对高速运动目标的检测概率。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理方法，其特征在于，包括：

设定待测高速运动目标与冲激雷达间的相对速度初始值，根据所述速度初始值获取时延补偿量的初始值；

根据所述时延补偿量对各个发射脉冲对应的接收回波进行时移补偿；

对各个经过时移补偿的接收回波进行相干积累和恒虚警检测；

其中，所述根据所述速度初始值获取时延补偿量的初始值包括：

根据以下公式获取时延补偿量的初始值T₀(m)：

其中，m为发射脉冲的序号，V₀为速度初始值，T_p为发射信号的脉冲重复间隔，c为电磁波在介质中的传输速度，M为发射脉冲的总个数；

所述根据所述时延补偿量对各个发射脉冲对应的接收回波进行时移补偿包括：

将第1个发射脉冲对应的接收回波r₁(k)存储为r_s(k)，即r_s(k)＝r₁(k)，并设定发射脉冲计数m＝1；

发射脉冲计数m＝m+1，并对第m个发射脉冲对应的接收回波r_m(k)进行时移补偿，即r'_m(k)＝r_m(k-T₀(m))；

对存储的r_s(k)用r_s(k)+r'_m(k)进行替代。

2.根据权利要求1所述的适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理方法，其特征在于，还包括：

对所述待测高速运动目标与冲激雷达间的相对速度的设定值进行步进式更新，并根据更新后的相对速度获取时延补偿量。

3.一种适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理系统，其特征在于，包括：

时延补偿量获取单元，用于设定待测高速运动目标与冲激雷达间的相对速度初始值，根据所述速度初始值获取时延补偿量的初始值；

时移补偿单元，用于根据所述时延补偿量对各个发射脉冲对应的接收回波进行时移补偿；

相干积累单元，用于对各个经过时移补偿的接收回波进行相干积累和恒虚警检测；

其中，所述时延补偿量获取单元进一步用于：

根据以下公式获取时延补偿量的初始值T₀(m)：

其中，m为发射脉冲的序号，V₀为速度初始值，T_p为发射信号的脉冲重复间隔，c为电磁波在介质中的传输速度，M为发射脉冲的总个数；

所述时移补偿单元进一步用于：

将第1个发射脉冲对应的接收回波r₁(k)存储为r_s(k)，即r_s(k)＝r₁(k)，并设定发射脉冲计数m＝1；

发射脉冲计数m＝m+1，并对第m个发射脉冲对应的接收回波r_m(k)进行时移补偿，即r'_m(k)＝r_m(k-T₀(m))；

对存储的r_s(k)用r_s(k)+r'_m(k)进行替代。

4.根据权利要求3所述的适用于高速运动目标的冲激雷达相干积累处理系统，其特征在于，还包括：

时延补偿量更新单元，用于对所述待测高速运动目标与冲激雷达间的相对速度的设定值进行步进式更新，并根据更新后的相对速度获取时延补偿量。