CN109061625A - 一种距离速度匹配的运动目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种距离速度匹配的运动目标检测方法，该方法分两个阶段。第一阶段为目标初始捕获阶段。首先对多个目标回波信号进行脉冲压缩，然后对回波序列各距离单元信号沿慢时间作相干积累，对相干积累后的目标回波信号找最大值，并根据最大值所在矩阵的行位置计算目标速度值，对该行信号中大于目标捕获检测门限的信号做凝聚算法，计算信号重心值，根据重心值计算目标距离门。第二阶段为目标测量阶段。根据目标速度和距离门初始值，构造能量匹配信号，将相干积累后目标回波信号最大值所在矩阵的行信号与构造的能量匹配信号做匹配滤波，取最大值与目标测量检测门限比较，计算目标距离值，并输出目标距离、速度测量值。本发明提高了目标检测信噪比。

Description

一种距离速度匹配的运动目标检测方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术研究领域，涉及一种高速运动目标检测测量 方法。

背景技术

针对空间高速机动目标雷达探测，在雷达功率孔径积受限的条件下，必须 采用长时间相干积累以提高目标检测信噪比。由于目标的高速运动，不同回波 脉冲发生了越距离单元走动，传统的相干积累方法会有增益损失，导致检测性 能下降。为了改善检测性能，一方面是先对目标回波距离单元走动进行校正， 之后再进行相干积累，另一方面是在相干积累之后进行能量聚集。

目前，对目标回波越距离单元走动进行校正的方法主要是keystone方法，keystone方法的优势在于，在没法获得检测对象的相对速度的信息条件下，依 然能够校正距离走动，但是目前为止，Keystone变换仍然需要解决被运用于检 测领域时出现的多普勒模糊问题。

另有文献介绍了相干积累之后进行能量聚集的方法，如一种距离扩展目标 回波序列的慢时间谱积累(STSI)检测器。该方法对目标运动引起的散射点跨距 离单元走动不敏感，但是会存在测量精度降低以及能量损失，检测性能有一定 下降。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种距离速度匹配 的运动目标检测方法，在第一阶段目标初始捕获的基础上，构造能量匹配函数， 使得由于目标回波距离走动引起的相干积累能量扩散得以聚集，提高了目标检 测信噪比。

本发明的技术解决方案是：一种距离速度匹配的运动目标检测方法，步骤 如下：

(1)、对雷达接收的N个目标回波信号进行采样，得到N行M列的矩阵信 号，M为每隔回波信号采样点数；

(2)、对采样后的回波序列各距离单元信号沿慢时间作相干积累处理，即 分别对M列长度为N的信号做傅里叶变换，输出相干积累后最大值所在的行信 号和行位置，分别标记为S和V_n，V_n为目标所在速度门；

(3)、根据信号S中大于目标捕获检测门限的值，采用凝聚算法计算信号 重心值，并将该重心值在信号S中的位置标记为目标所在距离门R₀；

(4)、根据目标所在的速度门V_n计算出目标运动速度v，再根据目标所在 的距离门R₀和目标运动速度v，构造能量匹配信号H；

(5)、将相干积累后目标回波信号最大值所在矩阵的行信号S与构造的能 量匹配信号H做匹配滤波，取滤波后的最大值与目标测量检测门限比较，大于 目标测量检测门限，则根据滤波后的最大值在信号S中的位置R₀′计算目标距离 R，并输出目标距离速度测量值，否则，返回至步骤(1)。

当雷达发射线性调频脉冲信号时，所述步骤(1)为：

对雷达接收的N个目标回波信号分别进行脉冲压缩处理，之后，对压缩后 的N个目标回波信号进行采样，得到N行M列的矩阵信号，M为每隔回波信号 采样点数。

所述步骤(3)采用凝聚算法计算信号重心值的公式为：

其中，M′为信号长度值，x_i,i＝0～M'-1为信号的序号，y_i,i＝0～M'-1为信号 的幅度。

所述能量匹配信号H为：

式中，R₀为目标所在距离门，R_Z为在N个回波时间内，由于目标运动引起 的距离走动，v为目标运动速度，T_r为脉冲重复周期，C为光速，F_s为采样频率。

目标捕获检测门限选取原则为：

式中，V₀为检测门限，P_fa为虚警率，虚警率小于10^-3。

目标测量检测门限选取原则为：

式中，V₀为检测门限，P_fa为虚警率，虚警率小于10^-5。

根据最大值在信号S中的位置R₀′计算目标距离R的方法为：

式中，F_c为采用频率。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明由于构造了能量匹配函数，通过匹配滤波方法，实现了对目 标回波距离走动引起的相干积累能量扩散的聚集，相比现有的相干积累之后进 行能量聚集的方法，如一种距离扩展目标回波序列的慢时间谱积累(STSI)检测 器方法，其能量聚集效果好，目标检测信噪比高。

(2)、本发明由于采用了凝聚方法，提高了目标测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例检测方法流程框图；

图2为本发明实施例匹配滤波算法框图；

图3为本发明实施例256个回波信号脉冲压缩结果；

图4为本发明实施例相干积累结果；

图5为本发明实施例相干积累后目标回波信号最大值所在矩阵的行信号； 图5(a)为幅度归一化结果，图5(b)为图5(a)取dB结果；

图6为本发明实施例构造的能量匹配信号；

图7为本发明实施例匹配滤波结果，图7(a)为幅度归一化结果，图7(b) 为图7(a)取dB结果。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明为一种距离速度匹配的高速运动目标检测方法，以雷 达发射线性调频信号为例，其主要步骤如下：

1)、对雷达接收的N个目标回波信号分别进行脉冲压缩处理，对压缩后的 目标回波信号的长度为M，然后排列成一个N行M列的矩阵信号；N为雷达相 干积累脉冲数，N＝T/T_r，T为雷达相干积累时间，其由雷达方程确定。

2)、对脉冲压缩处理后的回波序列各距离单元信号沿慢时间作相干积累处 理，即分别对M列长度为N的信号做傅里叶变换，输出相干积累后最大值所在 的行信号和行位置，分别标记为S和V_n，V_n为目标所在速度门；

3)、根据信号S中大于目标捕获检测门限的值，采用凝聚算法计算信号重 心值，并将该重心值在信号S中的位置标记为目标所在距离门R₀；

凝聚算法：

信号S中大于门限的信号为S′，其坐标值为{x₀,x₁...x_M′-1}，幅度为 {y₀,y₁...y_M′-1}，则其重心值为：

目标捕获检测门限选取原则为：

式中，V₀为检测门限，P_fa为虚警率，虚警率小于10^-3。

4)、根据目标所在的速度门V_n计算出目标运动速度v，再根据目标所在的 距离门R₀和目标运动速度v，构造能量匹配信号H；

目标运动速度v为：

式中，λ为雷达波长，T_r为脉冲重复周期。

能量匹配信号构造方法：

匹配信号为一维向量，根据目标初始捕获阶段的目标检测结果，使用下面 的公式构造匹配信号H＝{h₀,h₁...h_M-1}。

式中，R₀为目标所在距离门，R_Z为在N个回波时间内，由于目标运动引起 的距离走动，v为目标运动速度，T_r为脉冲重复周期，C为光速，F_s为采样频率。

该匹配信号为一个矩形脉冲信号，脉冲信号中心点在目标距离对应的位置。 脉冲信号宽度对应目标高速运动引起的距离走动量。

5)、将相干积累后目标回波信号最大值所在矩阵的行信号S与构造的能量 匹配信号H做匹配滤波，取滤波后的最大值与目标测量检测门限比较，大于目 标测量检测门限，则根据滤波后的最大值在信号S中的位置计算目标距离R， 并输出目标距离速度测量值，否则，返回至步骤(1)。

匹配滤波算法：

该匹配滤波算法为：回波序列相干积累之后，取出相干积累后最大值所在 的行信号S与能量匹配信号H点乘后做逆傅里叶变换。公式如下：

y(n)＝IFFT(s(n)×h(n)) (4)

匹配滤波算法原理框图如图2所示。

根据最大值在信号S中的位置R₀′，计算目标距离R的方法为：

式中，F_c为采用频率。

目标测量检测门限选取原则为：

式中，V₀为检测门限，P_fa为虚警率，虚警率小于10^-5。

实施例

以雷达发射线性调频脉冲信号为例，信号带宽2MHz，脉冲重复周期T_r为 3.9ms，脉冲宽度20us，采样频率Fs为4MHz，雷达发射信号频率1.33GHz。

仿真设定目标速度为800米/秒，目标距离5000米，目标回波信噪比为 -10dB，脉冲积累个数M为256。

首先对256个回波脉冲进行脉冲压缩处理，结果如图3所示，然后对256 个回波脉冲信号做相干积累处理，结果如图4所示，该矩阵信号最大值行位置 为68，列位置为37，即V_n为68，最大值所在矩阵的行信号S，如图5(a)和 图5(b)所示，根据雷达测速原理计算出目标速度v为802米/秒，设置目标捕 获检测信噪比为10dB，对应的目标捕获检测门限(Men_buhuo)为0.6(虚警 率为P_fa＝10^-3，80％的检测概率，则检测门限为3.71倍的噪声基底)，对信号S 中大于目标捕获检测门限(Men_buhuo)的信号采用公式(1)做凝聚算法，输 出信号重心值R₀＝40，根据R₀和v，采用公式(2)构造的能量匹配信号H如图 6所示，采用公式(3)做匹配滤波运算，结果如图7(a)和图7(b)所示， 设置目标测量检测信噪比为13dB，对应的目标测量检测门限(Men_genzong)为 0.1(虚警率为P_fa＝10^-5，95％的检测概率，则检测门限为4.8倍的噪声基底)， 对匹配滤波后输出信号的最大值做门限检测，根据最大值的位置计算出目标距 离R。

实时例中，第一阶段目标初始捕获阶段输出的信号S，其检测信噪比为 11.9dB，本专利方法处理后目标检测信噪比为22.5dB。

本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种距离速度匹配的运动目标检测方法，其特征在于步骤如下：

(1)、对雷达接收的N个目标回波信号进行采样，得到N行M列的矩阵信号，M为每隔回波信号采样点数；

(2)、对采样后的回波序列各距离单元信号沿慢时间作相干积累处理，即分别对M列长度为N的信号做傅里叶变换，输出相干积累后最大值所在的行信号和行位置，分别标记为S和V_n，V_n为目标所在速度门；

(3)、根据信号S中大于目标捕获检测门限的值，采用凝聚算法计算信号重心值，并将该重心值在信号S中的位置标记为目标所在距离门R₀；

(4)、根据目标所在的速度门V_n计算出目标运动速度v，再根据目标所在的距离门R₀和目标运动速度v，构造能量匹配信号H；

(5)、将相干积累后目标回波信号最大值所在矩阵的行信号S与构造的能量匹配信号H做匹配滤波，取滤波后的最大值与目标测量检测门限比较，大于目标测量检测门限，则根据滤波后的最大值在信号S中的位置R₀′计算目标距离R，并输出目标距离速度测量值，否则，返回至步骤(1)。

2.根据权利要求1所述的一种距离速度匹配的运动目标检测方法，其特征在于当雷达发射线性调频脉冲信号时，所述步骤(1)为：

对雷达接收的N个目标回波信号分别进行脉冲压缩处理，之后，对压缩后的N个目标回波信号进行采样，得到N行M列的矩阵信号，M为每隔回波信号采样点数。

3.根据权利要求1或2所述的一种距离速度匹配的运动目标检测方法，其特征在于所述步骤(3)采用凝聚算法计算信号重心值的公式为：

其中，M′为信号长度值，x_i,i＝0～M'-1为信号的序号，y_i,i＝0～M'-1为信号的幅度。

4.根据权利要求1或2所述的一种距离速度匹配的运动目标检测方法，其特征在于所述能量匹配信号H为：

式中，R₀为目标所在距离门，R_Z为在N个回波时间内，由于目标运动引起的距离走动，v为目标运动速度，T_r为脉冲重复周期，C为光速，F_s为采样频率。

5.根据权利要求1或2所述的一种距离速度匹配的运动目标检测方法，其特征在于目标捕获检测门限选取原则为：

式中，V₀为检测门限，P_fa为虚警率，虚警率小于10^-3。

6.根据权利要求1或2所述的一种距离速度匹配的运动目标检测方法，其特征在于目标测量检测门限选取原则为：

式中，V₀为检测门限，P_fa为虚警率，虚警率小于10^-5。

7.根据权利要求1或2所述的一种距离速度匹配的运动目标检测方法，其特征在于根据最大值在信号S中的位置R₀′计算目标距离R的方法为：

式中，F_c为采用频率。