CN108919221A - 一种用于变加速运动目标的相参积累检测方法 - Google Patents

一种用于变加速运动目标的相参积累检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于变加速运动目标的相参积累检测方法。本发明方法通过雷达接收的目标回波信号以及参考信号计算距离维频域数据；将距离维频域数据沿慢时间维进行短时傅里叶变换；根据短时傅里叶变换获得数据构建补偿模型进行距离徙动补偿；通过三次相位函数估计目标加速度与目标加速度变化率；通过补偿模型计算得到三维回波信号，并利用目标加速度估计值和加速度变换率估计值对三维回波信号慢时间维的二次项和三次项进行徙动补偿；通过对全部徙动补偿后三维回波信号沿慢时间维进行快速傅里叶变换得到相参积累数据，将相参积累数据模值的平方与恒虚警检测预设门限比较判定目标是否存在。本发明能够有效提高雷达对变加速运动目标的检测性能。

Description

一种用于变加速运动目标的相参积累检测方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理领域，具体涉及一种用于变加速运动目标的相参积累检测方法。
背景技术
增加相参积累时间是提高雷达探测能力的一种较为常见的技术。然而，长时间相参积累技术只适用于目标回波未发生任何徙动的情形。当目标速度，加速度及加速度变化率较大时，长时间相参积累会使目标回波面临距离徙动和多普勒徙动，从而降低积累增益。因此，研究雷达目标徙动补偿方法成为提高变加速运动目标探测能力的关键问题。
一些典型的算法，如keystone变换和拉东-傅里叶变换可有效地补偿速度引起的距离徙动。拉东-分数阶傅里叶变换，拉东-吕氏分布、keystone变换-吕氏分布等方法能同时补偿距离徙动和加速度引起的多普勒徙动。但上述方法忽略了加速度变化率引起的多普勒徙动。对于高机动目标而言，其加速度很有可能是变化的，这种情况下，加速度变化率引起的多普勒徙动需要加以考虑。现有的广义拉东-傅里叶变换和keystone变换-广义去调频处理，虽然能够补偿加速度变化率引起的多普勒徙动，但因其均是多维搜素方法，故计算量太大而不利于实时化。Keystone变换-三次相位函数将keystone变换-广义去调频处理方法中的二维搜索转化为两次一维搜索，有效地减少了计算量，但其不适用于较低信噪比环境，且其忽略了同距离单元内多目标检测问题。当信噪比比较低或者多目标处于同一距离单元内时，keystone变换-三次相位函数可能会出现漏检，从而降低雷达对目标的检测概率。
发明内容
针对目标速度引起的距离徙动和目标加速度和加速度变化率引起的多普勒徙动问题，本发明提出了一种用于变加速运动目标的相参积累检测方法。
本发明的技术方案为一种用于变加速运动目标的相参积累检测方法，具体包含以下步骤：
步骤1：通过雷达接收目标回波信号以及参考信号，根据目标回波信号以及参考信号计算距离维频域数据；
步骤2：距离维频域数据沿慢时间维进行短时傅里叶变换；
步骤3：根据短时傅里叶变换获得数据构建补偿模型；
步骤4：通过三次相位函数估计目标加速度与目标加速度变化率；
步骤5：通过补偿模型快速傅里叶逆变换后获得的信号计算得到三维回波信号，并利用目标加速度估计值和加速度变换率估计值对三维回波信号慢时间维的二次项和三次项进行补偿；
步骤6：通过对全部徙动补偿后三维回波信号沿慢时间维进行快速傅里叶变换得到相参积累数据，将相参积累数据模值的平方与恒虚警检测预设门限比较判定目标是否存在。
作为优选，步骤1中所述距离维频域数据为：
其中，tf为快时间，tm为慢时间，f为距离维频率，echo(tf,tm)为步骤1中所述目标回波信号，ref(tf,tm)为步骤1中所述参考信号，为沿快时间tf快速傅里叶变换，为沿快时间tf复共轭变换，A1为步骤1后信号幅度，c为光速，fc为载波频率，R0为目标初始时刻距离，v0为目标初始速度，a0为目标初始加速度，g为目标加速度变换率；
作为优选，步骤2中所述距离维频域数据沿慢时间维进行短时傅里叶变换：
其中，f为距离维频率，fl为子慢时间维频率，fc为载波频率，tm为慢时间，tn为块慢时间，A2为短时傅里叶变换后信号幅度，ref(tf,tm)为步骤1中所述参考信号，为沿快时间tf快速傅里叶变换，r(f,tm)为距离维频域数据，STFT(·)为短时傅里叶变换，sinc(·)为辛格函数，，λ为雷达发射波的波长，R0为目标初始时刻距离，v0为目标初始速度，a0为目标初始加速度，g为目标加速度变换率；
作为优选，步骤3中所述补偿模型为：
其中，f为距离维频率，fl为子慢时间维频率，fc为载波频率，tm为慢时间，tn为块慢时间，A2为短时傅里叶变换后信号幅度，ref(tf,tm)为步骤1中所述参考信号，为沿快时间tf快速傅里叶变换，r(f,tm)为距离频域-慢时间数据，λ为雷达发射波的波长，R0为目标初始时刻距离，v0为目标初始速度，a0为目标初始加速度，g为目标加速度变换率，当时，目标速度引起的距离徙动被补偿；
作为优选，步骤4中所述通过三次相位函数估计目标加速度与目标加速度变化率为：
其中，rc1(tf,fl,tn)为补偿模型rc1(f,fl,tn)沿f快速傅里叶逆变换后获得的信号，tk＝kLTr，tm＝tl+tn，tl＝lTr,(l＝0,…,(L-1))，tn＝n(LTr)，(n＝0,…,(N-1))，M＝NL，Tr为等效脉冲重复间隔，L为子慢时间tl取样总点数，N为块慢时间tn取样总点数，M为总等效脉冲数，λ为雷达发射波的波长，fl为子慢时间维频率，Ω为瞬时频率变化率，v0为目标初始速度，a0为目标初始加速度，g为目标加速度变换率。
分别根据两个不同时刻n＝0，n＝round(0.11N)的三次相位函数CPF(tf,fl,n,Ω)峰值位置，Ω1为n＝0时刻瞬时频率变化率，Ω2为n＝round(0.11N)时刻瞬时频率变化率，可以反解出目标加速度和目标加速度变化率
其中，表示时延，表示粗多普勒频率；
作为优选，步骤5中所述三维回波信号计算过程为：
补偿模型快速傅里叶逆变换后获得的信号rc1(tf,fl,tn)沿fl进行快速傅里叶逆变换获得信号rc1(tf,tl,tn)，然后将tl和tn整合为tm，进而得到rc1(tf,tm)；
根据估计目标加速度和估计加速度变化率对信号rc1(tf,tm)慢时间维的二次项和三次项进行补偿：
其中，A3为多普勒徙动补偿后信号幅度。作为优选，步骤6中所述相参积累数据为：
其中，A4为傅里叶变换后信号幅度。
步骤6中所述恒虚警检测预设门限为β
将相参积累数据rc2(tf,fm)模值的平方与恒虚警检测预设门限β比较：
若|rc2(tf,fm)|2＞β则被判定为目标存在；
若|rc2(tf,fm)|2≤β则被判定目标不存在。
与现有技术相比，本发明有效提高了目标回波信噪比，从而提高雷达对变加速运动目标的检测性能。
附图说明
图1：本发明实现流程图；
图2：现有方法动目标检测在单目标且信噪比-48dB情况下的积累结果；
图3：现有方法keystone变换在单目标且信噪比-48dB情况下的积累结果；
图4：现有方法keystone变换-三次相位函数在单目标且信噪比-48dB情况下的积累结果；
图5：本发明在单目标且信噪比-48dB情况下的积累结果；
图6：现有方法动目标检测在多目标且信噪比-30dB情况下的积累结果；
图7：现有方法keystone变换-三次相位函数在多目标且信噪比-30dB情况下的积累结果；
图8：本发明在多目标且信噪比-30dB情况下的积累结果；
图9：现有方法动目标检测在实测数据下的积累结果；
图10：本发明在实测数据下的积累结果。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施示例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明的实施方法流程图。本发明在科学计算软件matlab R2014a仿真平台上分别进行了单目标以及双目标本发明实施例的仿真，并在武汉天河国际机场选用UHF波段外辐射源雷达进行了单目标本发明实施例的实验。对于单目标仿真及实验，雷达载波频率为658MHz，采样频率为100MHz，目标相对雷达的初始距离R0＝15km，目标初始速度为v0＝128m/s，目标初始加速度为a0＝16m/s2，目标加速度变化率分别为g＝-6m/s3，对于单目标仿真积累时间为1s，相参积累前信噪比均为-48dB，对于单目标实验积累时间为2s；对于双目标仿真及实验，雷达载波频率为658MHz，采样频率为100MHz，两目标相对雷达的初始距离均为R0＝15km，两目标初始速度分别为v0＝128m/s和v0＝-128m/s，两目标初始加速度分别为a0＝16m/s2和a0＝-16m/s2，两目标加速度变化率分别为g＝-6m/s3和g＝6m/s3，对于双目标仿真积累时间为1s,相参积累前信噪比均为-30dB。
下面结合图1至图10论述本发明的实施例。本发明实施例的具体步骤为：
步骤1：通过雷达接收目标回波信号以及参考信号，根据目标回波信号以及参考信号计算距离维频域数据；
步骤1中所述距离维频域数据为：
其中，tf为快时间，tm为慢时间，f为距离维频率，echo(tf,tm)为步骤1中所述目标回波信号，ref(tf,tm)为步骤1中所述参考信号，为沿快时间tf快速傅里叶变换，为沿快时间tf复共轭变换，A1为步骤1后信号幅度，c为光速，fc为载波频率，R0为目标初始时刻距离，v0为目标初始速度，a0为目标初始加速度，g为目标加速度变换率；
步骤2：距离维频域数据沿慢时间维进行短时傅里叶变换；
步骤2中所述距离维频域数据沿慢时间维进行短时傅里叶变换为：
其中，f为距离维频率，fl为子慢时间维频率，fc为载波频率，tm为慢时间，tn为块慢时间，A2为短时傅里叶变换后信号幅度，ref(tf,tm)为步骤1中所述参考信号，为沿快时间tf快速傅里叶变换，r(f,tm)为距离维频域数据，STFT(·)为短时傅里叶变换，sinc(·)为辛格函数，λ为雷达发射波的波长，R0为目标初始时刻距离，v0为目标初始速度，a0为目标初始加速度，g为目标加速度变换率；
步骤3：根据短时傅里叶变换获得数据构建补偿模型；
步骤3中所述补偿模型为：
其中，f为距离维频率，fl为子慢时间维频率，fc为载波频率，tm为慢时间，tn为块慢时间，A2为短时傅里叶变换后信号幅度，ref(tf,tm)为步骤1中所述参考信号，为沿快时间tf快速傅里叶变换，r(f,tm)为距离频域-慢时间数据，λ为雷达发射波的波长，R0为目标初始时刻距离，v0为目标初始速度，a0为目标初始加速度，g为目标加速度变换率，当时，目标速度引起的距离徙动被补偿；
步骤4：通过三次相位函数估计目标加速度与目标加速度变化率；
步骤4中所述通过三次相位函数估计目标加速度与目标加速度变化率为：
其中，rc1(tf,fl,tn)为补偿模型rc1(f,fl,tn)沿f快速傅里叶逆变换后获得的信号，tk＝kLTr，tm＝tl+tn，tl＝lTr,(l＝0,…,(L-1))，tn＝n(LTr)，(n＝0,…,(N-1))，M＝NL，Tr为等效脉冲重复间隔，L为子慢时间tl取样总点数，N为块慢时间tn取样总点数，M为总等效脉冲数，λ为雷达发射波的波长，fl为子慢时间维频率，Ω为瞬时频率变化率，v0为目标初始速度，a0为目标初始加速度，g为目标加速度变换率。
分别根据两个不同时刻n＝0，n＝round(0.11N)的三次相位函数CPF(tf,fl,n,Ω)峰值位置，Ω1为n＝0时刻瞬时频率变化率，Ω2为n＝round(0.11N)时刻瞬时频率变化率，可以反解出目标加速度和目标加速度变化率
其中，表示时延，表示粗多普勒频率；
步骤5：通过补偿模型快速傅里叶逆变换后获得的信号计算得到三维回波信号，并利用目标加速度估计值和加速度变换率估计值对三维回波信号慢时间维的二次项和三次项进行补偿；
步骤5中所述三维回波信号计算过程为：
补偿模型快速傅里叶逆变换后获得的信号rc1(tf,fl,tn)沿fl进行快速傅里叶逆变换获得信号rc1(tf,tl,tn)，然后将tl和tn整合为tm，进而得到rc1(tf,tm)；
根据估计目标加速度和估计加速度变化率对信号rc1(tf,tm)慢时间维的二次项和三次项进行徙动补偿：
其中，A3为多普勒徙动补偿后信号幅度。
步骤6：通过对全部徙动补偿后三维回波信号沿慢时间维进行快速傅里叶变换得到相参积累数据，将相参积累数据模值的平方与恒虚警检测预设门限比较判定目标是否存在。
步骤6中所述相参积累数据为：
其中，A4为傅里叶变换后信号幅度。
步骤6中所述恒虚警检测预设门限为β
将相参积累数据rc2(tf,fm)模值的平方与恒虚警检测预设门限β比较：
若|rc2(tf,fm)|2＞β则被判定为目标存在；
若|rc2(tf,fm)|2≤β则被判定目标不存在。
根据上述实施例具体步骤得到本发明实施例仿真结果。图2，图3和图4分别给出了动目标检测、keystone变换和keystone变换-三次相位函数三种算法的积累结果。从图2至图4可以看出，动目标检测、keystone变换和keystone变换-三次相位函数都未能实现目标能量的相参积累。原因在于：动目标检测只适用于未发生距离徙动和多普勒徙动的目标；keystone变换只适用于仅发生距离徙动的目标；keystone变换-三次相位函数虽然能应用于既发生距离徙动也发生多普勒徙动的目标，但在较低信噪比的环境下，由于加速度和加速度变化率估计不准确，将会导致多普勒徙动不能被补偿，从而影响目标能量的有效积累。图5为经过本发明方法补偿后的积累结果，由图5可见，目标能量得到了有效积累并形成明显峰值，有利于后续的目标检测。基于上述仿真分析可知，在低信噪比环境下，本发明更利于变加速运动目标的检测。
图6为动目标检测的积累结果，由图6可见，目标发生了严重的距离徙动和多普勒徙动，信号能量分布在不同的距离单元和多普勒单元内。keystone变换-三次相位函数方法补偿后的结果如图7所示，仅有一个目标的能量得到了有效积累从而形成了明显峰值，原因在于：keystone变换-三次相位函数中的每次最大化操作导致该方法忽略了同一距离单元内的弱目标。图8为经过本发明方法补偿后的积累结果，由图8可见，两目标的能量经过有效积累后均形成了明显的峰值。基于上述仿真分析可知，对于位于同一距离元的多目标情形，本发明的检测性能更好。
根据上述实施例具体步骤得到本发明实施例实验结果。图9为动目标检测的积累结果，由图9可见，目标发生了严重的距离徙动和多普勒徙动，信号能量扩散在不同的距离单元和多普勒单元内。图10为经过本发明方法补偿后的积累结果，由图10可知，目标能量得到了有效积累且形成了明显的峰值。实测数据进一步验证了本发明方法的有效性。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种用于变加速运动目标的相参积累检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过雷达接收目标回波信号以及参考信号，根据目标回波信号以及参考信号计算距离维频域数据；
步骤2：距离维频域数据沿慢时间维进行短时傅里叶变换；
步骤3：根据短时傅里叶变换获得数据构建补偿模型；
步骤4：通过三次相位函数估计目标加速度与目标加速度变化率；
步骤5：通过补偿模型快速傅里叶逆变换后获得的信号计算得到三维回波信号，并利用目标加速度估计值和加速度变换率估计值对三维回波信号慢时间维的二次项和三次项进行补偿；
步骤6：通过对全部徙动补偿后三维回波信号沿慢时间维进行快速傅里叶变换得到相参积累数据，将相参积累数据模值的平方与恒虚警检测预设门限比较判定目标是否存在。
2.根据权利要求1所述的用于变加速运动目标的相参积累检测方法，其特征在于：步骤1中所述距离维频域数据为：
其中，tf为快时间，tm为慢时间，f为距离维频率，echo(tf,tm)为步骤1中所述目标回波信号，ref(tf,tm)为步骤1中所述参考信号，为沿快时间tf快速傅里叶变换，为沿快时间tf复共轭变换，A1为步骤1后信号幅度，c为光速，fc为载波频率，R0为目标初始时刻距离，v0为目标初始速度，a0为目标初始加速度，g为目标加速度变换率。
3.根据权利要求1所述的用于变加速运动目标的相参积累检测方法，其特征在于：步骤2中所述距离维频域数据沿慢时间维进行短时傅里叶变换：
其中，f为距离维频率，fl为子慢时间维频率，fc为载波频率，tm为慢时间，tn为块慢时间，A2为短时傅里叶变换后信号幅度，ref(tf,tm)为步骤1中所述参考信号，为沿快时间tf快速傅里叶变换，r(f,tm)为距离频域-慢时间数据，STFT(·)为短时傅里叶变换，sinc(·)为辛格函数，λ为雷达发射波的波长，R0为目标初始时刻距离，v0为目标初始速度，a0为目标初始加速度，g为目标加速度变换率。
4.根据权利要求1所述的用于变加速运动目标的相参积累检测方法，其特征在于：步骤3中所述补偿模型为：
其中，f为距离维频率，fl为子慢时间维频率，fc为载波频率，tm为慢时间，tn为块慢时间，A2为短时傅里叶变换后信号幅度，ref(tf,tm)为步骤1中所述参考信号，为沿快时间tf快速傅里叶变换，r(f,tm)为距离维频域数据，λ为雷达发射波的波长，R0为目标初始时刻距离，v0为目标初始速度，a0为目标初始加速度，g为目标加速度变换率，当时，目标速度引起的距离徙动被补偿。
5.根据权利要求1所述的用于变加速运动目标的相参积累检测方法，其特征在于：步骤4中所述通过三次相位函数估计目标加速度与目标加速度变化率为：
其中，rc1(tf,fl,tn)为补偿模型rc1(f,fl,tn)沿f快速傅里叶逆变换后获得的信号，tk＝kLTr，tm＝tl+tn，tl＝lTr,(l＝0,…,(L-1))，tn＝n(LTr)，(n＝0,…,(N-1))，M＝NL，Tr为等效脉冲重复间隔，L为子慢时间tl取样总点数，N为块慢时间tn取样总点数，M为总等效脉冲数，λ为雷达发射波的波长，fl为子慢时间维频率，Ω为瞬时频率变化率，v0为目标初始速度，a0为目标初始加速度，g为目标加速度变换率；
分别根据两个不同时刻n＝0，n＝round(0.11N)的三次相位函数CPF(tf,fl,n,Ω)峰值位置，Ω1为n＝0时刻瞬时频率变化率，Ω2为n＝round(0.11N)时刻瞬时频率变化率，可以反解出目标加速度和目标加速度变化率
其中，表示时延，表示粗多普勒频率。
6.根据权利要求1所述的用于变加速运动目标的相参积累检测方法，其特征在于：步骤5中所述三维回波信号计算过程为：
补偿模型快速傅里叶逆变换后获得的信号rc1(tf,fl,tn)沿fl进行快速傅里叶逆变换获得信号rc1(tf,tl,tn)，然后将tl和tn整合为tm，进而得到rc1(tf,tm)；
根据估计目标加速度和估计加速度变化率对信号rc1(tf,tm)慢时间维的二次项和三次项进行补偿：
其中，A3为多普勒徙动补偿后信号幅度。
7.根据权利要求1所述的用于变加速运动目标的相参积累检测方法，其特征在于：步骤6中所述相参积累数据为：
其中，A4为傅里叶变换后信号幅度；
步骤6中所述恒虚警检测预设门限为β
将相参积累数据rc2(tf,fm)模值的平方与恒虚警检测预设门限β比较：
若|rc2(tf,fm)|2＞β则被判定为目标存在；
若|rc2(tf,fm)|2≤β则被判定目标不存在。
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