CN111123256A - 微波暗室中脉冲雷达进动目标微动特征提取方法 - Google Patents

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CN111123256A CN201911239515.6A CN201911239515A CN111123256A CN 111123256 A CN111123256 A CN 111123256A CN 201911239515 A CN201911239515 A CN 201911239515A CN 111123256 A CN111123256 A CN 111123256A
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徐志明
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Abstract

本发明公开一种微波暗室中脉冲雷达进动目标微动特征提取方法，步骤如下：第一步，间歇采样收发获取进动目标回波信号；第二步，解线性调频获取进动目标距离像；第三步，截取真实进动目标所在距离单元的距离像；第四步，时频分析获取进动目标不同部位的微动信息。本发明方法解决了脉冲雷达在微波暗室内进行目标特性测量时，收发信号相互耦合的问题；实现了进动目标脉冲回波距离像的有效获取；截取得到包含目标微动特征的距离像信息；实现了进动目标微动特征的精确提取。

Description

微波暗室中脉冲雷达进动目标微动特征提取方法
【技术领域】
本发明涉及微波暗室中脉冲雷达进动目标微动特征提取方法，属于雷达目标特征提取仿真领域，具体涉及在微波暗室中模拟脉冲体制雷达信号的收发处理技术，获取目标高分辨距离像，并实现对进动目标特性测量及微多普勒特征有效提取的方法。
【背景技术】
微波暗室目标特性测量是获取目标电磁特征的主要手段。为实现对具有高速旋转特性进动目标特性测量，传统的扫频方法需要采取降低目标旋转频率等措施实现，难以实现对真实运动状态的进动目标进行实时动态测量。间歇采样收发方法采用脉冲雷达信号，可以达到较高的脉冲重复频率(pulse repetition frequency,PRF)，而无需改变目标的运动特性，因此测量结果更能反映进动目标的实际运动特性。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是：提供一种微波暗室中脉冲雷达进动目标微动特征提取方法，以解决现有技术中难以实现对真实运动状态的进动目标进行实时动态测量的问题；提出一种在微波暗室中利用间歇采样收发方法，实现具有高速旋转特性的进动目标动态测量，根据间歇收发控制信号的参数，对间歇采样收发目标回波进行解线性调频得到距离像，选取目标所在距离单元进行时频分析，经过幅度补偿后得到进动目标的微多普勒信息。
本发明采取的技术方案如下：
第一步，间歇采样收发获取进动目标回波信号
考虑雷达脉冲慢时间tm时刻，完整脉冲信号为s(t,tm)，间歇采样收发的过程等价于用控制信号p(t)与s(t,tm)相乘，即有s1(t,tm)＝s(t,tm)·p(t)。根据进动目标运动特性计算得到，慢时间tm时刻目标上某个散射点(散射系数为αk)与雷达的径向距离为Rk(tm)，间歇采样收发后的目标回波为各散射的回波之和，表示为
Figure BDA0002305817800000021
第二步，解线性调频获取进动目标距离像
以参考信号sref(t)，对线性调频信号间歇采样收发的目标回波sr(t,tm)进行去斜处理，然后进行傅里叶变换，可以得到进动目标距离像。
第三步，截取真实进动目标所在距离单元的距离像
根据间歇采样收发周期、线性调频信号带宽、脉冲宽度、目标尺寸，设计矩形窗对实际目标峰值位置的距离像进行截取，得到包含目标微动信息的距离像。
第四步，时频分析获取进动目标不同部位的微动信息
对上一步截取的包含目标微动信息的距离像，结合间歇收发参数，进行能量补偿；然后，沿距离像不同峰值所在距离单元的慢时间进行时频分析，得到进动目标不同部位的微多普勒。
其中，第二步所述的解线性调频获取目标距离像，具体过程如下：
令Dechirp处理的参考距离为Rref，可得参考信号为
Figure BDA0002305817800000022
其中，Tref是参考信号的脉宽，一般比Tp稍大。
根据Dechirp处理原理，间歇采样收发回波的差频输出为
Figure BDA0002305817800000031
其中，
Figure BDA0002305817800000032
是sref(t)的共轭。Rk,Δ(tm)＝Rk(tm)-Rref，2μRk,Δ/C表示散射点相对参考点的位置。
对快时间进行傅里叶变换，并去除残余视频相位(Residual Video Phase,RVP)项和斜置项，得到包含目标微动信息距离像为
Figure BDA0002305817800000033
其中，第三步所述的加窗截取真实目标所在距离单元，具体过程如下：
根据(公式3)，
Figure BDA0002305817800000034
相邻两个辛克函数尖峰相距
Figure BDA0002305817800000035
要保证匹配滤波后相邻峰值不发生混叠，则需满足
ΔR＞L (公式5)
其中，L为目标尺寸。此外要满足目标回波信号不遮挡和完全接收条件，还须有
Figure BDA0002305817800000036
其中
Figure BDA0002305817800000041
表示信号遍历目标耗时。
即约束条件可写为：
Figure BDA0002305817800000042
在理想情况下，利用矩形窗截取脉压输出的主峰可以获得进动目标真实位置处的距离像。令
Figure BDA0002305817800000047
为矩形窗宽，则
Figure BDA0002305817800000048
对应的距离要小于相邻峰的距离，从而
Figure BDA0002305817800000043
因此，截取之后间歇采样收发回波的匹配滤波输出为
Figure BDA0002305817800000044
对
Figure BDA0002305817800000045
的主峰位置(n＝0)进行时域开窗处理即可得到进动目标实际位置处的距离像信息。
其中，第四步所述的能量补偿及时频分析，具体过程如下：
令n＝0，得到脉压输出的峰值点为
Figure BDA0002305817800000046
由于发射信号的通断，损失了部分信号能量，通过对信号幅度补偿1/τfs，并对(公式10)进行时频分析，即可得到散射点对应的微多普勒频率。
本发明的有益效果主要包括：
第一，解决了脉冲雷达在微波暗室内进行目标特性测量时，收发信号相互耦合的问题。将脉冲信号分为多个短脉冲进行间歇性交替收发，实现收发信号时域分离，得到进动目标回波信号。
第二，实现了进动目标脉冲回波距离像的有效获取。通过对间歇采样收发目标回波解线性调频处理，得到包含目标散射信息的多个单频信号，对该信号进行傅里叶变换，能够有效获取进动目标距离像信息。
第三，截取得到包含目标微动特征的距离像信息。进动目标微多普勒信息在脉冲持续时间内一般保持不变，而在多个脉冲之间发生变化。通过对间歇采样目标回波距离像的有效截取，能够得到包含目标微动信息的距离像，为下一步提取目标微动信息提供基础。
第四，实现了进动目标微动特征的精确提取。通过上一步截取得到的目标距离像，对距离像中不同峰值所处距离单元沿慢时间分别进行时频分析，能够得到目标不同部位的微多普勒信息，从而验证本发明的有效性。
【附图说明】
图1是微波暗室进动目标微动特征提取实验场景。
图2是目标进动姿态示意图。
图3是进动目标微多普勒提取流程。
图4是间歇采样收发进动目标回波。
图5(a)是进动目标高分辨距离像。
图5(b)是进动目标高分辨距离像放大图。
图6是间歇采样收发进动目标距离-慢时间二维图像。
图7(a)是进动目标鼻锥微多普勒时频图。
图7(b)是进动目标中部圆环微多普勒时频图。
图7(c)是进动目标底部圆环微多普勒时频图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步的说明。步骤如下：
第一步，间歇采样收发获取进动目标回波信号。
间歇采样收发交替工作过程可以等价为信号p(t)对雷达脉冲信号进行控制，p(t)可表示为
Figure BDA0002305817800000061
其中τ为发射通道工作时段，Ts为收发通道交替工作周期，δ(·)为单位冲击函数，n表示第n个方波信号。
p(t)的频域可以表示为
Figure BDA0002305817800000062
其中，fs＝1/Ts，sinc(x)＝sin(πx)/(πx)。
图1为微波暗室内进行进动目标微动特征提取实验场景。图2给出了目标进动姿态示意图。其中，雷达与目标质心O相距R0，目标绕锥旋轴OZ做锥旋运动，旋转频率为fp，绕自旋轴OB做自旋运动，旋转频率为ft。OAB为雷达视线与目标的切面，目标初始姿态角为OA与OX构成的夹角φ0。平均视线角β为雷达视线OR与锥旋轴OZ的夹角，进动角θ为锥旋轴OZ与自旋轴OB的夹角，电波入射角γ为OB与OR的夹角。
假设雷达视线OR与自旋轴OB构成的平面与锥柱结合面(图2中圆锥体与圆柱相交的平面)交于p'和q'两点。对于旋转对称目标，在进动过程中，散射中心p'和q'随OB在参考系中运动而在本体坐标系中变化，形成滑动现象。α为Oq'与OB的夹角，l为q'到质心O的距离。中部圆环半径为r，Rt为雷达与p'的距离。
在目标本体坐标系下，雷达脉冲慢时间tm时刻，目标上任意一点p(x,y,z)的旋转矩阵为
Figure BDA0002305817800000071
根据坐标变换，目标本体坐标系到参考坐标系OXYZ的初始变换矩阵为
Figure BDA0002305817800000072
从而，p点在参考坐标系的坐标为
rOp＝MrotRinit[x,y,z]T (公式五)
根据矢量运算，得到p点与雷达距离为
Figure BDA0002305817800000073
对于鼻锥(图2中圆锥体的顶端)部分，其滑动距离较小，可以用
Figure BDA0002305817800000077
表征。同时，鼻锥在本体坐标系下有，x＝y＝0，从而有
Figure BDA0002305817800000074
进一步可以得到鼻锥的微多普勒为
Figure BDA0002305817800000075
对于图2的圆环部分，由三角函数关系可得雷达到p'的距离为
Figure BDA0002305817800000076
其中，||rOR||＝R0，||rOp′||＝l，∠ROp′＝γ-α。
γ为OR与OB的夹角，根据矢量的坐标表达式可得
Figure BDA0002305817800000081
代入(公式九)可得
Figure BDA0002305817800000082
通常情况下l＜＜R0，因此上式可简化为
Figure BDA0002305817800000083
同样的，可以得到散射点q'与雷达距离为
Figure BDA0002305817800000084
考虑雷达脉冲慢时间tm时刻，发射线性调频(Linear frequency modulation,LFM)信号为
Figure BDA0002305817800000085
若目标第k个强散射点散射强度为αk，Rk(tm)为该散射点与雷达距离，C为电磁波速度，则回波延时为2Rk(tm)/C。从而目标回波为所有散射点回波的叠加
Figure BDA0002305817800000086
对于间歇采样收发为p(t)时，目标回波为
Figure BDA0002305817800000087
第二步，解线性调频获取目标距离像。
令Dechirp处理的参考距离为Rref，可得参考信号为
Figure BDA0002305817800000091
其中，Tref是参考信号的脉宽，一般比Tp稍大。
根据Dechirp处理原理，间歇采样收发回波的差频输出为
Figure BDA0002305817800000092
其中，
Figure BDA0002305817800000093
是sref(t)的共轭。Rk,Δ(tm)＝Rk(tm)-Rref，2μRk,Δ/C表示散射点相对参考点的位置。
对快时间进行傅里叶变换，并去除残余视频相位(Residual Video Phase,RVP)项和斜置项，得到包含目标微动信息距离像为
Figure BDA0002305817800000094
第三步，加窗截取真实目标所在距离单元。
根据(公式十九)，
Figure BDA0002305817800000095
相邻两个辛克函数尖峰相距
Figure BDA0002305817800000096
要保证匹配滤波后相邻峰值不发生混叠，则需满足
ΔR＞L (公式二十一)
其中，L为目标尺寸。此外要满足目标回波信号不遮挡和完全接收条件，还须有
Figure BDA0002305817800000101
其中
Figure BDA0002305817800000102
表示信号遍历目标耗时。
即约束条件可写为：
Figure BDA0002305817800000103
在理想情况下，利用矩形窗截取脉压输出的主峰可以获得进动目标真实位置处的距离像。令
Figure BDA0002305817800000108
为矩形窗宽，则
Figure BDA0002305817800000109
对应的距离要小于相邻峰的距离，从而
Figure BDA0002305817800000104
因此，截取之后间歇采样收发回波的匹配滤波输出为
Figure BDA0002305817800000105
对
Figure BDA0002305817800000106
的主峰位置(n＝0)进行时域开窗处理即可得到进动目标实际位置处的距离像信息。
第四步，能量补偿及时频分析。
令n＝0，得到(公式十九)中脉压输出的峰值点为
Figure BDA0002305817800000107
取(公式二十六)中的相位项，有
Figure BDA0002305817800000111
其中，λ＝C/fc为信号波长。
从而散射点对应的多普勒频率为
Figure BDA0002305817800000112
根据间歇收发回波所得目标距离像幅度可以发现，对于实际目标信息而言，间歇收发匹配滤波输出的主峰(n＝0)反映了真实目标信息。但是由于发射信号的通断，损失了部分信号能量，需要进行能量补偿。根据(公式十九)，取n＝0处的脉压输出信息得到(公式二十六)，并对信号幅度补偿1/τfs，然后进行时频分析，即可精确得到目标的微多普勒信息，，即为(公式二十八)所得结果。
实施例：
利用间歇采样收发的方法对进动目标微动特征进行提取时，图2中目标锥底半径为0.3m，质心与锥底距离0.4m，与锥柱结合面距离0.8m。鼻锥与锥柱结合面距离1.2m。根据图2，假设雷达在参考坐标系坐标为(6,15,42)，从而雷达与质心距离为45m。目标初始姿态角φ0＝10°，进动角θ＝7.9°。目标自旋频率为ft＝3Hz，锥旋频率为fp＝1Hz。雷达脉冲Tp＝12.7μs，带宽B＝500MHz，信号PRF为1kHz，观测总时长为2.048s。
当间歇采样收发Ts＝0.6μs，τ＝0.2μs时，根据图3进行仿真，得到间歇采样收发回波如图4所示。图5(a)给出了间歇采样收发所得目标回波距离像，其中图5(b)为距离像放大图，显示了目标尺寸约为2.1m，与目标尺寸基本一致。同时，间歇采样收发所得距离像中虚假峰与真实峰距离为ΔR＝6m，因此，通过截取目标距离像所处距离单元的方法能够得到距离-慢时间二维图，如图6所示。对三个距离单元的慢时间回波序列分别进行时频分析，得到图7(a)、(b)和(c)。其中，鼻锥时频图如图7(a)所示，其微多普勒为标准的正弦曲线。中部圆环与底部圆环的微多普勒不是标准的正弦曲线，如图7(b)和(c)所示。同时，三个部分的微多普勒频率均为1Hz，与仿真设定的锥旋频率相同。

Claims (4)

1.一种微波暗室中脉冲雷达进动目标微动特征提取方法，其特征在于：该方法步骤如下：
第一步，间歇采样收发获取进动目标回波信号
考虑雷达脉冲慢时间tm时刻，完整脉冲信号为s(t,tm)，间歇采样收发的过程等价于用控制信号p(t)与s(t,tm)相乘，即有s1(t,tm)＝s(t,tm)·p(t)；根据进动目标运动特性计算得到，慢时间tm时刻目标上某个散射系数为αk的散射点与雷达的径向距离为Rk(tm)，间歇采样收发后的目标回波为各散射的回波之和，表示为
Figure FDA0002305817790000011
第二步，解线性调频获取进动目标距离像
以参考信号sref(t)，对线性调频信号间歇采样收发的目标回波sr(t,tm)进行去斜处理，然后进行傅里叶变换，可以得到进动目标距离像；
第三步，截取真实进动目标所在距离单元的距离像
根据间歇采样收发周期、线性调频信号带宽、脉冲宽度、目标尺寸，设计矩形窗对实际目标峰值位置的距离像进行截取，得到包含目标微动信息的距离像；
第四步，时频分析获取进动目标不同部位的微动信息
对上一步截取的包含目标微动信息的距离像，结合间歇收发参数，进行能量补偿；然后，沿距离像不同峰值所在距离单元的慢时间进行时频分析，得到进动目标不同部位的微多普勒。
2.根据权利要求1所述的微波暗室中脉冲雷达进动目标微动特征提取方法，其特征在于：第二步所述的解线性调频获取目标距离像，具体过程如下：
令Dechirp处理的参考距离为Rref，可得参考信号为
Figure FDA0002305817790000021
其中，Tref是参考信号的脉宽，一般比Tp稍大；
根据Dechirp处理原理，间歇采样收发回波的差频输出为
Figure FDA0002305817790000022
其中，
Figure FDA0002305817790000023
是sref(t)的共轭；Rk,Δ(tm)＝Rk(tm)-Rref，2μRk,Δ/C表示散射点相对参考点的位置；
对快时间进行傅里叶变换，并去除残余视频相位项和斜置项，得到包含目标微动信息距离像为
Figure FDA0002305817790000024
3.根据权利要求1所述的微波暗室中脉冲雷达进动目标微动特征提取方法，其特征在于：第三步所述的加窗截取真实目标所在距离单元，具体过程如下：
根据(公式3)，
Figure FDA0002305817790000025
相邻两个辛克函数尖峰相距
Figure FDA0002305817790000031
要保证匹配滤波后相邻峰值不发生混叠，则需满足
ΔR＞L (公式5)
其中，L为目标尺寸；此外要满足目标回波信号不遮挡和完全接收条件，还须有
Figure FDA0002305817790000032
其中
Figure FDA0002305817790000033
表示信号遍历目标耗时；
即约束条件可写为：
Figure FDA0002305817790000034
在理想情况下，利用矩形窗截取脉压输出的主峰可以获得进动目标真实位置处的距离像；令
Figure FDA0002305817790000038
为矩形窗宽，则
Figure FDA0002305817790000039
对应的距离要小于相邻峰的距离，从而
Figure FDA0002305817790000035
因此，截取之后间歇采样收发回波的匹配滤波输出为
Figure FDA0002305817790000036
对
Figure FDA0002305817790000037
的主峰位置(n＝0)进行时域开窗处理即可得到进动目标实际位置处的距离像信息。
4.根据权利要求1所述的微波暗室中脉冲雷达进动目标微动特征提取方法，其特征在于：第四步所述的能量补偿及时频分析，具体过程如下：
令n＝0，得到脉压输出的峰值点为
Figure FDA0002305817790000041
由于发射信号的通断，损失了部分信号能量，通过对信号幅度补偿1/τfs，并对(公式10)进行时频分析，即可得到散射点对应的微多普勒频率。
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