CN109613507B - 一种针对高阶机动目标雷达回波的检测方法 - Google Patents

一种针对高阶机动目标雷达回波的检测方法 Download PDF

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CN109613507B CN201811569956.8A CN201811569956A CN109613507B CN 109613507 B CN109613507 B CN 109613507B CN 201811569956 A CN201811569956 A CN 201811569956A CN 109613507 B CN109613507 B CN 109613507B
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Abstract

本发明公开了一种针对高阶机动目标雷达回波的检测方法，该方法首先采用子带双频共轭处理降低合成信号的等效频率，然后通过对距离、速度、加速度和加加速度的联合搜索实现对合成信号的数据抽取，再沿抽取的运动轨迹采用调频率‑二次调频率变换进行相参积累，该方法能够同时实现距离徙动校正和多普勒扩散补偿，从而获得精确的参数估计结果。

Description

一种针对高阶机动目标雷达回波的检测方法
技术领域
本发明属于雷达测量技术领域，具体涉及一种针对高阶机动目标雷达回波的检测方法。
背景技术
因在通信、声纳和电子情报侦察等领域的广泛应用，高速机动目标的长时间积累和参数估计问题越来越受到重视。但是在长时间积累过程中，高速机动目标出现的距离徙动和多普勒扩散问题会引入积累损失，进而影响目标参数估计精度。在1990年《Proceedings of the IEEE 1990 National Aerospace and Electronics Conference》第210页至214页，Wu X等人发表的“Simultaneous imaging of multiple targets in aninverse synthetic aperture radar”一文中提出了对多目标采用最大似然估计方法进行参数估计和运动补偿，虽然能提供较高的多目标分辨能力，但需要进行多维参数搜索，计算量大。在2012年《IEEE Transactions on Signal Processing》第60卷第12期第6190页至6201页，Xu J等人发表的“Radon-Fourier transform for radar target detection(I):generalized Doppler filter bank”一文中提出了一种新的积累算法—检测前聚焦算法，该算法可同时解决运动目标的距离徙动和多普勒扩散问题，实现相参积累。但是，该算法盲速旁瓣问题突出，严重影响目标的能量积累，并且由于需要对多维参数进行联合搜索，计算量巨大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种针对高阶机动目标雷达回波的检测方法，能够对目标的距离徙动和多普勒扩散进行补偿，同时能够解决盲速旁瓣问题并获得精确的参数估计结果。
一种针对高阶机动目标雷达回波的检测方法，包括如下步骤：
步骤1、对雷达回波数据进行脉压处理，具体方法如下：
假设观测场景中存在K个点目标，针对第k个目标，雷达发射线性调频信号表达式为：
Figure GDA0002882483270000021
其中，
Figure GDA0002882483270000022
Tp为脉冲宽度，fc为载波频率，γ为调频斜率，τ为快时间，即距离时间，t为慢时间，且t＝nT，n＝0,1,....N-1，N为相参积累时间内发射的脉冲数，T为脉冲重复周期；
雷达接收信号经下变频和距离脉冲压缩处理后变为：
Figure GDA0002882483270000023
其中，σ0k为目标的反射系数，G为距离压缩增益，B为线性调频信号带宽，c为光速，sinc(x)＝sin(x)/x，λ＝c/fc为波长。
忽略目标的三阶以上运动参数引起的距离徙动和多普勒频谱展宽，雷达到第k个点目标的瞬时斜距
Figure GDA0002882483270000026
为：
Figure GDA0002882483270000024
其中目标在t0时刻的距离、速度、加速度和加加速度的3阶运动参数为
Figure GDA0002882483270000025
将式(3)代入式(2)得：
Figure GDA0002882483270000031
步骤2、首先将式(2)变换到距离频率域，并将其分为两个子带信号，使得其中一个子信号的频域范围为
Figure GDA0002882483270000032
另一个子信号的频域范围为
Figure GDA0002882483270000033
然后分别将这两个信号进行距离向频移Δfr/2，得到两个子带信号经过距离向频移后的时域信号分别为：
Figure GDA0002882483270000034
Figure GDA0002882483270000035
其中，Δfr表示两个子带信号中心频率之间的频率差；G1和G2分别为两子带信号的距离向脉压处理增益，且满足
Figure GDA0002882483270000036
对这两个子带信号进行共轭相乘，得到合成信号：
Figure GDA0002882483270000037
步骤3、将
Figure GDA0002882483270000041
代入公式(7)得：
Figure GDA0002882483270000042
其中，
Figure GDA0002882483270000047
是目标运动轨迹搜索方程，r0、v、a和
Figure GDA0002882483270000049
分别表示目标的初始距离、速度、加速及加加速度；
再把公式(3)代入(8)式得：
Figure GDA0002882483270000043
则K个目标的脉间多目标信号表达式为：
Figure GDA0002882483270000044
其中：
Figure GDA0002882483270000045
为各目标的后向散射系数，
Figure GDA0002882483270000048
为待估计的目标参数，满足
Figure GDA0002882483270000046
s'R(ta)的参数化瞬时自相关函数定义为：
Figure GDA0002882483270000051
其中，*表示取共轭；l为时延变量，
Figure GDA0002882483270000053
为与变标操作相关的固定时延；
Figure GDA0002882483270000054
表示瞬时自相关函数交叉相关项；
Figure GDA0002882483270000055
表示瞬时自相关函数的自相关项，表达式为：
Figure GDA0002882483270000056
对ta进行广义Keystone变换，变换表达式为：
Figure GDA0002882483270000057
其中t'a为变标后的时间变量，η为变标因子；
将式(14)代入式(12)得到：
Figure GDA0002882483270000058
对公式(15)进行离散傅里叶变换得：
Figure GDA0002882483270000059
将
Figure GDA00028824832700000510
代入(16)式得：
Figure GDA00028824832700000511
对式(16-1)采用非均匀傅里叶变换来完成信号能量积累，即：
Figure GDA0002882483270000061
其中，NUFFT(·)表示非均匀傅里叶变换算子；
步骤4、针对搜索参数r0、v、a和
Figure GDA0002882483270000062
在各自取值范围内任意取一个值，得到一个参数组合
Figure GDA0002882483270000066
将搜索参数r0、v、a和
Figure GDA0002882483270000063
代入到目标运动轨迹搜索方程
Figure GDA0002882483270000064
中，计算得到r(t)；然后返回步骤3，将r(t)的值代入到(8)式中，执行步骤3后最终得到式(17)的值；通过计算不同的搜索参数组合
Figure GDA0002882483270000065
得到r(t)并返回步骤3，得到各参数组合对应的式(17)的值，则得到的最大值对应的一组参数即为目标的参数值，实现目标检测。
本发明具有如下有益效果：
本发明针对脉冲多普勒体制下变加速运动目标模型，提出了一种针对高阶机动目标雷达回波的检测方法，该方法首先采用子带双频共轭处理降低合成信号的等效频率，然后通过对距离、速度、加速度和加加速度的联合搜索实现对合成信号的数据抽取，再沿抽取的运动轨迹采用调频率-二次调频率变换进行相参积累，该方法能够同时实现距离徙动校正和多普勒扩散补偿，从而获得精确的参数估计结果。
附图说明
图1为子带信号构造示意图；
图2为本发明一种针对高阶机动目标雷达回波的检测方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图2所示，本发明一种针对高阶机动目标雷达回波的检测方法，具体包括如下步骤：
步骤1、对回波数据进行脉压处理，具体方法如下:
假设观测场景中存在K个点目标。不失一般性，对第k个目标的回波模型进行分析。假设雷达发射线性调频信号为
Figure GDA0002882483270000071
其中
Figure GDA0002882483270000072
Tp为脉冲宽度，fc为载波频率，γ为调频斜率，τ为快时间，即距离时间，t为慢时间，且t＝nT,(n＝0,1,....N-1)，N为相参积累时间内发射的脉冲数，T为脉冲重复周期。
雷达接收信号经下变频和距离脉冲压缩处理后变为
Figure GDA0002882483270000073
其中σ0k为目标的反射系数，G为距离压缩增益，B为线性调频信号带宽，c为光速，sinc(x)＝sin(x)/x，λ＝c/fc为波长。
由于目标的三阶以上运动参数引起的距离徙动和多普勒频谱展宽均不会跨越一个相应的分辨单元，因此可以忽略。
Figure GDA0002882483270000076
为雷达到第k个点目标的瞬时斜距:
Figure GDA0002882483270000074
其中目标在t0时刻的距离、速度、加速度和加加速度的3阶运动参数为
Figure GDA0002882483270000075
将式(3)带入式(2)可得
Figure GDA0002882483270000081
步骤2:构造两子带信号，并对两子带信号进行子带双频共轭处理，具体方法如下:
首先将式(4)变换到距离频率域并将其分为两个子带信号，如图1所示，然后分别将这两个信号进行距离向频移Δfr/2，其中Δfr＝|fc1-fc2|表示两个子带信号中心频率之间的频率差。这两个子带信号经过距离向频移后的时域信号分别为
Figure GDA0002882483270000082
Figure GDA0002882483270000083
其中G1和G2分别为两子带信号的距离向脉压处理增益，且满足
Figure GDA0002882483270000084
对这两个子带信号进行共轭相乘，得到合成信号的自项表达式为：
Figure GDA0002882483270000091
可见，合成信号scomp(t,τ)的等效频率变为Δfr，且满足Δfr<<fc。
步骤3、将步骤2处理后的信号进行调频率-二次调频率变换处理，具体方法如下:
Figure GDA0002882483270000092
是目标运动轨迹搜索方程，将
Figure GDA0002882483270000093
带入公式(7)可得：
Figure GDA0002882483270000094
再把公式(3)代入上式可得：
Figure GDA0002882483270000095
上式可看成多项式相位信号。
由于K个目标同时存在，脉间多目标信号可视为多个多项式相位信号之和，表达式如下
Figure GDA0002882483270000096
其中：
Figure GDA0002882483270000101
为各目标的后向散射系数，ta＝t，
Figure GDA0002882483270000102
为待估计的目标参数，满足
Figure GDA0002882483270000103
由于满足Δfr<<fc，因此可以增大参数估计范围。
s'R(ta)的参数化瞬时自相关函数定义为：
Figure GDA0002882483270000104
其中，*表示取共轭；l为时延变量，
Figure GDA0002882483270000106
为与变标操作相关的固定时延；
Figure GDA0002882483270000107
表示瞬时自相关函数交叉相关项；
Figure GDA0002882483270000108
表示瞬时自相关函数的自相关项，表达式为：
Figure GDA0002882483270000109
ta和l之间存在的耦合，因此能量不能完全积累。为消除ta和l之间存在的耦合，进行广义Keystone变换，即
Figure GDA00028824832700001012
其中t'a为变标后的时间变量，η为变标因子。
将式(14)带入式(12)可得：
Figure GDA00028824832700001013
从式(15)可以看出，原时间变量ta和时延变量l之间的耦合被消除。对公式(15)进行离散傅里叶变换得：
Figure GDA0002882483270000111
将
Figure GDA0002882483270000112
代入上式得：
Figure GDA0002882483270000113
从式(16)可以看出，此时的信号能量沿直线
Figure GDA0002882483270000114
分布，沿l'轴即可进行能量的积累处理。由于l'轴数据为非均匀采样数据，为此需采用非均匀傅里叶变换来完成信号能量积累，即：
Figure GDA0002882483270000117
其中，NUFFT(·)表示非均匀傅里叶变换算子。
步骤4、针对搜索参数r0、v、a和
Figure GDA00028824832700001112
在各自取值范围内任意取一个值，得到一个参数组合
Figure GDA0002882483270000118
将搜索参数r0、v、a和
Figure GDA0002882483270000119
代入到目标运动轨迹搜索方程
Figure GDA00028824832700001110
中，计算得到r(t)；然后返回步骤3，将r(t)的值代入到(8)式中，执行步骤3后最终得到式(17)的值；通过计算不同的搜索参数组合
Figure GDA00028824832700001111
得到r(t)并返回步骤3，得到各参数组合对应的式(17)的值，则得到的最大值对应的一组参数即为目标的参数值，实现目标检测。
实施例：
本实例中，雷达系统仿真参数如下:载频fc＝10GHz,脉宽Tp＝100μs，线性调频带宽B＝150MHz,采样频率fs＝375MHz,脉冲重复频率PRF＝1000Hz，相参积累脉冲数N＝2048。仿真目标位置与运动参数如下:初始径向距离R01＝80km，R02＝80km，径向速度v1＝600m/s，v2＝550m/s，径向加速度a1＝50m/s2，a2＝60m/s2，径向加加速度
Figure GDA0002882483270000127
雷达接收到的两目标回波的原始信噪比为SNR1＝-22dB，SNR2＝-25dB。
本实施例的步骤如下:
步骤1、对回波数据进行脉压处理，得到：
Figure GDA0002882483270000121
步骤2、首先将式(2)变换到距离频率域，并将其分为两个子带信号，使得其中一个子信号的频域范围为
Figure GDA0002882483270000122
另一个子信号的频域范围为
Figure GDA0002882483270000123
然后分别将这两个信号进行距离向频移Δfr/2，得到两个子带信号经过距离向频移后的时域信号分别为：
Figure GDA0002882483270000124
Figure GDA0002882483270000125
步骤3、将
Figure GDA0002882483270000126
代入公式(7)得：
Figure GDA0002882483270000131
再把公式(3)代入(8)式得：
Figure GDA0002882483270000132
则K个目标的脉间多目标信号表达式为：
Figure GDA0002882483270000133
其中：
Figure GDA0002882483270000134
为各目标的后向散射系数，
Figure GDA0002882483270000135
为待估计的目标参数，满足
Figure GDA0002882483270000136
s'R(ta)的参数化瞬时自相关函数定义为：
Figure GDA0002882483270000137
Figure GDA0002882483270000138
表示瞬时自相关函数交叉相关项；
Figure GDA0002882483270000139
表示瞬时自相关函数的自相关项，表达式为：
Figure GDA0002882483270000141
对ta进行广义Keystone变换，变换表达式为：
Figure GDA0002882483270000142
其中t'a为变标后的时间变量，η为变标因子；
将式(14)代入式(12)得到：
Figure GDA0002882483270000143
对公式(15)进行离散傅里叶变换得：
Figure GDA0002882483270000144
将
Figure GDA0002882483270000145
代入(16)式得：
Figure GDA0002882483270000146
对式(16-1)采用非均匀傅里叶变换来完成信号能量积累，即：
Figure GDA0002882483270000147
其中，NUFFT(·)表示非均匀傅里叶变换算子；
步骤4、针对搜索参数r0、v、a和
Figure GDA0002882483270000148
在各自取值范围内任意取一个值，得到一个参数组合
Figure GDA0002882483270000151
将搜索参数r0、v、a和
Figure GDA0002882483270000152
代入到目标运动轨迹搜索方程
Figure GDA0002882483270000153
中，计算得到r(t)；然后返回步骤3，将r(t)的值代入到(8)式中，执行步骤3后最终得到式(17)的值；通过计算不同的搜索参数组合
Figure GDA0002882483270000154
得到r(t)并返回步骤3，得到各参数组合对应的式(17)的值，则得到的最大值对应的一组参数即为目标的参数值，实现目标检测。
本实施例中，经过不断的重复执行步骤3，最后得到2个目标的搜索参数：径向速度
Figure GDA0002882483270000155
径向加速度
Figure GDA0002882483270000156
Figure GDA0002882483270000157
径向加加速度
Figure GDA0002882483270000158
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种针对高阶机动目标雷达回波的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、对雷达回波数据进行脉压处理，具体方法如下：
假设观测场景中存在K个点目标，针对第k个目标，雷达发射线性调频信号表达式为：
Figure FDA0002833172700000011
其中，k＝1,2,...,K；
Figure FDA0002833172700000012
Tp为脉冲宽度，fc为载波频率，γ为调频斜率，τ为快时间，即距离时间，t为慢时间，且t＝nT，n＝0,1,....N-1，N为相参积累时间内发射的脉冲数，T为脉冲重复周期；
雷达接收信号经下变频和距离脉冲压缩处理后变为：
Figure FDA0002833172700000013
其中，σ0k为目标的反射系数，G为距离压缩增益，B为线性调频信号带宽，c为光速，sinc(x)＝sin(x)/x，λ＝c/fc为波长；
忽略目标的三阶以上运动参数引起的距离徙动和多普勒频谱展宽，雷达到第k个点目标的瞬时斜距
Figure FDA0002833172700000014
为：
Figure FDA0002833172700000015
其中目标在t0时刻的距离、速度、加速度和加加速度的3阶运动参数为
Figure FDA0002833172700000016
将式(3)代入式(2)得：
Figure FDA0002833172700000021
步骤2、首先将式(2)变换到距离频率域，并将其分为两个子带信号，使得其中一个子信号的频域范围为
Figure FDA0002833172700000022
另一个子信号的频域范围为
Figure FDA0002833172700000023
然后分别将这两个信号进行距离向频移Δfr/2，得到两个子带信号经过距离向频移后的时域信号分别为：
Figure FDA0002833172700000024
Figure FDA0002833172700000025
其中，Δfr表示两个子带信号中心频率之间的频率差；G1和G2分别为两子带信号的距离向脉压处理增益，且满足
Figure FDA0002833172700000026
对这两个子带信号进行共轭相乘，得到合成信号：
Figure FDA0002833172700000027
步骤3、将
Figure FDA0002833172700000028
代入公式(7)得：
Figure FDA0002833172700000031
其中，
Figure FDA0002833172700000032
是目标运动轨迹搜索方程，r0、v、a和
Figure FDA0002833172700000033
分别表示目标的初始距离、速度、加速及加加速度；
再把公式(3)代入(8)式得：
Figure FDA0002833172700000034
则K个目标的脉间多目标信号表达式为：
Figure FDA0002833172700000035
其中：
Figure FDA0002833172700000036
为各目标的后向散射系数，
Figure FDA0002833172700000037
为待估计的目标参数，满足
Figure FDA0002833172700000038
s'R(ta)的参数化瞬时自相关函数定义为：
Figure FDA0002833172700000039
其中，*表示取共轭；l为时延变量，
Figure FDA0002833172700000041
为与变标操作相关的固定时延；
Figure FDA00028331727000000411
表示瞬时自相关函数交叉相关项；
Figure FDA0002833172700000043
表示瞬时自相关函数的自相关项，表达式为：
Figure FDA0002833172700000044
对ta进行广义Keystone变换，变换表达式为：
Figure FDA0002833172700000045
其中t'a为变标后的时间变量，η为变标因子；
将式(14)代入式(12)得到：
Figure FDA0002833172700000046
对公式(15)进行离散傅里叶变换得：
Figure FDA0002833172700000047
将
Figure FDA0002833172700000048
代入(16)式得：
Figure FDA0002833172700000049
对式(16-1)采用非均匀傅里叶变换来完成信号能量积累，即：
Figure FDA00028331727000000410
其中，NUFFT(·)表示非均匀傅里叶变换算子；
步骤4、针对搜索参数r0、v、a和
Figure FDA0002833172700000051
在各自取值范围内任意取一个值，得到一个参数组合
Figure FDA0002833172700000052
将搜索参数r0、v、a和
Figure FDA0002833172700000053
代入到目标运动轨迹搜索方程
Figure FDA0002833172700000054
中，计算得到r(t)；然后返回步骤3，将r(t)的值代入到(8)式中，执行步骤3后最终得到式(17)的值；通过计算不同的搜索参数组合
Figure FDA0002833172700000055
得到r(t)并返回步骤3，得到各参数组合对应的式(17)的值，则得到的最大值对应的一组参数即为目标的参数值，实现目标检测。
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