CN109765540B - 一种频率步进体制米波雷达目标提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率步进体制米波雷达目标提取方法，本方法以米波雷达频率步进回波信号为研究对象，通过分析噪声、在不同运动状态下的目标信号的回波能量分布，并利用高分辨处理后其回波能量分布特征，实现信噪比最大化条件的目标的提取。基于信噪比最大化准则，本方法提出首先搜索高分辨处理结果最大值，并在此基础上以局部峰均比最小化为准则确定目标提取区间，从而实现目标的提取和虚假目标的抑制。相对传统方法，本方法运算复杂度小，易于工程实现。

Description

一种频率步进体制米波雷达目标提取方法

技术领域

本发明涉及一种雷达信号处理技术，特别涉及一种频率步进体制米波雷达目标提取方法。

背景技术

现代雷达在军事应用与民用领域中，提高其距离分辨力是一个重要发展方向。研究高分辨力雷达信号形式以及相应的信号处理方法，对提高雷达目标探测精度、多目标分辨以及目标成像与识别都有着重要意义。目前的高距离分辨率雷达技术主要包括：超宽带极窄脉冲雷达技术、线性调频脉冲雷达技术、相位编码脉冲雷达技术和脉冲步进频率雷达技术。其中脉冲步进频率技术的信号(stepped frequency pulses)是一种大时宽带宽信号，具有良好的距离分辨性能。步进频合成宽带技术是一种对目标高距离分辨处理的有效技术手段，它具有瞬时窄带，合成宽带的特点，对雷达的发射和信号处理平台的要求相对较低，可有效降低雷达系统的复杂程度和研制成本。

对于一个实用的步进频率体制距离高分辨率雷达系统而言，在处理机中采用目标抽取算法取得完备的一维距离高分辨结果是必须的。要得到真实的距离信息，就必须精确地按照一定的顺序，从所有采样点的IFFT结果中选取某些点，组成完备的一维距离高分辨处理结果。目前目标提取的主要方法有：舍弃法、选大法和累加法。

舍弃法是指，对于每一组IFFT结果来说，它包含‘距离新息’的长度就是r_s，所以只要在每组IFFT结果中取出长度为r_s的‘信息’并续接起来，就构成了最简单的‘舍弃’目标提取算法。运算简单是舍弃法的最大优点。舍弃法是将当前IFFT结果有效区的最开始部分作为‘距离新息’保留下来，这时目标刚刚进入当前采样点，通常幅度较小，降低了提取后的信噪比，这是舍弃法最主要的缺点。适当地调整抽取位置可以缓解这一问题，但根本的解决方法是采用其它目标抽取算法。

选大法的基本原理是对每个采样点只取出与脉宽τ相对应的长度，并与相邻的采样点提取的结果进行同距离比较，取出幅度较大的点作为提取结果。选大法在静目标条件下，可以很好地得到目标抽取结果，能获得最大值，且不会有伪峰。但是计算量较大，且在有距离走动时会出现伪峰。

累加法的数据抽取原则同选大法，其不同点是对于相邻采样点的冗余数据不采用选大而是进行同距离累加取平均。在静目标条件下，可以很好地得到目标抽取结果，并且通过累加可以有效降低噪声从而提高目标的信噪比，且不会有伪峰。缺点是计算量较大，且在有距离走动时会出现伪峰，而且相加后的物理意义不太明确。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供一种频率步进体制米波雷达的高距离分辨目标提取方法。

本发明的目的是设计一种性能稳定、逻辑简单、且适合工程实现的高距离分辨目标提取方法。

本发明方案的实施步骤如下：

步骤1，速度估计补偿：依据当前雷达回波数据统计目标运动速度，并对雷达回波数据做速度补偿处理；

步骤2，距离高分辨处理：对补偿后的单个频率步进周期内的雷达的回波复信号数据进行逆傅里叶变换IFFT；

步骤3，全局目标峰值搜索：在步骤2的逆傅里叶变换处理结果中搜索最大值点，并标记为目标峰值点；

步骤4，区域峰均比最小化：以目标峰值点为基准，在局部范围内以峰均比最小化为代价函数优化目标提取的最佳偏移量；

步骤5，目标提取区域计算：根据步骤4得到的最佳偏移量确定第n个采样点的目标提取范围；

步骤6，进行目标提取。

步骤1包括：

记当前雷达回波数据为

其中，e为自然底数，j为虚数单位，k＝1,2,…,K,n＝1,2,…,N，k为单个处理周期内的脉冲序列号，K为单个频率步进周期包含的脉冲数，n为单个处理周期内的采样点序列号，N为单个脉冲包含的采样点个数；f_k为第k个雷达脉冲回波的载波频率，f_d为目标的多普勒频率，T_s为采样周期，T_p为脉冲周期；用最小脉组误差法(参考文献：刘峥，张守宏，步进频率雷达目标的运动参数估计，《电子学报》，2000，28(3)：43-45)估计目标运动速度

则目标速度对应的多普勒频移

为

其中λ为波长；

然后用估计速度对雷达回波数据做速度补偿处理，补偿后的雷达回波数据为：

步骤1中，需要对原始高分辨处理结果做速度补偿。其作用是补偿雷达回波由于目标运动而产生的多普勒频移，减小在高距离分辨维上目标能量的发散和目标位置的偏移。

步骤2包括：对当前雷达的单个频率步进周期的回波复信号数据进行M点逆傅里叶IFFT变换，对第n个距离单元的变换结果为X_n(m)：X_n(m)＝IFFT(x_k(n))，m＝1,2...M。

步骤3包括：在步骤2的IFFT处理结果{X_n(m)}中搜索最大值点，并记目标峰值点即最大值点为X_j(i)；

步骤3中，对速度补偿后的N个原始距离单元的IFFT处理结果进行全局目标峰值搜索，从而确定峰均比优化区间，其作用是寻找目标所在位置的大致范围，一方面降低后续步骤的数据处理量，另一方面也通过缩小寻优区域，提高局部寻优算法的稳健性。

步骤4包括：

以目标峰值点为基准，能够确定目标回波的峰值在第j个原始距离单元的第i个高分辨距离单元，其中原始距离单元表示对雷达原始回波距离维采样得到的采样点，高分辨距离单元表示步骤2中IFFT处理后的距离维量化单元，以采样频率确定单个采样点的新息范围：

其中r_s为单个采样点的信息范围，Δr为高分辨距离单元长度，fix(·)为取整运算；在由i、j为中心，长度为L的搜索窗口，分别计算偏移量为L_m时的目标提取结果的能量均值

其中

表示偏移量为L_m时第n个采样点提取的总能量，偏移量下限L_start＝(((j-1)×L-i)modM)+1，偏移量上限L_end＝((j×L-i-1)modM)+1，mod为模运算符号；

然后求取能量均值

与前一步峰值能量X_j(i)²的比值

将该比值定义为峰均比，以峰均比最小化为代价函数优化目标提取的最佳偏移量，得到目标提取的最佳偏移量

步骤4中，根据全局目标峰值搜索结果，在局部范围内以峰均比最小化为代价函数优化目标提取的最佳偏移量，实现目标的有效提取。寻优区域的基准位置是由上一步目标峰值点确定的，而寻优区域的大小则由系统参数决定，具体而言其大小为单个采样点的新息长度。在局部范围内以峰均比最小化为代价函数优化目标提取的最佳偏移量的方法，避免了选大法等传统方法在运动目标提取时出现伪峰或丢失真实目标的风险。同时相对于循环移位等方法，本方法缩小了寻优范围从而降低了运算量，提高了算法速度。

步骤5包括：根据步骤4得到的最佳偏移量确定第n个采样点的目标提取范围为：(((n-1)×L+L_mmin)modM)+1～((n×L-1+L_mmin)modM)+1，

其中L为单个采样点的新息范围，L_mmin为最佳偏移量，M为逆傅里叶变换点数。

步骤6包括：按照提取区域提取并拼接目标，得到最终的高分辨处理结果{Y(p)}(p＝1,2,...,L*N)，其中，

fix(·)为取整运算。

步骤5、6中，按照提取区域提取并拼接目标，得到最终的高分辨处理结果。

在上述步骤5、6中，通过目标峰值点和最佳偏移量计算最佳目标提取区域来提取和拼接目标。可以避免如舍弃法等传统方法未提取到目标最大回波的问题，并且降低由于目标运动而提取到伪峰或丢失真实目标的风险。

本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：

1、能够稳定提取目标峰值：通过全局目标峰值搜索，确保对目标回波峰值点的提取，可以避免舍弃法等方法存在的无法提取到目标回波峰值点的问题；

2、避免因目标运动而导致的伪峰：由于存在距离多普勒耦合，目标的运动会导致目标在高分辨距离维上位置的移动，导致选大法和累加法等方法的处理结果出现伪峰，而本方法通过区域峰均比最小化准则对提取位置进行偏移调整，避免运动伪峰的出现；

3、避免因目标运动而导致的目标丢失：目标的运动会导致目标在高分辨距离维上位置的移动，同样也会使真实目标移出目标提取窗口导致目标丢失的情况，通过全局目标峰值搜索，和提取窗口偏移量的调整可以准确定位目标位置避免目标丢失的情况；

4、逻辑简单，运算量小：相对于循环移位搜索法、二维FFT寻优法需要多次全局搜索或二维傅里叶变换，本方法只需进行一次全局最大值搜索和局部峰均比最小值搜索，即可确定目标最佳提取位置，逻辑简单，运算量小，具备工程实现潜力。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是处理流程图。

图2是原始雷达回波信号求模后结果。

图3是各距离单元IFFT处理结果。

图4是不同偏移量的峰均比计算结果。

图5是最佳偏移量的目标提取结果。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明涉及一种雷达信号处理技术，特别涉及一种高距离分辨米波雷达的目标提取技术。本方法以频率步进米波雷达的回波为研究对象，基于高分辨处理的基本原理，通过分析静止和运动目标不同特点，实现距离高分辨维的目标提取。针对目标运动导致其距离高分辨处理结果能量发散和距离走动问题，本方法提出首先利用速度补偿改善能量发散和距离走动，然后通过全局目标峰值搜索和区域峰均比最小化准则定位最佳目标提取窗口，并据此提取拼接目标高分辨处理结果。相对传统方法，本方法能够准确提取目标回波峰值，同时有效抑制运动伪峰而且运算复杂度小，易于工程实现。

本发明的目的是设计一种性能稳定、逻辑简单、且适合工程实现的高距离分辨米波雷达的目标提取算法。

下面结合图对本发明方案作进一步详细描述。

图1是整体的处理流程图。结合图1，本发明方法包括以下步骤：

1、速度估计补偿：记当前雷达回波数据为：

其中，k＝1,2,…,K,n＝1,2,…,N，k为单个处理周期内的脉冲序列号，K为单个频率步进周期包含的脉冲数，n为单个处理周期内的采样点序列号，N为单个脉冲包含的采样点个数。f_k为第k个雷达脉冲回波的载波频率，f_d为目标的多普勒频率，T_s为采样周期，T_p为脉冲周期。用最小脉组误差法估计目标运动速度

则目标速度对应的多普勒频移为

然后用估计速度对雷达回波数据做速度补偿处理，补偿后的雷达回波数据为：

2、距离高分辨处理：对当前雷达的单个频率步进周期的回波IQ数据进行IFFT变换，对第n个距离单元的变换结果为：X_n(m)＝IFFT(x_k(n))；

3.全局目标峰值搜索：在上一步IFFT处理结果{X_n(m)},(m＝1,2...M)中搜索最大值点，记目标峰值点为X_j(i)；

4.区域峰均比最小化：以目标峰值点为基准，能够确定目标回波的峰值在第j个原始距离单元的第i个高分辨距离单元(其中原始距离单元表示对雷达原始回波距离维采样得到的采样点，高分辨距离单元表示步骤2中IFFT处理后的距离维量化单元)，以搜索窗口

(r_s为单个采样点的新息范围，Δr为高分辨距离单元长度，fix(·)为取整运算)，分别计算偏移量为L_m时的目标提取结果的能量均值

其中

表示偏移量为L_m时第n个采样点提取的总能量，L_start＝(((j-1)×L-i)modM)+1，L_end＝((j×L-i-1)mod M)+1，mod为模运算。然后求取能量均值

与前一步峰值能量X_j(i)²的比值

将该比值定义为峰均比。以峰均比最小化为代价函数优化目标提取的最佳偏移量，得到目标提取的最佳偏移量

5.提取区域计算：用目标峰值点位置和最佳偏移量L_mmin计算最佳目标提取区域；

6.目标提取：按照最佳偏移量L_mmin提取并拼接目标，得到最终的高分辨处理结果。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例：

为了验证本方法对目标有效提取和运动伪峰的有效抑制性能，选择了一个运动速度为100m/s，信噪比为13dB，距离雷达为170m的目标。如图2所示为单个脉冲的目标回波，目标回波在第三个距离单元处(雷达距离量化单元为75m，高分辨单元分辨率为9.375m)。

图3为利用本方法进行速度补偿和IFFT处理后的各个脉冲的结果。通过搜索最大值，可以定位处理结果的最大值位于第三个距离单元的第二个高分辨距离单元。由前述方法可以计算出最佳偏移量的搜索范围为：15～22。

图4为在搜索范围内计算不同偏移量的峰均比，可以看出各偏移量峰均比不同，其中偏移量为17时峰均比达到最小，依据峰均比最小准则可确定最佳偏移量为17。

图5为根据最佳偏移量进行目标提取后，由各采样单元提取结果拼接得到目标高距离分辨处理结果。可以看出高距离分辨处理结果的目标峰值点与真实目标位置一致，这证明了本方法的有效性。

可以看到，本方法涉及一种频率步进米波雷达的回波高分辨处理的目标提取方法。针对目标运动导致其距离高分辨处理结果能量发散和距离走动问题，本方法提出首先利用速度补偿改善能量发散和距离走动，然后通过全局目标峰值搜索初步确定目标峰值区域，最后以峰均比最小化为代价函数搜索区域最佳偏移量，并据此提取并拼接目标高分辨处理结果。本方法能够在保证目标较高信噪比的同时有效抑制运动伪峰，而且运算复杂度小，易于工程实现。

本发明提供了一种频率步进体制米波雷达距离高分辨目标提取方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种频率步进体制米波雷达目标提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，速度估计补偿：依据当前雷达回波数据统计目标运动速度，并对雷达回波数据做速度补偿处理；

步骤2，距离高分辨处理：对补偿后的单个频率步进周期内的雷达的回波复信号数据进行逆傅里叶变换IFFT；

步骤3，全局目标峰值搜索：在步骤2的逆傅里叶变换处理结果中搜索最大值点，并标记为目标峰值点；

步骤4，区域峰均比最小化：以目标峰值点为基准，在局部范围内以峰均比最小化为代价函数优化目标提取的最佳偏移量；

步骤5，目标提取区域计算：根据步骤4得到的最佳偏移量确定第n个采样点的目标提取范围；

步骤6，进行目标提取；

步骤1包括：

记当前雷达回波数据为

其中，e为自然底数，j为虚数单位，k＝1，2，…，K，n＝1，2，…，N，k为单个处理周期内的脉冲序列号，K为单个频率步进周期包含的脉冲数，n为单个处理周期内的采样点序列号，N为单个脉冲包含的采样点个数；f_k为第k个雷达脉冲回波的载波频率，f_d为目标的多普勒频率，T_s为采样周期，T_p为脉冲周期；用最小脉组误差法估计目标运动速度

则目标速度对应的多普勒频移

为

其中λ为波长；

然后用估计速度对雷达回波数据做速度补偿处理，补偿后的雷达回波数据为：

步骤2包括：对当前雷达的单个频率步进周期的回波复信号数据进行M点逆傅里叶变换，对第n个距离单元的变换结果为X_n(m)：X_n(m)＝IFFT(x_k(n))，m＝1，2...M；

步骤3包括：在步骤2的IFFT处理结果{X_n(m)}中搜索最大值点，并记目标峰值点即最大值点为X_j (i)；

步骤4包括：

以目标峰值点为基准，能够确定目标回波的峰值在第j个原始距离单元的第i个高分辨距离单元，其中原始距离单元表示对雷达原始回波距离维采样得到的采样点，高分辨距离单元表示步骤2中逆傅里叶变换处理后的距离维量化单元，以采样频率确定单个采样点的新息范围：

其中r_s为单个采样点的信息范围，Δr为高分辨距离单元长度，fix(·)为取整运算；在由i、j为中心，长度为L的搜索窗口，分别计算偏移量为L_m时的目标提取结果的能量均值

其中

表示偏移量为L_m时第n个采样点提取的总能量，偏移量下限L_start＝(((j-1)×L-i)modM)+1，偏移量上限L_end＝((j×L-i-1)mod M)+1，mod为模运算符号；

然后求取能量均值

与前一步峰值能量X_j(i)²的比值

将该比值定义为峰均比，以峰均比最小化为代价函数优化目标提取的最佳偏移量，得到目标提取的最佳偏移量

步骤5包括：根据步骤4得到的最佳偏移量确定第n个采样点的目标提取范围为：(((n-1)×L+L_{m min})mod M)+1～((n×L-1+L_{m min})mod M)+1，

其中L为单个采样点的新息范围，L_{m min}为最佳偏移量，M为逆傅里叶变换点数；

步骤6包括：按照提取区域提取并拼接目标，得到最终的高分辨处理结果{Y(p)}(p＝1，2，...，L*N)，其中，

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