CN112014833B - 一种高速目标时频域探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速目标时频域探测方法，包括：接收时域的回波信号，其中，所述回波信号由发送的相位编码脉冲信号接触待测目标后产生，且所述待测目标具有初始速度；对所述回波信号进行第一处理步骤，得到频域信息；对所述频域信息进行第二处理步骤，得到多普勒补偿值，根据所述多普勒补偿值计算到所述待测目标的速度信息；根据所述多普勒补偿值对所述回波信号进行多普勒补偿，根据多普勒补偿后的回波信号计算得到所述待测目标的距离信息。

Description

一种高速目标时频域探测方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种高速目标时频域探测方法。
背景技术
相位编码信号采用伪随机序列，具有良好的邻近目标的距离和速度分辨力及测距、测速精度。缺点是相位编码信号对多普勒敏感，当回波信号的多普勒频移很大时，会严重影响脉冲压缩(简称“脉压”)性能，影响对目标的检测。
传统多普勒补偿方法主要有两种：一种需要有目标的速度作为先验信息，直接进行多普勒补偿，但是消除了多普勒信息，无法进行相参处理；另一种采用多通道多普勒滤波器组估计，该方法运算量高且存在多普勒模糊无法识别，不适用于高速远距离目标的探测。
发明内容
本发明的目的在于提供高速目标时频域探测方法，以克服现有技术中所存在的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高速目标时频域探测方法，包括：
接收时域的回波信号，其中，所述回波信号由发送的相位编码脉冲信号接触待测目标后产生，且所述待测目标具有初始速度；
对所述回波信号进行第一处理步骤，得到频域信息；
对所述频域信息进行第二处理步骤，得到多普勒补偿值，根据所述多普勒补偿值计算到所述待测目标的速度信息；
根据所述多普勒补偿值对所述回波信号进行多普勒补偿，根据多普勒补偿后的回波信号计算得到所述待测目标的距离信息。
可选地，在速度未知状况下，通过频域检测到目标，在时域对信号进行多普勒补偿。
可选地，在速度未知的状况下，通过单频信号获得目标的频域信息。
可选地，所述第一处理步骤具体包括：
S101、对所述回波信号进行下变频处理；
S102、对下变频处理后的数据进行滤波处理；
S103、对滤波处理后的数据进行FFT处理。
可选地，所述第二处理步骤具体包括：
S201、进行恒虚警概率检测，得到所述待测目标的第二位置信息；
S202、根据所述频域信息以及所述第二位置信息进行相参积累处理。
可选地，所述方法还包括：
根据所述多普勒补偿值计算得到所述待测目标的速度信息，通过如下公式进行计算：
其中，v为待测目标的速度，fd为多普勒补偿值，λ为波长。
可选地，所述初始速度大于200m/s。
可选地，在恒虚警概率检测时，运用一种改进的信号检测方法，能够快速检测到目标信号。
可选地，通过对单频信号进行频域处理和速度解模糊，获得目标精确速度值。
可选地，在搜索时通过频域检测目标并计算目标速度，在跟踪时在时域对回波信号进行多普勒补偿并计算目标距离。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点之一：
1.本发明利用时频域相结合进行处理，在相位编码体制雷达目标高速运动，速度达到200m/s以上时，可以精确测距测速。
2.本发明在速度信息未知状况下，FPGA对回波信号进行FFT处理，DSP读取FFT后的数据，通过查找表法解速度模糊，得到多普勒补偿值fd，并能够精确测速，FPGA读取多普勒补偿值fd后，对目标信号进行多普勒补偿并脉压出峰值，从而能够精确测距。
3.本发明数据处理方法简单，易于硬件实现，为实时性处理提供了可能，本发明复杂度较低，处理过程计算量较小，易于实现。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的对目标进行检测的算法的示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种高速目标时频域探测方法；
图3为本发明一实施例提供的补偿前200m/s时距离维速度维二维平面；
图4为本发明一实施例提供的补偿后200m/s时距离维速度维二维平面；
图5a、5b、5c、5d为本发明一实施例中matlab仿真的补偿前脉压结果；
图6a、6b、6c、6d为本发明一实施例中matlab仿真的补偿后脉压结果。
具体实施方式
以下结合附图1～6和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者现场设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者现场设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者现场设备中还存在另外的相同要素。
请参阅图1、图2所示，本实施例提供的一种高速目标时频域探测方法，具体包括：
发送脉冲重复频率不同的至少三个相位编码脉冲信号。
采集中频信号(频段由300KHz到3000KHz的频率)，在FPGA中对所述中频信号进行下变频、滤波以及FFT处理。
设发射信号频率为60.5MHz，在FPGA(FPGA处理模块简称为FPGA，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路ASIC领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点)中用60MHz进行下变频，通过MATLAB产生频率60MHz正弦值，放在FPGA的ROM核中，在下变频时，调用ROM中的数据，通过FPGA的乘法器核对回波信号进行下变频。通过FPGA的FIR核对下变频后的数据进行滤波抽取。对滤波抽取后的数据通过FFT核进行FFT处理，放在SRAM中，通过单频信号获得目标的频域信息。
DSP(DSP处理模块简称DSP，即数字信号处理器)以EDMA方式乒乓读取FFT处理后的数据，对其进行恒虚警概率检测(恒虚警率CFAR是ConstantFalse-AlarmRate的缩写。在雷达信号检测中，当外界干扰强度变化时，雷达能自动调整其灵敏度，使雷达的虚警概率保持不变，这种特性称为恒虚警率特性。恒虚警率简称CFAR，是ConstantFalse-AlarmRate的缩写。恒虚警率的获得方法有两种：参量法和非参量法)，得到目标；图1为在进行恒虚警概率检测时，对目标进行检测的算法的示意图，在速度未知状况下，通过频域检测到目标。
对所述目标进行相参积累，通过对单频信号进行频域处理和速度解模糊，获得目标精确速度值，通过查表法进行速度解模糊(本方案中的系统包括相应的查找模块或对比模块，存储模块存储有相关表格数据，查找模块或对比模块根据相参积累的相关数据调取存储模块中对应的速度信息)，得到多普勒补偿值fd，在时域对信号进行多普勒补偿。
将产生的多普勒补偿值fd传递给FPGA，其中，FPGA利用乘法器核对回波信号进行多普勒补偿。对补偿后的回波数据进行脉压处理。具体操作如下：
设相位编码信号为：
其中，f0为载波信号频率，为相位调制函数，对二相编码信号来说，/>只有0和π两个取值，a(t)为复包络幅度，一般取1。
回波信号为：
其中，tγ为回波延时，反映目标距离信息；fd为多普勒补偿值，反映目标速度信息，为初始相位。
多普勒补偿信号为：
Sc(t)＝exp(-j2πfdt) (3)
与回波信号相乘后得到：
补偿后的回波信号不再含有多普勒补偿值fd，因此可以正常脉冲压缩，进行测距。
本实施例中，所述方法还包括：
计算目标的速度，通过如下公式进行计算：
其中，v为目标的速度，fd为多普勒补偿值，λ为固定参数。
本实施例中，所述FPGA利用乘法器核对回波信号进行多普勒补偿具体包括：
设相位编码信息为：
其中，f0为载波信号频率，为相位调制函数，对二相编码信号来说，/>只有0和π两个取值，a(t)为复包络幅度；
所述回波信号为：
其中，tr为回波延时，反映目标距离信息；fd为多普勒补偿值，反映目标速度信息，为初始相位；
多普勒补偿信号为：
Sc(t)＝exp(-j2πfdt) (8)
与所述回波信号相乘后得到补偿后的回波信号：
其中，补偿后的回波信号不再含有多普勒补偿值fd，因此可以正常脉冲压缩，进行测距。
1、FPGA利用乘法器核对回波信号进行多普勒补偿。并对补偿后的回波数据进行脉压处理。具体操作如下。
a)设相位编码信号为：其中f0为载波信号频率，/>为相位调制函数，对二相编码信号来说，/>只有0和π两个取值，a(t)为复包络幅度，一般取1。
b)回波信号为其中tr为回波延时，反映目标距离信息；fd为目标多普勒频率，反映目标速度信息，/>为初始相位。
c)多普勒补偿信号为Sc(t)＝exp(-j2πfdt)，与回波信号相乘后
补偿后的回波信号不再含有目标多普勒频率fd，因此可以正常脉冲压缩，进行测距。
本实施例中，所述方法还包括：对所述补偿后的回波信号进行脉压处理。DSP读取脉压处理后的数据，对所述目标进行测距处理。
在搜索时通过频域检测目标并计算目标速度，在跟踪时在时域对回波信号进行多普勒补偿并计算目标距离。
本实施例打破传统多普勒补偿的壁垒，利用DSP和FPGA信号处理硬件平台，在解决没有目标速度先验信息的条件下相位编码体制雷达对高速目标的探测和多普勒补偿后目标的跟踪及距离和速度的测量。
图2为一种相位编码体制雷达高速目标时频域探测技术设计步骤。首先通过FPGA对采集的中频信号进行下变频、滤波以及FFT处理，DSP读取FFT后的数据进行相参积累，计算出目标速度。并将产生多普勒补偿值传递给FPGA，FPGA实现与目标回波信号相乘，实现多普勒补偿，然后进行脉压处理。DSP读取脉压后的值进行测距处理。
图3补偿前200m/s时距离维速度维二维平面，图4补偿后200m/s时距离维速度维二维平面。
图5、图6为matlab仿真的补偿前后脉压结果，从图中可以看出速度为200m/s信号未补偿前峰值被旁瓣淹没，没有尖锋，直接影响信号检测，多普勒补偿后脉压峰值明显，证明算法有效。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种高速目标时频域探测方法，其特征在于，通过时频域结合得到目标的速度信息和距离信息，具体包括：
接收时域的回波信号，其中，所述回波信号由发送的相位编码脉冲信号接触待测目标后产生，且所述待测目标具有初始速度；
对所述回波信号进行第一处理步骤，得到频域信息，所述第一处理步骤具体包括：
S101、对所述回波信号进行下变频处理；
S102、对下变频处理后的数据进行滤波处理；
S103、对滤波处理后的数据进行FFT处理；
对所述频域信息进行第二处理步骤，得到多普勒补偿值，根据所述多普勒补偿值计算到所述待测目标的速度信息，所述第二处理步骤具体包括：
S201、进行恒虚警概率检测，得到所述待测目标的第二位置信息；
S202、根据所述频域信息以及所述第二位置信息进行相参积累处理，
通过对单频信号进行频域处理和速度解模糊，获得目标精确速度值，通过查表法进行速度解模糊，得到多普勒补偿值；
根据所述多普勒补偿值对所述回波信号进行多普勒补偿，将所述多普勒补偿值传递给FPGA处理模块，所述FPGA处理模块利用乘法器核对回波信号进行多普勒补偿，得到补偿后的回波数据，对补偿后的回波数据进行脉压处理，根据多普勒补偿后的回波信号计算得到所述待测目标的距离信息。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在速度未知状况下，通过频域检测到目标，在时域对信号进行多普勒补偿。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在速度未知的状况下，通过单频信号获得目标的频域信息。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述多普勒补偿值计算得到所述待测目标的速度信息，通过如下公式进行计算：
其中，v为待测目标的速度，fd为多普勒补偿值，λ为波长。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始速度大于200m/s。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在恒虚警概率检测时，运用一种改进的信号检测方法，能够快速检测到目标信号。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在搜索时通过频域检测目标并计算目标速度，在跟踪时在时域对回波信号进行多普勒补偿并计算目标距离。
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