CN109901155B - 多普勒信息反馈调节的高超声速目标修正prpft检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于雷达信号与数据处理领域，针对高超声速目标回波信号相参积累时，需要对多维参数信息进行遍历搜索，方法计算量大，实时性差的问题，本发明提出一种多普勒信息反馈调节的高超声速目标修正PRPFT检测方法。首先，利用相参积累检测提高目标回波信号信噪比，为后续非相参积累提供信息，随后利用后续非相参积累检测得到的目标点迹信息获取目标多普勒信息的估计值，并利用得到的估计值对相参积累处理进行反馈调节，有效减小搜索补偿区间，实现相参积累方法的快速实现。方法能够在低信噪比条件下实现对高超声速微弱机动目标的有效检测并显著降低计算量，提高运算效率，具有较好的工程实践性。
Description
技术领域
本发明隶属于雷达信号与数据处理领域，适用于解决高超声速微弱机动目标雷达回波信号的相参积累与非相参积累联合检测问题。
背景技术
近年来，高超声速飞行器技术不断发展成熟，与传统常规飞行器不同，首先，高超声速目标以其高速特性，可瞬间跨越多个雷达探测单元，产生跨距离门现象，给回波信号相参积累造成困难；其次，高超声速目标的高机动特性使得目标的多普勒频率、多普勒变化率以及多普勒二阶变化率都比常规目标要严峻得多，导致目标回波分布于多个多普勒单元，产生多普勒扩展现象，限制了积累时间，增加了相参积累的难度；此外，高超声速目标的低RCS特性，降低了回波信号的信噪比，进一步增加了相参积累的难度。
针对跨距离门补偿问题，目前较为典型的方法主要有Keystone变换法和Radon-Fourier变换法等，但上述方法仅适用于匀速运动目标，考虑非匀速运动目标时，就需要对加速度及高阶运动项带来的影响进行考虑。当考虑目标加速度时，需要对其带来的非线性距离走动和多普勒扩展问题进行补偿，目前主要的方法有二阶Keystone变换法，Keystone-Lv’s distribution法，二阶Keystone-Radon Fourier变换法，Radon-fractional Fourier变换法等，但上述方法只适用于匀加速运动目标。对于高超声速飞行器等高阶运动目标，目前也有一定的相关研究：广义Radon-Fourier变换(GRFT)法在Radon-Fourier变换法的基础上进行扩展，通过对目标参数进行多维搜索补偿，可同时校正距离走动和多普勒扩展问题；多项式Radon-多项式Fourier变换(PRPFT)法，利用多项式对目标距离非线性走动和多普勒扩展进行建模，利用多项式Radon变换解决距离非线性走动，用多项式Fourier变换解决多普勒扩展，联合两种变换实现对目标的相参积累问题。
但是通过分析可以发现，无论是GRFT方法还是PRPFT方法，都需要在参数空间进行多维参数搜索，方法的计算复杂度很高，特别是当目标回波信噪比较低时，随着相参积累脉冲数的提高，算法的计算量急剧增加，使得算法实时性较差，因此高超声速目标相参积累方法的快速实现是目前一个亟待解决的问题。
针对上述问题，本发明提出一种多普勒信息反馈调节的高超声速目标修正PRPFT检测方法。方法利用相参积累处理后，非相参积累部分检测得到的目标点迹信息，获取目标多普勒估计值，并利用获取的目标多普勒估计值对后续相参积累处理进行反馈调节，调整进行走动补偿时的搜索区间，完成对目标回波信号的快速有效积累。
发明内容
针对高超声速目标回波信号相参积累时，需要对多维参数信息进行遍历搜索，方法计算量大，实时性差的问题，本发明提出一种多普勒信息反馈调节的高超声速目标修正PRPFT检测方法。首先，利用相参积累检测提高目标回波信号信噪比，为后续非相参积累提供信息，随后利用后续非相参积累检测得到的目标点迹信息获取目标多普勒信息的估计值，并利用得到的估计值对相参积累处理进行反馈调节，有效减小搜索补偿区间，实现相参积累方法的快速实现。
本发明解决所述技术问题，采用技术方案步骤如下：
步骤(一)：利用PRPFT方法对接收到的目标回波信号进行多维搜索补偿的相参积累处理；
(1)对接收到的目标回波信号进行混频，经匹配滤波器脉冲压缩后得到具有sinc包络的脉冲串信号Si(t),i＝0,1,…,M-1；
(2)考虑三阶多项式目标运动信号模型，根据目标最大径向速度vTmax、最大径向加速度aTmax、最大二阶径向加速度
采样频率fs、脉冲重复频率fPRF以及积累脉冲数M确定径向速度搜索间隔dvT、径向速度搜索区间V_vT、径向加速度搜索间隔daT、径向加速度搜索区间V_aT、二阶径向加速度搜索间隔
以及二阶径向加速度搜索区间
(3)利用各组多普勒信息搜索值对脉冲压缩后目标回波信号Si(t)进行相应的距离位移补偿；
(4)在距离位移的同时利用各组多普勒信息搜索值进行相位补偿并完成相参积累，得到各组径向速度、径向加速度和二阶径向加速度搜索值对应的相参积累结果Sig；对于定义在(τ,r)平面内的二维复信号Sm(τ,rs)对应的k阶多项式函数
对应的PRPFT可定义为：
式中
αi＝(-4πf0r(i))/c i＝1,2,...,k；
(5)找出相参积累后各组搜索参数对应的Sig中的幅度最大值A，再从A中找出其最大值对应的搜索参数，即为最终确定的目标径向速度估计值
径向加速度估计值
和二阶径向加速度估计值
(6)利用搜索得到的径向速度估计值
径向加速度估计值
和二阶径向加速度估计值
进行距离走动补偿和多普勒走动补偿，完成目标回波信号的相参积累；
步骤(二)：利用相参积累处理得到的结果，对目标回波信号进行非相参积累处理，得到包含目标径向距离和时序等信息的N帧目标量测信息；
式中zi表示目标第i帧量测信息，Ri，θi，
γi分别代表该帧量测目标的径向距离信息，方位角信息，俯仰角信息和回波能量信息，ti表示该帧量测时序信息，且ti＝(i-1)Ts+t1，t1表示第1帧量测对应的时刻，Ts表示雷达扫描周期；
步骤(三)：根据得到的N帧目标量测信息，实现对目标运动方程的拟合和多普勒信息的提取；
(1)定义高超声速目标运动方程：
R＝r0+vTt+a1t2+a2t3+…+ak-1tk
式中r0表示初始径向距离，vT表示目标径向速度，ak-1表示目标的k-1阶径向加速度；
(2)根据所得N帧量测数据可以得到一组方程：
(3)则N帧量测与目标运动曲线的偏差平方和为：
(4)为得到符合条件的多普勒拟合值，对上式右边求ti的偏导数，可得：
(5)将上式表示成矩阵形式，可得：
上述方程组可记为TT*A＝R，A＝[r0,vT,a1,…,ak-1]T，R＝[R1,R2,…,RN]T，
根据目标N帧量测点迹可得矩阵TT和R，进而得到系数矩阵A，实现对目标运动方程的拟合和多普勒信息的提取；
步骤(四)：根据提取的目标多普勒信息的估计值
和估计值对应的允许误差确定进行反馈调节的目标径向速度补偿搜索区间；
(1)理想情况下，根据矩阵TT和R，可准确对目标的多普勒信息进行提取，但在雷达探测过程中，将不可避免的引入量测误差，使得获得的目标径向距离值偏离真值，Ri'＝Ri+dr，dr为雷达测距误差，且
此时获得的系数矩阵则为目标多普勒信息的估计值，记为
(2)用于相参积累补偿的目标径向速度估计值
为：
(3)考虑到量测误差的影响，获取的目标径向速度估计值将会集中在以真实参数为中心的一定范围内，即满足：
其中
表示目标径向速度估计值的估计误差。则经反馈调节后目标径向速度的搜索区间为：
式中
定义允许误差
为：
其中n为雷达测距误差dr条件下的Monte-Carlo试验次数，
为第i次试验的目标径向速度估计值。
步骤(五)：利用经反馈调节后得到的目标径向速度补偿搜索区间，对PRPFT方法进行修正，调整进行搜索补偿时的搜索区间，实现对后续高超声速目标回波信号的有效快速积累。
本发明的有益效果说明：
1)本发明采用非相参积累部分得到的信息，获取目标多普勒估计值，并利用获取的估计值对相参积累处理进行反馈调节，完成相参积累。相较于其他方法，本发明方法能够在低信噪比条件下实现对高超声速微弱机动目标的有效检测并显著降低计算量，提高运算效率，具有较好的工程实践性；
2)本发明所提方法将相参积累检测与非相参积累检测有效的结合起来，较好的实现了信号层与数据层处理的有机结合，优化了雷达对高超声速目标检测跟踪的处理流程，具有较好的工程应用前景；
3)随着检测进程的推移和反馈帧数的增多，本发明所提方法可进一步降低计算量，提高检测的实时性。
附图说明
附图1本发明的方法步骤流程图；
附图2是本发明具体实施中脉冲压缩后信号图；
附图3是本发明具体实施中相参积累后结果图；
附图4是本发明具体实施中方法运行时间随信噪比变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明多普勒信息反馈调节高超声速目标修正PRPFT检测方法进行详细描述。
实施条件：假设雷达发射线性调频信号，信号脉宽TP＝500μs，带宽B＝0.5MHz，雷达载频f0＝1GHz，采样频率fs＝1MHz，脉冲重复频率PRF＝500Hz，雷达测距误差dr～N(0,2002)，雷达扫描周期Ts＝2s；假设目标作高超声速飞行，目标与雷达间的初始径向距离R0＝330km，目标径向速度vT＝Ma10，径向加速度aT＝30m/s2，二阶径向加速度
目标最大径向速度vTmax＝Ma20，最大径向加速度aTmax＝200m/s2，最大二阶径向加速度
用于反馈调节的目标量测帧数N＝4，脉冲积累数M＝64；信噪比DSNR＝-25dB为脉冲压缩前参数，噪声为加性复高斯白噪声。本发明仿真是在Intel Core I7-6700，3.4GHz，8GB RAM，Matlab R2014a环境下完成的。参照附图1，具体实施步骤如下所示：
(1)按照步骤(一)，对接收到的目标回波信号进行混频，经匹配滤波器脉冲压缩后得到目标回波信号如附图2所示；
(2)确定径向速度搜索间隔dvT＝50m/s、径向速度搜索区间V_vT＝[-3400,3400]m/s、径向加速度搜索间隔daT＝10m/s2、径向加速度搜索区间V_aT＝[-200,200]m/s2、二阶径向加速度搜索间隔
以及二阶径向加速度搜索区间
(3)对脉冲压缩后目标回波信号进行多维搜索补偿的相参积累处理，得到相参积累后的积累结果如附图3所示；
(4)按照步骤(二)，利用相参积累处理的得到的结果，对目标回波信号进行非相参积累处理，得到包含目标径向距离和时序等信息的4帧目标量测信息；
(5)按照步骤(三)和步骤(四)，利用非相参积累得到的目标量测信息对目标多普勒信息进行提取，得到目标径向速度的估计值
及其估计误差
进一步得到经反馈调节后目标径向速度的搜索区间为[3326,4098]m/s；
(6)按照步骤(五)，利用经反馈调节后得到的搜索区间，对PRPFT方法进行修正，调整进行搜索补偿时的搜索区间，实现对高超声速目标回波信号的有效快速积累。由附图3积累结果可以看出，本发明所提方法能够在低信噪比条件下实现对高超声速目标的有效补偿积累，且算法运行时间为28.8s，同等条件下PRPFT方法运行时间为365.3s，可以看出本发明方法处理用时明显缩短，有效降低了计算量；
为对本发明方法性能进行验证，通过改变信噪比，在本实例条件下进行400次Monte-Carlo仿真后，得到方法运行时间随信噪比变化情况如附图4所示；
由附图4可以看出两方运行时间随SNR的变化情况，通过对两算法曲线对比可以直观的看出，本发明所提方法较PRPFT方法运行时间明显缩短，在上述仿真条件下，算法效率提高约13倍。
Claims (3)
1.多普勒信息反馈调节的高超声速目标修正PRPFT检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(一)、利用PRPFT方法对接收到的目标回波信号进行多维搜索补偿的相参积累处理；
步骤(二)、利用处理得到的结果，对目标回波信号进行非相参积累处理，得到包含目标径向距离和时序信息在内的N帧目标量测信息；
式中zi表示目标第i帧量测信息，Ri，θi，
γi分别代表该帧量测目标的径向距离信息，方位角信息，俯仰角信息和回波能量信息，ti表示该帧量测时序信息，且ti＝(i-1)Ts+t1，t1表示第1帧量测对应的时刻，Ts表示雷达扫描周期；
步骤(三)、根据得到的N帧目标量测信息，得到系数矩阵A，实现对目标运动方程的拟合和多普勒信息的提取；
步骤(四)、根据提取的目标多普勒信息的估计值
和估计值对应的允许误差
确定进行反馈调节的目标径向速度补偿搜索区间，其中，在雷达探测过程中，引入量测误差，得到目标径向距离值偏离真值R′i，R′i＝Ri+dr，dr为雷达测距误差，且
此时获得的系数矩阵为目标多普勒信息的估计值
步骤(五)、利用经反馈调节后得到的目标径向速度补偿搜索区间，对PRPFT方法进行修正，调整进行搜索补偿时的搜索区间，实现对后续高超声速目标回波信号的积累检测；
其中，步骤(一)具体为：
(1)对接收到的目标回波信号进行混频，经匹配滤波器脉冲压缩后得到具有sin c包络的脉冲串信号Si(t),i＝0,1,…,M-1；
(2)考虑三阶多项式目标运动信号模型，根据目标最大径向速度vTmax、最大径向加速度aTmax、最大二阶径向加速度
采样频率fs、脉冲重复频率fPRF以及积累脉冲数M确定径向速度搜索间隔dvT、径向速度搜索区间V_vT、径向加速度搜索间隔daT、径向加速度搜索区间V_aT、二阶径向加速度搜索间隔
以及二阶径向加速度搜索区间
(3)利用各组多普勒信息搜索值对脉冲压缩后目标回波信号Si(t)进行相应的距离位移补偿；
(4)在距离位移的同时利用各组多普勒信息搜索值进行相位补偿并完成相参积累，得到各组径向速度、径向加速度和二阶径向加速度搜索值对应的相参积累结果Sig；对于定义在(τ,r)平面内的二维复信号Sm(τ,rs)对应的k阶多项式函数
对应的PRPFT定义为：
式中
，αi＝(-4πf0r(i))/c i＝1,2,...,k；
(5)找出相参积累后各组搜索参数对应的Sig中的幅度最大值A，再从A中找出其最大值对应的搜索参数，即为最终确定的目标径向速度估计值
径向加速度估计值
和二阶径向加速度估计值
(6)利用搜索得到的径向速度估计值
径向加速度估计值
和二阶径向加速度估计值
进行距离走动补偿和多普勒走动补偿，完成目标回波信号的相参积累；
其中，步骤(三)具体为：
(31)定义高超声速目标运动方程：
R＝r0+vTt+a1t2+a2t3+…+ak-1tk
式中r0表示初始径向距离，vT表示目标径向速度，ak-1表示目标的k-1阶径向加速度；
(32)根据所得N帧量测数据得到方程组：
(33)则N帧量测与目标运动曲线的偏差平方和为：
(34)对上式右边求ti的偏导数：
(35)将上式表示成矩阵形式：
上述方程组记为TT*A＝R，A＝[r0,vT,a1,…,ak-1]T，R＝[R1,R2,…,RN]T，
根据目标N帧量测数据得到矩阵TT和R，进而得到系数矩阵A，实现对目标运动方程的拟合和多普勒信息的提取。
2.根据权利要求1所述的多普勒信息反馈调节的高超声速目标修正PRPFT检测方法，其特征在于，步骤(四)具体为：
(41)由于实际操作中雷达测距误差的影响，步骤(三)中获得的系数矩阵A为目标多普勒信息的估计值，记为
(42)根据
得到用于相参积累补偿的目标径向速度估计值
为：
(43)进一步得到经反馈调节后目标径向速度的补偿搜索区间：
其中，
表示目标径向速度估计值的估计误差。
3.根据权利要求2所述的多普勒信息反馈调节的高超声速目标修正PRPFT检测方法，其特征在于，
的计算方法具体为：
其中，允许误差
为：
式中n为雷达测距误差dr条件下的Monte-Carlo试验次数，
为第i次试验的目标径向速度估计值。
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| GR01 | Patent grant | ||
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