CN106597427A - 一种超高速目标探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超高速目标探测方法，包含：将雷达导引头切换到点频模式，发射低重频普通脉冲信号；对回波信号进行加速度盲补偿、等间隔的距离门选通，对选通的回波信号进行FFT变换；运用全频域一维恒虚警检测方法检测目标；计算目标的速度和加速度，提取目标幅度最大的距离门选通号；将雷达导引头切换到调频测距模式，发射低重频脉冲调频信号；对回波信号进行加速度补偿和距离走动补偿；进行距离门选通，对选通的回波信号进行FFT变换；进行全频域一维恒虚警检测，计算目标距离信息。本发明能有效改善信噪比、提高雷达导引头作用距离，解决高速运动引起的距离走动的问题，精确探测高速目标的速度和距离信息。

Description

一种超高速目标探测方法
技术领域
本发明涉及一种目标探测方法，具体是指一种针对弹目相对速度达到12000m/s的超高速目标探测方法，属于雷达引导头信号处理技术领域。
背景技术
近年来，各国均在大力发展导弹防御系统，用于对各种复杂弹头进行有效拦截。随着技术的发展，其导弹防御系统拦截能力也得到充分的体现。为了有效对抗导弹防御系统，各国也在加紧导弹反拦截技术的研究，反拦截能力不断提高。躲避反导系统的拦截，关键在于实时准确测量来袭拦截器目标与躲避机动导弹的距离、速度和角度等信息。通过对测量结果进行信息融合处理，再借助控制装置改变原来的弹道，实现躲避反导系统的拦截。
目标的超高速运动，不可避免地会导致在一定的相参处理时间内目标回波的包络发生较大的距离走动及距离弯曲；发现跨距离单元、跨多普勒单元等现象，这不仅会造成目标的距离和速度信息失真，更使得目标能量分散而造成检测门限下降和作用距离缩短，从而影响了雷达探测目标的性能。传统的基于傅立叶变换的多脉冲相参积累需满足目标回波包络在相参处理时间内不发生变化的条件，因而，传统的雷达相参积累检测算法不适用于高速目标检测。为了有效地检测高速目标，需实现对高速目标回波的有效积累。
《LFMCW雷达高速运动目标检测与估计》(信号处理，2007，23(6)：829－832)文献中针对高速目标检测问题提出了一种基于二次混频与MTD(双雷达微波交通检测器)处理相结合的方法，该方法采用二次混频处理解决多周期信号中心频率偏移问题，同时实现了距离多普勒解耦合。但其采用的对称三角LFMCW(线性调频连续波)信号形式在高速目标探测中有自身缺陷。
《New parameter estimation and detection algorithm for high speedsmall target》(Aerospace and Electronic Systems，IEEE Transactions on，2011，47(1)：214-224)文献中针对高速机动目标探测，提出了先依次估计调频斜率、多普勒折叠因子等，再根据估计的以上参数构造相位补偿函数，完成距离走动校正和多普勒扩散补偿，最后进行相参积累的方法。
专利CN102121989B《一种同时测量高速运动目标的速度和距离的方法》介绍了一种基于单脉冲回波信号来同时进行高速运动目标测距和测速的方法。首先通过相关法获取目标谱相对发射信号谱的偏移估计目标的速度，然后通过目标谱平移再脉压估计目标的距离。此方法能够同时获得目标的速度和距离，但是测量误差比较大，而且作用距离较小。
专利CN102628937B《基于广义keystone变换和非相参积累的雷达检测方法》利用Keystone变换校正距离门单元走动，然后通过非相参积累估计目标的速度，再通过Dechirp方法估计目标的加速度来补偿二次相位项，进而完成相参积累。此方法能够提高高速目标在强高斯白噪声背景下检测概率，但是没有考虑高速目标的速度和距离模糊的问题。
专利CN1022445684B《基于修正STAP的机载雷达高速空中机动目标检测方法》利用Keystone变换校正距离门单元走动，再利用修正STAP(时-空自适应处理)估计目标的加速度来补偿多普勒走动，进而完成相参积累。此方法能够消除回波的距离弯曲及走动对能量积累的影响，但是没有考虑高速目标的速度和距离模糊的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高速目标探测方法，能有效改善信噪比、提高雷达导引头作用距离，解决高速运动引起的距离走动的问题，精确探测高速目标的速度和距离信息。
为了达到上述目的，本发明提供一种超高速目标探测方法，包含以下步骤：
S1、将雷达导引头切换到点频模式，发射低重频普通脉冲信号，进行目标搜索；
S2、对点频回波信号进行加速度盲补偿，并进行等间隔的距离门选通，然后分别对每个选通的回波信号进行FFT时频域变换，得到回波信号频域信息；
S3、运用全频域一维恒虚警检测方法检测目标；如未检测到目标，则返回S1重新进行目标搜索；如检测到目标，则继续进行S4；
S4、计算得到目标的速度信息和加速度信息，提取目标幅度最大的距离门选通号；
S5、将雷达导引头切换到调频测距模式，发射低重频脉冲调频信号；
S6、对调频测距回波信号进行加速度补偿和距离走动补偿；
S7、对调频测距回波信号进行距离门选通，对选通的回波信号进行FFT时频域变换，得到回波信号频域信息；
S8、进行全频域一维恒虚警检测，计算得到目标的距离信息。
所述的S1中，雷达导引头在点频模式下发送低重频普通脉冲信号之前，根据导弹速度设置航向控制振荡器的移频值fVCO，通过频率综合器移频处理并补偿导弹自身的速度。
所述的S1中，点频模式包括：点频回波信号经过下变频以及低通滤波，再进行加速度补偿，然后进行距离门选通，并分别对每个选通的回波信号进行FFT时频域变换，最后在全频域检测提取目标的速度信息。
所述的S5中，雷达导引头在调频测距模式下发送低重频脉冲调频信号之前，也同样根据导弹速度设置航向控制振荡器的移频值fVCO，通过频率综合器移频处理并补偿导弹自身的速度。
所述的S5中，调频测距模式包括：调频测距回波信号依次经过去斜处理、下变频以及低通滤波，再进行速度补偿和距离走动补偿，然后进行距离门选通，并对选通的回波信号进行FFT时频域变换，最后在全频域检测提取目标的距离信息。
所述的S6中，通过点频模式下在S4中获取的目标加速度对调频测距回波信号进行加速度补偿；通过点频模式下在S4中获取的目标速度对调频测距回波信号进行距离走动补偿。
所述的S7中，通过点频模式下在S4中获取的目标幅度最大的距离门选通号对调频测距回波信号进行距离门选通。
综上所述，本发明提供的超高速目标探测方法，采用低重频发射波形和全频域检测策略，避免了传统PD模式变重频检测法由于目标速度过快容易引起距离和速度模糊度计算误差和弹目距离遮挡现象对空域搜索、信号检测的不利影响，提高了跟踪的稳定性。另外，本发明中通过距离门选通，有效改善了信噪比，提高了雷达导引头的作用距离；通过对回波信号的加速度和距离走动进行补偿，解决了高速运动引起的多普勒发散和积累时间内发生距离走动的问题；通过点频模式和调频测距模式的切换，达到了同时精确探测超高速目标速度和距离的目的。
附图说明
图1为本发明中的超高速目标探测方法的流程图；
图2为本发明中的未经过补偿的高速目标信号处理仿真图；
图3为本发明中的经过补偿后的高速目标信号处理仿真图。
具体实施方式
以下结合图1～图3，详细说明本发明的优选实施例。根据下述的说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，为本发明所述的超高速目标探测方法，包含以下步骤：
S1、将雷达导引头切换到点频模式，发射低重频普通脉冲信号，进行目标搜索；
S2、对点频回波信号进行加速度盲补偿，并进行等间隔的距离门选通，然后分别对每个选通的回波信号进行FFT(快速傅里叶变换，Fast Fourier Transformation)时频域变换，得到回波信号频域信息；
S3、运用全频域一维恒虚警检测方法检测目标；如未检测到目标，则返回S1重新进行目标搜索；如检测到目标，则继续进行S4；
S4、计算得到目标的速度信息和加速度信息，提取目标幅度最大的距离门选通号；
S5、将雷达导引头切换到调频测距模式，发射低重频脉冲调频信号；
S6、对调频测距回波信号进行加速度补偿和距离走动补偿；
S7、对调频测距回波信号进行距离门选通，对选通的回波信号进行FFT时频域变换，得到回波信号频域信息；
S8、进行全频域一维恒虚警检测，计算得到目标的距离信息。
所述的S1中，雷达导引头在点频模式下发送低重频普通脉冲信号之前，根据导弹速度设置VCO(Vector-Controlled Oscillator航向控制振荡器)的移频值fVCO，通过频率综合器移频处理并补偿导弹自身的速度。
所述的S1中，点频模式包括：点频回波信号经过下变频以及低通滤波，再进行加速度补偿，然后进行距离门选通，并分别对每个选通的回波信号进行FFT时频域变换，最后在全频域检测提取目标的速度信息。
所述的点频模式下，通过加速度补偿和全频域检测获取目标加速度和速度的方法，具体包含以下步骤：
SA1、雷达引导头发射的低重频普通脉冲信号为：
其中，f0为主振频率，T2为脉冲周期，T1为脉冲宽度；
SA2、发射的低重频普通脉冲信号碰到距离RMT处的目标后返回；
雷达回波延时为：
其中，V为弹目速度；c为光速；a为加速度；R0为弹目初始距离；
雷达接收到的低重频普通脉冲信号的回波信号为：
SA3、本振信号为：
ULo＝exp(j2πf0t)；
SA4、雷达接收到的低重频普通脉冲信号的回波信号与本振信号混频后得到：
带入并按变量t合并同类项后，可得：
其中，项为雷达测速所需的信息；
项为常数项，模拟信号时可忽略；
项为频率展宽项，雷达处理时需补偿；
从而计算得到目标的速度信息V和加速度信息a。
所述的S5中，雷达导引头在调频测距模式下发送低重频脉冲调频信号之前，也同样根据导弹速度设置VCO的移频值fVCO，通过频率综合器移频处理并补偿导弹自身的速度。
所述的S5中，调频测距模式包括：调频测距回波信号依次经过去斜处理、下变频以及低通滤波，再进行速度补偿和距离走动补偿，然后进行距离门选通，并对选通的回波信号进行FFT时频域变换，最后在全频域检测提取目标的距离信息。
所述的S6中，通过点频模式下在S4中获取的目标加速度对调频测距回波信号进行加速度补偿；通过点频模式下在S4中获取的目标速度对调频测距回波信号进行距离走动补偿。
所述的S7中，通过点频模式下在S4中获取的目标幅度最大的距离门选通号对调频测距回波信号进行距离门选通。
所述的调频测距模式下，通过点频模式下获取的目标加速度和速度，对调频测距回波信号进行加速度补偿和距离走动补偿，获取目标距离信息的包含，具体包含以下步骤：
SB1、雷达引导头发射的低重频脉冲调频信号为：
其中，f0为主振频率，μ为调频斜率，T2为脉冲周期，T1为脉冲宽度；
SB2、发射的低重频脉冲调频信号碰到距离RMT处的目标后返回；
雷达回波延时为：
其中，V为弹目速度；c为光速；a为加速度；R0为弹目初始距离；
雷达接收到的低重频脉冲调频信号的回波信号为：
SB3、本振信号为：
ULo＝exp(j2πf0t+jπμt2)；
SB4、雷达接收到的低重频脉冲调频信号的回波信号与本振信号混频后得到：
带入并按变量t合并同类项后，可得：
其中，rect项会导致回波信号的脉冲变窄；假设雷达发射的波形脉宽为90us，在弹目相对速度12000m/s时，90us内距离走动1.08m，即对单个脉冲来说，脉冲宽度变窄0.0072us，因此对雷达处理和回波模拟来说均可忽略不计；
项为常数项，模拟信号时可忽略；
由两项组成，中速度引起的fd会引入测距误差；而为雷达测距所需的信息；
项为频率展宽项，雷达处理时需补偿；
项可表达为假设：a＝10g，μ＝4.5GHz，t＝0.02s，计算得到频率变化该频率变化远小于雷达信号处理的频率分辨率，因此该项在雷达处理和信号模拟时均可忽略；
项中，因分母为c2，因此得到的数值接近与0，可忽略；
为雷达处理时的补偿项，采用该补偿项对调频测距回波信号进行加速度补偿和距离走动补偿，在对选通的回波信号进行FFT时频域变换后，获取目标的距离信息。
本实施例中，对探测高速目标的回波信号进行仿真，仿真中假定中频模拟信号参数为：脉冲周期500us，脉宽90us，目标速度12000m/s，目标加速度120m/s2，目标距离40km。
在对目标的速度、加速度补偿前，目标信号处理的结果如图2所示，此时目标的距离会发生走动并且谱线发散，目标幅度降低。而采用本发明中的对目标的速度、加速度进行补偿后，目标信号处理的结果如图3所示，此时将速度引起的距离走动和加速度引起的谱线发散补偿掉。
通过上述仿真测试，可知在对目标的速度、加速度进行补偿前，将检测不到目标信号，而进行目标的速度、加速度补偿后，即可检测到目标信号，并且补偿结果与目标静止状态相比，基本无损失。
综上所述，本发明所提供的超高速目标探测方法，采用低重频发射波形和全频域检测策略，避免了传统PD模式变重频检测法由于目标速度过快容易引起距离和速度模糊度计算误差和弹目距离遮挡现象对空域搜索、信号检测的不利影响，提高了跟踪的稳定性。另外，本发明中通过距离门选通，有效改善了信噪比，提高了雷达导引头的作用距离；通过对回波信号的加速度和距离走动进行补偿，解决了高速运动引起的多普勒发散和积累时间内发生距离走动的问题；通过点频模式和调频测距模式的切换，达到了同时精确探测超高速目标速度和距离的目的。
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 (7)

1.一种超高速目标探测方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、将雷达导引头切换到点频模式，发射低重频普通脉冲信号，进行目标搜索；
S2、对点频回波信号进行加速度盲补偿，并进行等间隔的距离门选通，然后分别对每个选通的回波信号进行FFT时频域变换，得到回波信号频域信息；
S3、运用全频域一维恒虚警检测方法检测目标；如未检测到目标，则返回S1重新进行目标搜索；如检测到目标，则继续进行S4；
S4、计算得到目标的速度信息和加速度信息，提取目标幅度最大的距离门选通号；
S5、将雷达导引头切换到调频测距模式，发射低重频脉冲调频信号；
S6、对调频测距回波信号进行加速度补偿和距离走动补偿；
S7、对调频测距回波信号进行距离门选通，分别对每个选通的回波信号进行FFT时频域变换，得到回波信号频域信息；
S8、进行全频域一维恒虚警检测，计算得到目标的距离信息。
2.如权利要求1所述的超高速目标探测方法，其特征在于，所述的S1中，
雷达导引头在点频模式下发送低重频普通脉冲信号之前，根据导弹速度设置航向控制振荡器的移频值fVCO，通过频率综合器移频处理并补偿导弹自身的速度。
3.如权利要求2所述的超高速目标探测方法，其特征在于，所述的S1中，
点频模式包括：点频回波信号经过下变频以及低通滤波，再进行加速度补偿，然后进行距离门选通，并分别对每个选通的回波信号进行FFT时频域变换，最后在全频域检测提取目标的速度信息。
4.如权利要求1所述的超高速目标探测方法，其特征在于，所述的S5中，
雷达导引头在调频测距模式下发送低重频脉冲调频信号之前，也同样根据导弹速度设置航向控制振荡器的移频值fVCO，通过频率综合器移频处理并补偿导弹自身的速度。
5.如权利要求4所述的超高速目标探测方法，其特征在于，所述的S5中，调频测距模式包括：调频测距回波信号依次经过去斜处理、下变频以及低通滤波，再进行速度补偿和距离走动补偿，然后进行距离门选通，并对选通的回波信号进行FFT时频域变换，最后在全频域检测提取目标的距离信息。
6.如权利要求5所述的超高速目标探测方法，其特征在于，所述的S6中，通过点频模式下在S4中获取的目标加速度对调频测距回波信号进行加速度补偿；通过点频模式下在S4中获取的目标速度对调频测距回波信号进行距离走动补偿。
7.如权利要求5所述的超高速目标探测方法，其特征在于，所述的S7中，通过点频模式下在S4中获取的目标幅度最大的距离门选通号对调频测距回波信号进行距离门选通。
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