CN110221283A - 一种基于fda-mimo的运动目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达技术。本发明公开了一种基于FDA‑MIMO的运动目标检测方法，针对径向运动目标进行检测，主要步骤包括：a、建立回波信号模型，所述回波信号模型由M个发射阵元和N个接收阵元组成，其阵元间距d＝λ/2，λ为波长；M个发射阵元中相邻阵元发射信号频偏为△f；b、对N个接收阵元接收的回波信号进行中频采样和存储；c、对N个接收阵元接收的信号使用与发射阵元相应的参考波形进行匹配滤波；d、对滤波后的信号进行距离徙动矫正，检测运动目标；其中，M、N为整数，且M≥2，N≥2。本发明的有益效果是，在接收端采用多阵元接收并且使用各发射正交波形的相应参考波形进行匹配滤波，之后再进行keystone变换，将各脉压后的脉冲平移到初始位置，进行相参积累，大大提高检测信噪比。

Description

一种基于FDA-MIMO的运动目标检测方法

技术领域

本发明涉及雷达运动目标检测技术领域，特别涉及利用频率分集阵列(FDA,Frequency Diverse Array)和多输入多输出(MIMO)技术相结合提高微弱低可观测运动目标的检测信噪比的技术，具体是一种基于FDA-MIMO(频控阵-多输入多输出雷达系统)的运动目标检测方法。

背景技术

2006年，Antonik和Wicks在国际雷达会议上首次提出Frequency diverse array(FDA)雷达概念并申请了美国专利。和相控阵雷达不同的是，其具有距离依赖性的波束，所以一经提出就被学术界广泛关注。Frequency Diverse Array直译应该为频率分集阵列，但其发射的依然是相参信号，只是经过附加很小的频偏(远小于载频)控制，使各个阵元辐射出去信号频率中心有所偏移，但其主要频率成分是重叠的，也就是说仍属于相参信号，因此，频控阵仍然属于相控阵范畴。为了与相控阵相呼应，电子科技大学王文钦研究员多次与专家讨论后一致认为这种新体制雷达译作频控阵更为妥当。但是由于FDA发射波束在角度-距离二维存在耦合，所以无法对目标精确定位，而MIMO技术由于其多自由度备受关注，因此FDA与MIMO结合可以完美解决该问题，在物理上也是最具应用价值的。

对于运动目标的回波数据，一般可以存储为一个二维矩阵的形式，一维代表快时间，一维代表慢时间。而keystone变换就是对慢时间维的伸缩变换，变换公式：t_k＝τf₀/(f+f₀)，其中f₀为载频，f代表多普勒维，τ代表慢时间维。变换从宏观上看，可以把矩形二维矩阵转换为一个倒梯形矩阵，所以取名keystone。

现提出的针对FDA雷达的运动目标检测方案大都考虑单脉冲或者目标运动未跨距离单元的情况，这很明显不符合实际。我们知道，对于微弱低可观测目标，应采用多脉冲积累，而一旦出现跨距离单元走动，积累脉冲数将会变少，将很难检测到目标。

发明内容

本发明针对频控阵雷达检测未考虑目标运动噪声跨距离单元的问题，提出使用FDA-MIMO雷达系统与keystone算法相结合，提升检测信噪比。

为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种基于FDA-MIMO的运动目标检测方法，

所述运动目标为径向运动，满足关系式：r＝r₀+vηT_s；

其中r₀为初始距离，v是运动速度，η和T_s分别是脉冲数和脉冲重复周期；

其特征在于，包括以下步骤：

a、建立回波信号模型

所述回波信号模型由M个发射阵元和N个接收阵元组成，其阵元间距d＝λ/2，λ为波长；

M个发射阵元中相邻阵元发射信号频偏为△f。

b、对N个接收阵元接收的回波信号进行中频采样和存储；

c、对N个接收阵元接收的信号使用与发射阵元相应的参考波形进行匹配滤波；

d、对滤波后的信号进行距离徙动矫正，检测运动目标；

M、N为整数，且M≥2，N≥2。

在某些实施例中，M＝N。

在某些实施例中，M≠N。

在某些实施例中，M个发射阵元发射信号如下：

第一个阵元发射信号以f₀为载频，发射波形集采用脉内线性调频脉间相位调制的正交波形集，即满足：

其中Tp为脉宽，i,j＝1,2…,M用来区分不同的发射波形，φ_i(t)是子脉冲为线性调频信号经过相位调制的正交波形，具体如下：

其中V(t)是矩形脉冲，μ为调频率，δ(·)为冲激函数，P是子脉冲个数，

所述φ_i(t)的优化波形φ_i,opt为：

其中A(·)是自相关函数，C(·,·)是互相关函数，ω₁和ω₂是优化系数，min{·}表示求函数最小值，φ_p、φ_q、φ_I分别表示不同的波形；

第m个阵元发射的信号S_m(t)为：

S_m(t)＝exp(j2πf_mt)φ_i,opt(t)；

其中f_m＝f₀+m△f,m＝0,1,…,M-1。

进一步的，步骤b中，回波信号到达接收机经过去载频处理后，表达式如下：

y_mn(t,η)＝ζexp(-j2πm△fr(η))exp(j2πf₀(m+n)dsinθ/c)φ_i,opt(t-τ₁₁)；

其中ζ为反射系数，△f为频偏，c是光速，θ是来波方向；

并且此处采用了窄带假设，所以有如下的近似：φ_i,opt(t-τ_mn)＝φ_i,opt(t-τ₁₁)；其中时延τ_mn表示发射信号从第m个发射阵元到第n个接收阵元的时间：

τ_mn＝2r(η)/c-mdsinθ/c+ndsinθ/c。；

进一步的，步骤c中，对各子脉冲y_mn(t,η)进行匹配滤波：

其中为卷积算子，()^*为共轭运算，x_mn(t,η)为y_mn(t,η)经过匹配滤波后的信号表达式；

上式x_mn(t,η)的频域信号X_mn(f,η)表示为：

其中f是频域变量，f_d为多普勒频率，b是调频率，T₀为脉宽。其对应的时域信号为：x_mn(t,η)＝Bsinc[B(t-τ_mn(r(η))+f_d/b)]exp(jπf_d(t-τ_mn(r(η))+f_d/b))exp(-j2π(f_m+f_d)τ_mn(r(η)))

其中，B为信号带宽。

进一步的，步骤d具体包括：

对频域信号X_mn(f,η)进行伸缩变换，也就是令带入X_mn(f,η)表达式中，并将代换后符号X_mn(f,η)改为如下所示：

的时域表达式如下：

本发明的有益效果是，在接收端采用多阵元接收并且使用各发射正交波形的相应参考波形进行匹配滤波，之后再进行keystone变换，将各脉压后的脉冲平移到初始位置，进行相参积累，大大提高检测信噪比。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为实施例的发射阵列和接收阵列示意图；

图2为M＝N＝64阵元PA-MIMO(PA表示相控阵)发射接收波束形成图；

图3为M＝N＝64阵元FDA-MIMO发射接收波束形成图；

图4为脉冲为30个时经过校正后的相参积累图；

图5为实施例中脉冲为63个时经过校正后的相参积累图；

图6为脉冲为30个时经过校正积累后的信噪比检测曲线；

图7为脉冲为63个时经过校正积累后的信噪比检测曲线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。

提出了一种利用FDA-MIMO雷达系统与keystone算法相结合的运动目标检测技术。在相控阵天线的基础上，在相邻阵元上对发射信号附加了一个远小于工作载频的频率增量，并且每个阵元发射的是正交波形。

本发明FDA-MIMO和keystone的结合可以很好地解决了微弱低可观测目标检测的问题。

发明主要针对线性运动模型，即相对阵列平台径向运动，满足关系式：r＝r₀+vηT_s。

其中r₀为初始距离，v是运动速度，η和T_s分别是脉冲数和脉冲重复周期。

实施例

本发明的技术方案包含以下步骤：

1、建立FDA-MIMO回波信号模型。

回波信号模型由M个发射阵元和N个接收阵元组成，其阵元间距d＝λ/2，λ为波长，如图1所示。

回波信号模型中，发射阵元M和N个接收阵元N可以相等，也可以不相等。

FDA-MIMO由M个发射阵元和N个接收阵元组成的系统，其阵元间距为d＝λ/2，即半波长。若取第一个阵元作为参考阵元，发射信号是以f₀为载频，发射波形集采用脉内线性调频脉间相位调制的正交波形集，即满足：

其中Tp为脉宽，i,j＝1,2…,M用来区分不同的发射波形，φ_i是子脉冲为线性调频信号经过相位调制的正交波形，具体如下：

其中V(t)是矩形脉冲，μ为调频率，δ(·)为冲激函数，P是子脉冲个数，正交波形优化需要满足这两个条件：一是每个波形具有类似冲击函数形的自相关数，二是任意两个不同波形的互相关函数为零。所以，该优化问题可以描述为：

其中A(·)是自相关函数，C(·,·)是互相关函数，ω₁和ω₂是优化系数，φ_T,opt表示所求的优化波形，min{·}表示求函数最小值。所以，FDA第m个阵元发射的信号为：

S_m(t)＝exp(j2πf_mt)φ_i,opt(t)

其中f_m＝f₀+m△f,m＝0,1,…,M-1。所述步骤a中目标运动假设为径向运动，即运动目标沿着与雷达系统的连线运动，即：r＝r₀+vηT_s，其中r₀为初始距离，v是运动速度，η和T_s分别是脉冲数和脉冲重复周期。

2、对接收机接收的FDA-MIMO回波信号进行中频采样和存储。

回波信号到达接收机经过去载频处理后，表达式如下：

y_mn(t,η)＝ζexp(-j2πm△fr(η))exp(j2πf₀(m+n)dsinθ/c)φ_i,opt(t-τ₁₁)

其中ζ为反射系数，△f为频偏，c是光速，θ是来波方向，并且此处采用了窄带假设，所以有如下的近似：φ_i,opt(t-τ_mn)＝φ_i,opt(t-τ₁₁)，其中时延表示从第m个发射阵元到第n个接收阵元的时间：τ_mn＝2r(η)/c-mdsinθ/c+ndsinθ/c。

3、对接收的信号进行匹配滤波。

对各子脉冲进行匹配滤波：

其中为卷积算子，()^*为共轭运算。然后由于各子脉冲情况一样，为了分析方便，对子脉冲单独进行分析，所以上式的频域信号可以推导为：

其中f是频域变量，f_d为多普勒频率，b是调频率，T₀为脉宽。其对应的时域信号为：

x_mn(t,η)＝Bsinc[B(t-τ_mn(r(η))+f_d/b)]exp(jπf_d(t-τ_mn(r(η))+f_d/b))exp(-j2π(f_m+f_d)τ_mn(r(η)))

其中，B为信号带宽。从上式可以看出，信号峰值在sinc()函数等于0的位置，也就是说在t＝τ_mn(r(η))-f_d/b的位置，对于每一不同的回波，峰值都处于不同位置，当脉冲数增多，目标速度很大，则脉冲积累效果就会很差，不利于提高检测信噪比。

4、距离徙动矫正(即keystone变换)。

keystone变换就是对频域信号进行伸缩变换，也就是令带入X_mn(f,η)表达式中，并将代换后符号X_mn(f,η)改为如下所示：其频域表达式如下：

其时域表达式为：

从上式可以看出，此时信号峰值位于t＝τ_mn(r(0))-f_d/b的位置，即全部脉冲都在初始r₀位置，此时进行脉冲积累可以对所有脉冲进行积累，大大地提高检测信噪比。

仿真实验

根据上述所述信号模型，使用Matlab(一种计算机算法语言)进行仿真验证，具体的仿真参数如下：

系统参数设置：FDA天线第一个阵元的辐射源频率f₀＝10GHz，频偏△f＝100KHz，阵元间隔d＝λ/2，阵元个数M＝N＝64，信号带宽B＝150MHz，脉冲宽度T_p＝0.5us，脉冲重复频率PRF＝10kHz,目标运动速度v＝1000m/s，距离向分辨率是1m。

图2是PA-MIMO的发射接收波束形成图，图3是FDA-MIMO的发射接收波束形成图，图4是脉冲为30个时经过校正后相参积累图，图5是脉冲为63个时经过校正后相参积累图，图6是脉冲为30个时经过校正积累后的信噪比检测曲线，图7是脉冲为63个时经过校正积累后的信噪比检测曲线。从图2图3对比可以发现当△f＝0时，频控阵退化为相控阵，其波束指向只与角度维相关。对比图4和图5可以知道，当积累的脉冲数增多时，其积累后效果也越好，图5的能量聚焦效果明显比图4的好，从图6和图7检测曲线也可以看出，当积累脉冲数增多，同输入信噪比条件下，脉冲数多的检测概率大，这是因为提升的信噪比更大，也就说明了图5效果比图4好的原因。

Claims (7)

1.一种基于FDA-MIMO的运动目标检测方法，

所述运动目标为径向运动，满足关系式：r＝r₀+vηT_s；

其中r₀为初始距离，v是运动速度，η和T_s分别是脉冲数和脉冲重复周期；

其特征在于，包括以下步骤：

a、建立回波信号模型；

所述回波信号模型由M个发射阵元和N个接收阵元组成，其阵元间距d＝λ/2，λ为波长；

M个发射阵元中相邻阵元发射信号频偏为△f；

b、对N个接收阵元接收的回波信号进行中频采样和存储；

c、对N个接收阵元接收的信号使用与发射阵元相应的参考波形进行匹配滤波；

d、对滤波后的信号进行距离徙动矫正，检测运动目标；

M、N为整数，且M≥2，N≥2。

2.根据权利要求1所述的一种基于FDA-MIMO的运动目标检测方法，其特征在于，M＝N。

3.根据权利要求1所述的一种基于FDA-MIMO的运动目标检测方法，其特征在于，M≠N。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种基于FDA-MIMO的运动目标检测方法，其特征在于，M个发射阵元发射信号如下：

第一个阵元发射信号以f₀为载频，发射波形集采用脉内线性调频脉间相位调制的正交波形集，即满足：

其中Tp为脉宽，i,j＝1,2…,M用来区分不同的发射波形，φ_i(t)是子脉冲为线性调频信号经过相位调制的正交波形，具体如下：

其中V(t)是矩形脉冲，μ为调频率，δ(·)为冲激函数，P是子脉冲个数，

所述φ_i(t)的优化波形φ_i,opt为：

其中A(·)是自相关函数，C(·,·)是互相关函数，ω₁和ω₂是优化系数，min{·}表示求函数最小值，φ_p、φ_q、φ_I分别表示不同的波形；

第m个阵元发射的信号S_m(t)为：

S_m(t)＝exp(j2πf_mt)φ_i,opt(t)；

其中f_m＝f₀+m△f,m＝0,1,…,M-1。

5.根据权利要求4所述的一种基于FDA-MIMO的运动目标检测方法，其特征在于，步骤b中，回波信号到达接收机经过去载频处理后，表达式如下：

y_mn(t,η)＝ζexp(-j2πm△fr(η))exp(j2πf₀(m+n)dsinθ/c)φ_i,opt(t-τ₁₁)；

其中ζ为反射系数，△f为频偏，c是光速，θ是来波方向；

并且此处采用了窄带假设，所以有如下的近似：φ_i,opt(t-τ_mn)＝φ_i,opt(t-τ₁₁)；其中时延τ_mn表示发射信号从第m个发射阵元到第n个接收阵元的时间：

τ_mn＝2r(η)/c-mdsinθ/c+ndsinθ/c。

6.根据权利要求5所述的一种基于FDA-MIMO的运动目标检测方法，其特征在于，步骤c中，对各子脉冲y_mn(t,η)进行匹配滤波：

其中为卷积算子，()^*为共轭运算，x_mn(t,η)为y_mn(t,η)经过匹配滤波后的信号表达式；

上式x_mn(t,η)的频域信号X_mn(f,η)表示为：

其中f是频域变量，f_d为多普勒频率，b是调频率，T₀为脉宽；其对应的时域信号为：

x_mn(t,η)＝Bsinc[B(t-τ_mn(r(η))+f_d/b)]exp(jπf_d(t-τ_mn(r(η))+f_d/b))exp(-j2π(f_m+f_d)τ_mn(r(η)))

其中，B为信号带宽。

7.根据权利要求6所述的一种基于FDA-MIMO的运动目标检测方法，其特征在于，步骤d具体包括：

对频域信号X_mn(f,η)进行伸缩变换，也就是令带入X_mn(f,η)表达式中，并将代换后符号X_mn(f,η)改为如下所示：

的时域表达式如下：