CN108398676B - 一种外辐射源雷达微弱运动目标探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于外辐射源雷达对微弱动目标探测技术领域，具体说是一种外辐射源雷达微弱运动目标探测方法。主要包括：限定目标的多普勒频率范围，计算出时延变化率的搜索范围；对参考信号和回波信号进行分段处理得到参考信号矩阵和回波信号矩阵；将回波信号矩阵通过傅里叶变换变换到快时间频域，根据时延变化率构造频移矩阵对参考信号矩阵进行频移处理再变换到快时间频域，将回波信号矩阵和参考信号矩阵共轭相乘得到信号频域相参矩阵；根据相同的时延变化率参数构造相位补偿矩阵与信号频域相参矩阵相乘，并沿着慢时间维累加，再沿着快时间做逆傅里叶变换。仿真结果表明本发明能够对低信噪比SNR＝‑50dB的动目标进行正确检测，对实际工程实现具有重要的参考价值。

Description

一种外辐射源雷达微弱运动目标探测方法

技术领域

本发明属于外辐射源雷达对微弱动目标探测技术领域，针对微弱运动目标长时间积累提出一种基于脉内补偿和频域相位补偿目标探测方法。

背景技术

在外辐射源雷达信号处理中，通常采用空间中的民用电磁波信号作为外辐射源，例如卫星信号、数字电视信号、数字音频广播信号、3G/4G信号、调频广播信号等，与主动雷达信号形式不同，外辐射源雷达利用的信号通常为连续波。因为民用信号的发射功率受到限制，因此通过增加观测时间并采用积累技术来增大接收回波信号的能量是一种行之有效的提高外辐射源雷达探测威力的方法，该方法的基本思想是利用时间换取能量，能够极大地提高雷达的探测灵敏度。但是随着积累时间的增加，目标的运动将跨越多个距离单元，导致能量分散、降低相参积累增益，对于较大带宽的信号，其较高的距离分辨率更容易收到距离徙动的影响。因此，研究外辐射源雷达微弱运动目标相参积累徙动补偿发放成为提高微弱目标探测能力的关键问题。

双基外辐射源雷达系统几何结构如图1所示，外辐射信号源位置位于T_x，接收站位置位于R_x，L为信号源与接收站的基线距离。假设初始时刻目标位于位置O点，以速度v作匀速直线运动，经过时间t到达位置O'点。α为双基角，β表示目标运动方向与双基角平分线的夹角。根据余弦定理，在t时刻有

得到目标回波信号传播路径长度为：

R(t)＝R_T(t)+R_R(t)

目标回波相对于直达波的时延τ可以表示为：

对上式在t＝0处进行泰勒级数展开，忽略二次及二次以上高阶项，得到：

τ≈τ₀+a_τt

其中：

τ₀表示初始时延，为一常数值；a_τ为时延变化率，表示由目标速度在信号传播方向上引起的时延变化。若外辐射源雷达系统源信号为：

式中，f_c为信号载频，u(t)表示基带信号，

表示信号初相。

目标做匀速直线运动时，目标回波基带信号表示为：

外辐射源雷达利用目标回波信号和直达波信号的相关性，通过计算模糊函数实现目标回波信号的相参积累：

由于长时间积累下运动目标产生距离徙动，使得相参积累能量沿着距离向扩散，严重影响了相参积累增益，并且目标的运动速度越快，积累能量沿距离向扩散越严重，使得外辐射源雷达基于传统的动目标检测方法难以有效探测出微弱动目标。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种基于脉内补偿和频域相位补偿的方法，实现外辐射源雷达长时间积累下对微弱运动目标的有效探测。

本发明所采用的技术方案为：

S1、对监视天线接收到的直达波信号混频到基带得到参考信号s_r(t)，对主天线接收到的回波信号混频到基带得到s_e(t)；

S2、对参考信号进行分段处理：

m＝1,2,…,N_seg,

其中，s_r(n)为s_r(t)的离散表达形式，直达波数据被均分为N_seg段，每段数据长度为L_seg，对每段数据尾部添加长度为T_dmax的0，m表示慢时间，

表示快时间，需满足

其中f_s为采样率，B为信号带宽，c为光速，v_dmax为目标最大径向运动速度。参考信号分段方法如图2所示；

S3、对回波数据进行分段处理，参数设置同步骤S2：

m＝1,2,…,N_seg,

其中，s_e(n)为s_e(t)的离散表达形式，回波数据被均分为N_seg段，每段数据长度为L_seg，对每段数据尾部添加长度为T_dmax的回波数据，令L_T＝L_seg+T_dmax为添加后的段长，m表示慢时间，

表示快时间。进行分段后参考信号和回波信号的等效脉冲重复频率为PRF＝f_s/L_seg。回波信号分段方法如图3所示；

S4、对回波信号矩阵沿快时间维进行傅里叶变换。变换后回波信号：

其中，

表示快时间频率；f_d＝-a_τf_c表示目标回波的多普勒频率；T_r＝f_s/L_seg表示等效脉冲重复周期；

S5、根据实际场景设定目标多普勒频率范围为f_d∈[f_dmin,f_dmax]，并满足条件|f_dmin|<PRF/2且|f_dmax|<PRF/2。根据式a_τ＝-f_d/f_c由目标多普勒频率搜索范围计算出时延变化率搜索范围为a_τ∈[a_τmin,a_τmax]，搜索间隔△a_τ＝-1/(f_cT)，搜索维数为K；

S6、根据时延变化率a_τ构造相位补偿项：

a_τ＝a_τmin+(k-1)△a_τ,k＝1,…,K

m＝1,2,…,N_seg

S7、根据S6中时延变化率构造指数项向量：

H_r表示沿快时间向量，△t表示快时间采样间隔。将H_r扩充成L_T×N_seg的频移矩阵，得到

将参考信号矩阵

与频移矩阵

相乘，并沿快时间做傅里叶变换，得到频移后的参考信号矩阵：

其中F{·}表示傅里叶变换。

通常的做法是忽略掉等效脉冲内的相位变化，即直接对参考信号快时间-慢时间矩阵直接沿快时间做傅里叶变换，针对存在多普勒频移的运动目标，这种做法将会造成“失配”，参考信号和回波信号不能完全相参，造成积累增益的损失。而通过本步骤的脉内补偿处理能够有效地避免上述问题；

S8、计算下式

计算[·]内式子实现目标回波信号和频移后的参考信号的频域相参，其结果再与相位补偿项相乘，通过上式实现了目标回波距离徙动的校正，当时延变化率a_τ与目标实际的时延变化率相同时，目标回波将会在对应的单元上实现能量聚焦。此时T_RFT是一个L_T×T维的快时间频率-时延变化率矩阵；

S9、对T_RFT再沿着快时间频率做逆傅里叶变换：

此时Z为时延-时延变化率矩阵；

S10、对Z进行CFAR检测，若Z(i,j)＞μ(1≤i≤T_dmax,1≤j≤K)则判为该位置存在目标，估计出该位置对应的时延变化率的估计值

和时延

根据

计算估计出的目标真实多普勒频率；否则判为该位置不存在目标，μ为该位置对应的CFAR门限；

本发明的有益效果为，通过等效频域脉冲压缩，与传统的时频二维搜索的模糊函数的方法相比，不再需要对距离向的时延进行搜索，极大减少了搜索量；一般的频域脉冲压缩方法，近似地忽略掉回波信号等效脉冲内的相位变化，即多普勒频率在脉内带来的相位变化，这样回波信号矩阵再与参考信号矩阵进行共轭相乘时，不可避免地会发生“失配”，脉内的信号不能完全匹配，这样会带来积累增益损失，目标多普勒频率越大，失配现象越严重，本方法通过在对时延变化率进行搜索的同时通过构造相应的频移矩阵对参考信号矩阵进行处理，实现了脉内信号的完全匹配；通过构造相位补偿项，解决了快时间频率和慢时间的耦合，使目标的距离徙动效应得到了校正，相比传统的模糊函数方法目标回波的能量聚焦性更好，极大提高了系统的探测性能。

附图说明

图1为双基雷达模型；

图2为参考信号分段方法示意图；

图3为回波信号分段方法示意图；

图4为本发明流程图；

图5为基于模糊函数的传统动目标探测方法相参积累效果图；

图6为基于本发明的相参积累效果图；

图7为基于本发明的相参积累效果图谱峰距离向截面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。

实施例

本实施例在接收目标信号信噪比SNR＝-50dB时对目标进行检测。

实施例的方法如附图4所示，双基外辐射源雷达系统如附图1所示由一个主天线和一个监视天线组成，监视天线接收信号源直达波，主天线指向目标所在空域接收目标回波。

考虑信号源使用卫星电视信号(DVB-S信号)，符号率Rs＝27.5MHz，基带信号带宽B≈36MHz，载频f_c＝12GHz，接收机采样率f_s＝55MHz，积累时间为T＝100ms。该系统探测距离[0km,50km]范围内的目标。

假设目标距离接收站约d_act＝30km，相应回波时延约为τ₀＝100μs，目标以v＝200m/s速度在距地面H＝5km高空中匀速水平向接收站飞行，双基角α＝77°，目标对应时延变化率约为a_τ＝-1×10^-6，实际多普勒频率约为f_d＝-a_τf_c＝12kHz，主天线接收到目标回波信号信噪比SNR＝-50dB。

实施例的检测方法包括以下步骤：

(一)对监视天线接收到的DVB-S单转发器直达波信号混频到基带得到参考信号s_r(t)，对主天线接收到的回波信号混频到基带得到s_e(t)。

(二)根据探测距离计算

取T_dmax＝10000，取初始段长L_seg＝2000，对基带参考信号进行分段处理：

m＝1,2,…,N_seg,

其中，s_r(n)为s_r(t)的离散表达形式，直达波数据被均分为N_seg＝2750段，每段数据长度为L_seg＝2000，对每段数据尾部添加长度为T_dmax＝10000的0。

(三)对回波数据进行分段处理，参数设置同步骤(二)：

m＝1,2,…,N_seg,

其中，s_e(n)为s_e(t)的离散表达形式，回波数据被均分为N_seg＝2750段，每段数据长度为L_seg＝2000，对每段数据尾部添加长度为T_dmax＝10000的回波数据，令L_T＝L_seg+T_dmax＝12000为添加后的段长，m表示慢时间，

表示快时间。进行分段后参考信号和回波信号的等效脉冲重复频率为PRF＝f_s/L_seg＝25.7kHz。

(四)对回波信号矩阵沿快时间维进行傅里叶变换。变换后得到新的快时间频率-慢时间回波信号矩阵：

其中，

表示快时间频率。

(五)若仅关注接近飞行的目标，根据实际场景设定目标多普勒频率范围为f_d∈[0,13.2kHz]。根据式a_τ＝-f_d/f_c由目标多普勒频率搜索范围计算出时延变化率搜索范围为a_τ∈[-1.1×10^-6,0]，搜索间隔△a_τ＝8×10^-10，搜索维数为K＝1376。

(六)根据时延变化率a_τ构造相位补偿项：

a_τ＝a_τmin+(k-1)△a_τ,k＝1,…,K

m＝1,2,…,N_seg

(七)根据步骤(六)中时延变化率构造指数项向量：

H_r表示沿快时间向量，将H_r扩充成12000×2750的频移矩阵，得到：

将参考信号矩阵

与频移矩阵

相乘，并沿快时间做傅里叶变换，得到频移后的参考信号矩阵：

其中F{·}表示傅里叶变换。

(八)计算下式：

计算[·]内式子实现目标回波信号和频移后的参考信号的频域相参，其结果再与相位补偿项相乘，通过上式实现了目标回波距离徙动的校正，当时延变化率a_τ与目标实际的时延变化率相同时，目标回波将会在对应的单元上实现能量聚焦。此时T_RFT是一个12000×1376维的快时间频率-时延变化率矩阵。

(九)对T_RFT再沿着快时间频率做逆傅里叶变换：

此时Z为时延-时延变化率矩阵；

(十)对Z进行CFAR检测，若Z(i,j)＞μ(1≤i≤T_dmax,1≤j≤K)则判为该位置存在目标，估计出该位置对应的时延变化率的估计值

和时延

根据

计算估计出的目标真实多普勒频率；否则判为该位置不存在目标，μ为该位置对应的CFAR门限。

图5是基于模糊函数的传统动目标探测方法对实施例的仿真结果，结果可以看出利用该方法不能检测出目标。图6是基于本发明对实施例的仿真结果，结果明显看出距离-时延变化率平面上存在一谱峰，改谱峰对应着目标在平面上的位置，估计目标回波时延

时延变化率的估计值

于是估计出目标的多普勒频率

图7是该谱峰在距离向上的局面图，可以明显看出本发明能够有效地校正运动目标回波的距离徙动。本发明对动目标微弱信号有良好的检测性能。

Claims (1)

1.一种外辐射源雷达微弱运动目标探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对监视天线接收到的直达波信号混频到基带得到参考信号s_r(t)，对主天线接收到的回波信号混频到基带得到s_e(t)；

S2、对参考信号进行分段处理：

其中，s_r(n)为s_r(t)的离散表达形式，直达波信号被均分为N_seg段，每段数据长度为L_seg，对每段数据尾部添加长度为T_dmax的0，m表示慢时间，

表示快时间，需满足

其中，f_s为采样率，B为信号带宽，c为光速，v_dmax为目标最大径向运动速度；

S3、对回波信号进行分段处理，参数设置同步骤S2：

其中，s_e(n)为s_e(t)的离散表达形式，回波信号被均分为N_seg段，每段数据长度为L_seg，对每段数据尾部添加长度为T_dmax的回波信号，令L_T＝L_seg+T_dmax为添加后的段长，m表示慢时间，

表示快时间，进行分段后参考信号和回波信号的等效脉冲重复频率为PRF＝f_s/L_seg；

S4、对回波信号矩阵沿快时间维进行傅里叶变换，变换后回波信号：

其中，

表示快时间频率；f_d＝-a_τf_c表示目标回波的多普勒频率；T_r＝f_s/L_seg表示参考信号的等效脉冲重复周期；

S5、根据实际场景设定目标回波的多普勒频率范围为f_d∈[f_dmin,f_dmax]，并满足条件|f_dmin|<PRF/2且|f_dmax|<PRF/2；根据式a_τ＝-f_d/f_c由目标回波的多普勒频率搜索范围计算出时延变化率a_τ的搜索范围为a_τmin≤a_τ≤a_τmax，搜索间隔△a_τ＝-1/(f_cT)，搜索维数为K；

S6、根据时延变化率a_τ构造相位补偿项：

a_τ＝a_τmin+(k-1)△a_τ,k＝1,…,K

S7、根据S6中时延变化率构造指数项向量：

H_r表示沿快时间向量，△t表示快时间采样间隔；

将H_r扩充成L_T×N_seg的频移矩阵，得到：

将参考信号矩阵

与频移矩阵

相乘，并沿快时间做傅里叶变换，得到频移后的参考信号矩阵：

其中F{·}表示傅里叶变换；

S8、根据如下公式：

通过计算[·]内式子实现目标回波信号和频移后的参考信号的频域相参，其结果再与相位补偿项相乘，通过上式实现了目标回波距离徙动的校正，当时延变化率a_τ与目标实际的时延变化率相同时，目标回波将会在对应的单元上实现能量聚焦；此时T_RFT是一个L_T×T维的快时间频率-时延变化率矩阵；

S9、对T_RFT再沿着快时间频率做逆傅里叶变换：

此时Z为时延-时延变化率矩阵；

S10、对Z进行CFAR检测，若Z(i,j)＞μ(1≤i≤T_dmax,1≤j≤K)则判为待检测位置单元存在目标，估计出待检测位置单元对应的时延变化率的估计值

和时延

根据

计算估计出的目标真实多普勒频率；否则判为待检测位置单元不存在目标，μ为待检测位置单元对应的CFAR门限。

Images