CN108693509B - 频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法，属于雷达信号处理和检测技术领域。其步骤包括：频控阵雷达回波解调和匹配滤波，构建接收阵元信号距离‑方位二维矢量；基于空间谱估计算法实现距离‑方位联合估计；基于稀疏分数阶傅里叶变换实现高分辨稀疏域多普勒提取，完成动目标空距频聚焦处理；构建空距频域检测单元图，进行动目标检测。本发明充分利用频控阵雷达在空间、距离和多普勒的灵活自由度和能量聚集性，在多维空间实现相参投影和空距频聚焦，是常规雷达信号处理的脉冲压缩、角度估计和多普勒滤波等多个级联处理环节的整合，积累增益和参数估计精度高，能够提高复杂环境下雷达动目标检测能力。

Description

频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理和检测技术领域，更具体地，本发明涉及一种频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法，可用于复杂环境下雷达微弱动目标检测处理。

背景技术

受复杂背景环境(陆地、城市、海洋等)及目标复杂运动特性的影响，目标雷达回波极其微弱、特性复杂，具有低可观测性，使得雷达对动目标的探测性能难以满足实际需求。复杂背景下低可观测动目标探测技术成为影响雷达性能的关键制约因素，也是世界性难题。因此，迫切需要研究新的雷达体制和雷达技术以适应复杂环境和目标带来的挑战，要求雷达能够提供灵活自由度、更高的参数估计能力以及自适应的工作模式。

相控阵雷达天线波束指向灵活，能够延长目标观测时间，提高速度分辨力，从而有利于积累目标能量和抑制杂波，在每一扫描快拍内，波束指向在距离向是恒定的，也就是说波束指向与距离是无关的。但是在某些应用中，例如距离相关性干扰或杂波抑制应用，常常又期望阵列波束在同一快拍内能够以相同的角度指向不同的距离，这就需要波束的指向能够随距离的变化而变化，即相控阵雷达不能区分统一角度不同距离的目标，即难以实现距离和方位的联合估计。

频率分集阵列(Frequency Diverse Array,FDA)雷达是一种新体制雷达，中文译为频控阵。频控阵雷达在天线阵列的不同阵元上采用不同的发射频率，产生了与距离相关的波束方向图。频控阵雷达不仅具有相控阵和多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)雷达的全部优点，而且能弥补相控阵雷达和MIMO雷达波束指向不具有距离依赖性的缺点，能够对目标的距离和方位角进行二维联合估计，在参数估计以及射频隐身等方面具有较大的应用潜力。然而，频控阵雷达信号处理和目标检测方面的研究多针对静止目标，对于运动目标，其多普勒出现时变特性，使得能量发散，如何充分利用频控阵雷达的空间、时间和频率资源，实现空间(方位)-距离(快时间)-频率(慢时间)聚焦处理，提高复杂环境下雷达运动目标的检测和估计性能，亟需深入研究。

发明内容

本发明的目的在于实现空(方位)-距(距离)-频(多普勒)的联合聚焦处理，改善信杂比，提高复杂背景下雷达动目标检测性能，提出一种频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法。其中要解决的技术问题包括：

(1)传统相控阵雷达信号处理维度有限，强杂波背景下的动目标检测性能差，时域中强杂波幅度高于动目标回波幅度，频域处理时杂波频谱位置与动目标频谱重叠，容易覆盖动目标，两者难以区分，导致检测性能下降；

(2)传统阵列雷达，如相控阵和MIMO雷达，其波束指向与距离无关，难以实现距离和方位的联合估计；

(3)对于非匀速运动目标，传统动目标检测(Moving Target Detection,MTD)方法处理得到的多普勒谱发散，运动目标能量积累增益低，也不利于参数估计。

本发明所述的频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法，包括以下步骤：

步骤一、频控阵雷达回波解调和匹配滤波，构建接收阵元信号距离-方位二维矢量；

步骤二、基于空间谱估计算法实现距离-方位联合估计；

步骤三、基于稀疏分数阶傅里叶变换实现高分辨稀疏域多普勒提取，完成动目标空距频聚焦处理；

步骤四、构建空距频域检测单元图，进行动目标检测。

对比现有技术，本技术方案所述的频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法，有益效果在于：

(1)该方法充分利用频控阵雷达在空间(方位)、距离和频率(多普勒)的灵活自由度和能量聚集性，提高复杂环境下雷达动目标检测能力；

(2)动目标经过空距频聚焦处理，在多维空间(距离-方位-多普勒)实现了相参投影，改善信噪比或信杂比，提高了抗噪声和杂波的能力；

(3)该方法采用高分辨稀疏时频表示方法，实现匀速和非匀速机动目标回波相参积累和高分辨多普勒提取，参数估计精度高。

附图说明

附图1是频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法的实施流程图。

附图2是频控阵雷达的发射阵列示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。参照附图1，本发明的处理流程分以下步骤：

(1)对接收端信号解调和匹配滤波，构建接收阵元信号距离-方位二维矢量

考虑M个发射阵元的均匀线阵，阵元间距为d，按照附图2所示的频控阵雷达的发射阵列示意图，则第m个阵元发射的信号为

其中，f_m＝f₀+Δf_m，Δf_m＝(m-1)Δf，f₀为载频，Δf为远小于雷达工作载频的频率增量，对于位于距离和方位(r_s,θ_s)的一点目标，则在接收端，第n个阵元接收到的第m个阵元发射的信号表示为，

y_m,n(r_s,θ_s)＝α(r_s,θ_s)exp(-j4πΔf_mr_s/c₀)exp(j2πmd/λsinθ_s)exp(j2πnd/λsinθ_s)

其中，α(r_s,θ_s)为目标散射系数，λ为信号波长，c₀为光速，则经过匹配滤波，全部接收阵元的信号写成矢量形式表示为，

式中，⊙和

分别表示Hadamard积和Kronecker积运算，

为发射阵列导向矢量，^T为转置运算，

为接收阵列导向矢量，

为距离维阵列导向矢量，令

则接收阵元信号距离-方位二维矢量表示为

(2)距离-方位解耦，基于空间谱估计算法距离-方位联合估计

考虑加性噪声n，独立同分布，并服从零均值方差为

的高斯分布，则对于任意位置(r_i,θ_i)，频控阵雷达接收阵元信号矢量y的协方差矩阵R_y表示为

式中，^H为共轭转置运算，目标与噪声相互独立，则协方差矩阵R_y改写为

式中，Λ为目标信号矩阵特征值构成的对角矩阵，

对应的特征向量构成信号子空间U_T，

对应的特征向量构成噪声子空间U_n，由于噪声与信号子空间正交，构造频控阵雷达谱函数

通过搜索谱峰值，确定目标的距离和方位(r_s,θ_s)。

(3)频控阵雷达动目标空距频聚焦处理

●空距频聚焦信号处理

将频控阵信号模型扩展至多普勒域，考虑发射L个脉冲，对于一运动目标，考虑目标多普勒，则频控阵雷达运动目标的信号模型表示为

其中，

为慢时间t_m下的多普勒导向矢量，定义空距频聚焦矢量

则

y_mov＝α(r_s,θ_s,f_d)k_mov(r_s,θ_s,f_d)+n

其中，f_d为多普勒频率，当目标径向运动速度为匀速v₀时，f_d＝2v₀/λ，当目标做机动，具有加速度a_s时，此时f_d＝2(v₀+a_st_m)/λ。

●高分辨稀疏域多普勒提取

为了准确提取和估计多普勒信息，同时为了克服对非匀速运动目标多普勒发散的影响，采用稀疏分数阶傅里叶变换实现高分辨的多普勒特征提取和估计，采用chirp基构造稀疏分解字典，设定搜索精度和范围，假设中心频率f_l的搜索范围为f_l∈[0,F]，搜索个数为L₁，中心频率分辨率为Δf＝F/L₁，调频率μ_m的搜索范围为μ_m∈[0,K]，搜索个数为L₂，调频率分辨率为Δμ＝K/L₂，则构造的过完备chirp字典为L₁×L₂的矩阵

式中，

l＝1,2,...,L₁；k＝1,2,...,L₂，f_l＝2v_l/λ，v_l为目标初速度分量，μ_k＝2a_k/λ，a_k为目标加速度分量。

对于信号的稀疏表示，集合g＝{g_j；j＝1,2,…,J}，其元素是张成整个Hilbert空间H＝R^P的单位矢量，并且J≥P，称集合g为原子库(字典)，集合中的元素为原子。对于任意信号y∈H可以展开为一组原子的线性组合，即对信号y做逼近

式中，j为原子个数，系数β_j的大小表示信号与原子的相似程度。

改写为慢时间-频率模型，在频控阵雷达回波信号的某个距离-方位单元(r_i,θ_i)处的慢时间维

处理，得到

式中，

为信号

的稀疏时频分布，g_j(t_m,f)为稀疏表示的原子，采用l₁范数最小化求解式(3)的信号稀疏表示问题。

式中，b为实数，ο为J×P的稀疏算子。式(3)松弛为不等约束，即

当ε＝0时，式(4)和式(5)具有相同的形式。当ο为分数阶傅里叶变换时，b为分数阶傅里叶变换域幅值，则稀疏分数阶傅里叶变换表示为

式中，

为稀疏分数阶傅里叶变换谱，α为旋转角，u为稀疏分数阶傅里叶变换域，(α,u)与信号中心频率f和调频率μ的关系为

采用式(2)所述的过完备chirp字典作为稀疏分数阶傅里叶变换的分解字典。

(4)遍历所有检测单元，进行动目标信号空距频域检测

构建空距频域检测单元图

作为检测统计量，与给定虚警概率下的检测门限进行比较，如果检测统计量低于检测门限，判决为没有动目标信号，继续处理后续的检测单元，若检测统计量高于检测门限，则判决为存在动目标信号，并记录空距频域的最大峰值坐标，

式中，η为检测门限，峰值位置(α₀,u₀)对应动目标回波信号的中心频率和调频率(f₀,μ_s)＝(u₀cscα₀,-cotα₀)。

(5)目标运动参数估计

根据动目标所在的空距频域的峰值坐标估计目标的运动参数，即初速度估计值

加速度估计值

则根据式(1)和式(6)完成动目标距离、方位和速度的高分辨估计，实现对匀速或匀加速机动目标的空距频聚焦处理。

Claims (5)

1.频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、频控阵雷达回波解调和匹配滤波，构建接收阵元信号距离-方位二维矢量，对于M个发射阵元的均匀线阵，第m个阵元发射的信号为

其中，f_m＝f₀+Δf_m，Δf_m＝(m-1)Δf，f₀为载频，Δf为远小于雷达工作载频的频率增量，对于位于距离和方位(r_s,θ_s)的一点目标，全部接收阵元的信号写成矢量形式表示为，

式中，α(r_s,θ_s)为目标散射系数，⊙和

分别表示Hadamard积和Kronecker积运算，

为发射阵列导向矢量，T为转置运算，c₀为光速，阵元间距为d，

为接收阵列导向矢量，

为距离维阵列导向矢量，令

则接收阵元信号距离-方位二维矢量表示为

步骤二、基于空间谱估计算法实现距离-方位联合估计；

步骤三、基于稀疏分数阶傅里叶变换实现高分辨稀疏域多普勒提取，完成动目标空距频聚焦处理，考虑发射L个脉冲，频控阵雷达运动目标的信号模型表示为

其中，

为慢时间t_m下的多普勒导向矢量，f_d为多普勒频率，n为高斯白噪声，定义空距频聚焦矢量

则

y_mov＝α(r_s,θ_s,f_d)κ_mov(r_s,θ_s,f_d)+n

当目标径向运动速度为匀速v₀时，f_d＝2v₀/λ，λ为信号波长，当目标做机动，具有加速度a_s时，此时f_d＝2(v₀+a_st_m)/λ，t_m为慢时间；

步骤四、构建空距频域检测单元图，进行动目标检测。

2.根据权利要求1所述的频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法，其特征在于，步骤二具体为：

考虑加性噪声，独立同分布，并服从零均值方差为

的高斯分布，则对于某个距离-方位单元(r_i,θ_i)，频控阵雷达接收阵元信号矢量y的协方差矩阵R_y表示为

式中，H为共轭转置运算，目标与噪声相互独立，则协方差矩阵R_y改写为

式中，Λ为目标信号矩阵特征值构成的对角矩阵，

对应的特征向量构成信号子空间U_T，

对应的特征向量构成噪声子空间U_n，由于噪声与信号子空间正交，构造频控阵雷达谱函数

通过搜索谱峰值，确定目标的距离和方位(r_s,θ_s)。

3.根据权利要求2所述的频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法，其特征在于，步骤三所述的高分辨稀疏域多普勒提取方法为：

在频控阵雷达回波信号的某个距离-方位单元(r_i,θ_i)处的慢时间维

处理，得到

式中，j为原子个数，系数β_j(t_m)的大小表示信号与原子的相似程度，

为信号

的稀疏时频分布，g_j(t_m,f)为稀疏表示的原子，采用l₁范数最小化求解式(2)的信号稀疏表示问题，

式中，b为实数，ο为稀疏算子，式(3)松弛为不等约束，即

当ε＝0时，式(3)和式(4)具有相同的形式，当ο为分数阶傅里叶变换时，b为分数阶傅里叶变换域幅值，则稀疏分数阶傅里叶变换表示为

式中，

为稀疏分数阶傅里叶变换谱，α为旋转角，u为稀疏分数阶傅里叶变换域，(α,u)与信号中心频率f′和调频率μ的关系为

采用过完备chirp字典作为稀疏分数阶傅里叶变换的分解字典，

式中，

v_l为目标初速度分量，μ_k＝2a_k/λ，a_k为目标加速度分量，f′_l的搜索范围为f′_l∈[0,F]，搜索个数为L₁，频率分辨率为Δf′＝F/L₁，μ_k的搜索范围为μ_k∈[0,K]，搜索个数为L₂，分辨率为Δμ＝K/L₂。

4.根据权利要求3所述的频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法，其特征在于，步骤四具体为：

构建空距频域检测单元图

作为检测统计量，与给定虚警概率下的检测门限进行比较，如果检测统计量低于检测门限，判决为没有动目标信号，继续处理后续的检测单元，若检测统计量高于检测门限，则判决为存在动目标信号，并记录空距频域的最大峰值坐标，

式中，η为检测门限，峰值位置(α₀,u₀)对应动目标回波信号的中心频率和调频率(f′₀,μ_s)＝(u₀cscα₀,-cotα₀)。

5.据权利要求4所述的频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法，其特征在于，在进行动目标检测后，还进行目标运动参数估计，其方法具体为：根据动目标所在的空距频域的峰值坐标估计目标的运动参数，即初速度估计值

加速度估计值

式(1)和式(5)完成动目标距离、方位和速度的高分辨估计，实现对匀速或匀加速机动目标的空距频聚焦处理。

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