CN109164422A - 一种基于抖动重频的脉冲多普勒雷达解模糊测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于抖动重频的脉冲多普勒雷达解模糊测距方法，实现步骤为：(1)获取抖动重频下的雷达回波信号；(2)对两个脉组回波信号做脉冲压缩；(3)对两个脉组的脉冲压缩结果进行多普勒滤波；(4)按照最大距离模糊次数对两个脉组的多普勒滤波结果在距离维进行周期延拓；(5)对周期延拓结果进行相参积累；(6)进行门限检测，并进行目标判别，确定目标真实距离对应的距离单元；(7)计算目标真实距离，完成解模糊测距。本发明可以将两个抖动重频脉组的所有脉冲都积累起来，可以在解模糊的同时，提高检测概率，对于信噪比较小的目标也能够进行解模糊测距。

Description

一种基于抖动重频的脉冲多普勒雷达解模糊测距方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，特别涉及一种基于抖动重频的脉冲多普勒雷达解模糊测距方法，适用于PD雷达(脉冲多普勒雷达)对目标进行解模糊测距的场合。

背景技术

PD雷达通常采用中、高重复频率来工作，当目标距离超过雷达最大无模糊距离时，其回波出现在非本周期内，使得所测距离不是真实距离，因此需要进行解距离模糊。

在文献[谭贤四，李志淮，王红等.参差加抖动解模糊方法应用分析[J].现代雷达.2011，33(5)]中，作者提出了一种利用抖动重频解距离模糊的方法，其基本步骤如下：

(1)雷达发射两个脉组信号，这两个脉组信号的脉冲重复周期之间有很小的抖动；

(2)雷达接收回波信号，进行距离压缩，多普勒滤波，门限检测等处理，获得目标的视在距离信息；

(3)将目标的视在距离以不同的脉冲重复周期对应的最大不模糊距离进行周期延拓；

(4)选择一个适当宽度的窗口，按特定步长顺序移动窗口，当在同一窗口的目标数目等于2，该窗口出现的位置就是目标的真实距离。

上述方法是先进行目标信号检测，当检测到目标信号后再进行周期延拓，最后完成解模糊测距。该现有技术的缺陷在于，先进行目标信号检测，只能对两个脉组分别进行相参积累，没有充分利用所有的脉冲信息，因此信噪比会有一定的损失，当目标信号比较微弱时，有可能因为信噪比过低而检测不到目标，也就无法在后续过程中进行解距离模糊。

发明内容

针对上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于抖动重频的脉冲多普勒雷达解模糊测距方法，旨在提高信噪比，从而提高目标信号的检测概率以及解距离模糊的成功率。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种基于抖动重频的脉冲多普勒雷达解模糊测距方法，所述方法包括：

步骤1，获取来自被测目标的两组雷达回波信号，分别组成第一回波数据矩阵和第二回波数据矩阵；

步骤2，分别对所述第一回波数据矩阵和所述第二回波数据矩阵进行脉冲压缩，得到脉冲压缩后的第一数据矩阵和脉冲压缩后的第二数据矩阵；

步骤3，分别对所述脉冲压缩后的第一数据矩阵和脉冲压缩后的第二数据矩阵进行多普勒滤波，得到多普勒滤波后的第一数据矩阵和多普勒滤波后的第二数据矩阵；

步骤4，分别对所述多普勒滤波后的第一数据矩阵和所述多普勒滤波后的第二数据矩阵在距离维进行周期延拓，得到周期延拓后的第一数据矩阵和周期延拓后的第二数据矩阵；

步骤5，对所述周期延拓后的第一数据矩阵和所述周期延拓后的第二数据矩阵进行相参积累，得到相参积累后的数据矩阵，进而对所述相参积累后的数据矩阵进行检波，得到检波后的数据矩阵；

步骤6，对所述检波后的数据矩阵中的每一个多普勒通道的元素进行恒虚警检测，得到所有过门限的元素分别对应的多普勒通道及距离单元；根据所述所有过门限的元素分别对应的多普勒通道及距离单元，以及所述周期延拓后的第一数据矩阵和周期延拓后的第二数据矩阵，确定目标所在的多普勒通道及目标所在的距离单元；

步骤7，根据目标所在的距离单元，完成距离解模糊，得到目标的真实距离。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：该方法先对滤波后的目标信号进行距离维拓展，然后进行目标信号的检测，最后完成解模糊测距。抖动重频意味着两个脉组的脉冲重复周期相差很小，所以两个脉组的多普勒通道是一致的，本发明在检测时将抖动重频的两个脉组中全部脉冲相参积累起来，避免了由于抖动重频将脉冲拆分而带来信噪比损失，可以提高目标信号的检测概率以及解距离模糊的成功率，对于微弱的目标信号，也可以完成解模糊测距，工程实现容易，有较强的实用性和推广应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明技术方案的实现流程框图；

图2为回波信噪比SNR＝-7dB时采用现有技术得到的目标信号所在多普勒通道的距离图；

图3为对图2结果进行恒虚警检测和周期拓展的结果图；

图4为回波信噪比SNR＝-7dB时采用本发明得到的目标信号所在多普勒通道的距离维拓展图；

图5为对图4结果进行恒虚警检测的结果图；

图6为回波信噪比SNR＝-13dB时采用现有技术时得到的目标信号所在多普勒通道的距离图；

图7为对图6结果进行恒虚警检测和周期拓展的结果图；

图8为回波信噪比SNR＝-13dB时采用本发明得到的目标信号所在多普勒通道的距离维拓展图；

图9为对图8结果进行恒虚警检测的结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于抖动重频的脉冲多普勒雷达解模糊测距方法，为简单起见，本实施例为单目标解模糊情形，如图1所示，所述方法包括：

步骤1，获取来自被测目标的两组雷达回波信号，分别组成第一回波数据矩阵和第二回波数据矩阵。

步骤1具体包括：

(1a)雷达发射机先向被测目标发射第一组脉冲信号，所述第一组脉冲信号为以T_r1为脉冲重复周期的连续M个脉冲信号，再向被测目标发射第二组脉冲信号，所述第二组脉冲信号为以T_r2为脉冲重复周期的连续M个脉冲信号，其中，M≥2，T_r2＝T_r1+Δt，Δt表示脉冲重复周期抖动差，一般取Δt＝2us；

(1b)雷达接收机接收所述被测目标反射的两组雷达回波信号，并以采样频率f_s对所述两组雷达回波信号进行采样，得到M×Q₁维的第一回波数据矩阵X₁和M×Q₂维的第二回波数据矩阵X₂，其中，M表示第一组脉冲信号和第二组脉冲信号分别包含的脉冲个数，Q₁表示第一回波数据矩阵的距离单元总个数，Q₂表示第二回波数据矩阵的距离单元总个数。

步骤2，分别对所述第一回波数据矩阵和所述第二回波数据矩阵进行脉冲压缩，得到脉冲压缩后的第一数据矩阵和脉冲压缩后的第二数据矩阵；

对第一回波数据矩阵X₁中的每一行元素(即同一脉冲的数据)用相应的匹配滤波器进行滤波，并对半脉压点进行剔除，得到M×Q₁维的脉冲压缩后的第一数据矩阵X₁’，对第二回波数据矩阵X₂中的每一行元素也用相应的匹配滤波器进行滤波，并对半脉压点进行剔除，得到M×Q₂维的脉冲压缩后的第二数据据矩阵X₂’。

步骤3，分别对所述脉冲压缩后的第一数据矩阵和脉冲压缩后的第二数据矩阵进行多普勒滤波，得到多普勒滤波后的第一数据矩阵和多普勒滤波后的第二数据矩阵；

对脉冲压缩后的第一数据矩阵X₁’中的每一列元素(即同一距离单元的数据)做傅里叶变换，得到M×Q₁维的数据矩阵Y₁，对脉冲压缩后的第二数据矩阵X₂’中的每一列元素(即同一距离单元的数据)做傅里叶变换，得到M×Q₂维的数据矩阵Y₂。

步骤4，分别对所述多普勒滤波后的第一数据矩阵和所述多普勒滤波后的第二数据矩阵在距离维进行周期延拓，得到周期延拓后的第一数据矩阵和周期延拓后的第二数据矩阵。

步骤4具体包括：

(4a)记分别对所述第一回波数据矩阵和所述第二回波数据矩阵进行脉冲压缩，得到脉冲压缩后的第一数据矩阵X₁’和脉冲压缩后的第二数据矩阵X₂’，所述脉冲压缩后的第一数据矩阵X₁’和所述脉冲压缩后的第二数据矩阵X₂’的维数分别为M×Q₁维和M×Q₂维；

记分别对所述脉冲压缩后的第一数据矩阵X₁’和所述脉冲压缩后的第二数据矩阵X₂’进行多普勒滤波，得到多普勒滤波后的第一数据矩阵Y₁和多普勒滤波后的第二数据矩阵Y₂，所述多普勒滤波后的第一数据矩阵Y₁的维数为M×Q₁维，所述多普勒滤波后的第二数据矩阵Y₂的维数为M×Q₂维；

(4b)将所述多普勒滤波后的第一数据矩阵Y₁在距离域以Q₁为周期延拓F次，得到周期延拓后的M×P₁维的第一数据矩阵Z₁，其中，P₁＝Q₁×(F+1)，F表示距离最大模糊次数，R_max为雷达最大可探测距离，R_u＝min[R₁，R₂]，R₁为第一组脉冲信号对应的最大不模糊距离，R₂为第二组脉冲信号对应的最大不模糊距离，表示向上取整，min[·]表示取小操作；

(4c)将所述多普勒滤波后的第二数据矩阵Y₂在距离域以Q₂为周期延拓F次，得到周期延拓后的M×P₂维的第二数据矩阵Z₂，其中，P₂＝Q₂×(F+1)；

(4d)将所述周期延拓后的第一数据矩阵Z₁保持不变，所述周期延拓后的第二数据矩阵Z₂中第P₁+1列至第P₂列元素剔除，使得所述周期延拓后的第二数据矩阵Z₂的维数与所述周期延拓后的第一数据矩阵Z₁的维数均为M×P₁维。

步骤5，对所述周期延拓后的第一数据矩阵和所述周期延拓后的第二数据矩阵进行相参积累，得到相参积累后的数据矩阵，进而对所述相参积累后的数据矩阵进行检波，得到检波后的数据矩阵。

步骤5具体包括：

(5a)获取M×P₁维的相位因子矩阵φ：

其中，φ_m＝2πf_mMT_r1，m＝1，2，3....，M，π表示圆周率，f_m表示第m个多普勒通道的中心频率，M表示第一组脉冲信号包含的脉冲个数，T_r1表示第一组脉冲信号的脉冲重复周期；

(5c)对周期延拓后的第一数据矩阵Z₁和周期延拓后的第二数据矩阵Z₂进行相参积累，获得相参积累后的数据矩阵Z’：

Z’＝Z₁+Z₂·exp[-jφ]

其中，exp表示以e为底的指数，·表示两个矩阵中对应行对应列的元素进行相乘，j表示虚数单位；

(5d)对所述相参积累后的数据矩阵Z’进行检波，得到检波后的M×P₁维的数据矩阵Z；

步骤6，对所述检波后的数据矩阵中的每一个多普勒通道的元素分别进行恒虚警检测，得到所有过门限的元素分别对应的多普勒通道及距离单元；根据所述所有过门限的元素分别对应的多普勒通道及距离单元，以及所述周期延拓后的第一数据矩阵和周期延拓后的第二数据矩阵，确定目标所在的多普勒通道及目标所在的距离单元。

步骤6具体包括：

(6a)设置中间变量m＝0；

(6b)令m的值加1，对所述检波后的数据矩阵Z中的第m个多普勒通道(第m行)元素进行恒虚警检测，得到所有过门限元素对应的距离单元，记为其中i_m＝0，1，2，....I_m，i_m表示第m个多普勒通道中过门限的元素的序号，I_m表示第m个多普勒通道中过门限的元素的总数，I_m为非负整数；

(6c)如果第m个多普勒通道中没有过门限的元素，则执行步骤(6b)，否则分别确定所述周期延拓后的第一数据矩阵Z₁的第m个多普勒通道中第个距离单元对应的元素，记为并确定所述周期延拓后的第二数据矩阵Z₂的第m个多普勒通道中第个距离单元对应的元素，记为计算得到一组比值其中i_m＝0，1，2，....I_m，i_m表示第m个多普勒通道中过门限的元素的序号，I_m表示第m个多普勒通道中过门限的元素的总数，I_m为非负整数，|·|表示求模操作；

(6d)在所述一组比值中确定处于预设范围[1-Δ，1+Δ]中的比值对应的多普勒通道及距离单元为目标的多普勒通道及目标所对应的距离单元，将目标对应的距离单元记为r，其中Δ为比值误差，可根据实际的两组回波脉冲信号具体选取，一般取0＜Δ＜0.3；

(6e)判断m＝M是否成立，若不成立，则执行(6b)，否则执行步骤7；

步骤7，根据目标所在的距离单元，完成距离解模糊，得到目标的真实距离。

步骤7具体为：

计算目标的真实距离R_true＝rρ_r，其中，ρ_r表示距离采样率，其中，c为光速，f_s为采样频率。

下面结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明。

仿真条件：

假设两个脉组的脉冲重复周期T_r1＝1200us，T_r2＝1202us，两个脉组中的脉冲个数均为M＝32，目标相对雷达的径向运动速度v＝100m/s，目标距离雷达的距离R₀＝300km，距离最大模糊次数为4，发射的线性调频信号带宽B＝2MHz，时宽T＝100us，雷达载频f₀＝600MHz，信噪比SNR＝-7dB或-13dB，这里的信噪比指的是未经任何处理的原始回波信噪比，距离向采样率f_s＝B。

仿真内容：

在仿真条件下，利用现有技术和本发明分别将对目标信号进行解模糊测距。当信噪比为-7dB时，采用现有技术得到目标信号所在多普勒通道的距离图如图2所示，对图2结果进行恒虚警检测和周期拓展的结果如图3所示，采用本发明方法得到的目标信号所在多普勒通道的距离拓展图如图4所示，对图4结果进行恒虚警检测的结果如图5所示；当信噪比为-13dB时，采用现有技术得到目标信号所在多普勒通道的距离图如图6所示，对图6结果进行恒虚警检测和周期拓展的结果如图7所示，采用本发明方法得到的目标信号所在多普勒通道的距离拓展图如图8所示，对图8结果进行恒虚警检测的结果如图9所示。

仿真结果分析：

图2为利用现有技术得到的两个抖动重频脉组的目标信号所在多普勒通道的距离图，对图2结果进行恒虚警检测后再在距离维进行周期延拓，得到图3，由图3可知两个脉组的距离维拓展图过门限的距离单元均为5个，采用2个距离单元作为滑窗宽度，只有在4000距离单元处滑动窗口内的目标数目等于2，因此目标真实距离对应的距离单元为4000，计算可得目标真实距离为300km，完成解模糊测距。

图4为利用本发明方法得到的目标信号所在多普勒通道的距离维拓展图，对图4结果进行恒虚警检测，得到图5，由图5可以看出过门限的距离单元有3个，分别在第4000、11200、11212个距离单元处，分别找出脉组一目标信号所在多普勒通道和脉组二目标信号所在多普勒通道在这3个距离单元处的幅度值，得到在11200距离单元处的幅度比值为18.1698，11212距离单元处的幅度比值为0.0985，而在4000距离单元出两个脉组的幅度比值为1.0019，因此目标真实距离对应的距离单元为4000，计算可得目标真实距离为300km，完成解模糊测距。

由图7和图9结果可得，当信噪比很低时，现有技术已经无法检测到目标信息，更无法进行解模糊测距，而本发明依然可以检测到目标信息，此时只有第4000个距离单元处的元素过检测门限，且在第4000个距离单元处两个脉组的幅度比值为0.9843，可得目标真实距离为300km，因此本发明在信噪比较低时依然可以正确的完成解模糊测距。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于抖动重频的脉冲多普勒雷达解模糊测距方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，获取来自被测目标的两组雷达回波信号，分别组成第一回波数据矩阵和第二回波数据矩阵；

步骤2，分别对所述第一回波数据矩阵和所述第二回波数据矩阵进行脉冲压缩，得到脉冲压缩后的第一数据矩阵和脉冲压缩后的第二数据矩阵；

步骤3，分别对所述脉冲压缩后的第一数据矩阵和脉冲压缩后的第二数据矩阵进行多普勒滤波，分别得到多普勒滤波后的第一数据矩阵和多普勒滤波后的第二数据矩阵；

步骤4，分别对所述多普勒滤波后的第一数据矩阵和所述多普勒滤波后的第二数据矩阵在距离维进行周期延拓，得到周期延拓后的第一数据矩阵和周期延拓后的第二数据矩阵；

步骤5，对所述周期延拓后的第一数据矩阵和所述周期延拓后的第二数据矩阵进行相参积累，得到相参积累后的数据矩阵，进而对所述相参积累后的数据矩阵进行检波，得到检波后的数据矩阵；

步骤6，对所述检波后的数据矩阵中的每一个多普勒通道的元素进行恒虚警检测，得到所有过门限的元素分别对应的多普勒通道及距离单元；根据所述所有过门限的元素分别对应的多普勒通道及距离单元，以及所述周期延拓后的第一数据矩阵和周期延拓后的第二数据矩阵，确定目标所在的多普勒通道及目标所在的距离单元；

步骤7，根据目标所在的距离单元，完成距离解模糊，得到目标的真实距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于抖动重频的脉冲多普勒雷达解模糊测距方法，其特征在于，步骤1具体包括：

(1a)雷达发射机先向被测目标发射第一组脉冲信号，所述第一组脉冲信号为以T_r1为脉冲重复周期的连续M个脉冲信号，再向被测目标发射第二组脉组信号，所述第二组脉冲信号为以T_r2为脉冲重复周期的连续M个脉冲信号，其中，M≥2，T_r2＝T_r1+Δt，Δt表示脉冲重复周期抖动差，且Δt大于零；

(1b)雷达接收机接收所述被测目标反射的两组雷达回波信号，并以采样频率f_s对所述两组雷达回波信号进行采样，得到M×Q₁维的第一回波数据矩阵X₁和M×Q₂维的第二回波数据矩阵X₂，其中，M表示第一组脉冲信号和第二组脉冲信号分别包含的脉冲个数，Q₁表示第一回波数据矩阵的距离单元总个数，Q₂表示第二回波数据矩阵的距离单元总个数。

3.根据权利要求1所述的一种基于抖动重频的脉冲多普勒雷达解模糊测距方法，其特征在于，步骤4具体包括：

(4a)记分别对所述第一回波数据矩阵和所述第二回波数据矩阵进行脉冲压缩，得到脉冲压缩后的第一数据矩阵X₁’和脉冲压缩后的第二数据矩阵X₂’，所述脉冲压缩后的第一数据矩阵X₁’和所述脉冲压缩后的第二数据矩阵X₂’的维数分别为M×Q₁维和M×Q₂维；

记分别对所述脉冲压缩后的第一数据矩阵X₁’和所述脉冲压缩后的第二数据矩阵X₂’进行多普勒滤波，得到多普勒滤波后的第一数据矩阵Y₁和多普勒滤波后的第二数据矩阵Y₂，所述多普勒滤波后的第一数据矩阵Y₁的维数为M×Q₁维，所述多普勒滤波后的第二数据矩阵Y₂的维数为M×Q₂维；

(4b)将所述多普勒滤波后的第一数据矩阵Y₁在距离域以Q₁为周期延拓F次，得到周期延拓后的M×P₁维的第一数据矩阵Z₁，其中，P₁＝Q₁×(F+1)，F表示距离最大模糊次数，R_max为雷达最大可探测距离，R_u＝min[R₁，R₂]，R₁为第一组脉冲信号对应的最大不模糊距离，R₂为第二组脉冲信号对应的最大不模糊距离，表示向上取整，min[·]表示取小操作；

(4c)将所述多普勒滤波后的第二数据矩阵Y₂在距离域以Q₂为周期延拓F次，得到周期延拓后的M×P₂维的第二数据矩阵Z₂，其中，P₂＝Q₂×(F+1)；

(4d)将所述周期延拓后的第一数据矩阵Z₁保持不变，所述周期延拓后的第二数据矩阵Z₂中第P₁+1列至第P₂列元素剔除，使得所述周期延拓后的第二数据矩阵Z₂的维数与所述周期延拓后的第一数据矩阵Z₁的维数均为M×P₁维。

4.根据权利要求1所述的一种基于抖动重频的脉冲多普勒雷达解模糊测距方法，其特征在于，步骤5具体包括：

(5a)获取M×P₁维的相位因子矩阵φ：

其中，φ_m＝2πf_mMT_r1，m＝1，2，3....，M，π表示圆周率，f_m表示第m个多普勒通道的中心频率，M表示第一组脉冲信号包含的脉冲个数，T_r1表示第一组脉冲信号的脉冲重复周期；

(5c)对周期延拓后的第一数据矩阵Z₁和周期延拓后的第二数据矩阵Z₂进行相参积累，获得相参积累后的数据矩阵Z’：

Z’＝Z₁+Z₂·exp[-jφ]

其中，exp表示以e为底的指数，·表示两个矩阵中对应行对应列的元素进行相乘，j表示虚数单位；

(5d)对所述相参积累后的数据矩阵Z’进行检波，得到检波后的M×P₁维的数据矩阵Z。

5.根据权利要求1所述的一种基于抖动重频的脉冲多普勒雷达解模糊测距方法，其特征在于，步骤6具体包括：

(6a)设置中间变量m＝0；

(6b)令m的值加1，对所述检波后的数据矩阵Z中的第m个多普勒通道元素进行恒虚警检测，得到所有过门限元素对应的距离单元，记为其中i_m＝0，1，2，....I_m，i_m表示第m个多普勒通道中过门限的元素的序号，I_m表示第m个多普勒通道中过门限的元素的总数，I_m为非负整数；

(6c)如果第m个多普勒通道中没有过门限的元素，则返回子步骤(6b)；否则分别确定所述周期延拓后的第一数据矩阵Z₁的第m个多普勒通道中第个距离单元对应的元素，记为并确定所述周期延拓后的第二数据矩阵Z₂的第m个多普勒通道中第个距离单元对应的元素，记为计算得到一组比值其中i_m＝0，1，2，....I_m，i_m表示第m个多普勒通道中过门限的元素的序号，I_m表示第m个多普勒通道中过门限的元素的总数，I_m为非负整数，|·|表示求模操作；

(6d)在所述一组比值中确定处于预设范围[1-Δ，1+Δ]中的比值对应的多普勒通道及距离单元，作为目标的多普勒通道及目标所对应的距离单元，将目标所对应的距离单元记为r，其中Δ为比值误差；

(6e)当m＜M时返回子步骤(6b)。

6.根据权利要求1所述的一种基于抖动重频的脉冲多普勒雷达解模糊测距方法，其特征在于，步骤7具体为：

计算目标的真实距离R_true＝rρ_r，其中，ρ_r表示距离采样率，其中，c为光速，f_s为采样频率。