CN106772295A - 一种用于动目标雷达截面积测量的距离与多普勒匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线电测量领域技术领域，具体的说是涉及一种用于动目标雷达截面积测量的距离与多普勒匹配方法。本发明提出了一种用于动目标雷达截面积(RCS)测量的距离多普勒高精度匹配方法，通过带时移的匹配滤波器域和频域细分法实现距离和多普勒的高精度匹配，从而获取高精度的RCS测量值。与传统脉冲压缩方法相比，该方法通过带时移的匹配滤波器明显减小了距离域能量起伏；与传统多普勒滤波器组方法相比，频域细分法明显减小了多普勒域的能量起伏。本发明与传统方案相比，利用信号处理方法，减小了距离域与多普勒域的匹配误差，从而获取高精度的RCS测量值。

Description

一种用于动目标雷达截面积测量的距离与多普勒匹配方法

技术领域

本发明属于无线电测量领域技术领域，具体的说是涉及一种用于动目标雷达截面积测量的距离与多普勒匹配方法。

背景技术

雷达截面积(RCS)是指在平面波照射下目标向给定方向散射电磁波能力的度量。RCS值越大意味着目标越容易被探测。因此，RCS测量在雷达探测、隐身与反隐身、航空航天等领域具有重大的意义。高精度的RCS测量也成为研究人员关注的重点。

RCS的测量方法有两种：第一种为理论计算方法，根据电磁理论，可以对若干典型的散射机理进行分析。但对于结构复杂、材料多样的目标，利用理论方法进行计算十分困难；第二种方法为试验测量方法，在特定的测试场地对目标的回波特性进行测量，从而分析出目标的RCS值。试验测量是一种直接、高效的方法。通过对目标实测数据的整理、分析，不仅仅可以获得大量RCS值的特征数据，建立一个有效的目标特征数据库，而且可以与理论分析结果相结合，加强理论研究。因此，在实际应用过程中，人们并不完全依赖于理论计算，最终还是会对目标的回波特性进行测量。测量中可以使用全尺寸模型、也可以使用比例模型。通常情况下，小尺寸目标在室内中进行，但为了满足相位远场条件，大尺寸目标则必须在室外测试场地进行。

在RCS测量中，背景杂波成为制约RCS测量精度的重要因素。室内RCS测量中，为了降低对背景杂波的影响，测量通常在微波暗室中进行。对于大尺寸的目标，贾宏进等人在《电大复杂目标RSC缩比模型验证》中推导并验证了采用缩比模型在微波暗室中测量大型复杂目标的方法，很好地解决了大型或超大型复杂目标RCS难以测量的问题。但是，这种方法对缩比模型的要求很高，实际工程应用存在一定的难度。考虑到微波暗室难以满足远场测试条件。在微波暗室中测量RCS的方法并不适用。

在室外测量可分为静态测试与动态测试，由于静态测试难以降低目标上的杂波，为实现高精度的测量，常采用动态测试的方式。为了降低外场测试中背景杂波的影响，本专利采用基于动目标检测的RCS测量方法。传统的动目标检测在距离域采用脉冲压缩方法，在多普勒域采用多普勒滤波器组实现，但该方法的能量起伏较大，从而严重影响RCS测量的精度。

发明内容

本发明提出了一种用于动目标雷达截面积(RCS)测量的距离多普勒高精度匹配方法，通过带时移的匹配滤波器域和频域细分法实现距离和多普勒的高精度匹配，从而获取高精度的RCS测量值。

本发明的技术方案是：

首先根据雷达的远场工作条件，即雷达与待测动目标的距离r满足r≥2D²/λ，其中D为待测动目标的最大界面尺寸，λ为雷达的工作波长，将雷达和待测动目标布置在一个中间无遮挡的外场环境，待测动目标在雷达波束范围内正向或背向雷达运动，则本发明包括以下步骤：

a.雷达向待测动目标发射脉冲重复周期为T_r的线性调频脉冲信号s(t)，s(t)表示为如下公式1：

其中p(t)为如下公式2：

公式1和公式2中，T_p为脉冲宽度，K为调频率，f_c为载波频率，m表示为第m个脉冲，为矩形窗函数，定义为如下公式3：

b.雷达接收经待测动目标反射后的雷达回波信号，经下变频、滤波处理后，得到雷达基带回波信号S_r(t)，S_r(t)表示为如下公式4：

公式4中，A_σ为包含动目标RCS的回波信号电平，c为光速，R为待测动目标到雷达的瞬时距离；

c.对雷达基带回波信号S_r(t)进行采样，采样率为f_s≥1/B，其中B为发射信号带宽，且B＝K·T_p，获得N点雷达基带回波信号序列s(n)，其中N为单个脉冲重复周期内的采样点数，即其中，表示为向下取整；

d.根据发射信号的脉冲宽度T_p，信号采样率f_s，计算出雷达发射脉冲信号的采样点数

e.连续采集M个重复周期的雷达回波信号，构成M×N的雷达基带回波信号矩阵S，对回波信号矩阵S通过带时移的匹配滤波器进行脉冲压缩处理，具体方法包括以下步骤：

e1.根据如下公式5设计匹配滤波器的参考函数，得到k组点数均为N₁的参考函数h_i(n)；

其中k为时移组数；

e2.对第一个雷达基带回波信号序列s₁(n)和k组参考函数h_i(k,n)作n_fft点的FFT变换，n_fft≥N,n_fft＝2^l且l为使得N+N₁和2^l之间差值的最小值；信号FFT如下公式(6)所示：

参考函数FFT如下公式(7)所示：

e3.将S₁(ω)分别与H_i(ω)相乘，得Y_i(ω)＝S₁(ω)H_i(ω),i＝1,2,…,k；

e4.根据如下公式(8)求得Y_i(ω)的n_fft点IFFT，得s₁(n)带时移的脉冲压缩结果；

e5.利用冒泡法分别求得这k个序列幅度值中每列的最大值，再次比较这些最大值，选取最大值所在的序列作为第一个重复周期雷达回波信号的脉冲压缩结果，赋给脉冲压缩矩阵S₁的第一行，同时记录该结果所对应的时移组k_T；

e6.根据最大值所对应的距离单元n_max和时移组k_T，由如下公式(9)计算出待测动目标离雷达的精确距离R_r：

e7.对第2至M个雷达基带回波信号序列s_w(n)，w∈[2,3,…,M]作n_fft点的FFT变换，信号FFT如下公式(10)所示：

e8.将S_w(ω)分别与第k_T组参考函数的频域响应相乘，得w＝2,3,…,M；

e9.根据如下公式(11)求得Y(w,ω)的n_fft点IFFT，得s_w(n)的脉冲压缩结果：

e10.将第2至M个重复周期雷达回波信号的脉冲压缩结果，赋给脉冲压缩矩阵S₁的第2至M行，得到所有M个重复周期的脉冲压缩结果；

f.将矩阵S₁的第1到N列分别做FFT得到一个新的M×N的矩阵MTD，用S₁(m,n)表示矩阵S₁的第m行第n列的元素，MTD(u,n)表示矩阵MTD的第u行第n列的元素，FFT如下公式(12)所示：

g.对矩阵MTD的每一列按冒泡排序法求出最大幅值和最大幅值处的行数记为L，再比较这N个最大值得到一个最大值和这个最大值所在的列Row；

h.由如下公式(13)求出回波中频(f₀)的粗略值：

由如下公式(14)计算出Chirp_z变换的初始频点f₁：

由如下公式(15)计算出Chirp_z变换的结束频点f₂：

其中,f_r为脉冲重复频率，f_r＝1/T_r；

g.对S₁的第n_max列做Chirp_z变换，得到一个M1的序列，其中M1为细化的点数；变换的方法包括以下步骤：

g1.选择一个最小的整数L1，使其满足L1≥M+M1-1，同时满足L1＝2^m1，m1为任意正整数；

g2.将长度为M的序列补0或者任意值，使序列长度变为L1，并利用FFT法求此序列的L1点离散傅里叶变换DFT，

其中：A₀表示起始取样点的半径长度，通常A₀≤1；

θ₀表示起始取样点Z₀的相角，θ₀＝2πf₁/f_s；

表示两相邻点之间的等分角

g3.根据如下公式(16)求h(n)：

用FFT法求h(n)的L1点DFT,

g4.将H(r)和G(r)相乘，得Q(r)＝H(r)G(r)，Q(r)为L1点频域离散序列；

g5.用FFT法求Q(r)的L1点IDFT，得h(n)和g(n)的圆周卷积q(n)，如下公式17所示：

公式17中，前M1个值等于h(n)和g(n)的线性卷积结果[h(n)*g(n)]；

g6.采用如下公式18求x(z_k)：

h.用冒泡排序法求x(z_k)幅值的最大值Y_r；

l.在微波暗室中，依据步骤二至十一的方法测量标准的金属圆球的接收机幅度值Y₀以及标准金属圆球与雷达的距离R₀，此时标准金属球的RCS值σ₀已知。为降低雷达发射机和接收机功率，该测试可在发射机上增加一个衰减器以降低雷达的辐射功率；

j.根据公式(19)求得待测动目标的一个RCS测量值。

k.复步骤a至步骤jK次，得到待测动目标的K个RCS测量值σ_k，k∈[1,2,…,K]，求取平均RCS测量值作为待测动目标的RCS值。

本发明的有益效果为：与传统脉冲压缩方法相比，该方法通过带时移的匹配滤波器明显减小了距离域能量起伏；与传统多普勒滤波器组方法相比，频域细分法明显减小了多普勒域的能量起伏。本发明与传统方案相比，利用信号处理方法，减小了距离域与多普勒域的匹配误差，从而获取高精度的RCS测量值。

附图说明

图1为本发明的总流程示意图；

图2为本发明中时移脉冲压缩的流程示意图；

图3为本发明中Chirp_z变换的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：

实施例：

布置外场环境，设载波频率f_c＝35GHz，则雷达的工作波长λ＝c/f_c＝8.57mm，其中c＝3×10⁸m/s为光速，V＝20m/s为动目标的速度。假设待测目标的直径D＝5m，将λ和D代入公式r≥2D²/λ可得满足雷达远场工作条件的距离r≥5834m，本例待测动目标的距离在7500m附近，且待测动目标在雷达波束范围内背向雷达运动，如图1所示，则RCS测量包括以下步骤：

1)脉冲重复周期T_r＝0.25ms，脉冲宽度T_p＝5μs，信号带宽B＝2×10⁷Hz，调频率K＝B/T_p＝4×10¹²，将T_r、T_p、K、f_c带入公式(1)、(2)、(3)得到线性调频脉冲s(t)的表达式，雷达通过发射机将该信号对准待测动目标辐射出去；

2)雷达接收经待测动目标反射后的雷达回波信号，经下变频、滤波处理后，得到雷达基带回波信号S_r(t)

3)采样率f_s＝20MHz，对雷达基带回波信号S_r(t)进行采样，获得N＝5000点雷达基带回波信号序列s(n)；

4)根据T_p、f_s算得雷达发射脉冲信号的采样点数

5)连续采集64个重复周期的雷达回波信号，构成64×5000的雷达基带回波信号矩阵S，对回波信号矩阵S通过带时移的匹配滤波器进行脉冲压缩处理，其具体步骤如下：

a.在本实例中令k＝4，将k带入式(5)可得4组点数均为100的参考函数h_i(n)，即

b.按步骤六的第二步的要求求得n_fft＝8192，根据式(6)(7)分别对s₁(n)和4组h_i(k,n)做8192点的FFT得到S₁(ω)和H_i(ω)。

c.将S₁(ω)分别和H_i(ω)相乘，得到Y_i(ω),i＝1,..,4。

d.根据公式(8)求得Y_i(ω)的8192点IFFT，得到s₁(n)带时移的脉冲压缩结果。

e.利用冒泡排序法分别求这4个序列幅度的最大值，再比较这4个最大值，得到最大值在第一列即k_T＝1，和最大值所对应的距离单元n_max＝1001，代入式(9)可得R_r＝7537.50(m)。

f.对第2至64个雷达基带回波信号序列s_w(n)，w∈[2,3,…,64]按公式(10)作8192点的FFT变换。

g.将S_w(ω)分别与第1组参考函数的频域响应H₁(ω)相乘，得Y(w,ω),w＝2,3,…,64。

h.根据公式(11)求得Y(w,ω)的8192点IFFT，得s_w(n)的脉冲压缩结果。

i.将第2至64个重复周期雷达回波信号的脉冲压缩结果，赋给脉冲压缩矩阵S₁的第2至64行，得到所有64个重复周期的脉冲压缩结果。

6)按公式(12)将矩阵S₁的第1到5000列分别做FFT得到一个新的64×5000的矩阵MTD，用S₁(m,n)表示矩阵S₁的第m行第n列的元素，MTD(u,n)表示矩阵MTD的第u行第n列的元素。

7)对矩阵MTD的每一列按冒泡排序法求出最大幅值，得到最大幅值处的行数L＝54。再比较这5000个最大值得到一个最大值和这个最大值所在的列Row＝41。

8)将L、M、f_r＝1/T_r＝4KHz代入公式(10)得f₀＝3312.5Hz，再由公式(11)，(12)可得f₁＝3250Hz，f₂＝3375Hz。

9)按照步骤七对S₁的第1001列做Chirp_z变换，细化点数M1＝64，得到长度为64的序列X(z_k)。

10)按照冒泡排序法，得x(z_k)的最大值Y_r＝63.30。

11)选择直径为20mm的金属球，其RCS值σ₀为1.32×10^-3m²。在微波暗室中，将雷达的发射机与一个-60dB的功率衰减器连接对金属球进行测试，测得标准金属圆球与雷达的距离5.15m，接收机电压值Y₀＝832.70。

12)待测动目标的一个RCS测量值为σ＝35.00m²

13)重复步骤一至步骤十二10次，得到待测动目标的RCS测量值如下表1所示：

表1待测动目标的RCS测量值

次数	1	2	3	4	5
						RCS值	35.00	35.02	35.00	34.99	35.00
次数	6	7	8	9	10
						RCS值	34.98	35.00	35.08	35.00	35.01

求得待测动目标的RCS值为

Claims (1)

1.一种用于动目标雷达截面积测量的距离与多普勒匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.雷达向待测动目标发射脉冲重复周期为T_r的线性调频脉冲信号s(t)，s(t)表示为如下公式1：

其中p(t)为如下公式2：

公式1和公式2中，T_p为脉冲宽度，K为调频率，f_c为载波频率，m表示为第m个脉冲，为矩形窗函数，定义为如下公式3：

b.雷达接收经待测动目标反射后的雷达回波信号，经下变频、滤波处理后，得到雷达基带回波信号S_r(t)，S_r(t)表示为如下公式4：

公式4中，A_σ为包含动目标RCS的回波信号电平，c为光速，R为待测动目标到雷达的瞬时距离；

c.对雷达基带回波信号S_r(t)进行采样，采样率为f_s≥1/B，其中B为发射信号带宽，且B＝K·T_p，获得N点雷达基带回波信号序列s(n)，其中N为单个脉冲重复周期内的采样点数，即其中，表示为向下取整；

d.根据发射信号的脉冲宽度T_p，信号采样率f_s，计算出雷达发射脉冲信号的采样点数

e.连续采集M个重复周期的雷达回波信号，构成M×N的雷达基带回波信号矩阵S，对回波信号矩阵S通过带时移的匹配滤波器进行脉冲压缩处理，具体方法包括以下步骤：

e1.根据如下公式5设计匹配滤波器的参考函数，得到k组点数均为N₁的参考函数h_i(n)；

其中k为时移组数；

e2.对第一个雷达基带回波信号序列s₁(n)和k组参考函数h_i(k,n)作n_fft点的FFT变换，n_fft≥N,n_fft＝2^l且l为使得N+N₁和2^l之间差值的最小值；信号FFT如下公式(6)所示：

参考函数FFT如下公式(7)所示：

e3.将S₁(ω)分别与H_i(ω)相乘，得Y_i(ω)＝S₁(ω)H_i(ω),i＝1,2,…,k；

e4.根据如下公式(8)求得Y_i(ω)的n_fft点IFFT，得s₁(n)带时移的脉冲压缩结果；

e5.利用冒泡法分别求得这k个序列幅度值中每列的最大值，再次比较这些最大值，选取最大值所在的序列作为第一个重复周期雷达回波信号的脉冲压缩结果，赋给脉冲压缩矩阵S₁的第一行，同时记录该结果所对应的时移组k_T；

e6.根据最大值所对应的距离单元n_max和时移组k_T，由如下公式(9)计算出待测动目标离雷达的精确距离R_r：

e7.对第2至M个雷达基带回波信号序列s_w(n)，w∈[2,3,…,M]作n_fft点的FFT变换，信号FFT如下公式(10)所示：

e8.将S_w(ω)分别与第k_T组参考函数的频域响应相乘，得

e9.根据如下公式(11)求得Y(w,ω)的n_fft点IFFT，得s_w(n)的脉冲压缩结果：

e10.将第2至M个重复周期雷达回波信号的脉冲压缩结果，赋给脉冲压缩矩阵S₁的第2至M行，得到所有M个重复周期的脉冲压缩结果；

f.将矩阵S₁的第1到N列分别做FFT得到一个新的M×N的矩阵MTD，用S₁(m,n)表示矩阵S₁的第m行第n列的元素，MTD(u,n)表示矩阵MTD的第u行第n列的元素，FFT如下公式(12)所示：

g.对矩阵MTD的每一列按冒泡排序法求出最大幅值和最大幅值处的行数记为L，再比较这N个最大值得到一个最大值和这个最大值所在的列Row；

h.由如下公式(13)求出回波中频(f₀)的粗略值：

由如下公式(14)计算出Chirp_z变换的初始频点f₁：

由如下公式(15)计算出Chirp_z变换的结束频点f₂：

其中,f_r为脉冲重复频率，f_r＝1/T_r；

g.对S₁的第n_max列做Chirp_z变换，得到一个M1的序列，其中M1为细化的点数；变换的方法包括以下步骤：

g1.选择一个最小的整数L1，使其满足L1≥M+M1-1，同时满足L1＝2^m1，m1为任意正整数；

g2.将长度为M的序列补0或者任意值，使序列长度变为L1，并利用FFT法求此序列的L1点离散傅里叶变换DFT，

其中：A₀表示起始取样点的半径长度，通常A₀≤1；

θ₀表示起始取样点Z₀的相角，θ₀＝2πf₁/f_s；

表示两相邻点之间的等分角

g3.根据如下公式(16)求h(n)：

用FFT法求h(n)的L1点DFT,

g4.将H(r)和G(r)相乘，得Q(r)＝H(r)G(r)，Q(r)为L1点频域离散序列；

g5.用FFT法求Q(r)的L1点IDFT，得h(n)和g(n)的圆周卷积q(n)，如下公式17所示：

公式17中，前M1个值等于h(n)和g(n)的线性卷积结果[h(n)*g(n)]；

g6.采用如下公式18求x(z_k)：

h.用冒泡排序法求x(z_k)幅值的最大值Y_r；

l.在微波暗室中，依据步骤二至十一的方法测量标准的金属圆球的接收机幅度值Y₀以及标准金属圆球与雷达的距离R₀，此时标准金属球的RCS值σ₀已知。为降低雷达发射机和接收机功率，该测试可在发射机上增加一个衰减器以降低雷达的辐射功率；

j.根据公式(19)求得待测动目标的一个RCS测量值。

k.复步骤a至步骤jK次，得到待测动目标的K个RCS测量值σ_k，k∈[1,2,…,K]，求取平均RCS测量值作为待测动目标的RCS值。