CN106597403A - 一种基于分段补偿的高速目标相参积累检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分段补偿的高速目标相参积累检测方法，根据雷达参数对目标速度范围进行划分；在确保段内脉冲距离走动的前提下，将积累回波脉冲组分段；对每一段脉冲根据补偿速度采用不同的滤波器进行距离补偿脉冲压缩；以补偿速度为参考对脉冲压缩数据进行多普勒修正相参积累；对所有目标速度搜索范围内的单元进行门限检测得到检测结果。

Description

一种基于分段补偿的高速目标相参积累检测方法

技术领域

本发明属于相参雷达信号处理技术领域，具体地说是一种用于高速目标相参积累检测的方法。

背景技术

不断发展的隐身、高空、高速目标对现代雷达提出了严峻挑战。隐身技术的推广应用，使得目标的雷达截面积不断减小，严重影响雷达的检测性能。增加目标照射时间，通过信号处理实现目标在长观测时间内回波能量的积累，是数字阵列雷达等新体制雷达提高对微弱目标检测性能的主要途径。多脉冲相参积累方法是现有脉冲多普勒雷达广泛采用积累方法，该方法受限于目标在一个距离单元内的驻留时间，因此积累增益的提高受到限制。目标的高速运动使目标的径向距离迅速变化，容易出现目标跨距离单元走动的问题，使其回波能量分布于多个距离分辨单元，导致回波能量难以积累。目前F-22等超音速飞机的飞行速度达到了1.7马赫，以HTV-2、X37B、X-51A等为代表的临近空间超高声速飞行器甚至达到10马赫以上，而且机动性能越来越强，在低信噪比的情况下，会造成雷达难以探测到目标。

为了保证积累时间，必须对跨距离单元走动进行补偿。目前，对跨距离单元走动的典型补偿方法有对数据进行重建的包络移位对齐方法以及利用Keystone变换进行慢时间尺度变换的方法。文献(陈远征，“基于包络插值移位补偿的高速运动目标的积累检测算法研究”，信号处理，2004，20(4)，387-390)提出的包络移位对齐方法需要重构采样信号的复包络，并进行移位处理，需要额外占用大量存储计算资源。文献(黄柏圣，“基于Keystone变换的高速目标检测方法”，现代雷达，2013，35(12)，47-55)提出的基于Keystone变换的补偿方法会受到多普勒模糊的影响，在低重频的情况下，需要搜索多普勒模糊次数，而且需要在快时间(即脉内时间)进行FFT，在脉内采样点数较多时，计算量会相当大。此外，文献(余吉，“径向匀加速目标的长时间相参积累方法”，清华大学学报，2010，50(5)，793-796)提出在快时间频域补偿的方法，虽然能够对目标跨距离单元、跨多普勒单元进行联合补偿，但是同样需要在快时间进行FFT，在脉内采样点数较多时，计算量会相当大。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决雷达相参积累过程中高速目标回波脉冲距离走动问题，提出了一种通过分段脉冲压缩补偿回波脉冲距离走动的方法。

技术方案

一种基于分段补偿的高速目标相参积累检测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据雷达脉冲重复周期T、积累脉冲数N、距离分辨率ΔR、走动系数ε和雷达探测目标的最大速率v_max，将目标速度搜索范围划分为2K+1部分，k部分速度范围：

其中， 是向上取整；

步骤2：将回波基带信号脉冲组{s_n,n＝1,2,…,N}分为P段，每段脉冲组L或L-1个脉冲，满足：

那么，第p段有L_p个脉冲{s_n,n＝N_p-1+1,N_p-1+2,…,N_p}且

其中，P₁＝N-(L-1)P；

步骤3：第p段回波脉冲的基带数据表示为

s_n＝s_n(m)，m＝1,2,…,M

其中，M为脉冲重复周期内采样点数，M＝T/t_s，t_s为采样时间间隔；

对于目标速度搜索范围k部分，脉冲压缩的滤波函数为

h_k,p(t)＝s^*(-t+τ_p) (3)

其中，s(t)，0≤t≤T_w是雷达基带波形信号，T_w为脉冲宽度；是距离延时补偿；是补偿速度；c为电磁波传播速度；

依据滤波函数设计滤波器系数H_k,p，

H_k,p(m)＝s^*[t₁-(m-1)t_s+τ_p]，m＝1,2,…,M₁ (4)

其中，t₁＝T_w+τ_c，M₁＝M₀+2M_a，

经过脉冲压缩的数据为

其中，n＝N_p-1+1,N_p-1+2,…,N_p；

步骤4：以补偿速度v_k,c为参考，对脉冲压缩数据x(k,n,m)进行多普勒修正

x′(k,n,m)＝x(k,n,m)exp[-j2πf_k,d(n-1)T] (6)

其中，f_c为雷达工作频率；目标速度搜索范围k部分经过多普勒修正后的目标多普勒速度范围为

经过N点FFT的相参积累：

目标多普勒速度范围为对应的多普勒单元分别为

l∈{1,…,N_d+1,N+1-N_d,…,N} (8)

其中，如果如果

步骤5：采用门限Γ对所有目标速度搜索范围内的多普勒单元和距离单元进行门限检测，目标速度搜索范围k＝-K,-K+1,…,K，多普勒单元l＝1,…,N_d+1,N+1-N_d,…,N，距离单元m＝M₁,M₁+1,…,M₁+M-1，若积累后数据满足

|y(k,l,m)|≥Γ (9)

则目标存在；此时，目标距离为目标多普勒速度为(l＝1,…,N_d+1)，(l＝N+1-N_d,…,N)。

上述基于分段补偿的高速目标相参积累检测方法，对于在目标速度搜索范围内的目标，积累脉冲间距离走动不超过因此，走动系数ε越小，积累脉冲间的距离走动越小，即相参积累效果越好；但是在最大目标速度v_max一定的前提下，走动系数ε越小，越大，即速度搜索范围的划分数(2K+1)越多，而且段内脉冲数越少，即分段匹配滤波器数越多，这就需要综合考虑选取走动系数ε。此外，该方法主要针对目标速度完全未知的情况，以雷达目标的最大可能速率计算得到最大搜索范围，实际中如果已知目标速度在[v_min,v_max]范围内，可以相应缩小目标速度搜索范围为[K_min,K_max]，

有益效果

本发明提出的一种基于分段补偿的高速目标相参积累检测方法，与现有技术相比，具有以下优点：

1)通过切换匹配滤波器实现距离走动的补偿，与包络移位对齐方法需要对所有采样数据进行重建相比，计算量大大减少；

2)通过脉冲分段补偿的方式，在保证补偿效果的前提下，尽量减少所需匹配滤波器的数量，降低了实现复杂度；

3)通过多普勒修正，将所有目标速度搜索范围内的多普勒检测单元归一化，降低了实现复杂度。

附图说明

图1是本发明实施过程的流程图

图2是本发明的实现框图

图3是本发明的脉冲分段的示意图

图4是本发明仿真实验补偿前的相参积累结果图(a)三维图；(b)二维图；

图5是本发明仿真实验补偿后的相参积累结果图(a)三维图；(b)二维图；

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的技术方案为：根据雷达参数将目标速度范围划分为(2K+1)部分，将N个积累回波脉冲分为P段，对第p(p＝1,2,…,P)段脉冲根据补偿速度v_k,c(k＝-K,-K+1,…,K)采用不同的滤波器H_k,p进行距离补偿脉冲压缩，以补偿速度v_k,c为参考对脉冲压缩数据进行多普勒修正相参积累，所有目标速度搜索范围内的单元进行门限检测得到检测结果，实现框图如图2所示。

参照图1，它是本发明实施的流程图，实现过程如下：

第一步，根据雷达参数对目标速度范围进行划分；第二步，在确保段内脉冲距离走动的前提下，将积累回波脉冲组分段；第三步，对每一段脉冲根据补偿速度采用不同的滤波器进行距离补偿脉冲压缩；第四步，以补偿速度为参考对脉冲压缩数据进行多普勒修正相参积累；第五步，对所有目标速度搜索范围内的单元进行门限检测得到检测结果。

参照图2，它是本发明的实现框图，具体做法如下：

1)根据雷达脉冲重复周期T，积累脉冲数N，距离分辨率ΔR，取走动系数

其中ΔR_max为系统允许的最大走动距离。以探测目标的最大速率v_max计算

其中是向上取整。将目标速度搜索范围划分为(2K+1)部分，k部分速度范围

对应的补偿速度为

回波脉冲基带信号{s_n,n＝1,2,…,N}的数据表示为

s_n＝s_n(m)，m＝1,2,…,M (5)

其中，M为脉冲重复周期内采样点数，M＝T/t_s，t_s为采样时间间隔。按照目标速度搜索范围划分，回波脉冲基带信号数据在每一部分分别进行后续处理。

2)参照图3，它是本发明脉冲分段的示意图。选择满足条件的脉冲分段方式

将回波基带信号脉冲组{s_n,n＝1,2,…,N}分为P段，每段脉冲组L或L-1个脉冲，那么第p段有L_p个脉冲{s_n,n＝N_p-1+1,N_p-1+2,…,N_p}且

其中一般取段内脉冲数L能被积累脉冲数N整除，积累脉冲组被均匀分段L_p＝L(p＝1,2,…,P₁)，降低系统时序复杂度。

3)对每一段脉冲根据补偿速度采用不同的滤波器进行距离补偿脉冲压缩。目标速度搜索范围k部分，第p段脉冲的滤波器系数H_k,p为

H_k,p(m)＝s^*[t₁-(m-1)t_s+τ_p]，m＝1,2,…,M₁ (8)

其中，s(t)(0≤t≤T_w)是雷达基带波形信号，T_w为脉冲宽度；c为电磁波传播速度；是距离延时补偿；为补偿脉冲压缩滤波器的阶数，为常规脉冲压缩滤波器的阶数。

经过脉冲压缩的数据为

其中，n＝N_p-1+1,N_p-1+2,…,N_p。

4)以补偿速度v_k,c为参考，对脉冲压缩数据x(k,n,m)进行多普勒修正

x′(k,n,m)＝x(k,n,m)exp[-j2πf_k,d(n-1)T] (10)

其中，f_c为雷达工作频率；

经过N点FFT的相参积累，

其中，l＝1,…,N_d+1,N+1-N_d,…,N；如果如果

5)采用门限Γ对所有目标速度搜索范围k＝-K,-K+1,…,K内的多普勒单元l＝1,…,N_d+1,N+1-N_d,…,N和距离单元m＝M₁,M₁+1,…,M₁+M-1进行门限检测，若积累后数据满足

|y(k,l,m)|≥Γ (12)

则目标存在。此时，目标距离为目标多普勒速度为(l＝1,…,N_d+1)，(l＝N+1-N_d,…,N)。

参照图4，它是本发明仿真实验补偿前的相参积累结果图。雷达和目标参数：脉冲重复周期200μs，线性调频信号带宽10MHz，脉冲宽度10μs，积累脉冲数512，距离分辨率15m，探测目标的最大速率2000m/s，载频3GHz，采样率100MHz，回波信噪比-25dB，目标初始距离10km，速度1000m/s径向，在一个积累周期内，目标距离走动102.4m，约7个距离分辨单元。采用常规相参积累检测方法：脉冲压缩、FFT相参积累、门限检测，检测门限取为28dB。检测结果：相参积累峰值幅度为15.13dB，低于检测门限，没有检测到目标。从图中可以看到，距离走动引起的相参积累结果在距离单元上的明显展宽。

参照图5，它是本发明仿真实验补偿后的相参积累结果图。采用本方法的处理参数：走动系数取0.25，目标速度搜索范围-27～27，积累脉冲组分为64段，每段8个脉冲，门限取为28dB。检测结果：目标速度搜索范围k＝14，距离单元4002，多普勒单元461，幅度为29.31dB，高于检测门限，检测到目标，对应目标距离对应目标多普勒速度与目标参数符合。从图中可以看到，经过补偿处理后相参积累结果在距离单元上没有明显展宽，信噪比明显改善。

Claims (1)

1.一种基于分段补偿的高速目标相参积累检测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据雷达脉冲重复周期T、积累脉冲数N、距离分辨率ΔR、走动系数ε和雷达探测目标的最大速率v_max，将目标速度搜索范围划分为2K+1部分，k部分速度范围：

$v_k\∈\[\frac{(2k-1)\mathrm{\ϵ}\mathrm{\Δ}R}{NT},\frac{(2k+1)\mathrm{\ϵ}\mathrm{\Δ}R}{NT}\],k=-K,-K+1,...,K---\left(1\right)$

其中， 是向上取整；

步骤2：将回波基带信号脉冲组{s_n,n＝1,2,…,N}分为P段，每段脉冲组L或L-1个脉冲，满足：

那么，第p段有L_p个脉冲{s_n,n＝N_p-1+1,N_p-1+2,…,N_p}且

$L_p=\left\{\begin{array}{cc}L,& p=1,2,...,P_1\\ L-1,& p=P_1+1,P_1+2,...,P\end{array}\right.$

其中，P₁＝N-(L-1)P；

步骤3：第p段回波脉冲的基带数据表示为

s_n＝s_n(m)，m＝1,2,…,M

其中，M为脉冲重复周期内采样点数，M＝T/t_s，t_s为采样时间间隔；

对于目标速度搜索范围k部分，脉冲压缩的滤波函数为

h_k,p(t)＝s^*(-t+τ_p) (3)

其中，s(t)，0≤t≤T_w是雷达基带波形信号，T_w为脉冲宽度；是距离延时补偿；是补偿速度；c为电磁波传播速度；

依据滤波函数设计滤波器系数H_k,p：

H_k,p(m)＝s^*[t₁-(m-1)t_s+τ_p]，m＝1,2,…,M₁ (4)

其中，t₁＝T_w+τ_c，M₁＝M₀+2M_a，

经过脉冲压缩的数据为

$x(k,n,m)=\underset{m_1=0}{\overset{M}{\Σ}}{s}_n\left(m_1\right)H_{k,p}(m+M_0+M_a-m_1),m=1,2,...,M---\left(5\right)$

其中，n＝N_p-1+1,N_p-1+2,…,N_p；

步骤4：以补偿速度v_k,c为参考，对脉冲压缩数据x(k,n,m)进行多普勒修正

x′(k,n,m)＝x(k,n,m)exp[-j2πf_k,d(n-1)T] (6)

其中，f_c为雷达工作频率；目标速度搜索范围k部分经过多普勒修正后的目标多普勒速度范围为

经过N点FFT的相参积累，

$y(k,l,m)=\underset{p=1}{\overset{P}{\Σ}}\underset{n=N_{p-1}+1}{\overset{N_p}{\Σ}}{x}^{\′}(k,n,m)\exp \[-j2\mathrm{\π}\frac{n-1}{N}(l-1)\],l=1,2,...,N---\left(7\right)$

目标多普勒速度范围为对应的多普勒单元分别为

l∈{1,…,N_d+1,N+1-N_d,…,N} (8)

其中，如果如果

步骤5：采用门限Γ对所有目标速度搜索范围内的多普勒单元和距离单元进行门限检测，目标速度搜索范围k＝-K,-K+1,…,K，多普勒单元l＝1,…,N_d+1,N+1-N_d,…,N，距离单元m＝M₁,M₁+1,…,M₁+M-1，若积累后数据满足

|y(k,l,m)|≥Γ (9)

则目标存在；此时，目标距离为目标多普勒速度为