CN111458703A - 一种测量多目标横向速度的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种测量多目标横向速度的方法及系统，包括利用均匀直线阵列获取多目标的多通道回波信号；提取各通道多目标的径向速度；利用阵列信号处理获取多目标的方位信息；分别构造子阵抑制其他目标信号实现对某一目标的横向速度提取，直至得到所有目标的横向速度。本发明通过对多目标横向速度的测量，在精度和实用性等方面提高雷达系统对运动目标的检测、识别和跟踪性能。

Description

一种测量多目标横向速度的方法及系统
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，特别涉及一种测量多目标横向速度的方法及系统。
背景技术
现有一般雷达利用多普勒效应只能测量目标的径向速度，而横向速度在目标检测、识别和跟踪方面可以起到非常重要作用。尽管发明申请人所申请的《一种测量运动物体横向速度的雷达及方法》发明专利已获得授权，但所针对的是单目标情形，当多个目标同时存在时，不能测量出目标横向速度。对于雷达而言，同时存在多个目标是最有可能的情形。因此，本领域亟待提出相应的解决技术方案。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种测量多目标横向速度的方法，在精度和实用性方面提高雷达系统对目标的速度检测、识别和跟踪性能。
本发明提供的技术方案是一种测量多目标横向速度的方法，包括利用均匀直线阵列获取多目标的多通道回波信号；提取各通道多目标的径向速度；利用阵列信号处理获取多目标的方位信息；构造子阵抑制其他目标信号实现对某一目标的横向速度提取，重复此一过程直至得到所有目标的横向速度。
而且，实现过程包括以下步骤，
第一步，均匀直线阵列接收目标的散射信号得到多通道信号；
第二步，对各通道信号进行匹配滤波处理得到各目标的距离信息，对每一通道各距离元的目标时域回波信号进行傅里叶变换得到各距离元上各目标的径向速度；
第三步，对各距离元上各目标的多通道信号进行阵列信号处理得到各距离上各目标的方位信息；
第四步，将均匀直线阵列构造成两个子阵，通过加权处理抑制每个子阵所属多通道信号中某一距离元上其他方位目标信号，由只包含某一方位目标信号的两个子阵信号得到此距离元上此方位目标的横向速度；
第五步，重复第四步对下一目标进行处理，直到得到所有距离元上所有方位上目标的横向速度。
而且，第三步中，目标的方位信息由MUSIC算法得到。
而且，两个子阵包含的阵元数完全一致。
而且，第四步中，通过利用第三步所得目标方位信息，对两个子阵中的通道信号进行方位滤波。
而且，方位滤波采用波束形成方式实现。
而且，方位滤波采用最小方差无失真响应方式实现。
本发明还提供一种测量多目标横向速度的系统，用于执行如上所述的测量多目标横向速度的方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
在精度和实用性等方面实现雷达系统对多目标的横向速度的检测，从而提高系统对目标的识别和跟踪性能。
附图说明
图1是本发明实施例测量多目标横向速度均匀线阵及子阵示意图；
图2是本发明实施例多通道信号处理得到目标距离、径向速度和方位信息流程图；
图3是本发明实施例构造子阵得到单目标信息及其横向速度流程图；
图4是本发明实施例中两通道信号提取单目标横向速度示意图；
图5是本发明实施例应用示例中雷达与两条海船的位置示意图；
图6是本发明实施例应用示例中最小方差无失真响应算法的方位响应曲线图；
图7(a)是本发明实施例应用示例中所测量海船之一横向速度与船上AIS设备得到横向速度比较图，图7(b)是本发明实施例应用示例中所测量海船之二横向速度与船上AIS设备得到横向速度比较图。
图8(a)是利用本发明所测横向速度得到的海船之一的航迹图与未利用情况下的比较图，图8(b)是利用本发明所测横向速度得到的海船之二的航迹图与未利用情况下的比较图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步地描述。
实施例提供的一种基于上述测量多目标横向速度的方法，包括利用均匀直线阵列获取多目标的多通道回波信号；提取各通道多目标的径向速度；利用阵列信号获取多目标的方位信息；构造子阵抑制其他目标信号实现对某一目标的横向速度提取，重复此一过程直至得到所有目标的横向速度。
实施例的实现流程包括以下步骤：
第一步：均匀直线阵列接收目标的散射信号得到多通道信号；
图1是本发明实施例所采用的均匀直线阵列示意图，各阵单元接收来自目标的回波得到多通道回波信号。由于直线阵固有特性，一般能对目标有效处理的方位角范围为20°至160°。图中x轴上圆点示意直线阵阵元在x轴上的位置，阵元数为I，目标距离坐标原点(即均匀直线阵列中心)距离为r0，目标速度为v，r1和r2分别是将直线阵组合所得两个子阵的中心位置A1、A2到目标的距离。
不失一般性，假定目标雷达发射线性调频脉冲波，直线阵中单阵元接收来自目标的回波sr(t)为：
sr(t)＝P·rect(t-Δt)·exp{j[2πfc(t-Δt)+πK(t-Δt)2]} (1)
式(1)中，P是回波幅度，rect()表示矩形函数，exp()表示指数函数，t表示时间，Δt是回波延时，fc是电波频率，j为虚数单位，K是线性调频脉冲信号的调频率。
当存在多个目标时，考虑背景噪声的单阵元回波为：
sR(t)＝sr1(t)+sr2(t)+…+srQ(t)+n(t) (2)
式(2)中，sR(t)为背景噪声的回波，sr1(t)，sr2(t)，…，srQ(t)分别表示来自第1个，第2个，…，第Q个目标的回波，n(t)是噪声信号。
对单阵元回波sR(t)添加下标1记为sR1(t)用来表示阵元1的回波，如果阵元数目为I，则多通道回波记为sRi(t)，其中i＝1，2，…，I。
第二步：对各通道信号进行匹配滤波处理得到各目标的距离信息，对每一通道各距离元的目标时域回波信号进行傅里叶变换得到各距离元上各目标的径向速度；
多通道回波经过匹配滤波处理以及快速傅里叶变换处理后，可以得到多个目标的距离和径向速度，
其距离由目标所在距离元数乘以距离分辨率ρ得到，ρ＝c/(2B),c为光速，B 为信号带宽；
其径向速度vr＝fdλc/2,fd是多普勒频率，λc是电波波长，c＝λcfc，fc为电波频率。
第三步：对各距离元上各目标的多通道信号进行阵列信号处理得到各距离上各目标的方位信息；
目标的方位信息
Figure RE-GDA0002533890910000041
可以由经典的MUSIC算法得到：
Figure RE-GDA0002533890910000042
式(3)中
Figure RE-GDA0002533890910000043
为回波能量随方位角
Figure RE-GDA0002533890910000044
变化回波方位谱，
Figure RE-GDA0002533890910000045
为直线阵导向矢量， EN是MUSIC算法中的噪声子空间向量。MUSIC算法所能处理的某一距离元上的目标数Q要小于均匀直线阵阵元数I，如果阵元数I为8，某一距离元上的目标数 Q最多只能为7。
上述多通道信号处理流程如图2所示，从各阵元天线来的目标信号经过匹配滤波处理、快速傅里叶变换和阵列信号处理得到目标所在距离、目标径向速度以及目标方位角。
第四步：将均匀直线阵构造成两个子阵，通过加权处理抑制每个子阵所属多通道信号中某一距离元上其他方位目标信号，由只包含某一方位目标信号的两个子阵信号得到此距离元上此方位目标的横向速度。
得到目标径向速度和方位后，构造阵元数完全一致的子阵1和子阵2，如图1 及图3所示。当然，子阵的阵元数小于均匀直线阵阵元数I。
参见图3，两子阵内的多通道信号进行抑制其他方位目标信号的方位滤波处理得到某一方位单目标信息，再进行两路信号干涉处理得到某一目标的横向速度。
具体实现如下：
利用第三步所得目标方位信息，对两个子阵中的通道信号进行方位滤波。滤波算法既可以采用波束形成(BF)技术也可以最小方差无失真响应(MVDR)技术以及其他技术，不失一般性，实施例采用最小方差无失真响应(MVDR)技术。
假定要获取的某一目标方位为
Figure RE-GDA0002533890910000046
其他目标方位为
Figure RE-GDA0002533890910000047
某阵元i 的信号xi(t)为：
Figure RE-GDA0002533890910000048
式(4)中s1(t)是方位为
Figure RE-GDA0002533890910000049
的目标回波信号，sq(t)是方位为
Figure RE-GDA00025338909100000410
的目标回波信号，
Figure RE-GDA00025338909100000411
是第q个目标的相位因子，同理
Figure RE-GDA00025338909100000412
是第1个目标的相位因子，di是阵元i与参考点的距离，λ是电波波长，e为数学常量。
假定两个子阵的输出分别为：
y1(t)＝WHX1(t) (5a)
y2(t)＝WHX2(t) (5b)
式中W是MVDR算法中的权矢量，上标H表示转置，X1(t)是子阵1的信号矢量，X2(t)是子阵2的信号矢量。MVDR算法权矢量W满足泛函表达式：
Figure RE-GDA0002533890910000051
式中E[]表示变量的期望，信号矢量X(t)取X1(t)或X2(t)，RX是X(t)的协方差矩阵。
其解为
Figure RE-GDA0002533890910000052
由子阵的多通道信号求出权矢量W后就可以得到两个子阵只包含方位为
Figure RE-GDA0002533890910000053
的目标的回波信号y1(t)和y2(t)。
参照图4由两通道信号提取单目标横向速度示意图，图中目标用英文单词 Target示意，目标速度v分解为径向速度vr和横向速度vl。目标距离坐标原点(即均匀直线阵列中心)距离为r0，相应方位
Figure RE-GDA0002533890910000054
的目标横向速度vl为：
Figure RE-GDA0002533890910000055
式(8)中kp是天线A1和天线A2所接收信号的干涉信号的相位变化率，D是两天线间的距离。将两子阵输出信号y1(t)和y2(t)相干涉信号的相位变化率kp和两子阵中心距离代入(8)式就得到方位为
Figure RE-GDA0002533890910000056
目标的横向速度。
第五步：重复第四步，得到所有距离元上所有方位上目标的横向速度。
遍历所有目标，就可以求出所有目标的横向速度。
具体实施时，以上过程可采用计算机软件技术实现自动运行。运行本发明技术方案的系统装置也应当在保护范围内。
为了示意本发明方案的可行性，对位于福建龙海的地波雷达在2016年1月 21日的海洋回波数据进行了处理，由船舶AIS数据可知此时有MSC SVEVA和 SHUDONG两条海船经过雷达前方海域。雷达与两条海船的位置示意图如图5所示，图中Ship1是MSC SVEVA，Ship2是SHUDONG。MSC SVEVA和SHUDONG 两条海船在12：51am时的径向速度分别为2.29m/s和1.15m/s，其方位角分别是 137°和51°。
MVDR权矢量的方位响应图如图6所示，从图6可以看到，在求此一时刻 MSC SVEVA的横向速度时对来自SHUDONG的信号进行了60dB的抑制，因此来自SHUDONG的信号对于计算MSC SVEVA的横向速度的干扰可以忽略不计。图7(a)和图7(b)是所测量两条海船横向速度与船上AIS设备得到横向速度比较图，可以看到在将近一个小时的时间范围内，本发明方案得到的横向速度与船上AIS 数据得到的吻合很好，SHUDONG的结果略差是因为船体小，回波信号小所致。
为显示横向速度在跟踪目标运动轨迹时的作用，利用所测量的横向速度值对上述两条海船的航迹进行了描绘。图8(a)和图8(b)是利用本发明所测横向速度得到的两条海船的航迹图与未利用情况下的比较图，图中显示同时利用横向速度和径向速度信息得到的海船航迹明显比没有利用横向速度的结果好很多。
尽管上面结合附图对本发明的较佳实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量多目标横向速度的方法，其特征在于：包括利用均匀直线阵列获取多目标的多通道回波信号；提取各通道多目标的径向速度；利用阵列信号处理获取多目标的方位信息；构造子阵抑制其他目标信号实现对某一目标的横向速度提取，重复此一过程直至得到所有目标的横向速度。
2.根据权利要求1所述的一种测量多目标横向速度的方法，其特征在于：实现过程包括以下步骤，
第一步，均匀直线阵列接收目标的散射信号得到多通道信号；
第二步，对各通道信号进行匹配滤波处理得到各目标的距离信息，对每一通道各距离元的目标时域回波信号进行傅里叶变换得到各距离元上各目标的径向速度；
第三步，对各距离元上各目标的多通道信号进行阵列信号处理得到各距离上各目标的方位信息；
第四步，将均匀直线阵列构造成两个子阵，通过加权处理抑制每个子阵所属多通道信号中某一距离元上其他方位目标信号，由只包含某一方位目标信号的两个子阵信号得到此距离元上此方位目标的横向速度；
第五步，重复第四步对下一目标进行处理，直到得到所有距离元上所有方位上目标的横向速度。
3.根据权利要求1所述的一种测量多目标横向速度的方法，其特征在于：第三步中，目标的方位信息由MUSIC算法得到。
4.根据权利要求2所述的一种测量多目标横向速度的方法，其特征在于：两个子阵包含的阵元数完全一致。
5.根据权利要求2所述的一种测量多目标横向速度的方法，其特征在于：第四步中，通过利用第三步所得目标方位信息，对两个子阵中的通道信号进行方位滤波。
6.根据权利要求5所述的一种测量多目标横向速度的方法，其特征在于：方位滤波采用波束形成方式实现。
7.根据权利要求5所述的一种测量多目标横向速度的方法，其特征在于：方位滤波采用最小方差无失真响应方式实现。
8.一种测量多目标横向速度的系统，其特征在于：用于执行如权利要求1至7所述的测量多目标横向速度的方法。
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