CN110609275B - 单回波内基于光纤延迟环的机动目标加速度的估计算法 - Google Patents

单回波内基于光纤延迟环的机动目标加速度的估计算法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单回波内基于光纤延迟环的机动目标加速度的估计算法，其属于雷达信号处理技术领域。估算方法如下：利用环形波导对一个脉冲信号进行复制再生，得到不同延时后的信号波形，将信号波形与发射信号相乘处理得到至少一个相参回波，可等效延长回波脉冲的观测时间，通过新的回波脉冲序列估算出机动目标加速度。该算法能长时间地观测解读出目标信号的一切脉内特征，对于雷达接收到的单个回波脉冲，能使其在特定传输线中长时间传播并被采样，等效延长了回波脉冲的观测时间，消除了脉冲相参积累导致的脉内特征丢失问题，并且在估计目标径向加速度方面的实时性明显增强，提高目标参数的估计效率。

Description

单回波内基于光纤延迟环的机动目标加速度的估计算法
技术领域
本发明涉及一种单回波内基于光纤延迟环的机动目标加速度的估计算法，其属于雷达信号处理技术领域。
背景技术
对于脉冲多普勒(PD)雷达，想要在极短的脉冲持续时间对目标进行参数估计是十分困难的，因此该体制雷达采用相参载波的信号形式，利用其信号相位相关特性将多个脉冲的数据联系起来，等效地延拓信号的观测时间，从而获得较高的参数估计精度；然而由于雷达目标的内在特征因观察的时间和视界角不同而存在差异，每个来自目标的射频脉冲，它所含有的目标信息是有差别的，如果按照常规雷达对多个脉冲信号相参积累后，会导致后续处理中丢失掉目标的某些脉内特征。
由于在介质中传播的雷达回波脉冲，不论回波脉冲时间多短，只要能长时间地观测就可以解读出目标信号的一切脉内特征，对于雷达接收到的单个回波脉冲，假设能使其在特定传输线中长时间传播并被采样，这就等效地延长了回波脉冲的观测时间，便可以消除相参积累所导致的目标信号脉内特征丢失问题，并提高目标参数的估计效率。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的不足，提供一种单回波内基于光纤延迟环的机动目标加速度的估计算法，实现了对单脉冲回波信号的长时间观察，解决现有PD雷达脉冲相参积累导致的脉内特征丢失问题，并且缩短了目标加速度估计所需的观测时间。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种单回波内基于光纤延迟环的机动目标加速度的估计算法，估算方法如下：
利用环形波导对一个脉冲信号进行复制再生，得到不同延时后的信号波形，将信号波形与发射信号相乘处理得到至少一个相参回波，该算法可等效延长回波脉冲的观测时间，通过新的回波脉冲序列估算出机动目标加速度；
具体计算步骤如下：
光纤延迟技术
当雷达发射恒定载频信号，且不考虑距离徙动影响时，雷达天线接收到的机动目标射频回波信号在第一次匹配滤波处理后输出为线性调频信号s1(t)，表示为
Figure GDA0003651896840000021
其中，0≤t≤τ，f0为中心频率，
Figure GDA0003651896840000022
为回波信号初相；w1(t)为高斯白噪声，均值E(w1(t))＝0、方差σ(w1(t))＝σ1，
Figure GDA0003651896840000023
为多普勒频率，
Figure GDA0003651896840000024
为信号多普勒调频斜率，v0、a分别为加速目标的初始速度和加速度，c为光速；
将回波信号输入环形波导内，使得回波信号在环形波导中循环传播，提取s1(t)中的多普勒频率；提取方法为：当环形波导半径为R，电磁波转一圈需要的时间为T＝l/c，即为光纤延迟环一圈的延迟时间，其中l＝2πR为波导长度，T≥τ，即R≥τc/(2π)，s1(t)通过导入口接入环形波导，耦合出延时后的回波信号s1(t+nT)从输出口输出，其中，0≤n≤N-1，N为观测次数；
s2(t)为发射信号备份，s2(t)与发射信号的频率相同，s2(t)表示为
s2(t)＝cos(2πf0t+φ0)+w2(t) (2)
其中，0≤t≤τ，φ0为信号初相，w2(t)为高斯白噪声，均值E(w2(t))＝0、方差σ(w2(t))＝σ2；
将环形波导输出的信号s1(t+nT)与s2(t)进行相乘处理得到：
Figure GDA0003651896840000031
其中，0≤t≤τ，w3(t)＝w1(t)s2(t)+w2(t)s1(t)+w1(t)w2(t)为噪声；
当w1(t)、w2(t)独立，且w3(t)为高斯白噪声，均值E[w3(t)]、方差D[w3(t)]表示为
E[w3(t)]＝0 (4)
Figure GDA0003651896840000032
信号s3(t)经过低通滤波后得到s4(t)
Figure GDA0003651896840000033
其中，0≤t≤τ，fd＝2v0/λ、k＝2a/λ，λ为雷达波长，λ＝c/f0；
在波导环存储信号及采样中，当第一次采样在t0时刻时，采样值为
Figure GDA0003651896840000034
在环形存储波导中转动一圈用时间为T，第n次循环后原t0时刻对应点的s4(n)为
Figure GDA0003651896840000035
其中，0≤n≤N-1，N为循环次数；
对每个脉冲采样一次，在(8)式取t0＝0，此时s4(n)表示为
Figure GDA0003651896840000041
通过环形波导对雷达信号实现延时后，将持续时间为τ的信号延长为Nτ，采用基于分数阶傅里叶变换的线性调频信号参数估计方法估计出时间的二次系数，进而估计出加速度；具体估计算法如下：
分数阶傅立叶变换(FRFT)定义式为：
Figure GDA0003651896840000042
式中，α＝pπ/2，p∈[0,4]；对观测信号(9)式进行分数阶傅立叶变换变换，形成(α,u)的二维平面，在此平面上进行峰值点的二维搜索即可得到径向加速度的估计值
Figure GDA0003651896840000043
当
Figure GDA0003651896840000044
为峰值点坐标值，径向加速度估计值用下式求出
Figure GDA0003651896840000045
fs为信号采样频率，根据采样定理有1/T≥2fd，从而得到T范围
Figure GDA0003651896840000046
当估计加速度时，至少有
Figure GDA0003651896840000047
不等式成立，即
Figure GDA0003651896840000048
与现有技术相比，本发明的有益效果是：对于雷达接收到的单个回波脉冲，能使其在特定传输线中长时间传播并被采样，等效延长了回波脉冲的观测时间，消除了脉冲相参积累导致的脉内特征丢失问题，并且在估计目标径向加速度方面的实时性明显增强，提高目标参数的估计效率。
附图说明
附图1是本发明的光纤延迟环技术。
附图2是本发明的延时复制序列波形。
附图3是本发明的延时复制序列频谱。
附图4是本发明的信噪比SNR＝0dB时延时复制序列波形。
附图5是本发明的信噪比SNR＝0dB时延时复制序列频谱。
附图6是本发明的FRFT变换角度峰值分布。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例
当目标发射恒定载频信号，目标变速运动时，将落入距离门的回波进行光纤环延时，被复制的脉冲经过混频、滤波处理后，在同一位置被同步采样，如(9)式。
仿真参数：雷达波长为λ＝8mm，目标初始速度为v＝200m/s、加速度为a＝100m/s2，雷达脉冲宽度τ＝1μs，脉冲重复周期为fr＝10KHz，fs＝20KHz。此时fd＝50000Hz、k＝25000Hz/s。由(13)式的知，T≤1/2fd＝10μs，取T＝2.5μs。由(13)式得知，
Figure GDA0003651896840000051
为调频效果明显和计算方便取N＝25000，光纤延时环将产生脉冲序列，采样后得到(9)式中的采样序列s(n)，脉冲积累时间为Nτ＝25ms，其波形和频谱如图2和图3所示，在图中出现了明显的线性调频信号特征。考虑到实际情况，在图中的信号中加入高斯白噪声，当SNR＝0dB时其波形和频谱如下图4和图5所示。采用分数阶傅立叶变换进行信号调频率进行估计，角度搜索步长△α＝0.0045°，角度搜索范围90°≤α≤90.9°，各个变换角度上对应的分数域峰值如图6所示，可以得到最大值对应的变换角度为
Figure GDA0003651896840000061
根据加速度估计公式
Figure GDA0003651896840000062
得到加速度估计值
Figure GDA0003651896840000063
本发明技术所需观测时间为NT＝0.0625s，如果按照普通PD雷达采用相参脉冲串积累的方法，实际所需观测时间为N/fr＝2.5s。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种单回波内基于光纤延迟环的机动目标加速度的估计算法，其特征在于，估算方法如下：
利用环形波导对一个脉冲信号进行复制再生，得到不同延时后的信号波形，将信号波形与发射信号相乘处理得到至少一个相参回波，该算法可等效延长回波脉冲的观测时间，通过新的回波脉冲序列估算出机动目标加速度；
具体计算步骤如下：
当雷达发射恒定载频信号，且不考虑距离徙动影响时，雷达天线接收到的机动目标射频回波信号在第一次匹配滤波处理后输出为线性调频信号s1(t)，表示为
Figure FDA0003651896830000011
其中，0≤t≤τ，f0为中心频率，
Figure FDA0003651896830000012
为回波信号初相；w1(t)为高斯白噪声，均值E(w1(t))＝0、方差σ(w1(t))＝σ1，
Figure FDA0003651896830000013
为多普勒频率，
Figure FDA0003651896830000014
为信号多普勒调频斜率，v0、a分别为加速目标的初始速度和加速度，c为光速；
将回波信号输入环形波导内，使得回波信号在环形波导中循环传播，提取s1(t)中的多普勒频率；提取方法为：当环形波导半径为R，电磁波转一圈需要的时间为T＝l/c，即为光纤延迟环一圈的延迟时间，其中l＝2πR为波导长度，T≥τ，即R≥τc/(2π)，s1(t)通过导入口接入环形波导，耦合出延时后的回波信号s1(t+nT)从输出口输出，其中，0≤n≤N-1，N为观测次数；
s2(t)为发射信号备份，s2(t)与发射信号的频率相同，s2(t)表示为
s2(t)＝cos(2πf0t+φ0)+w2(t) (2)
其中，0≤t≤τ，φ0为信号初相，w2(t)为高斯白噪声，均值E(w2(t))＝0、方差σ(w2(t))＝σ2；
将环形波导输出的信号s1(t+nT)与s2(t)进行相乘处理得到：
Figure FDA0003651896830000021
其中，0≤t≤τ，w3(t)＝w1(t)s2(t)+w2(t)s1(t)+w1(t)w2(t)为噪声；
当w1(t)、w2(t)独立，且w3(t)为高斯白噪声，均值E[w3(t)]、方差D[w3(t)]表示为
E[w3(t)]＝0 (4)
Figure FDA0003651896830000022
信号s3(t)经过低通滤波后得到s4(t)
Figure FDA0003651896830000023
其中，0≤t≤τ，fd＝2v0/λ、k＝2a/λ，λ为雷达波长，λ＝c/f0；
在波导环存储信号及采样中，当第一次采样在t0时刻时，采样值为
Figure FDA0003651896830000024
在环形存储波导中转动一圈用时间为T，第n次循环后原t0时刻对应点的s4(n)为
Figure FDA0003651896830000025
其中，0≤n≤N-1，N为循环次数；
对每个脉冲采样一次，在(8)式取t0＝0，此时s4(n)表示为
Figure FDA0003651896830000026
通过环形波导对雷达信号实现延时后，将持续时间为τ的信号延长为Nτ，采用基于分数阶傅里叶变换的线性调频信号参数估计方法估计出时间的二次系数，进而估计出加速度；具体估计算法如下：
分数阶傅立叶变换(FRFT)定义式为：
Figure FDA0003651896830000031
式中，α＝pπ/2，p∈[0,4]；对观测信号(9)式进行分数阶傅立叶变换变换，形成(α,u)的二维平面，在此平面上进行峰值点的二维搜索即可得到径向加速度的估计值
Figure FDA0003651896830000032
当
Figure FDA0003651896830000033
为峰值点坐标值，径向加速度估计值用下式求出
Figure FDA0003651896830000034
fs为信号采样频率，根据采样定理有1/T≥2fd，从而得到T范围
Figure FDA0003651896830000035
当估计加速度时，至少有
Figure FDA0003651896830000036
不等式成立，即
Figure FDA0003651896830000037
。
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