CN110456342A - 单发射天线雷达的远场多运动目标探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单发射天线雷达的远场多运动目标探测方法，主要解决现有时间反转算子分解法无法探测运动目标的方向的问题和现有时间反转算子分解法必须要多个发射天线轮流发射的问题。其实现方案为：1、对雷达接收信号进行脉冲压缩，并对脉冲压缩后的接收信号进行多普勒频率的估计与补偿；2、用多普勒补偿后的接收信号构建传输函数矩阵K(ω)；3、通过该传输函数矩阵构建时间反转算子T(ω)；4、对时间反转算子T(ω)进行特征分解，获得特征向量与特征值；5、将特征向量作为接收天线阵的激励；7、计算接收天线阵的方向图，该方向图最大值对应的角度为目标方向。本发明能通过单发射天线雷达识别远场多运动目标方向，可用于雷达探测成像。
Description
技术领域
本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种远场多目标探测方法，可用于雷达探测成像。
背景技术
在雷达探测成像过程中，当雷达处在复杂环境中，比如非均匀媒质或者均匀媒质中有很多离散干扰散射体的情况，来自于探测目标的辐射信号或者散射信号容易受到背景散射信号的干扰甚至被淹没，所以精确的目标信息并不能被接收到，于是用传统的经典成像算法探测或者跟踪目标就变得很困难。
但是在新的技术中，复杂环境中的多径效应却能被有效的利用来提高探测成像的分辨率，例如时间反转算子分解法就可以利用复杂环境中的多径效应来实现超分辨率探测成像即超过经典衍射极限的分辨率。现有时间反转算子分解法的实现手段包括两种：一种是将接收单元记录的信号以逆序的方式，即先进后出的顺序，在真实媒质中回传辐射。这种回传辐射的优势在于不需要任何的先验知识和人为控制就能够实现能量在目标位置的聚焦，其主要应用于肾结石碎石和无线通信等领域；另一种是在计算合成的媒质中以数学模型来代替真实媒质，通过编程的方式实现虚拟回传辐射。该回传辐射也称作后向传播，以区别于来自于目标的辐射信号或者散射信号传播到接收单元的过程即前向传播。后向传播会自适应地沿着前向传播经过的路径传播，但却与前向传播方向相反，导致后向传播信号最终在目标位置处出现能量的空时聚焦，由于这种空时聚焦特性是对环境自适应的，因而具有被广泛应用的潜力。
时间反转算子分解法首先是通过系统的传输函数矩阵构造时间反转算子，然后对该时间反转算子进行特征值分解，分解所得的大特征值对应的特征向量就包含了对应目标的位置信息，如果将该特征向量作为天线阵列激励进行后向传播就可以实现对应目标的选择性聚焦，从而找到目标与天线阵列的相对位置。该方法可以有效识别弱散射目标，但是该方法无法适用于对运动目标的聚焦成像。当雷达采用时间反转算子分解法探测运动目标方向时，由于多普勒效应的影响，探测出的目标方向会出现极其严重的误差。且时间反转算子分解法需要多个发射天线轮流发射电磁波，并分别接收每个发射天线发射的电磁波，严重影响了雷达的工作效率。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种单发射天线雷达的远场多运动目标探测方法，以通过单发射天线雷达探测出远场多运动目标的方向，提高雷达的工作效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：
(1)设一部雷达有一个发射天线，M个接收天线，该雷达对探测区域发射电磁信号并接收探测区域反射回来的电磁信号，即发射天线对探测区域共发射N 次周期信号e(t)，接收天线共接收N次探测区域反射回来的电磁信号，其中e(t)的周期为T，脉冲宽度为τ；第m个接收天线第n次接收到的电磁信号为rmn(t)， 1＜m＜M；
(2)将每个接收天线接收到的N次电磁信号直接进行累加，得到积累后的接收信号，其中第m个接收天线积累后的接收信号Rm(t)为：
(3)对所有接收天线的接收信号进行脉冲压缩处理并相加，得到脉冲压缩积累信号z(t)，
其中是第m个接收天线的脉冲压缩输出信号，e*(T-t)是发射信号e(t)时域取反的共轭信号；
(4)计算脉冲压缩积累信号z(t)关于时间t的平均值z，比较z(t)中每个时刻的值与z之间的大小：如果z(t1)＞15z，则认为探测区域存在目标，且t1为接收天线阵接收到目标反射信号的时刻，执行(5)，否则，认为探测区域不存在目标，返回(1)；
(5)对目标多普勒频率进行估计和补偿，并计算第m个接收天线在多普勒补偿后的接收信号Ym(t)：
(5a)对所有接收天线的在t1时刻的接收信号做离散傅里叶变换并相加，得到接收信号的多普勒频谱积累f(k)；
(5b)从多普勒频谱积累f(k)中找到最大值f(y)，其中，y等于f(k)最大值对应的k值，通过y估计目标的多普勒频率ωd，
(5c)对积累后的接收信号Rm(t)进行多普勒补偿，得到每个接收天线多普勒补偿后的接收信号Ym(t)：
(6)从接收天线多普勒补偿后的接收信号Ym(t)中截取t1到t1+τ的部分并直接相加，得-到发射天线与每个接收天线在频域上的传输函数Am(ω)：
(7)重复上述(1)到(6)共M次，使所有接收天线都接收到M个传输函数，并将第m个接收天线在第x次重复上述步骤时得到的传输函数记为 Amx(ω)，1＜x＜M；
(8)根据(7)获得的传输函数，构建发射天线与接收天线阵之间的传输函数矩阵K(ω)，
(9)根据传输函数矩阵K(ω)，构建时间反转算子T(ω)：
T(ω)＝K(ω)*K(ω)T，
K*(ω)表示传输函数矩阵K(ω)的共轭，KT(ω)表示传输函数矩阵K(ω)的转置；
(10)利用MATLAB软件对时间反转算子T(ω)进行特征分解，得到时间反转算子的特征值与对应的特征向量；
(11)对(10)得到的特征值求平均值，将大于平均值5倍的特征值及对应的特征向量筛选出来，作为接收天线阵的激励进行后向传播，计算得到接收天线阵的远场方向图，该远场方向图最大值对应的方向就是目标方向。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明由于对雷达接收信号采用了多普勒频率的估计和补偿，解决了现有时间反转算子分解法无法识别运动目标方向的问题，使雷达系统可以通过时间反转算子分解法识别运动目标的方向；同时由于本发明用重复获得的单发射天线与接收天线阵之间的传输函数代替多个发射天线轮流发射时与接收天线阵之间的传输函数，解决了现有时间反转算子分解法必须用多个发射天线轮流发射的问题，且雷达系统不再受到发射天线个数的限制，简化了雷达工作流程，提升了雷达系统的工作效率。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2为本发明中建立的接收天线阵列仿真模型图；
图3为本发明中接收天线阵列进行后向传播后的三维方向图；
图4为本发明中接收天线阵列进行后向传播后在目标方向的方位面二维方向图；
图5为本发明中接收天线阵列进行后向传播后在目标方向的俯仰面二维方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例和效果进一步详细描述：
参照图1，本实例的实现步骤如下：
步骤1，构建雷达发射系统。
设置该系统共有1个发射天线，16个接收天线。发射天线用于对探测区域发射16次200个周期的电磁波信号，该信号为一的窄带线性调频信号，周期T为0.15毫秒，脉冲宽度τ为20微秒，接收天线接收探测区域反射回来的200个周期的电磁信号，设第m个接收天线接收到第n个周期的电磁信号为rmn(t)，m＝1,2...16，n＝1,2,...200。
步骤2，求接收信号的脉冲压缩积累信号z(t)。
(2.1)将步骤1得到每个接收天线的200个周期的接收信号rmn(t)进行累加，得到接收天线阵积后的接收信号Rm(t)，
(2.2)对所有接收天线的接收信号Rm(t)进行脉冲压缩并相加，得到脉冲压缩积累信号z(t)：
其中，是第m个接收天线的脉冲压缩输出信号，e*(T-t)是发射信号 e(t)时域取反的共轭信号。
步骤3，通过脉冲压缩积累信号z(t)判断目标是否存在。
(3.1)求出脉冲压缩积累信号z(t)的平均值z；
(3.2)将脉冲压缩积累信号z(t)中每个时刻的值与z进行比较：
如果脉冲压缩积累信号z(t)中某个时刻的值大于15倍的z，则认为探测区域存在目标，且其对应的时刻为接收天线阵接收到目标反射信号的时刻，将该时刻记为t1，否则认为不存在目标，返回步骤1。
本实施例中接收天线阵接收到目标反射信号的时刻为0.12毫秒。
步骤4，对接收信号进行多普勒频率的估计与补偿。
(4.1)对接收信号进行离散傅里叶变换并累加，得到接收信号的多普勒频谱积累f(k)，公式表示如下：
f(k)＝f1(k)+…fm(k)+…f16(k)，k＝0,1…199，m＝1,2...16，
其中，fm(k)为第m个接收信号的离散傅里叶变换，其公式表示如下：
(4.2)从多普勒频谱积累f(k)中找到最大值f(y)，其中，y等于f(k)最大值对应的k值，通过y估计目标的多普勒频率ωd为：
在本实施例中，目标的多普勒频率ωd为1KHz；
(4.3)对积累后的接收信号Rm(t)进行多普勒补偿，第m个接收天线多普勒补偿后的接收信号Ym(t)为：
j表示虚数单位。
步骤5，求发射天线与接收天线阵之间的传输函数。
从每个天线多普勒补偿后的接收信号Ym(t)截取0.12毫秒到0.14毫秒的部分进行直接累加，得到发射天线与所有接收天线单元之间的传输函数Am(ω)为：
步骤6，重复获得发射天线与接收天线阵之间的传输函数，并构建传输函数矩阵。
重复步骤1到步骤5十五次，获得16组发射天线与所有接收天线单元之间的传输函数，构建一个16*16的传输函数矩阵K(ω)：
其中，Amx(ω)为第m个接收天线在第x次重复上述步骤时得到的传输函数。
步骤7，构建时间反转算子T(ω)。
通过传输函数矩阵K(ω)构建时间反转算子T(ω)，如下式所示：
T(ω)＝K(ω)*K(ω)T。
步骤8，对时间反转算子T(ω)进行特征分解，筛选出大特征值及对应的特征向量。
(8.1)通过MATLAB软件对时间反转算子T(ω)进行特征分解，如下式所示：
T(ω)G(ω)＝EG(ω)，
其中，E为时间反转算子T(ω)的特征值，G(ω)为时间反转算子T(ω)的特征向量；
(8.2)对得到的所有特征值求平均值，并将大于平均值5倍的特征值及对应的特征向量筛选出来。
步骤9，检测目标所在方向。
(9.1)建立接收天线阵的仿真模型，如图2所示，该天线阵为4*4的天线阵列；
(9.2)将步骤8筛选出来的特征向量作为接收天线阵仿真模型的激励；
(9.3)利用HOBBIES软件计算该仿真模型的方向图，该方向图的三维图如图3所示，该方向图的最大值对应的方向即为目标方向，其中目标方向的方位面二维方向图如图4所示，目标方向的俯仰面二维方向图如图5所示。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围内。
Claims (7)
1.一种单发射天线雷达的远场多运动目标探测方法，其特征在于，包括如下：
(1)设一部雷达有一个发射天线，M个接收天线，该雷达对探测区域发射电磁信号并接收探测区域反射回来的电磁信号，即发射天线对探测区域共发射N次周期信号e(t)，接收天线共接收N次探测区域反射回来的电磁信号，其中e(t)的周期为T，脉冲宽度为τ；第m个接收天线第n次接收到的电磁信号为rmn(t)，1＜m＜M；
(2)将每个接收天线接收到的N次电磁信号直接进行累加，得到积累后的接收信号，其中第m个接收天线积累后的接收信号Rm(t)为：
(3)对所有接收天线的接收信号进行脉冲压缩处理并相加，得到脉冲压缩积累信号z(t)，
其中是第m个接收天线的脉冲压缩输出信号，e*(T-t)是发射信号e(t)时域取反的共轭信号；
(4)计算脉冲压缩积累信号z(t)关于时间t的平均值z，比较z(t)中每个时刻的值与z之间的大小：如果z(t1)＞15z，则认为探测区域存在目标，且t1为接收天线阵接收到目标反射信号的时刻，执行(5)，否则，认为探测区域不存在目标，返回(1)；
(5)对目标多普勒频率进行估计和补偿，并计算第m个接收天线在多普勒补偿后的接收信号Ym(t)：
(5a)对所有接收天线的在t1时刻的接收信号做离散傅里叶变换并相加，得到接收信号的多普勒频谱积累f(k)；
(5b)从多普勒频谱积累f(k)中找到最大值f(y)，其中，y等于f(k)最大值对应的k值，通过y估计目标的多普勒频率ωd，
(5c)对积累后的接收信号Rm(t)进行多普勒补偿，得到每个接收天线多普勒补偿后的接收信号Ym(t)：
(6)从接收天线多普勒补偿后的接收信号Ym(t)中截取t1到t1+τ的部分并直接相加，得-到发射天线与每个接收天线在频域上的传输函数Am(ω)：
(7)重复上述(1)到(6)共M次，使所有接收天线都接收到M个传输函数，并将第m个接收天线在第x次重复上述步骤时得到的传输函数记为Amx(ω)，1＜x＜M；
(8)根据(7)获得的传输函数，构建发射天线与接收天线阵之间的传输函数矩阵K(ω)，
(9)根据传输函数矩阵K(ω)，构建时间反转算子T(ω)：
T(ω)＝K(ω)*K(ω)T，
K*(ω)表示传输函数矩阵K(ω)的共轭，KT(ω)表示传输函数矩阵K(ω)的转置；
(10)利用MATLAB软件对时间反转算子T(ω)进行特征分解，得到时间反转算子的特征值与对应的特征向量；
(11)对(10)得到的特征值求平均值，将大于平均值5倍的特征值及对应的特征向量筛选出来，作为接收天线阵的激励进行后向传播，计算得到接收天线阵的远场方向图，该远场方向图最大值对应的方向就是目标方向。
2.根据权利要求1中所述的方法，其中(5a)中接收信号的多普勒频谱积累f(k)，是先利用离散傅里叶变换求得每个天线的多普勒频谱函数fm(k)，然后将每个天线的多普勒频谱函数fm(k)进行累加，得到多普勒频谱积累f(k)，公式表示如下：
其中m＝1,2...M，
f(k)＝f1(k)+…fm(k)+…fM(k)。
3.根据权利要求1中所述的方法，其中(5b)中估计目标的多普勒频率ωd，公式如下：
4.根据权利要求1中所述的方法，其中(5c)中对积累后的接收信号Rm(t)进行多普勒补偿，通过下式进行：
j表示虚数单位。
Ym(t)为对每个接收天线进行多普勒补偿后的接收信号。
5.根据权利要求1中所述的方法，其中(8)中得到发射天线与接收天线阵之间的传输函数矩阵K(ω)，表示如下：
K(ω)＝[K1(ω) … Kx(ω) … KM(ω)]，
其中，Kx(ω)为第x次发射天线与接收天线阵之间的传输函数，其公式为：
式中，Amx(ω)为第x次发射天线与第m个接收天线单元之间的传输函数；
最终得到发射天线与接收天线阵之间的传输函数矩阵K(ω)为:
6.根据权利要求1中所述的方法，其中(10)中利用MATLAB软件对时间反转算子T(ω)进行特征分解，其公式如下：
T(ω)G(ω)＝EG(ω)，
其中，E为时间反转算子T(ω)的特征值，G(ω)为时间反转算子T(ω)的特征向量。
7.根据权利要求1中所述的方法，其中(11)中计算接收天线阵的远场方向图，是先构建接收天线阵的仿真模型，再将(10)得到的特征向量作为接收天线阵的激励，利用HOBBIES软件计算出天线阵仿真模型的方向图。
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| CN110456342B (zh) | 2023-03-21 |
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