CN110907910B - 一种分布式相参雷达动目标回波相参合成方法 - Google Patents

一种分布式相参雷达动目标回波相参合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种分布式相参雷达动目标回波收发全相参合成方法。针对动目标情况下的匹配滤波以及相参参数估计受多普勒频率的影响，通过采用构造三维数据矩阵，然后进行多普勒滤波和匹配滤波处理，提取峰值估计相参参数和多普勒频率。根据估计出的时延差，相位差对发射信号进行调整，并根据多普勒频率构造匹配滤波器。具体步骤包括：1)回波信号距离校正；2)多普勒滤波；3)匹配滤波；4)峰值法参数估计；5)判断参数估计精度是否满足要求；6)多普勒频率细化；7)发射端参数调整；8)接收端匹配滤波并相参融合。本发明可以消除多普勒频率引起的动目标回波信号失配影响，实现动目标情况下回波的收发全相参合成。

Description

一种分布式相参雷达动目标回波相参合成方法
技术领域
本发明属于分布式相参雷达技术领域。
背景技术
为了适应现代作战的需求，林肯实验室在2003年提出分布式相参雷达概念：以多部分散布置的阵列或单元孔径雷达代替大孔径雷达实现等效的探测性能。其核心和关键是实现多路发射信号在目标处同时同相叠加。分布式相参雷达主要有两种工作模式：接收相参模式和收发相参模式。根据获取的目标位置信息，在接收相参模式下所有单元雷达对准目标区域方向，发射相互正交的信号波形，并在接收端通过匹配滤波分离，估计出各路信号之间的时延差和相位差。随后转入收发相参模式，各单元雷达发射相同的信号波形并且根据估计得到的时延差和相位差进行补偿，使发射信号波形在目标处相参叠加，并且在接收端进行接收相参融合，实现收发全相参。理论上，N部单元雷达组成的分布式相参雷达可以实现N3的信噪比增益。
目前已知的现有技术均为针对静止目标的情况。对于考虑脉内多普勒调制的动目标回拨相参融合问题目前鲜有报道。与静止目标的情况不同，由于目标移动会带来多普勒频率，匹配滤波时会出现多普勒失配问题，并且由此会带来相参参数估计的影响，进而影响相参性能。因此为了实现避免其影响，还需要对多普勒频率进行估计构造适当的匹配滤波器才可以实现动目标回波的收发全相参。
发明内容
本发明的目的是为了克服目标移动情况下的回波信号的多普勒频率对相参参数估计和多普勒失配带来的影响，通过构造三维数据矩阵的方法，搜索峰值估计相参参数和多普勒频率，调整发射参数，构造匹配滤波实现收发全相参。
为了实现本发明的目的，本发明提出了一种分布式相参雷达动目标回波相参合成方法，包括以下步骤：
S1回波信号距离校正：对回波信号间的跨距离单元走动问题进行校正，根据多普勒频率的区间构造三维数据矩阵；
S2多普勒滤波：在慢时间维度进行离散傅里叶变换实现多普勒滤波；
S3匹配滤波：根据多普勒频率的区间构造匹配滤波器三维矩阵，并对回波进行距离维度匹配滤波；
S4峰值法参数估计：提取匹配滤波之后峰值对应多普勒频率作为参数估计值，然后构造匹配滤波器对其它路径信号进行匹配滤波处理，提取各路输出信号峰值估计其相参参数；
S5判断是否满足精度要求：通过计算相参性能判断是否满足参数估计精度要求；若满足要求，转步骤S7，不满足要求则转S6；
S6多普勒频率细化：对估计得到的多普勒频率作局部细化，并重复S2-S5，重新进行参数估计；
S7发射端参数调整：转入收发相参模式，根据相参参数估计值对各发射单元的进行时延和相位调整，实现发射相参；
S8接收端匹配滤波与相参融合：根据多普勒频率的估计值构造匹配滤波器，在接收端进行匹配滤波处理，并进行时延和相位调整，实现多路接收信号相参融合。
本发明实施过程及信息处理流程如图2所示。
本发明通过构造三维数据矩阵，估计回波多普勒频率，可以解决多普勒失配问题，得到无偏差相参参数估计值，同时多普勒滤波实现了多脉冲积累，降低了噪声的影响。
附图说明
图1为分布式相参雷达一般结构示意图。其中：T1…TK表示发射单元雷达，R1…RL表示接收单元雷达。发射单元与接收单元的布置满足回波相关准则和辐射远场条件，目标类型为单散射点目标。
图2为分布式相参雷达动目标回波相参合成流程图。其中：图中S1-S6分别与发明内容中表述的S1-S6过程对应。
图3为sinc插值实现keystone变换得到的三维数据矩阵。其中：t表示快时间维度，n表示慢时间维度，p表示多普勒模糊数维度。
具体实施方式
本实施例中，针对的对象是分布式相参雷达系统，其一般结构如图1所示。实施过程及信息处理流程如图2所示，具体描述为以下过程：
S1回波信号距离校正：接收单元l处接收信号下变频之后可以表示为：
Figure BDA0002291574240000021
其中，t表示快时间变量，n表示慢时间变量，sk(t)表示发射单元k发射信号波形，ξ表示复散射系数，τlk(n)＝τlk(0)-n(vt+vr)Tr/c表示路径延时，
Figure BDA0002291574240000022
和
Figure BDA0002291574240000023
表示表示上、下变频时引入的本阵相位，fd表示多普勒频率，wl(t,n)表示附加高斯白噪声。不同周期的回波处在不同的距离单元中，需要通过keystone变换来校正距离单元，才能实现匹配滤波。Keystone变换可以通过sinc插值法实现。同时，由于多普勒频率可能大于脉冲重复频率，因此需要乘以模糊补偿因子，表示如下：
Figure BDA0002291574240000031
其中Rl(f,n)表示rl(t,n)的快时间频域形式，
Figure BDA0002291574240000032
表示多普勒补偿因子，其中p表示多普勒模糊数，(vt+vr)fc/c＝prealfr+f′d，fr表示脉冲重复频率，preal表示实际的多普勒模糊数，f′d表示模糊多普勒频率。由于p未知，因此要以多个先验知识确定区间内的p进行计算，得到三维数据矩阵R′l(f,m,p)。三维数据矩阵示意图如图3所示。
S2多普勒滤波：在慢时间维度做FFT实现多普勒滤波得到R′l(f,fm,p)：
R′l(f,fm,p)＝FFTm[R′l(f,m,p)] (3)；
其中，fm表示慢时间频率变量。
S3匹配滤波：根据多普勒频率的区间构造匹配滤波器三维矩阵，其中发射单元k匹配滤波器频率响应可以表示为：
Hk(f,fm,p)＝Sk[f-(pfr+fm)] (4)；
以上式对R′l(f,fm,p)进行匹配滤波，得到如下结果：
Ylk(f,fm,p)＝Rl(f,fm,p)*Hk(f,fm,p) (5)；
将上式变换到快时间时域得到ylk(t,fm,p)。
S4峰值法参数估计：搜索ylk(t,fm,p)的峰值，则多普勒频率的估计值为：
Figure BDA0002291574240000033
Figure BDA0002291574240000034
表示“·”取得最大值对应的p，
Figure BDA0002291574240000035
表示取得“·”最大值对应的fm。根据得到的
Figure BDA0002291574240000036
构造匹配滤波器，对其它路径信号进行匹配滤波，并提取峰值，发射时延差
Figure BDA0002291574240000037
和相位差
Figure BDA0002291574240000038
估计值可以表示为：
Figure BDA0002291574240000039
其中，
Figure BDA00022915742400000310
表示“·”取得最大值所对应的t，max(·)表示“·”最大值，phase(·)表示对“·”取相位值。
S5判断是否满足精度要求：计算信噪比增益SNRgain，并设置相参性能门限值
Figure BDA00022915742400000311
当
Figure BDA00022915742400000312
则转步骤S6，当
Figure BDA00022915742400000313
则转步骤S7；
S6多普勒频率细化：上述估计已经得到了多普勒频率的模糊数，因此无需再估计多普勒模糊数，在估计得到
Figure BDA0002291574240000041
左右区间内进行局部细化，进行二维处理并且重复上述步骤S2-S5；
S7发射端参数调整：转入收发相参模式，根据相参参数估计值对各发射单元的进行时延和相位调整，所有发射信号均为s(t)，发射单元k发射信号调整为
Figure BDA0002291574240000042
则在目标处信号表示为：
Figure BDA0002291574240000043
相参参数估计准确的情况下即
Figure BDA0002291574240000044
可以实现目标信号的同时同相叠加。
S8接收端匹配滤波与相参融合：根据多普勒频率的估计值
Figure BDA0002291574240000045
进行构造匹配滤波器
Figure BDA0002291574240000046
在接收端进行匹配滤波处理，并对多路接收信号实现相参融合。

Claims (3)

1.一种分布式相参雷达动目标回波相参合成方法，其特征在于：
S1：回波信号距离校正：对回波信号以sinc插值法进行keystone变换并乘以模糊补偿因子，实现跨距离单元走动问题校正，根据多普勒频率的区间构造三维数据矩阵；
S2：多普勒滤波：在慢时间维度进行离散傅里叶变换实现多普勒滤波；
S3：匹配滤波：根据多普勒频率的区间构造匹配滤波器三维矩阵，并对回波进行距离维度匹配滤波；对所述三维矩阵进行匹配滤波处理，通过峰值搜索获取多普勒频率估计值，并以此构造匹配滤波器，实现对其它接收路径信号的匹配滤波处理；
S4：峰值法参数估计：提取匹配滤波之后峰值对应多普勒频率作为参数估计值，然后构造匹配滤波器对其它路径信号进行匹配滤波处理，提取各路输出信号峰值估计其相参参数；
S5：判断是否满足精度要求：计算信噪比增益，并与相参性能门限值作比较，若小于门限值则转步骤S6，若大于等于门限值则转步骤S7；
S6：多普勒频率细化：对估计得到的多普勒频率作局部细化，并重复S2-S5，重新进行参数估计；
S7：发射端参数调整：转入收发相参模式，根据相参参数估计值对各发射单元的进行时延和相位调整，实现发射相参；
S8：接收端匹配滤波与相参融合：根据多普勒频率的估计值构造匹配滤波器，在接收端进行匹配滤波处理，并进行时延和相位调整，实现多路接收信号相参融合。
2.根据权利要求1所述的一种分布式相参雷达动目标回波相参合成方法，其特征在于：所述S1中：在目标速度和多普勒模糊度未知的情况下，采用keystone变换对回波距离单元进行校正，通过sinc插值法实现keystone变换过程中构造快时间、慢时间和多普勒模糊数三维数据矩阵。
3.根据权利要求1所述的一种分布式相参雷达动目标回波相参合成方法，其特征在于：所述S6中：根据估计的多普勒模糊数，对多普勒频率范围内进一步细化，并且重复对多普勒频率和相参参数进行估计，直至获得满足精度要求的相参参数估计值。
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