CN112327285A

CN112327285A - 基于混合广义瑞登傅里叶变换的雷达目标检测方法

Info

Publication number: CN112327285A
Application number: CN202011196999.3A
Authority: CN
Inventors: 丁泽刚; 尤鹏杰; 卫扬铠; 刘思源; 张光伟
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2040-10-30
Also published as: CN112327285B

Abstract

本发明公开了一种基于混合广义瑞登傅里叶变换的雷达目标检测方法。本发明首先将回波划分成若干子孔径，在子孔径内采用广义瑞登傅里叶变换(GRFT)进行相参积累，然后在子孔径间直接非相参叠加。由于本发明在GRFT时将所有子孔径的0时刻设置为整个回波持续时间的中心，同时补偿掉了子孔径内与子孔径间的跨距离单元、跨多普勒单元现象，因此可更方便简洁地设计子孔径长度，且子孔径间非相参积累时，无需计算搜索参数对应的积累路径，直接非相参叠加即可。本发明的子孔径长度能在常规混合积累子孔径长度和总积累时间之间调节，通过调整子孔径长度，本发明能更好的在检测性能与运算量之间权衡。

Description

基于混合广义瑞登傅里叶变换的雷达目标检测方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于混合广义瑞登傅里叶变换(Hybrid Generalized Radon Fourier Transform，HGRFT)的雷达目标检测方法。

背景技术

具有跨距离-多普勒单元现象的小目标的检测与跟踪对雷达来说是一个巨大的挑战。小目标的雷达截面积远小于常规目标，如F-22隐身飞机的雷达截面积比常规目标降低约23dB，使得雷达回波功率极低；而目标在驻留时间内出现的跨距离单元和跨多普勒单元走动现象，使回波的积累效率大为下降。这两点严重影响了雷达的探测距离。为提高这类目标的探测距离与检测性能，研究人员提出了许多有效方法。现有方法大致分为三类：第一类是长时间非相参积累，此类方法对雷达体制要求相对较低，对目标运动类型的适应性强，因此研究与应用相对广泛，但缺点是无法充分利用雷达回波的相位信息，积累效率差；第二类是长时间相参积累，此类方法在补偿目标跨距离单元和跨多普勒单元效应的同时，将回波各脉冲的相位补偿一致后进行积累，积累效率更高，更适用于信噪比极低的条件，但缺点是遍历搜索的运算量负担很大，可能导致整个雷达系统的反应时间变慢；第三类是联合相参积累和非相参积累的混合积累，混合积累能够通过前级子孔径内同一个距离单元的相参积累提高目标的信噪比，然后通过后级非相参积累进一步提高检测概率，整个过程运算量小，流程简单，易于实现，是现在研究的热点。

相较于全相参积累，混合积累要求子孔径内不产生跨距离单元和跨速度单元现象，因此混合积累的子孔径长度不能随意调整。高速高机动目标距离和速度变化快，在极短时间内就能产生跨单元现象，因此混合积累的子孔径将会很短，即子孔径数将会很多。在相同积累时间下，相参积累的子孔径长度变短，而非相参积累的子孔径个数增大，信噪比损失将会增大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于混合广义瑞登傅里叶变换(HGRFT)的雷达目标检测方法。本发明的子孔径长度能在常规混合积累子孔径长度和总积累时间之间调节，且检测检测性能随子孔径长度增加而改善，只是运算量会同时增加。通过调整子孔径长度，本发明能更好的在检测性能与运算量之间权衡。

本发明的基于混合广义瑞登傅里叶变换的雷达目标检测方法，包括如下步骤：

步骤1，将回波进行子孔径划分；

步骤2，针对每个子孔径上的回波，进行广义瑞登傅里叶变换(Generalized RadonFourier Transform，GRFT)；

其中，雷达回波中，目标运动模型采用多项式模型；

进行广义瑞登傅里叶变换时，对速度、加速度及以上的高阶运动参数相关的相位进行补偿，同时将所有子孔径GRFT的0时刻调整到同一位置；

步骤3，对所有子孔径的广义瑞登傅里叶变换结果进行非相参叠加，得到混合广义瑞登傅里叶变换的结果，即实现雷达目标检测。

较优的，所述步骤1中，子孔径划分时，子孔径长度小于全孔径回波的长度，具体根据所需信噪比增益计算获得。

较优的，所述步骤2中，第l个子孔径的广义瑞登傅里叶变换具体包括如下子步骤：

S201、将子孔径上的雷达回波变换到快时间频域，得到快时间频域回波S_m，q，l，其中m为脉冲序号，q为快时间频率采样序号；

S202、在快时间频域进行线性调频Z变换并补偿相位和积累，其中，线性调频Z变换通过快速傅里叶变换计算获得，具体表示如下

其中，FFT_m{·}代表沿m的快速傅里叶变换，IFFT_p{·}代表沿p的快速逆傅里叶变换，p为m的变换域，代表慢时间频率采样序号；x_2：K＝[x₂，x₃，…，x_K]^T为多项式目标运动模型中由加速度及以上的高阶运动参数组成的矢量；

为可预先计算好的系数，用于补偿速度相关的相位，

还用于补偿加速度及以上的高阶运动参数相关的相位，

还用于将所有子孔径广义瑞登傅里叶变换的O时刻调整到同一位置；

S203、将快时间频域回波变换回快时间时域，即

GRFT{x，l}＝IFFT_q{S_{CZT，m，q，l}(x_2：K)}

其中，IFFT_q{·}代表沿q的快速逆傅里叶变换，x＝[x₀，x₁，…，x_K]^T为目标运动参数矢量。

较优的，

具体为：

A_q＝exp(-jw_qx_1，sT_r)，

W_q＝exp(jw_qΔx₁T_r)，

其中，c为光速，f_c为载频，f_s为采样频率，N为快时间采样点数，M为脉冲数，T_r为脉冲重复时间，T_l为第l个子孔径的起始时间，N′_s为每个子孔径包含的脉冲数，

N_v为搜索速度网格数，x_1，s为起始速度，Δx₁为速度搜索间隔，r(x，t)为多项式模型决定的目标随慢时间t变化的距离，即

较优的，目标运动模型中各模型参数根据已知的预装信息，或根据待检测目标的机动特性确定其搜索范围。

有益效果：

本发明首先将回波划分成若干子孔径，在子孔径内采用广义瑞登傅里叶变换(GRFT)进行相参积累，然后在子孔径间直接非相参叠加。本发明与常规混合积累方法相比，具有如下优势：

1)常规混合积累方法要求在划分子孔径时满足子孔径内无跨距离单元和跨多普勒单元现象的条件，因此子孔径长度不能任意设置；而本发明可以处理子孔径内的跨距离单元和跨多普勒单元现象，子孔径长度可以任意设置。

2)常规混合积累方法在子孔径间进行非相参积累时，由于子孔径间存在跨距离单元和跨多普勒单元现象，因此需要先计算积累路径，然后才能沿着积累路径进行非相参叠加；而本发明在子孔径内进行GRFT时，通过设置所有子孔径的O时刻为整个回波持续时间的中心，同时补偿掉了子孔径内与子孔径间的跨距离单元、跨多普勒单元现象，因此在进行子孔径间的非相参积累时可直接叠加，无需计算积累路径。

3)本发明的子孔径长度能任意调节，其检测性能随子孔径长度增加而改善，只是运算量会同时增加。因此，通过调整子孔径长度，本发明能更好的在检测性能与运算量之间权衡，具有更高的灵活性。当本发明的子孔径长度在常规混合积累子孔径长度和总积累时间之间时，本发明的检测性能优于常规混合积累方法。

附图说明

图1为本发明原理图；其中，(a)为划分子孔径之前的回波；(b)为划分子孔径之后的回波；(c)为所有子孔径上的GRFT结果；(d)为HGRFT结果。

图2为本发明二阶情况下的流程图。

图3为本发明的输出响应；其中，(a)为距离-速度切片，(b)为速度-加速度切片；(c)为距离-加速度切片。

图4为本发明与其他方法的检测性能比较，图例中HGRFT代表本发明，HI和GRFT分别代表混合积累和广义瑞登傅里叶变换；其中，(a)为HI的检测性能曲线，N_s代表子孔径脉冲数；(b)为HGRFT与GRFT的检测性能曲线N^′ _s代表子孔径脉冲数。

图5为本发明与其他方法的运算量比较，图例中HGRFT代表本发明，HI和GRFT分别代表混合积累和广义瑞登傅里叶变换。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于混合广义瑞登傅里叶变换的雷达目标检测方法，在进行子孔径内相参积累时，使用可跨越多个距离-多普勒单元积累的GRFT替换常规混合积累中的动目标检测操作，无需考虑子孔径内是否有跨距离单元和跨多普勒单元现象，可更方便简洁地设计子孔径长度。同时，在子孔径内GRFT时，通过合理选择慢时间0时刻的位置，将子孔径间的跨距离单元和跨多普勒单元现象也一同补偿掉，在子孔径间非相参积累时，无需计算搜索参数对应的积累路径，直接非相参叠加即可。

图1为本发明的原理图，图2为本发明二阶情况下的流程图，该方法具体包括以下步骤：

步骤一、确定目标运动模型与待搜索的参数空间范围，并进行回波划分。

本步骤具体包括子步骤S101～S103。

S101、确定机动目标的拟合运动模型。

本发明中目标运动模型采用多项式模型，即目标与雷达之间的斜距为

其中，x＝[x₀，x₁，…，x_K]^T代表任意可能的目标运动参数矢量，x₀，x₁，…，x_K分别为目标距离、速度、加速度和更高阶运动参数，t为慢时间，K代表目标运动阶数，r(x，t)为目标与雷达之间的斜距随慢时间t变化的函数。

S102、确定待搜索机动目标的模型参数的选取范围。

模型参数可以采用已知的预装信息，或根据待检测目标的机动特性确定。具体的，可以根据目标的大致位置、速度特性、加速度特性，加加速度特性等确定模型参数范围，大致位置对应x₀，速度特性对应x₁、加速度特性对应x₂，加加速度特性对应x₃，以此类推。例如，待搜索目标为大型客机，大型客机的平均速度为100m/s，那么x₁的搜索范围可以定为[70m/s，130m/s]。

S103、根据所需子孔径长度将回波划分成若干子孔径。

由于本发明在子孔径内采用GRFT进行相参积累，可克服跨距离单元和跨多普勒单元现象，因此子孔径长度只需小于全孔径回波的长度即可，可根据所需信噪比增益计算。

步骤二、计算每个子孔径上的GRFT。

本步骤具体为对每个子孔径上的回波实施子步骤S201～S203。

S201、获取雷达接收到的回波并变换到快时间频域。

假设雷达接收到的回波离散采样后为s_m，n，划分成L个子孔径后，第l个子孔径的离散回波表示为S_m，n，l，沿n进行快速傅里叶变换，即

S_m，q，l＝FFT_n{s_m，n，l}， (2)

其中，m、n分别代表回波慢时间t和快时间τ的采样序号，FFT_n{·}代表沿快时间采样n的快速傅里叶变换，q为n的变换域，代表快时间频率的采样序号。

S202、在快时间频域通过线性调频Z变换(CZT)补偿相位并进行积累。

CZT可通过快速傅里叶变换计算，达到了降低运算量的目的，具体表示如下

其中，p为m的变换域，代表慢时间频率采样序号，x_2：K＝[x₂，x₃，…，x_K]^T为加速度等高阶运动参数组成的矢量，

为可预先计算好的系数，即

A_q＝exp(-jw_qx_1，sT_r)， (8)

W_q＝exp(jw_qΔx₁T_r)， (9)

N_v为搜索速度网格数，x_1，s为起始速度，Δx₁为速度搜索间隔。

三个系数中，

包含与加速度等高阶运动参数相关的相位，可补偿这些参数造成的跨距离单元和跨多普勒单元现象，而速度造成的跨距离单元现象则在m与p之间的相互变换中进行补偿，因此(3)可将子孔径内的跨距离单元和跨多普勒单元现象补偿完毕。此外，

包含调整O时刻位置的相位，因此(3)可将所有子孔径GRFT的O时刻调整到同一位置，可克服子孔径间的跨距离单元和跨多普勒单元现象，使每个子孔径上的GRFT聚焦结果对齐。

S203、将快时间频域回波变换回快时间时域

沿快时间频率维度对快时间频域回波进行快速逆傅里叶变换，即

GRFT{x，l}＝IFFT_q{S_{CZT，m，q，l}(x_2：K)}， (11)

其中，IFFT_q{·}代表沿q的快速逆傅里叶变换。

步骤三、直接对所有子孔径的GRFT结果进行非相参叠加。

通过步骤S202，每个子孔径内的回波聚焦在相应的GRFT结果上，且在参数空间上是对齐的，因此直接非相参叠加就可得到HGRFT的结果，即

由于步骤S202补偿了子孔径内与子孔径间的跨距离单元和跨多普勒单元现象，HGRFT可有效地将回波聚焦到参数空间上，且子孔径长度可灵活设置，不受跨距离单元和跨多普勒单元现象约束。

实施实例

利用本发明对仿真数据进行处理，以进一步验证所提技术的可行性与有效性，仿真参数如表1所示。

表1仿真参数表

图3给出了本发明对一个匀加速目标的输出响应，由于无法同时绘制定义在距离-速度-加速度三维参数空间上的积累幅度函数，只给出了包含目标的三个两维切片，可以看出在目标真实参数位置出现一个聚焦的尖峰，目标回波得到了良好的聚焦。

图4给出了GRFT、常规混合积累和本发明的检测性能对比，可以看出常规混合积累检测性能最差，GRFT的检测性能最好，本发明的检测性能介于常规混合积累和GRFT两种方法的检测性能之间，且随子孔径长度的增加而改善。因此，通过增加子孔径长度，可改善本发明的检测性能。

图5给出了这三种方法的运算量对比图。可以看出，常规混合积累运算量最小，GRFT运算量最大，本发明的运算量介于常规混合积累和GRFT两种方法之间，且随子孔径长度增加而逐渐增加。因此，通过减小子孔径长度，即可减小本发明的运算量，只是检测性能会有所损失。

因此，通过调整子孔径长度，本发明能更好的在检测性能与运算量之间权衡，具有更高的灵活性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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

1.一种基于混合广义瑞登傅里叶变换的雷达目标检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将回波进行子孔径划分；

步骤2，针对每个子孔径上的回波，进行广义瑞登傅里叶变换；

其中，雷达回波中，目标运动模型采用多项式模型；

进行广义瑞登傅里叶变换时，对速度、加速度及以上的高阶运动参数相关的相位进行补偿，同时将所有子孔径广义瑞登傅里叶变换的0时刻调整到同一位置；

2.如权利要求1所述的基于混合广义瑞登傅里叶变换的雷达目标检测方法，其特征在于，所述步骤1中，子孔径划分时，子孔径长度小于全孔径回波的长度，具体根据所需信噪比增益计算获得。

3.如权利要求1所述的基于混合广义瑞登傅里叶变换的雷达目标检测方法，其特征在于，所述步骤2中，第l个子孔径的广义瑞登傅里叶变换具体包括如下子步骤：

为可预先计算好的系数，用于补偿速度相关的相位，

还用于补偿加速度及以上的高阶运动参数相关的相位，

还用于将所有子孔径广义瑞登傅里叶变换的0时刻调整到同一位置；

S203、将快时间频域回波变换回快时间时域，即

GRFT{x，l}＝IFFT_q{S_{CZT，m，q，l}(x_2：K)}

4.如权利要求3所述的基于混合广义瑞登傅里叶变换的雷达目标检测方法，其特征在于，

具体为：

A_q＝exp(-jw_qx_1，sT_r)，

W_q＝exp(jw_qΔx₁T_r)，

N_v为搜索速度网格数，x_1，s为起始速度，Δx₁为速度搜索间隔，r(x，t)为多项式模型决定的目标随慢时间t变换的距离，即

5.如权利要求4所述的基于混合广义瑞登傅里叶变换的雷达目标检测方法，其特征在于，目标运动模型中各模型参数根据已知的预装信息，或根据待检测目标的机动特性确定其搜索范围。