CN109541568B - 一种雷达机动目标跨距离和多普勒单元快速相参积累检测方法 - Google Patents

一种雷达机动目标跨距离和多普勒单元快速相参积累检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种雷达机动目标跨距离和多普勒单元快速相参积累检测方法，属于雷达信号处理和检测技术领域。首先，雷达脉压后的慢时间维数据进行时间反转运算，消除相位奇数阶项，并利用二阶匹配傅立叶变换，估计二阶相位参数；其次，快时间维傅里叶变换，二阶相位补偿；然后，慢时间维相位差分降阶运算，并进行二阶Keystone变换；最后，距离频率维逆傅里叶变换，慢时间傅里叶变换，完成跨单元相参积累，构造检测统计量，进行机动目标检测。本发明能够实现机动目标跨距离单元和多普勒单元的能量相参积累，积累增益高；同时也是一种非参数搜索的方法，运算效率高，适合工程应用；并可通过峰值估计目标的运动参数，能够提高雷达机动目标检测和估计能力。

Description

一种雷达机动目标跨距离和多普勒单元快速相参积累检测 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，本发明涉及一种雷达机动目标跨距离和多普勒单元快速相参积累检测方法，可用于雷达对机动目标快速检测和估计。
背景技术
稳健和有效的雷达动目标检测始终是雷达信号处理领域的难题，研究提高雷达对微弱动目标检测能力的信号处理方法具有重要意义。近年来，随着目标装备的发展，高速高机动目标层出不穷，给雷达带来极大威胁，提高了雷达探测目标的难度，如高超声速飞行器、高机动导弹、战斗机、无人机、海面快艇等。由于机动目标回波可用多项式相位信号表示，机动性越强，多项式阶数越高，对其检测和参数的高精度估计也越难。与此同时，高机动目标也容易出现跨距离和多普勒单元走动问题，使得目标能量在时域和频域分散，降低了相参积累增益。
目前，该领域的主要技术途径有：一是，基于Keystone变换的距离走动补偿方法，通过插值对原有的坐标轴进行尺度变换，从而有效地校正距离徙动，仅能补偿一阶距离走动，即由匀速运动导致的跨单元走动，并且不能补偿多普勒走动；二是，路径搜索匹配积累法，如Radon-傅里叶变换和Radon-分数阶傅里叶变换，预先设置运动参数确定的运动轨迹，在该轨迹上进行信号的相参积累，能够同时补偿距离和多普勒走动，但该方法需要高维参数搜索，对于高阶机动目标，待搜索的参数较多，运算量很大。因此，亟需设计一种能够同时补偿距离和多普勒走动，无参数搜索的快速相参积累方法，用于雷达机动目标的检测和参数估计。
发明内容
本发明的目的在于改善雷达机动目标积累增益，实现快速高精度的机动目标检测和参数估计，提出一种雷达机动目标跨距离和多普勒单元快速相参积累检测方法。其中要解决的技术问题包括：
(1)高机动目标容易同时跨越雷达距离和多普勒单元，传统相参积累检测方法容易导致能量发散，积累增益低；
(2)高机动目标高阶多项式相位信号，其运动参数维度很高，导致多维参数匹配搜索法运算量很大，难以适合工程应用；
本发明所述的一种雷达机动目标跨距离和多普勒单元快速相参积累检测方法，其特征在于包括以下技术措施：
步骤一、雷达脉压后的慢时间维数据进行时间反转运算，消除奇数阶相位项；
步骤二、二阶匹配傅立叶变换，估计二阶相位参数；
步骤三、快时间维傅里叶变换，得到距离频率-慢时间二维数据，并对二阶相位补偿；
步骤四、慢时间维相位差分降阶运算，并进行二阶Keystone变换；
步骤五、距离频率维逆傅里叶变换，慢时间傅里叶变换，完成跨单元相参积累；
步骤六、构造检测统计量，进行机动目标检测。
对比现有技术，本技术方案所述的一种雷达机动目标跨距离和多普勒单元快速相参积累检测方法，有益效果在于：
(1)该方法能够实现机动目标跨距离单元和多普勒单元的能量相参积累，积累增益高；
(2)该方法是一种非参数搜索的方法，运算效率大大提高；
(3)该方法可通过峰值估计目标的运动参数。
附图说明
附图是一种雷达机动目标跨距离和多普勒单元快速相参积累检测方法的实施流程图。
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。参照说明书附图，本发明的处理流程分以下步骤：
1)雷达脉压后的慢时间维数据进行时间反转运算，消除相位奇数阶项
设雷达接收的基带回波信号表示为
Figure BDA0001956924710000021
式中，t为快时间，表示距离信息，tm为脉间慢时间，sr(t,tm)为基带回波信号，A1是回波幅度，K为发射信号调频率，Tp为脉冲长度，Rs(tm)为雷达与目标的径向距离，c0代表光速，2Rs(tm)/c为回波延迟，λ为信号波长，对式(1)进行距离脉冲压缩，得到脉压后的雷达回波二维数据sPC(t,tm)，
Figure BDA0001956924710000022
式中，A2为信号幅度，B为发射信号带宽，假设目标朝向雷达运动，且仅考虑径向速度分量，则目标的距离走动为慢时间的多项式函数，采用三阶多项式描述机动目标的运动，
Figure BDA0001956924710000023
式中，r0表示初始距离，v0、as、gs为矢量，分别代表目标运动初速度、加速度和急动度。
由式(2)可知，第一项sinc函数表示距离走动，在长时间观测条件下，目标包络的峰值位置会随慢时间变化而偏移，当偏移量大于雷达距离单元时，将产生距离徙动效应，目标能量将部分泄露到相邻的距离单元中；第二个指数项表示多普勒信息，机动目标的高阶调频分量将会引起回波多普勒展宽，当多普勒频率跨越多个多普勒单元时，便会产生多普勒徙动效应。
对式(2)在脉间慢时间进行时间反转，
Figure BDA0001956924710000024
将式(3)与sPC(t,tm)在相同快时间ti进行相乘运算，
Figure BDA0001956924710000031
式中，Ai为信号幅值，由式(4)可知，奇数阶相位项得以消除，仅保留了二次项相位。
2)二阶匹配傅立叶变换，估计二阶相位参数
定义函数x(t)的二阶匹配傅里叶变换为
Figure BDA0001956924710000032
式中，T为时长，ω为角频率，对y(ti,tm)式(4)做关于慢时间二阶相位项的匹配傅里叶变换，
Figure BDA0001956924710000033
式中，可根据峰值位置ai得到ti时的加速度估计，
Figure BDA0001956924710000034
3)快时间维傅里叶变换，得到距离频率-慢时间二维数据，并对二阶相位补偿
沿快时间对sPC(t,tm)进行傅里叶变换，得到距离频率-脉间慢时间二维数据，
Figure BDA0001956924710000035
式中，A3为信号幅度，fc为发射信号载频，f为距离频率。
构造慢时间二阶相位补偿函数为
Figure BDA0001956924710000036
与
Figure BDA0001956924710000037
相乘得到
Figure BDA0001956924710000038
二阶相位参数估计值
Figure BDA0001956924710000039
与真实值as相近，则
Figure BDA00019569247100000310
4)慢时间维相位差分降阶运算，并进行二阶Keystone变换，完成高阶距离走动补偿
定义相位差分降阶运算，
Figure BDA00019569247100000311
式中，τ0为常数，代表固定的时间延迟，*表示复共轭，则
Figure BDA00019569247100000312
令
Figure BDA0001956924710000041
为二阶Keystone变换，tn为新的慢时间变量，则式(5)改写为
Figure BDA0001956924710000042
由式(6)可知，经过二阶Keystone变换运算后，得到了关于(f,tn)的二维函数，f和tn不存在耦合关系，从而实现了高阶距离走动的补偿。
5)距离频率维逆傅里叶变换，慢时间傅里叶变换，完成跨单元相参积累
对式(6)分别进行距离频率f逆傅里叶变换，慢时间tn傅里叶变换，
Figure BDA0001956924710000043
式中，
Figure BDA0001956924710000044
表示跨单元相参积累后的二维数据，
Figure BDA0001956924710000045
表示对tn进行傅里叶变换，IFT()|f表示对f进行逆傅里叶变换，ALTCI表示幅度，Tn为积累时长。
6)构造检测统计量，进行机动目标检测
由式(7)可知，若存在机动目标，将在
Figure BDA0001956924710000046
二维平面形成峰值，取
Figure BDA0001956924710000047
幅值作为检测统计量，并与检测门限进行比较，判决机动目标的有无，
Figure BDA0001956924710000048
式中，η为检测门限。
7)机动目标运动参数估计
设超过检测门限的
Figure BDA0001956924710000049
平面内第i个目标峰值坐标为
Figure BDA00019569247100000410
Figure BDA00019569247100000411
式中，
Figure BDA00019569247100000412
和
Figure BDA00019569247100000413
分别为第i个目标的初速度和急动度的估计，则
Figure BDA00019569247100000414

Claims (9)

1.一种雷达机动目标跨距离和多普勒单元快速相参积累检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、雷达脉压后的二维数据在慢时间维进行时间反转运算，得到消除奇数阶相位项数据；
步骤二、对所述消除项数据进行二阶匹配傅立叶变换，估计二阶相位参数，得到估计后数据；
步骤三、对所述雷达脉压后的二维数据在快时间维进行傅里叶变换，得到距离频率-慢时间二维数据，并对所述距离频率-慢时间二维数据进行二阶相位补偿，得到补偿后数据；
步骤四、对所述补偿后数据进行慢时间维相位差分降阶运算，并进行二阶Keystone变换，得到变换后二维函数；
步骤五、对所述变换后二维函数进行距离频率维逆傅里叶变换，慢时间维傅里叶变换，得到跨单元相参积累后二维数据；
步骤六、将所述跨单元相参积累后二维数据的幅值作为检测统计量，进行机动目标检测。
2.根据权利要求1所述的一种雷达机动目标跨距离和多普勒单元快速相参积累检测方法，其特征在于，步骤一所述的消除相位奇数阶项方法为：
对雷达回波进行脉冲压缩，得到关于快时间t-慢时间tm的二维数据sPC(t,tm)，在慢时间进行时间反转，得到sPC(t,-tm)，与sPC(t,tm)在相同快时间ti进行相乘运算，
y(ti,tm)＝sPC(ti,tm)sPC(ti,-tm)
消除奇数阶相位项。
3.根据权利要求2所述的一种雷达机动目标跨距离和多普勒单元快速相参积累检测方法，其特征在于，步骤二所述的二阶相位参数估计方法为：
定义函数x(t)的二阶匹配傅里叶变换为
Figure FDA0003620789750000021
式中，T为时长，ω为角频率，对y(ti,tm)做关于慢时间二阶相位项的匹配傅里叶变换，
Figure FDA0003620789750000022
式中，Ai为信号幅值，λ为信号波长，可根据峰值位置ai得到ti时的加速度估计，
Figure FDA0003620789750000023
4.根据权利要求3所述的一种雷达机动目标跨距离和多普勒单元快速相参积累检测方法，其特征在于，步骤三所述的二阶相位补偿方法为：
构造慢时间二阶相位补偿函数为
Figure FDA0003620789750000024
式中，c0代表光速，fc为发射信号载频，f为距离频率，
Figure FDA0003620789750000025
为二阶相位参数目标运动加速度的估计值，沿快时间对sPC(t,tm)进行傅里叶变换，得到距离频率-脉间慢时间二维数据并与H1(f,tm)相乘
Figure FDA0003620789750000031
实现二阶相位补偿。
5.根据权利要求4所述的一种雷达机动目标跨距离和多普勒单元快速相参积累检测方法，其特征在于，步骤四所述的相位差分降阶运算为：
定义相位差分降阶运算，
Figure FDA0003620789750000032
式中，τ0为常数，代表固定的时间延迟，*表示复共轭。
6.根据权利要求5所述的一种雷达机动目标跨距离和多普勒单元快速相参积累检测方法，其特征在于，步骤四所述的二阶Keystone变换为：
令
Figure FDA0003620789750000033
为二阶Keystone变换，tn为新的慢时间变量。
7.根据权利要求6所述的一种雷达机动目标跨距离和多普勒单元快速相参积累检测方法，其特征在于，步骤五所述的跨单元相参积累方法为：
对步骤四的输出分别进行距离频率f逆傅里叶变换，慢时间tn傅里叶变换，
Figure FDA0003620789750000034
式中，
Figure FDA0003620789750000035
表示跨单元相参积累后的二维数据，
Figure FDA0003620789750000036
表示对tn进行傅里叶变换，IFT()|f表示对f进行逆傅里叶变换。
8.根据权利要求7所述的一种雷达机动目标跨距离和多普勒单元快速相参积累检测方法，其特征在于，步骤六所述的机动目标检测方法为：
若存在机动目标，将在
Figure FDA0003620789750000041
二维平面形成峰值，取
Figure FDA0003620789750000042
幅值作为检测统计量，并与检测门限进行比较，判决机动目标的有无，
Figure FDA0003620789750000043
式中，η为检测门限。
9.根据权利要求8所述的一种雷达机动目标跨距离和多普勒单元快速相参积累检测方法，其特征在于，在进行机动目标检测后，还进行目标运动参数估计，其方法具体为：
设超过检测门限的
Figure FDA0003620789750000044
平面内第i个目标峰值坐标为
Figure FDA0003620789750000045
Figure FDA0003620789750000046
式中，
Figure FDA0003620789750000047
和
Figure FDA0003620789750000048
分别为第i个目标的初速度和急动度的估计，则
Figure FDA0003620789750000049
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