CN108549066B - 一种基于尺度rft的宽带雷达高速目标积累检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于尺度RFT的宽带雷达高速目标积累检测方法，属于雷达技术领域。本发明针对宽带雷达检测高速目标时出现的尺度效应与距离走动问题，通过二维参数搜索有效地解决上述问题，消除了宽带雷达检测高速目标时会出现的尺度效应和距离走动效应，从而提高回波信噪比，在低信噪比情况下实现目标能量的相参积累，进而提高宽带雷达对高速目标的检测性能；本发明所有流程均可利用快速傅里叶变换实现，利于工程实现。

Description

一种基于尺度RFT的宽带雷达高速目标积累检测方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种基于尺度RFT的宽带雷达高速目标积累检测方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的飞速发展，超高声速飞行器开始大量出现，如何有效且准确地实现对高速目标的检测成为了雷达信号处理领域的难题。大多数传统的相参积累检测方法都只适用于窄带雷达。在窄带条件下，可以利用近似关系忽略目标脉内时间运动以及带宽引起的近似误差。然而，随着高分辨与远距离探测需求的增长，在实际情况中，高功率的宽带雷达往往会得到更广泛的应用。对于宽带雷达系统，为了保证高分辨与远距离探测的性能，除了大的信号带宽外，脉冲持续时间也将大大提高。也就是说，在宽带雷达系统检测时目标脉内时间运动将无法忽略。而此时，传统窄带雷达中忽略的近似误差将无法被忽略，尺度效应也将出现在回波信号中。除尺度效应外，高速目标在长时间积累过程中还会出现传统的能量分散在不同距离单元中的问题，也就是距离走动。尺度效应和距离走动均需要在宽带雷达积累检测之前予以消除。

到目前为止，大多数关于高速目标相参检测的研究都集中于窄带雷达，如目标检测(MTD)、Radon傅里叶变换(RFT)、Keystone变换(KT)、坐标轴旋转-动目标检测(AR-MTD)以及改进位置旋转变换(MLRT)。具体来说，MTD利用多普勒滤波器组实现相参积累但是无法消除距离走动以及尺度效应。RFT由许稼等人提出，它能够通过二维联合搜索实现距离走动的校正与能量的相参积累。KT是在没有先验信息目标速度的情况下校正距离走动并实现能量积累。AR-MTD和MLRT则是先通过旋转搬移回波数据位置来校正距离走动，再利用MTD积累目标能量。上述四种算法在宽带雷达中尺度效应出现时，其相参积累效果将大大降低，检测性能会显著变差。因此，在检测高速目标时，传统方法在宽带雷达中将不再适用。因此亟需找到能够在宽带雷达中有效实现积累检测的相参检测方法。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于尺度RFT的宽带雷达高速目标积累检测方法，消除了宽带雷达检测高速目标时会出现的尺度效应和距离走动效应，在低信噪比情况下实现目标能量的相参积累。

一种基于尺度RFT的宽带雷达高速目标积累检测方法，包括以下步骤：

步骤1，宽带雷达发射线性调频信号，接收返回到雷达的回波信号；

步骤2，设置运动参数搜索范围，构造尺度效应匹配滤波补偿方程和相位补偿方程；

步骤3，将构造的补偿方程代入尺度RFT算法公式，并在速度-距离参数域进行二维联合搜索，连续进行脉冲压缩和相参积累，得到目标能量的相参积累结果；

步骤4，根据所述相参积累结果对目标进行检测，当积累峰值高于门限值时检测到目标。

进一步地，所述步骤1包括以下流程：

宽带雷达发射线性调频信号

其中，

为快时间，t_m为慢时间；

目标与宽带雷达的距离为

其中，r₀为雷达与目标的初始距离，v为目标速度；

接收到的时域信号为

对

做快时间快速傅里叶变换，得到频域回波信号S_r(f,t_m)，其中，f为与快时间

对应的频率变量。

进一步地，所述步骤2包括以下流程：

步骤2-1，构造尺度效应匹配滤波方程；

尺度因子为

其中，c为光速，构造尺度效应匹配滤波以消除尺度效应，尺度效应匹配滤波的频域表达式为

其中，

为单位虚数；

为尺度因子搜索值；

v′为速度搜索值，其搜索范围为[v′_min,v′_max]；f_c为雷达载频；exp(·)为以自然对数e为底的指数函数；rect(·)为矩形窗函数；γ为调频率；

步骤2-2，构造相位补偿方程；

构造相位补偿方程以校正距离走动，其表达式为

进一步地，所述步骤3包括以下流程：

将构造的两个补偿方程代入尺度RFT算法公式，并在速度-距离维进行二维联合搜索，搜索距离为r′，其搜索范围为[r′_min,r′_max]；设定搜索速度v′和距离r′的搜索步长分别为Δv和Δr，在搜索范围内以搜索步长为间隔遍历每个速度-距离的组合，将所有速度-距离组合都代入尺度RFT算法公式，得到目标能量的相参积累结果；尺度RFT算法公式为

其中

其中，

为对变量f求逆快速傅里叶变换。

本发明的有益效果：本发明提供了一种基于尺度RFT的宽带雷达高速目标积累检测方法，针对宽带雷达检测高速目标时出现的尺度效应与距离走动问题，通过二维参数搜索有效地解决上述问题，消除了宽带雷达检测高速目标时会出现的尺度效应和距离走动效应，从而提高回波信噪比，在低信噪比情况下实现目标能量的相参积累，进而提高宽带雷达对高速目标的检测性能；本发明所有流程均可利用快速傅里叶变换实现，利于工程实现。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

图2为本发明实施例中尺度RFT相参积累结果图。

图3为RFT相参积累结果图。

图4为MLRT相参积累结果图。

图5为MTD相参积累结果图。

具体实施方式

本发明主要利用科学计算软件Matlab R2014a进行仿真实验以验证其正确性。下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

请参阅图1，本发明提出的一种基于尺度RFT的宽带雷达高速目标积累检测方法，具体通过以下步骤实现：

步骤1，宽带雷达发射线性调频信号，接收返回到雷达的回波信号。

本实施例中，宽带雷达发射线性调频信号

其中，

为快时间，t_m为慢时间。在雷达领域，一个脉冲从发射到接收所用的时间被称为快时间，也用来表示目标距离；慢时间表示多个脉冲所需的时间。

目标与宽带雷达的距离为

其中，r₀为雷达与目标的初始距离，v为目标速度。接收到的时域信号为

对

做快时间快速傅里叶变换(FFT)，得到频域回波信号S_r(f,t_m)，其中，f为与快时间

对应的频率变量。

本实施例中，采用的系统参数为：目标相对于雷达的初始距离为r₀＝300km，目标径向速度为v＝3400m/s，雷达发射信号载频为1.5GHz，信号带宽为200MHz，采样频率为400MHz，雷达的脉冲重复频率为500Hz，脉冲持续时间为2ms，一个相参积累时间内包含的脉冲数为256，脉压后的信噪比为6dB。

步骤2，设置运动参数搜索范围，构造尺度效应匹配滤波补偿方程和相位补偿方程。

本实施例中，步骤2通过以下流程实现：

步骤2-1，构造尺度效应匹配滤波方程；

由于脉内运动的影响，回波信号的尺度因子无法忽略，此时会出现尺度效应，尺度因子为

其中，c为光速。为此构造尺度效应匹配滤波以消除尺度效应，即消除尺度效应。尺度效应匹配滤波方程的频域表达式为

其中，

为单位虚数；

为尺度因子搜索值；

v′为速度搜索值，其搜索范围为[v′_min,v′_max]；f_c为雷达载频；exp(·)为以自然对数e为底的指数函数；rect(·)为矩形窗函数；γ为调频率；

步骤2-2，构造相位补偿方程；

构造相位补偿方程以校正距离走动，其表达式为

步骤3，将构造的补偿方程代入尺度RFT算法公式，并在速度-距离参数域进行二维联合搜索，连续进行脉冲压缩和相参积累，得到目标能量的相参积累结果。

本实施例中，构造两个补偿方程之后，将构造的两个补偿方程代入尺度RFT算法公式，并在速度-距离维进行二维联合搜索。搜索速度为v′，其搜索范围仍为[v′_min,v′_max]；搜索距离为r′，其搜索范围为[r′_min,r′_max]。设定搜索速度v′和距离r′的搜索步长分别为Δv和Δr，在搜索范围内以搜索步长为间隔遍历每个速度-距离的组合，将所有速度-距离组合都代入尺度RFT算法公式，得到目标能量的相参积累结果。尺度RFT的相参积累结果如图2所示，其峰值为531.3。尺度RFT算法公式为

其中

其中，

为对变量f求逆快速傅里叶变换。

需要注意的是，根据快时间与搜索距离的关系可知：

因此，

与

等价，表示脉压后的回波信号。

步骤4，根据所述相参积累结果对目标进行检测，当积累峰值高于门限值时检测到目标。

本实施例中，将经过尺度RFT操作后的信号积累峰值与门限值相比，若高于门限值则表示检测到目标；否则表示未检测到目标。

为了说明本方法的有效性，图3、图4和图5示出了现有技术中的RFT、MLRT以及MTD算法的相参积累结果。由于尺度效应以及距离走动的影响，与本发明得到的相参积累结果相比，现有技术的积累峰值远低于尺度RFT的积累峰值，相参积累性能下降明显。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于尺度RFT的宽带雷达高速目标积累检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，宽带雷达发射线性调频信号，接收返回到雷达的回波信号；包括以下流程：

宽带雷达发射线性调频信号

其中，

为快时间，t_m为慢时间；

目标与宽带雷达的距离为

其中，r₀为雷达与目标的初始距离，v为目标速度；

接收到的时域信号为

对

做快时间快速傅里叶变换，得到频域回波信号S_r(f,t_m)，其中，f为与快时间

对应的频率变量；

步骤2，设置运动参数搜索范围，构造尺度效应匹配滤波补偿方程和相位补偿方程；包括以下流程：

步骤2-1，构造尺度效应匹配滤波补偿方程；

尺度因子为

其中，c为光速，构造尺度效应匹配滤波补偿方程以消除尺度效应，尺度效应匹配滤波补偿方程的频域表达式为

其中，

为单位虚数；

为尺度因子搜索值；

v′为速度搜索值，其搜索范围为[v′_min,v′_max]；f_c为雷达载频；exp()为以自然对数e为底的指数函数；rect()为矩形窗函数；γ为调频率；

步骤2-2，构造相位补偿方程；

构造相位补偿方程以校正距离走动，其表达式为

步骤3，将构造的补偿方程代入尺度RFT算法公式，并在速度-距离参数域进行二维联合搜索，连续进行脉冲压缩和相参积累，得到目标能量的相参积累结果；包括以下流程：

将构造的两个补偿方程代入尺度RFT算法公式，并在速度-距离维进行二维联合搜索，搜索距离为r′，其搜索范围为[r′_min,r′_max]；设定搜索速度v′和距离r′的搜索步长分别为Δv和Δr，在搜索范围内以搜索步长为间隔遍历每个速度-距离的组合，将所有速度-距离组合都代入尺度RFT算法公式，得到目标能量的相参积累结果；尺度RFT算法公式为

其中

其中，

为对变量f求逆快速傅里叶变换；

步骤4，根据所述相参积累结果对目标进行检测，当积累峰值高于门限值时检测到目标。

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