CN109581318A - 基于时间反转非均匀采样的雷达高机动目标相参积累检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于时间反转非均匀采样的雷达高机动目标相参积累检测方法，属于雷达信号处理和检测技术领域。首先，雷达回波脉压，时间反转匹配傅立叶变换，慢时间二阶相位补偿；快时间维傅立叶变换，得到距离频率‑慢时间数据，频率二阶相位补偿；然后，进行非均匀采样降阶和变标尺度变换；分别在距离频率和时间维进行逆傅里叶变换和傅立叶变换，实现长时间相参积累；最后，构造检测统计量，进行机动目标检测和估计。本发明能有效积累具有高阶相位的机动目标信号，同时补偿距离和多普勒走动，提高雷达机动目标检测能力；同时，降低了传统逐次降阶法的交叉项影响，提高了参数估计精度；无需多维运动参数搜索匹配计算，降低运算量，适合工程应用。

Description

基于时间反转非均匀采样的雷达高机动目标相参积累检测 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，本发明涉及一种基于时间反转非均匀采样的雷达高机动目标相参积累检测方法，可用于雷达对机动目标快速检测和估计。

背景技术

对机动目标的检测和参数估计始终是雷达信号处理中的关键技术和难点，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。此外，雷达机动目标检测通常采用相参积累的途径，长时间相参积累是实现高积累增益的有效途径，但长时间积累存在两个方面的问题。一是，目标的高机动使得目标回波包络在不同脉冲周期之间走动和弯曲，产生距离徙动效应，使目标能量在距离向分散；二是，高阶多项式相位形式，目标的多普勒频率将跨越多个多普勒单元，产生多普勒徙动效应，使得目标能量在频域分散，降低了相参积累增益。因此，对机动目标的积累检测和估计需补偿距离和多普勒走动。目前，该领域技术存在的主要问题有：

1)分段或分步积累方法，积累增益有限，无法应对强杂波背景和机动目标的复杂运动形式，后续多普勒走动补偿的效果受距离走动补偿结果影响，容易造成目标多普勒能量扩散，运动参数估计精度较差。

2)基于参数搜索的长时间相参积累方法，需要多维参数搜索，但对高机动目标高阶多项式相位信号，其运动参数维度很高，导致多维参数搜索运算量很大，难以适合工程应用。

3)基于降阶的机动目标积累检测方法，多采用相关逐次降阶，每一次降阶均会产生交叉项，从而影响了积累效果和参数估计精度。

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，实现高效、高检测性能、高精度的机动目标检测和参数估计，提出一种基于时间反转非均匀采样的雷达高机动目标相参积累检测方法。其中要解决的技术问题包括：

(1)分段或分步积累方法，积累增益有限，无法应对强杂波背景和机动目标的复杂运动形式，后续多普勒走动补偿的效果受距离走动补偿结果影响，运动参数估计精度较差；

(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；

(3)传统相关逐次降阶相参积累法，每一次降阶会产生交叉项，严重影响积累效果和参数估计精度。

本发明所述的基于时间反转非均匀采样的雷达高机动目标相参积累检测方法，其特征在于包括以下技术措施：

步骤一、雷达回波脉冲压缩，得到快时间-慢时间二维数据；

步骤二、对慢时间维数据进行时间反转匹配傅立叶变换，估计二阶相位参数，并对慢时间二阶相位补偿；

步骤三、对快时间维进行傅里叶变换，得到距离频率-慢时间二维数据，并对频率二阶相位补偿；

步骤四、慢时间维进行非均匀采样降阶运算和变标尺度变换；

步骤五、距离频率维逆傅里叶变换，变标尺度变换后的时间变量维傅里叶变换；

步骤六、构造检测统计量，进行机动目标检测。

对比现有技术，本技术方案所述的基于时间反转非均匀采样的雷达高机动目标相参积累检测方法，有益效果在于：

(1)该方法能够有效积累具有高阶相位的机动目标，同时补偿距离和多普勒走动；

(2)该方法可实现高阶相位信号的快速降阶，降低了交叉项的影响，参数估计精度高；

(3)该方法无需多维运动参数搜索匹配计算，运算效率提高。

附图说明

附图1是基于时间反转非均匀采样的雷达高机动目标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)雷达回波脉冲压缩，得到快时间-慢时间二维数据

设雷达发射线性调频信号，接收的基带回波信号表示为

式中，t为快时间，表示距离信息，t_m为脉间慢时间，s_r(t,t_m)为基带回波信号，A_r是回波幅度，K为发射的线性调频信号调频斜率，T_p为脉冲长度，R_s(t_m)为雷达与目标的径向距离，c₀代表光速，2R_s(t_m)/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

式中，A_PC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，三阶多项式可描述大部分的机动目标的运动，

式中，r₀表示初始距离，v₀、a_s、g_s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。

2)对慢时间维数据进行时间反转匹配傅立叶变换，估计二阶相位参数，并对慢时间二阶相位进行补偿

对式(2)在脉间慢时间进行时间反转，

将式(3)与在相同快时间t＝t_i进行相乘运算，

式中，A_i为信号幅值，对二次项慢时间进行匹配傅里叶变换，

式中，表示对进行傅里叶变换，可根据峰值位置得到t＝t_i时的加速度估计，

构造慢时间二阶相位补偿函数为

与脉压后的雷达回波数据相乘

二阶相位参数估计值与真实值相近，令则式(4)可改写为

由式(5)可知，信号相位仅包含一阶和三阶相位。

3)对快时间维进行傅里叶变换，得到距离频率-慢时间二维数据，并对频率二阶相位进行补偿

对沿快时间距离向进行傅里叶变换，得到距离频率-慢时间二维数据，

式中，A₁为信号幅值，f_c为发射信号载频，f为距离频率，构造频率二阶相位补偿函数

与相乘，实现频率二阶相位补偿

4)非均匀采样降阶运算

非均匀采样降阶运算定义为

式中，t'_m为非均匀采样后的慢时间，t_p为非均匀采样时间区间的中心，c为尺度因子，控制非均匀采样的密度，τ_m为新的时间变量。则通过式(8)的运算，

式中，A₂为信号幅值，由式(8)可知，第一个指数项仅与距离频率f有关，第二个指数项则体现机动目标回波相位，由关于t_m的三阶多项式，降阶为关于新的时间变量τ_m的一次项表示式。

5)变标尺度变换

由于S(f,τ_m)中距离频率f和τ_m具有线性耦合关系，仍存在距离走动效应，为消除两者之间的耦合，对时间坐标轴进行尺度变换，称为变标尺度变换，

式中，q为尺度变换因子，为保证参数无模糊估计，通常qf_c＝1，τ'_m为变标尺度变换后的时间变量，因此，式(8)可改写为

由式(10)可知，经过慢时间非均匀采样降阶运算以及变标尺度变换后，得到了关于(f,τ'_m)的二维函数，不存在耦合，且为一次项。

6)动目标信号跨距离和多普勒单元相参积累

对式(10)分别进行时间变量τ'_m傅里叶变换，距离频率f逆傅里叶变换，实现机动目标信号的相参积累，

式中，表示长时间相参积累后的二维数据，表示对τ'_m进行傅里叶变换， IFT()|_f表示对f进行逆傅里叶变换，A_LTCI表示长时间相参积累幅值，T_n为积累时长。

7)构造检测统计量，进行机动目标检测

由式(11)可知，若存在机动目标，将在二维平面形成峰值，取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，

式中，η为检测门限。

8)机动目标运动参数估计

设超过检测门限的平面内第i个目标峰值坐标为

式中，和分别为第i个目标的初始距离、初速度和急动度的估计，和可通过联立两个方程计算得出，

和

Claims (9)

1.基于时间反转非均匀采样的雷达高机动目标相参积累检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、雷达回波脉冲压缩，得到快时间-慢时间二维数据；

步骤二、对慢时间维数据进行时间反转匹配傅立叶变换，估计二阶相位参数，并对慢时间二阶相位补偿；

步骤三、对快时间维进行傅里叶变换，得到距离频率-慢时间二维数据，并对频率二阶相位补偿；

步骤四、慢时间维进行非均匀采样降阶运算和变标尺度变换；

步骤五、距离频率维逆傅里叶变换，变标尺度变换后的时间变量维傅里叶变换；

步骤六、构造检测统计量，进行机动目标检测。

2.根据权利要求1所述的基于时间反转非均匀采样的雷达高机动目标相参积累检测方法，其特征在于，步骤二所述的时间反转匹配傅立叶变换为：

对雷达回波进行脉冲压缩，得到关于快时间t-慢时间t_m的二维数据对其在慢时间进行时间反转与在相同快时间t＝t_i进行相乘运算，

式中，A_i为信号幅值，对二次项慢时间进行匹配傅里叶变换，

式中，表示对进行傅里叶变换。

3.根据权利要求2所述的基于时间反转非均匀采样的雷达高机动目标相参积累检测方法，其特征在于，步骤二所述的慢时间二阶相位补偿方法为：

构造慢时间二阶相位补偿函数为

式中，λ为信号波长，为时间反转匹配傅立叶变换得到的加速度估计，与相乘，

实现慢时间二阶相位补偿。

4.根据权利要求3所述的基于时间反转非均匀采样的雷达高机动目标相参积累检测方法，其特征在于，步骤三所述的频率二阶相位补偿方法为：

对沿快时间距离向进行傅里叶变换，得到距离频率f-慢时间t_m二维数据构造频率二阶相位补偿函数

式中，c₀代表光速，与相乘，

实现频率二阶相位补偿。

5.根据权利要求4所述的基于时间反转非均匀采样的雷达高机动目标相参积累检测方法，其特征在于，步骤四所述的非均匀采样降阶运算为：

非均匀采样降阶运算定义为

式中，t'_m为非均匀采样后的慢时间，t_p为非均匀采样时间区间的中心，c为尺度因子，控制非均匀采样的密度，τ_m为新的时间变量。

6.根据权利要求5所述的基于时间反转非均匀采样的雷达高机动目标相参积累检测方法，其特征在于，步骤四所述的变标尺度变换为：

变标尺度变换定义为，

式中，q为尺度变换因子，f_c为发射信号载频，τ'_m为变标尺度变换后的时间变量。

7.根据权利要求6所述的基于时间反转非均匀采样的雷达高机动目标相参积累检测方法，其特征在于，步骤五所述的距离频率维逆傅里叶变换，变标尺度变换后的时间变量维傅里叶变换方法为：

对步骤四的输出分别进行时间变量τ'_m傅里叶变换，距离频率f逆傅里叶变换，实现机动目标能量的二维积累

式中，表示长时间相参积累后的二维数据，表示对τ'_m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所述的基于时间反转非均匀采样的雷达高机动目标相参积累检测方法，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，将在二维平面形成峰值，取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，

式中，η为检测门限。

9.根据权利要求8所述的基于时间反转非均匀采样的雷达高机动目标相参积累检测方法，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：

设超过检测门限的平面内第i个目标峰值坐标为

式中，和分别为第i个目标的初始距离、初速度和急动度的估计，和可通过联立两个方程计算得出，

和