CN109633622B - 基于时间反转二阶Keystone变换的雷达机动目标跨单元积累方法 - Google Patents

基于时间反转二阶Keystone变换的雷达机动目标跨单元积累方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于时间反转二阶Keystone变换的雷达机动目标跨单元积累方法，属于雷达信号处理领域。首先，沿快时间对脉压后的雷达数据进行傅里叶变换，得到回波距离频率‑慢时间二维数据；其次，对慢时间维数据进行时间反转运算；然后，慢时间维进行二阶Keystone变换，完成高阶距离走动补偿；最后，距离频率维进行逆傅里叶变换，慢时间维进行二阶匹配傅里叶变换，完成跨单元相参积累。本发明能补偿高阶运动带来的非线性距离走动，无需多维运动参数搜索匹配计算，简单高效，无交叉项的影响，从而提高雷达对高速或高机动的检测能力，具有工程应用价值。

Description

基于时间反转二阶Keystone变换的雷达机动目标跨单元积累 方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理领域，更具体地，本发明涉及一种基于时间反转二阶Keystone 变换的雷达机动目标跨单元积累方法，可实现雷达机动目标高效长时间相参积累。
背景技术
随着雷达分辨力的不断提高，以及目标机动能力的增强，高速高机动目标的检测成为雷达信号处理的关键技术之一，如高超声速飞行器，其飞行速度超过5倍音速，是典型的高速高机动目标，往往在短时间内就跨越多个雷达距离单元，传统逐个距离单元积累检测的方法失效；高海况条件下海面舰船目标，由于目标随海浪起伏运动，使得回波多普勒具有明显的时变特性，传统的频域处理方法难以有效积累目标能量，并且受海杂波的影响，目标回波极其微弱，可提高积累脉冲数以改善积累增益。因此，对于高速高机动目标的检测问题，其关键技术就是如何实现跨距离和多普勒单元条件下的长时间能量积累，也就是同时补偿距离和多普勒走动的问题。目前，该领域技术的主要解决思路和存在的问题有：
一是，分步补偿法，即先补偿距离走动，再采用变换域处理方法匹配时变的多普勒信号，最典型的距离走动补偿方法为Keystone变换法，这种方法能够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。但该类方法仅能补偿一阶距离走动，即匀速运动导致的距离走动，对于高阶机动目标信号，其距离走动体现为高阶多项式，难以有效补偿；并且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。
二是，参数搜索的长时间相参积累方法，最典型的是Radon-傅里叶变换和Radon-分数阶傅里叶变换，该算法是通过在速度/加速度-距离域的多维联合搜索实现一阶/高阶距离徙动的校正同时获得目标的能量积累，尽管能够实现距离走动和多普勒走动的联合补偿，但需要遍历参数搜索，运算量较大，难以满足雷达实时信号处理的要求。
三是，对于高阶运动，采用逐次降阶，直至降为傅里叶变换处理的一阶相位信号，但每一次降阶均会产生交叉项，尤其是在多分量信号或低信噪比/信杂比条件下，杂波和多分量信号之间将产生交叉项，从而影响了积累效果和参数估计精度。
因此，针对高阶机动目标的长时间积累，由于跨单元和脉冲数多的特点，亟需设计一种能够同时补偿距离和多普勒走动，无参数搜索的快速跨单元积累方法，从而提高雷达对高速或高机动的检测能力。
发明内容
本发明的目的在于改善雷达对高速或高机动目标的积累增益，实现机动目标快速检测，提出一种基于时间反转二阶Keystone变换的雷达机动目标跨单元积累方法。其中要解决的技术问题包括：
(1)分步补偿方法，多采用Keystone变换法+变换域处理的思路，仅能补偿一阶距离走动，后续多普勒走动补偿的效果受距离走动补偿结果影响，能量发散或积累增益较低；
(2)参数搜索的长时间相参积累方法需要遍历参数搜索，运算量较大，难以满足雷达实时信号处理的要求；
(3)逐次降阶相参积累法，杂波和多分量信号之间将产生交叉项，从而影响了积累效果和参数估计精度。
本发明所述的基于时间反转二阶Keystone变换的雷达机动目标跨单元积累方法，其特征在于包括以下技术措施：
步骤一、沿快时间对脉压后的雷达数据进行傅里叶变换，得到回波距离频率-慢时间二维数据；
步骤二，对慢时间维数据进行时间反转运算，并与步骤一的输出相乘；
步骤三、慢时间维进行二阶Keystone变换，完成高阶距离走动补偿；
步骤四、距离频率维进行逆傅里叶变换，慢时间维进行二阶匹配傅里叶变换，完成跨单元相参积累。
对比现有技术，本技术方案所述的基于时间反转二阶Keystone变换的雷达机动目标跨单元积累方法，有益效果在于：
(1)该方法能够补偿高阶运动带来的非线性距离走动；
(2)该方法无需多维运动参数搜索匹配计算，运算效率显著提高；
(3)该方法简单高效，无交叉项的影响，适合工程应用。
附图说明
图1是基于时间反转二阶Keystone变换的雷达机动目标跨单元积累方法的实施流程图。
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)沿快时间对脉压后的雷达数据进行傅里叶变换，得到距离频率-脉间慢时间二维数据
设雷达发射线性调频信号，接收的基带回波信号表示为
Figure BDA0001957061860000021
式中，t为脉内快时间，tm为脉间慢时间，sr(t,tm)为基带回波信号，A1是回波幅度，K为发射的线性调频信号调频斜率，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，进行距离快时间脉冲压缩，得到脉内积累后的雷达回波数据sPC(t,tm)，
Figure BDA0001957061860000031
式中，A2为脉压后信号幅度，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，机动目标的运动形式近似为三阶多项式，
Figure BDA0001957061860000032
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(1)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。
沿快时间对脉压后的雷达数据进行傅里叶变换，得到距离频率-脉间慢时间二维数据，
Figure BDA0001957061860000033
式中，A3为信号幅度，fc为发射信号载频，f为距离频率。
2)对慢时间维数据进行时间反转运算，并与步骤一的输出相乘
对式(2)在慢时间进行时间反转运算，
Figure BDA0001957061860000034
将式(3)与SPC(f,tm)相乘，
Figure BDA0001957061860000035
式中，A4为信号幅度。
3)二阶Keystone变换距离频率和慢时间解耦，进行高阶距离走动补偿
令
Figure BDA0001957061860000036
为二阶Keystone变换，tn为新的慢时间变量，则式(4)改写为
Figure BDA0001957061860000037
由式(5)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。
4)距离频率维进行逆傅里叶变换，慢时间维进行二阶匹配傅里叶变换，完成跨单元相参积累
定义函数x(t)的二阶傅里叶变换为
Figure BDA0001957061860000041
式中，T为时长，ω为角频率。
对式(5)分别进行距离频率f逆傅里叶变换，慢时间tn进行二阶匹配傅里叶变换，
Figure BDA0001957061860000042
式中，ALTCI表示相参积累幅值，Tn为积累时长，
Figure BDA0001957061860000043
表示跨单元相参积累后的二维数据，IFT()|f表示对f进行逆傅里叶变换，
Figure BDA0001957061860000044
表示对tn进行二阶傅里叶变换，由式(6)可知，若回波信号存在机动目标，将在
Figure BDA0001957061860000045
二维平面形成峰值，峰值位置表示机动目标的初始距离和加速度，从而实现了高阶机动目标跨距离和多普勒单元的走动补偿，完成长时间相参积累。

Claims (2)

1.基于时间反转二阶Keystone变换的雷达机动目标跨单元积累方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、沿快时间对脉压后的雷达数据进行傅里叶变换，得到回波距离频率-慢时间二维数据；
步骤二，对慢时间维数据进行时间反转运算，并与步骤一的输出相乘；
步骤三、慢时间维进行二阶Keystone变换，完成高阶距离走动补偿；
步骤四、距离频率维进行逆傅里叶变换，慢时间维进行二阶匹配傅里叶变换，完成跨单元相参积累；
步骤二所述的慢时间维数据时间反转运算为：
对慢时间维数据进行时间反转运算，SPC(f,-tm)，其中SPC(f,tm)表示沿快时间对脉压后的雷达数据进行傅里叶变换得到的距离频率f-脉间慢时间tm二维数据
Figure FDA0003780532070000011
式中，A3为信号幅度，fc为发射信号载频，c0代表光速，B为发射信号带宽，Rs(tm)为雷达与目标的径向距离，
Figure FDA0003780532070000012
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；
步骤三所述的高阶距离走动补偿方法为：
步骤二的输出为
y(f,tm)＝SPC(f,tm)SPC(f,-tm)
令
Figure FDA0003780532070000013
为二阶Keystone变换，tn为新的慢时间变量，y(f,tn)中f和tn不存在耦合关系，完成高阶距离走动补偿；
其中，步骤四所述的二阶匹配傅里叶变换为：
定义函数x(t)的二阶傅里叶变换为
Figure FDA0003780532070000014
式中，T为时长，ω为角频率。
2.根据权利要求1所述的基于时间反转二阶Keystone变换的雷达机动目标跨单元积累方法，其特征在于，步骤四所述的跨单元相参积累方法为：
对步骤三的输出分别进行距离频率f逆傅里叶变换，慢时间tn进行二阶匹配傅里叶变换，
Figure FDA0003780532070000021
式中，
Figure FDA0003780532070000022
表示跨单元相参积累后的二维数据，IFT()|f表示对f进行逆傅里叶变换，
Figure FDA0003780532070000023
表示对tn进行二阶傅里叶变换，若回波信号存在机动目标，将在
Figure FDA0003780532070000024
二维平面形成峰值，实现机动目标跨单元的相参积累。
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