CN108508436B - 一种对多普勒效应具有容忍性的距离像拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达成像技术领域，具体的说是一种对多普勒效应具有容忍性的距离像拼接方法。本发明提出了一种新的距离像拼接方法，针对采样点不一定能采集到回波峰值的问题，使用合理系数进行加权相加处理，极大地提高了信噪比。另外，根据目标回波能量的分布情况，找出幅值更大的距离信息进行距离像拼接。不仅使距离像峰值增大，且使得拼接序列的数据具有能量连续性。即使运动补偿后，由于速度估计误差等原因使回波仍受多普勒影响，本发明的有益效果为，不仅可以提取出完整的有效信息，去除冗余，且能在运动补偿误差造成的多普勒效应的影响下对距离像进行正确的拼接，得到完整的全景高分辨一维距离像。

Description

一种对多普勒效应具有容忍性的距离像拼接方法

技术领域

本发明属于雷达成像技术领域，具体的说是一种对多普勒效应具有容忍性的距离像拼接方法。

背景技术

雷达系统通过IFFT处理合成高分辨一维距离像，往往会引入距离失配冗余和过采样冗余。距离失配冗余使目标发生距离走动，导致测距精度下降。过采样冗余使得目标信息同时出现在多组IFFT细化结果中，形成虚假目标，加大了目标识别的难度。若将多组IFFT细化结果直接进行简单续接，难以实现对目标的检测和跟踪。现已存在多种距离像信息提取算法，如舍弃法，同距离取大法等对有效信息进行提取。但是这些距离像拼接算法都是建立在静止目标，或运动补偿后近似静止目标的基础上才有效；另外这些算法自身也存在缺陷。舍弃型拼接算法的缺点要提前了解雷达系统各个模块的延时信息，才能判断抽取的起始位置。若抽取的起始位置不合适则会导致信噪比降低，能量衰减，得到的高分辨一维距离像的幅值大大降低。一定程度上同距离取大法可以减小信噪比的损失，但增大了计算量，且易受噪声的影响，产生虚假目标。当今时代，运动目标的速度越来越大，运动补偿的难度也大大增加。因此，当运动补偿速度存在速度估计误差时，回波信号仍受多普勒效应的影响时，现有的距离像拼接算法易产生“目标分裂”，峰值下降等情况，对目标的识别与探测造成影响。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述问题，提出了一种具有更大的适用性的距离像拼接方法，该方法不仅能有效地提取目标信息，还对多普勒效应具有一定的容忍性。

本发明的技术方案为：

一种对多普勒效应具有容忍性的距离像拼接方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、雷达向目标发射调频步进信号脉冲串s(t)：

公式1中，B为调频信号的带宽，T为发射脉冲宽度，调频斜率为K＝B/T，T_r为脉冲重复周期，f₀为载频起始频率，Δf为频率步进值，N为总脉冲数，n脉冲序号，n＝0,1,2,…N-1，T_s为采样间隔，采样频率f_s＝1/T_s，c为光速；

为矩形信号：

b、以采样率f_s对每个目标回波脉冲进行采样，得到M个采样点。其每个采样点所包含的距离信息长度都是r_s，r_s＝c/(2f_s)。对回波信号做脉冲压缩，压缩后信号包络与sinc函数相似，脉宽为1/B，其代表的距离信息长度都是r_B，r_B＝c/(2B)。而对N个频率步进脉冲的同一个采样点做IFFT处理，得到M组IFFT处理结果。每一组IFFT处理结果所代表的距离范围则是r_τ，r_τ＝c/2Δf，r_τ称为一个不模糊距离单元。且IFFT处理得出的结果相当于将一个不模糊距离单元c/2Δf细化成N个相等的高分辨距离单元Δr，Δr＝c/2NΔf。IFFT细化结果的每个点都代表着一个高分辨单元的散射信息；

c、对N个频率步进脉冲的同一个采样点做IFFT处理，得到M组IFFT处理结果，每一组IFFT处理结果所代表的距离范围则是r_τ，r_τ＝c/2Δf，将r_τ定义为一个不模糊距离单元，且IFFT处理得出的结果相当于将一个不模糊距离单元c/2Δf细化成N个相等的高分辨距离单元Δr，Δr＝c/2NΔf；

d、从每组IFFT结果中提取该采样点所包含的长度为r_s的距离信息，具体方法为：

d1、脉冲压缩后信号包络近似sinc函数，若采样点正对应包络中心，则该采样点能采集到信号最大峰值；若包络中心位于两个采样点之间，则这两个采样点采样到的能量幅值由公式3决定：

Amp＝sinc(t*B)＝sinc(2ΔR/c*B)(公式3)

其中ΔR表示采样点与脉压信号包络中心的距离，ΔR越大，则该采样点的幅值越小；

为使距离像幅值最大化，预设一个固定的距离差，若采样点与包络中心的距离大于这个距离差，则通过加权系数q₁和q₂，对位于包络中心两端的两个采样点的幅值进行加权相加；

d2、从第m组IFFT结果X_m中取出代表mr_s到mr_s+ΔR段距离信息的数据，m＝1,2,…,M-1，将这些数据存入点迹提取数列Z(k)中：

d3、从第m组IFFT结果X_m与第(m+1)组IFFT结果X_m+1中分别取出代表从mr_s+ΔR到(m+1)r_s-ΔR段距离信息的数据，并对这些数据进行加权处理再存入点迹提取数列Z(k)，如公式5所示：

d4、从第(m+1)组IFFT结果X_m+1中取出代表从(m+1)r_s-ΔR到(m+1)r_s段距离信息的数据，将这些数据存入点迹提取数列Z(k)中，如公式6所示：

d5、令m的值加1，再依次重复步骤d2-d4，直到将所有IFFT结果全部处理完成，并将提取结果存入Z(k)，最后得到的序列Z(k)就是完整的一维距离像。

本发明的有益效果为：本发明提出了一种新的距离像拼接方法，不仅可以提取出完整的有效信息，去除冗余，且能在运动补偿误差造成的多普勒效应的影响下对距离像进行正确的拼接，得到完整的全景高分辨一维距离像。

具体实施方式

下面结合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

本例中，采用的参数为：

调频步进信号子脉冲宽度为T＝1us，带宽为B＝50MHz，采样频率为f_s＝60MHz，脉冲个数为N＝32，频率步进固定步长为Δf＝40MHz，光速c＝3e8，r_s＝2.5m，r_τ＝3.75m，Δr＝0.1172m。目标距离为R₀＝1000.5m＝400.2r_s，R₁＝1001.5m＝400.6r_s，R₃＝1002m＝400.8r_s。对N个目标回波进行采样和IFFT处理，可知目标回波能量主要分布在第400与第401个采样点上，且大部分集中于第401个采样点上。由于对每组IFFT结果的处理方法相同，下面仅详细叙述第400与401组IFFT结果的处理：

a将一个r_s分为10个小段，每段的长度为0.1r_s。当包络中心位于两采样点之间时，以Amp(i)表示采样点与包络中心间隔距离为i*0.1r_s(i＝0,1,2,…10)时，该采样点的相对幅度，目标距离可表示为R＝mr_s+i·0.1r_s

可以理解为目标位于两个相邻采样点之间，当目标与第k个采样点相距i*0.1r_s，则与第k+1个采样点相距(10-i)*0.1r_s。则脉冲压缩后第k个采样点相对幅度为Amp(i)，则脉冲压缩后第k+1个采样点相对幅度为Amp(10-i)，与目标更接近的脉压单元幅度更大。Amp(i)的计算结果如公式7所示：

Amp(i)＝sinc(t_i*B)＝(sinc(2*(i*0.1r_s)/c*B))

＝[1.000,0.9886,0.9549,0.9003,0.8270,0.7379,(公式7)

0.6366,0.5271,0.4135,0.3001，0.1910]；i＝0,1,2,…10

以0.9作为基准，幅值小于基准则需要进行加权相加处理。即对R∈(mr_s+0.3r_s～mr_s+0.7r_s)段距离信息拼接时，需将第m(m＝1,2,…,M-1)组IFFT结果X_m与第(m+1)(m＝1,2,…,M-1)组IFFT结果X_m+1提取相应数据加权。加权系数由公式8决定：

为简化计算，设置加权系数q₁和q₂为0.6871。

b第400个采样点包含的信息长度为r_s，其代表的距离范围是(399.5r_s～400.5r_s)。因此，可以从第400组IFFT结果X₄₀₀中对应取出距离范围R∈(400r_s～400.3r_s)的数据。由IFFT成像原理可知，距离信息与IFFT结果的对应关系为：l＝mod(R/Δr,N)。因此，R∈(400r_s～400.3r_s)段距离信息与X₄₀₀的对应数据可通过公式9进行求取：

l₁＝mod(400r_s/Δr,N)＝21；l₂＝mod(400.3r_s/Δr,N)＝27；(公式9)

因此，R∈(400r_s～400.3r_s)段距离范围应提取X₄₀₀的第21点至第27点数据用于距离像拼接,其中位于R₀＝400.2r_s的目标对应着X₄₀₀中第25点数据。

c第401个采样点包含的信息长度为r_s，其代表的距离范围是(400.5r_s～401.5r_s)。R∈(400.3r_s～400.7r_s)段距离范围受第400个采样点与第401个采样点的响应情况决定。可以从第400组IFFT结果X₄₀₀与第401组IFFT结果X₄₀₁中取出与距离范围R∈(400.3r_s～400.7r_s)相对应的数据，且两组数据中的对应点相同。则R∈(400.3r_s～400.7r_s)段距离信息的对应点可由公式10进行求取：

l₃＝mod(400.3r_s/Δr+1,N)＝28；l₄＝mod(400.7r_s/Δr,N)＝4；(公式10)

分别提取X₄₀₀与X₄₀₁中第28至第32点数据,再绕回数据首部，提取第1至第4点数据。

并通过公式11进行加权：

Z(k)＝0.6871*[X₄₀₀(j)+X₄₀₁(j)]；j＝28,…32,1…4(公式11)

其中位于R₁＝400.6r_s的目标对应第2点数据。将加权后的数据存放入距离像拼接序列。

d第401个采样点包含的信息长度为r_s，其代表的距离范围是(400.5r_s～401.5r_s)。因此，可以从第401组IFFT结果X₄₀₁中对应取出距离范围R∈(400.7r_s～401r_s)的数据。通过公式12进行求取：

l₅＝mod(400.7r_s/Δr+1,N)＝5；l₆＝mod(401r_s/Δr,N)＝10；(公式12)

因此，R∈(400.7r_s～401r_s)段距离范围应提取X₄₀₁的第5点至第10点数据用于距离像拼接。其中位于R₂＝400.8r_s的目标，对应X₄₀₁中第6点数据。将求取的数据存放入距离像拼接序列。

e依次重复步骤b,c,d，将所有IFFT结果进行处理，完成有效信息的提取与距离像拼接。

本发明充分考虑了目标回波的能量分布情况。针对采样点不一定能采集到回波峰值的问题，使用合理系数进行加权相加处理，极大地提高了信噪比。另外，根据目标回波能量的分布情况，找出幅值更大的距离信息进行距离像拼接。不仅使距离像峰值增大，且使得拼接序列的数据具有能量连续性。即使运动补偿后，由于速度估计误差等原因使回波仍受多普勒影响。单个不模糊距离窗高分辨成像发生距离像走动的情况，部分目标距离像在单个不模糊距离窗内发生“回绕”，使首尾两端皆出现目标。通过本技术进行距离像拼接，仍然能按照正确顺序将首尾两端的距离像续接在一起，而不会产生“目标分裂”等问题。充分说明了该技术对多普勒效应的容忍性。

Claims (2)

1.一种对多普勒效应具有容忍性的距离像拼接方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、雷达向目标发射调频步进信号脉冲串s(t)：

公式1中，B为调频信号的带宽，T为发射脉冲宽度，调频斜率为K＝B/T，T_r为脉冲重复周期，f₀为载频起始频率，Δf为频率步进值，N为总脉冲数，n脉冲序号，n＝0,1,2,…N-1，T_s为采样间隔，采样频率f_s＝1/T_s，c为光速；

为矩形信号：

b、对回波信号做脉冲压缩，压缩后信号包络与sinc函数相似，以采样率f_s对每个目标回波脉冲进行采样，得到M个采样点，每个采样点所包含的距离信息长度都是r_s，r_s＝c/(2f_s)；

c、对N个频率步进脉冲的同一个采样点做IFFT处理，得到M组IFFT处理结果，每一组IFFT处理结果所代表的距离范围则是r_τ，r_τ＝c/2Δf，将r_τ定义为一个不模糊距离单元，且IFFT处理得出的结果相当于将一个不模糊距离单元c/2Δf细化成N个相等的高分辨距离单元Δr，Δr＝c/2NΔf；

d、从每组IFFT结果中提取该采样点所包含的长度为r_s的距离信息，具体方法为：

d1、脉冲压缩后信号包络近似sinc函数，若采样点正对应包络中心，则该采样点能采集到信号最大峰值；若包络中心位于两个采样点之间，则这两个采样点采样到的能量幅值由公式3决定：

Amp＝sinc(t*B)＝sinc(2ΔR/c*B) (公式3)

其中ΔR表示采样点与脉压信号包络中心的距离，ΔR越大，则该采样点的幅值越小；

d2、从第m组IFFT结果X_m中取出代表mr_s到mr_s+ΔR段距离信息的数据，m＝1,2,…,M-1，将这些数据存入点迹提取数列Z(k)中：

d3、从第m组IFFT结果X_m与第(m+1)组IFFT结果X_m+1中分别取出代表从mr_s+ΔR到(m+1)r_s-ΔR段距离信息的数据，并对这些数据进行加权处理再存入点迹提取数列Z(k)，如公式5所示：

q₁和q₂是加权系数；

d4、从第(m+1)组IFFT结果X_m+1中取出代表从(m+1)r_s-ΔR到(m+1)r_s段距离信息的数据，将这些数据存入点迹提取数列Z(k)中，如公式6所示：

d5、令m的值加1，再依次重复步骤d2-d4，直到将所有IFFT结果全部处理完成，并将提取结果存入Z(k)，最后得到的序列Z(k)就是完整的一维距离像。

2.根据权利要求1所述的一种对多普勒效应具有容忍性的距离像拼接方法，其特征在于，所述步骤d1还包括：

为使距离像幅值最大化，预设一个固定的距离差，若采样点与包络中心的距离大于这个距离差，则通过加权系数q₁和q₂，对位于包络中心两端的两个采样点的幅值进行加权相加。