CN106199578B - 高超声速目标测速方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高超声速目标测速方法。主要解决了现有技术中发射调频信号复杂，回波越距离单元校正，以及无法进行速度解模糊的问题。其实现过程为：利用雷达阵元发射线性调频连续波信号；通过对接收的回波数据进行解线频调和傅里叶变换处理得到时频矩阵；再构造谱坐标矩阵；利用谱线搜索法得到模糊度；最后求出待测目标速度并输出给雷达系统。本发明实现了高超声速目标测速，具有发射信号简单，不需要进行回波越距离单元校正，测速无模糊的优点。

Description

高超声速目标测速方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及雷达信号处理技术领域中的一种高超声速目标的测速方法。本发明可以应用于雷达信号处理技术领域中的靶场测量、精确制导、临近空间高速目标检测等。

背景技术

线性调频连续波雷达测速的传统方法有用周期图法的功率谱估计和基于Keystone(楔石)变换的长时间积累算法。周期图法的功率谱估计主要是用傅里叶变换将信号由时域转换到频域，由检测谱峰判断是否存在目标，并得到对应的多普勒频率。基于Keystone(楔石)变换的长时间积累算法把由目标径向速度引起的越距离单元走动的回波校正到同一距离单元上，在包络对齐的情况下对所有脉冲进行积累，进而进行测速和测距。但是这种算法需要进行速度解模糊，即需要进行多次的相参积累，会花费更多的时间。

线性调频连续波雷达在探测临近空间高超声速目标的速度时，由于目标速度过快，无法进行长时间积累，所以传统的基于Keystone变换方法无法进行速度解模糊，从而造成测速不准确。因此，研究有效的方法进行距离校正和速度模糊的求解，对于探测临近空间高超声速目标测速具有重大意义。

厦门大学在其申请的专利文献“一种基于组合波形的调频连续波雷达测量方法”(申请号CN201610073333.6，申请日2016.02.02，公开号CN105549002A，公开日2016.05.04)中提出了一种基于组合波形的调频连续波雷达测速方法。该方法构造一种组合波形的调频连续波信号，通过结合三角波信号段得到的无模糊粗速度和若干个锯齿波信号段得到的有模糊精速度，计算出相应的速度模糊周期数,进而求得目标的无模糊精速度。该方法存在的不足之处是，发射调制信号较复杂，后续处理计算量大。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术存在的问题，提出一种基于时频域的目标测速方法，发射信号简单，且不需要对待测目标速度引起的越距离单元走动的回波进行校正，在避免速度模糊的同时，以实现高超声速目标速度的测量。

本发明的具体步骤如下：

(1)发射信号：

雷达阵元向待测目标发射线性调频信号；

(2)接收数据：

(2a)雷达阵元接收通过待测目标反射的线性调频信号的回波；

(2b)通过采集待测目标的回波，得到回波数据，将回波数据存储在雷达系统内存中；

(3)对回波数据进行解线频调处理，得到差频矩阵；

(4)傅里叶变换：

对差频矩阵的每一列进行傅里叶变换，得到时频矩阵；

(5)构造谱坐标矩阵：

(5a)遍历时频矩阵第一列中的所有元素，将元素最大值所在的行的坐标，作为截距坐标；

(5b)利用截距坐标，计算截距斜率；

(5c)依据雷达系统设定的参量，计算模糊斜率；

(5d)按照下式，计算待构造的谱坐标矩阵的每一个元素值：

其中，q_i,j表示待构造的谱坐标矩阵的第i行第j列的元素值，i∈{1,2,…,2h+1}，h表示根据雷达系统的测速范围所确定的谱线的搜索范围，j∈{1,2,…,N}，∈表示属于符号，N表示一个周期内雷达系统的采样点数，κ表示模糊斜率，k表示截距斜率，p表示截距坐标，M表示雷达系统发射信号周期的总数；

(5e)将待构造的谱坐标矩阵的所有元素值，按照待构造的谱坐标矩阵的所有元素值的下标进行位置排列，组成谱坐标矩阵；

(6)谱线搜索法：

(6a)根据谱坐标矩阵的元素值对应的差频矩阵的行坐标，按照下式，求谱线矩阵中的每一个元素值：

其中，z_α,β表示谱线矩阵中第α行第β列的元素值，表示差频矩阵中第行第χ列的元素值，的取值与谱坐标矩阵的第i行第j列的元素值q_i,j相等，α的取值与谱坐标矩阵的第i行第j列的元素值q_i,j的行标i的取值相等，χ的取值与谱坐标矩阵的第i行第j列的元素值q_i,j的列标j的取值相等，β的取值与χ的取值相等；

(6b)将谱线矩阵的所有元素值，按照谱线矩阵的所有元素值的下标进行位置排列，组成谱线矩阵；

(6c)将谱线矩阵的每一行数据累加，得到一维谱线数据；

(6d)从一维谱线数据的所有元素中选取最大元素值，将最大元素值所对应的坐标，作为峰值坐标；

(6e)按照下式，计算模糊度：

r＝w-h-1

其中，r表示模糊度，w表示峰值坐标，h表示根据雷达系统的测速范围所确定的谱线的搜索范围；

(7)按照下式，计算待测目标速度：

其中，v表示待测目标速度，c表示光速，T表示雷达系统发射信号的周期，f₀表示雷达系统的载频，r表示模糊度，p表示截距坐标，M表示雷达系统发射信号周期的总数；

(8)将待测目标速度输出给雷达系统。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，由于本发明采用线性调频连续波作为雷达的发射信号，克服了现有技术中发射调频信号复杂的问题，使得本发明可以在发射信号简单的情况下，实现高超声速目标速度的测量。

第二，由于本发明利用了线性调频连续波雷达回波信号的时频域特征，采用谱线搜索方法，克服了现有技术中待测目标速度引起的回波越距离单元走动的校正问题，使得本发明可以在不进行回波越距离单元走动校正的情况下，实现高超声速目标速度的测量。

第三，由于本发明利用了谱线搜索方法，克服了现有技术中测速模糊问题，使得本发明具有测速无模糊、精度高的优点。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是用本发明的仿真图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参考图1，本发明的具体实施步骤如下。

步骤1：发射信号。

雷达阵元向待测目标发射线性调频信号。

雷达阵元每个周期都发射相同的线性调频信号。

步骤2：接收数据。

雷达阵元接收通过待测目标反射的线性调频信号的回波。

通过采集待测目标的回波，得到回波数据，将回波数据存储在雷达系统内存中。

步骤3：对回波数据进行解线频调处理，得到差频矩阵。

所述的对回波数据进行解线频调处理得到差频矩阵是按照下式实现的：

y＝X·s^*

其中，y表示差频矩阵，X表示回波数据，·表示点乘操作，s表示解线频调参考信号，*表示取共轭操作。

步骤4：傅里叶变换。

对差频矩阵的每一列进行傅里叶变换，得到时频矩阵。

步骤5：构造谱坐标矩阵。

遍历时频矩阵第一列中的所有元素，将元素最大值所在的行的坐标，作为截距坐标。

利用截距坐标，计算截距斜率。

所述的利用截距坐标计算截距斜率是按照下式计算得到的：

其中，k表示截距斜率，μ表示雷达系统的调频率，p表示截距坐标，M表示雷达系统发射信号周期的总数，N表示一个周期内雷达系统的采样点数，F表示雷达系统的采样频率，f₀表示雷达系统的载频。

依据雷达系统设定的参量，计算模糊斜率。

所述的模糊斜率是按照下式计算得到的：

其中，κ表示模糊斜率，μ表示雷达系统的调频率，M表示雷达系统发射信号周期的总数，N表示一个周期内雷达系统的采样点数，F表示雷达系统的采样频率，f₀表示雷达系统的载频。

按照下式，计算待构造的谱坐标矩阵的每一个元素值：

其中，q_i,j表示待构造的谱坐标矩阵的第i行第j列的元素值，i∈{1,2,…,2h+1}，h表示根据雷达系统的测速范围所确定的谱线的搜索范围，j∈{1,2,…,N}，∈表示属于符号，N表示一个周期内雷达系统的采样点数，κ表示模糊斜率，p表示截距坐标，M表示雷达系统发射信号周期的总数。

将待构造的谱坐标矩阵的所有元素值，按照待构造的谱坐标矩阵的所有元素值的下标进行位置排列，组成谱坐标矩阵。

步骤6：谱线搜索法。

根据谱坐标矩阵的元素值对应的差频矩阵的行坐标，按照下式，求谱线矩阵中的每一个元素值：

其中，z_α,β表示谱线矩阵中第α行第β列的元素值，表示差频矩阵中第行第χ列的元素值，的取值与谱坐标矩阵的第i行第j列的元素值q_i,j相等，α的取值与谱坐标矩阵的第i行第j列的元素值q_i,j的行标i的取值相等，χ的取值与谱坐标矩阵的第i行第j列的元素值q_i,j的列标j的取值相等，β的取值与χ的取值相等。

将谱线矩阵的所有元素值，按照谱线矩阵的所有元素值的下标进行位置排列，组成谱线矩阵。

将谱线矩阵的每一行数据累加，得到一维谱线数据。

从一维谱线数据的所有元素中选取最大元素值，将最大元素值所对应的坐标，作为峰值坐标。

按照下式，计算模糊度：

r＝w-h-1

其中，r表示模糊度，w表示峰值坐标，h表示根据雷达系统的测速范围所确定的谱线的搜索范围。

步骤7：按照下式，计算待测目标速度：

其中，v表示待测目标速度，c表示光速，T表示雷达系统发射信号的周期，f₀表示雷达系统的载频，r表示模糊度，p表示截距坐标，M表示雷达系统发射信号周期的总数。

步骤8：将待测目标速度输出给雷达系统。

下面结合仿真实验对本发明的效果加以描述。

1.仿真条件：

本发明的仿真实验的运行平台配置如下：

CPU：Intel(R)Core(TM)i5CPU 650@3.20GHz；内存：8GB；

操作系统：Windows 7旗舰版64位SP1操作系统；

仿真软件：MATLAB R(2011b)。

本发明的仿真实验的仿真参数设置：

发射信号采用线性调频连续波信号，发射信号参数以及实验仿真参数设置如表1所示。

表1发射信号参数以及实验仿真参数一览表

参数	取值
		雷达系统载频	f0＝10GHz
雷达系统发射信号持续时间	Tp＝100μs
		雷达系统发射信号的周期	T＝100μs
雷达系统发射信号的调频带宽	B＝250MHz
		雷达系统发射信号的周期总数	M＝64
雷达系统的调频率	μ＝2500GHz/s
		雷达系统的采样频率	F＝50MHz
最大多普勒速度	Vmax＝150m/s
		目标个数	4
目标速度	[10m/s,610m/s,1210m/s,1810m/s]
		目标距离	[200m,200m,200m,200m]

2.仿真内容与结果分析：

根据表1中仿真参数给定的最大多普勒速度为150m/s，可知610m/s、1210m/s、1810m/s均超过最大多普勒速度为150m/s，说明在这三个给定的目标速度有速度模糊。

根据表1中的仿真参数，用线性调频连续波雷达系统对目标进行观测产生回波，用本发明方法对回波信号进行测速处理，得到的速度结果如图2所示。

图2中的横坐标表示速度，纵坐标表示速度误差。图2中的五角星符号代表测得的目标速度对应的目标真实速度与测得的目标速度的速度误差。通过图2可以看出，由4个五角星符号代表的4个目标的速度误差均在0.15m/s以内，由本发明的仿真实验说明本发明实现了高超声速目标测速，测得速度误差较小。

Claims (4)

1.一种高超声速目标测速方法，包括如下步骤：

(1)发射信号：

雷达阵元向待测目标发射线性调频信号；

(2)接收数据：

(2a)雷达阵元接收通过待测目标反射的线性调频信号的回波；

(2b)通过采集待测目标的回波，得到回波数据，将回波数据存储在雷达系统内存中；

(3)对回波数据进行解线频调处理，得到差频矩阵；

(4)傅里叶变换：

对差频矩阵的每一列进行傅里叶变换，得到时频矩阵；

(5)构造谱坐标矩阵：

(5a)遍历时频矩阵第一列中的所有元素，将元素最大值所在的行的坐标，作为截距坐标；

(5b)利用截距坐标，计算截距斜率；

(5c)依据雷达系统设定的参量，计算模糊斜率；

(5d)按照下式，计算待构造的谱坐标矩阵的每一个元素值：

其中，q_i,j表示待构造的谱坐标矩阵的第i行第j列的元素值，i∈{1,2,…,2h+1}，h表示根据雷达系统的测速范围所确定的谱线的搜索范围，j∈{1,2,…,N}，∈表示属于符号，N表示一个周期内雷达系统的采样点数，κ表示模糊斜率，k表示截距斜率，p表示截距坐标，M表示雷达系统发射信号周期的总数；

(5e)将待构造的谱坐标矩阵的所有元素值，按照待构造的谱坐标矩阵的所有元素值的下标进行位置排列，组成谱坐标矩阵；

(6)谱线搜索法：

(6a)根据谱坐标矩阵的元素值对应的差频矩阵的行坐标，按照下式，求谱线矩阵中的每一个元素值：

其中，z_α,β表示谱线矩阵中第α行第β列的元素值，表示差频矩阵中第行第χ列的元素值，的取值与谱坐标矩阵的第i行第j列的元素值q_i,j相等，α的取值与谱坐标矩阵的第i行第j列的元素值q_i,j的行标i的取值相等，χ的取值与谱坐标矩阵的第i行第j列的元素值q_i,j的列标j的取值相等，β的取值与χ的取值相等；

(6b)将谱线矩阵的所有元素值，按照谱线矩阵的所有元素值的下标进行位置排列，组成谱线矩阵；

(6c)将谱线矩阵的每一行数据累加，得到一维谱线数据；

(6d)从一维谱线数据的所有元素中选取最大元素值，将最大元素值所对应的坐标，作为峰值坐标；

(6e)按照下式，计算模糊度：

r＝w-h-1

其中，r表示模糊度，w表示峰值坐标，h表示根据雷达系统的测速范围所确定的谱线的搜索范围；

(7)按照下式，计算待测目标速度：

其中，v表示待测目标速度，c表示光速，T表示雷达系统发射信号的周期，f₀表示雷达系统的载频，r表示模糊度，p表示截距坐标，M表示雷达系统发射信号的周期数；

(8)将待测目标速度输出给雷达系统。

2.根据权利要求1所述的高超声速目标测速方法，其特征在于：步骤(3)中所述的对回波数据进行解线频调处理得到差频矩阵是按照下式实现的：

y＝X·s^*

其中，y表示差频矩阵，X表示回波数据，·表示点乘操作，s表示解线频调参考信号，*表示取共轭操作。

3.根据权利要求1所述的高超声速目标测速方法，其特征在于：步骤(5b)中所述的利用截距坐标计算截距斜率是按照下式计算得到的：

其中，k表示截距斜率，μ表示雷达系统的调频率，p表示截距坐标，M表示雷达系统发射信号周期的总数，N表示一个周期内雷达系统的采样点数，F表示雷达系统的采样频率，f₀表示雷达系统的载频。

4.根据权利要求1所述的高超声速目标测速方法，其特征在于：步骤(5c)中所述的模糊斜率是按照下式计算得到的：

其中，κ表示模糊斜率，μ表示雷达系统的调频率，M表示雷达系统发射信号周期的总数，N表示一个周期内雷达系统的采样点数，F表示雷达系统的采样频率，f₀表示雷达系统的载频。