CN112666531B - 基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估方法和系统中，该方法给目标设置一个恒定加速度以保证其运动速度、距离变化的稳定性，通过线性调频脉冲压缩雷达即雷达装置在多个距离模式与多个频点下获得目标回波信号的速度、距离测量值后，对速度一阶拟合、距离二阶拟合分析，进一步计算得到距离多普勒耦合效应的影响大小，实现对线性调频脉冲压缩雷达测距多普勒耦合效应的评估。

Description

基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估方法和系统

技术领域

本发明涉及雷达距离多普勒耦合效应评估技术领域，具体涉及一种基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估方法和系统。

背景技术

脉冲压缩体制雷达具有较高的距离分辨率、相对较远的作用距离，其中，线性调频信号因具有对多普勒频移不敏感的优点，使得线性调频脉冲压缩成为最广泛使用的脉冲压缩技术。但线性调频脉冲压缩雷达的固有缺陷就是会产生距离多普勒耦合效应，即脉冲压缩匹配滤波器输出响应会出现与多普勒频移成正比例的附加延时。

为保证线性调频脉冲压缩雷达测距测速的精度，需要对距离多普勒耦合效应进行评估，消除附加延时产生的距离误差。常用的距离多普勒耦合效应评估检测方法是建立“时间戳”，按时间戳保存目标运动数据，在雷达探测试验获得的目标距离与速度测量信息后，通过“时间戳”将目标运动数据与雷达探测数据进行对比拟合，从而计算出雷达探测距离多普勒耦合效应产生的测量误差。

通过专利检索，检索出相关专利2项，其中《一种双基地雷达高精度测距装置及方法》(专利申请号：201810923939.3专利公开号：CN108957433A)公开了一种双基地雷达高精度测距装置及方法，该方法通过对双基地测距模块接收高精度速度、距离信息，从而进行解算距离多普勒耦合。该方法通过双基地雷达提高测速精度来测得距离多普勒耦合，但对单基雷达并不适用。《一种雷达性能预测模型建立方法及装置》(专利申请号：201810276761.8专利公开号：CN108535707A)公开了一种雷达性能预测模型建立方法及装置，该方法获取原先采集的原始数据，根据数据的时间戳来建立样本数据，再利用机器学习算法对样本数据进行训练从而建立预测模型实现对距离的预测，继而实现对距离多普勒耦合效应的分析，该方法需要统计大量数据样本且在在真实的雷达探测中无法运用。

通过论文检索，检索到2篇相关论文，其中《测量雷达的距离多普勒耦合修正方法研究》通过采用差分GPS数据获取不同时刻下目标相对雷达的径向速度，从而算得目标相对雷达的距离误差，但该方法本身就引入了GPS测量误差且实测采用了飞机模拟目标，成本高，可操作性差。《距离多普勒耦合对雷达滤波精度影响分析》从α-β-γ滤波入手分析距离多普勒耦合效应对滤波精度的影响，提高了雷达信号处理过程中的滤波精度，但未对雷达测距测速的距离多普勒耦合效应进行精确分析。

以上2种专利与2篇论文的对雷达测距的距离多普勒耦合效应评估根本原理主要是通过实际采样建立样本数据或理论拟合目标数据并建立“时间戳”，在雷达获得目标探测速度与距离信息后，按照“时间戳”将2组数据进行对比拟合，从而获得雷达探测距离的误差，以评估距离多普勒耦合效应对雷达测距带来的影响，但是以上方法均无法确保样本数据或模拟数据的稳定性，仍然会引入样本误差或理论误差，且时间戳一般都是不连续的，无法满足高精度测量要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估方法和系统，该方法通过给目标设定一个恒定的运动加速度，从而能够保持目标速度变化与距离变化的稳定性，无需“时间戳”，提高了数据分析可靠性、降低了评估分析复杂度；此外，目标以恒定的加速度运动，根据时间获得目标相对雷达的实时距离与速度，可以根据雷达探测的目标信息，用二阶拟合法及时迅速地实现对运动目标测距的距离多普勒耦合效应评估。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估方法，包含：

S1、射频信号模拟源设置待接收的雷达信号处理组件的主振信号的周期、中心频率、带宽和目标的恒定加速度；

S2、射频信号模拟源设置目标与雷达装置的起始距离；

S3、信号处理组件设置N个距离模式和M个频点，并向所述射频信号模拟源发送主振信号；

S4、所述射频信号模拟源驱动目标以恒定加速度移动，同时所述射频信号模拟源进行主振信号储频转发，使标准增益喇叭模拟发射目标回波信号；

S5、雷达装置接收所述标准增益喇叭发射的所述目标回波信号，将其传送给雷达信号处理组件；

S6、所述雷达信号处理组件对所述目标回波信号进行保存和解析处理，获取目标相对雷达的距离与速度信息；

S7、测控设备接收并存储所述信号处理软件的解析信息，并结合所述射频信号模拟源的信息进行目标速度、距离数据拟合分析；

S8、当当前频点序号m小于M，使m＝m+1，并返回步骤S3；

S9、当当前频点序号m为M时，判断当前距离模式次数n是否达到N次，若未达到，切换距离模式，使n＝n+1，并返回步骤S2；

S10、若当前距离模式次数n达到N次，测控设备根据多组数据评估距离多普勒耦合效应。

可选的，所述射频信号模拟源通过混入多普勒频移信号到其储频转发的主振信号中以体现目标的速度变化。

可选的，所述步骤S4中，

所述射频信号模拟源通过放大器将主振信号放大并传送给所述标准增益喇叭。

可选的，所述步骤S7中，

所述射频信号模拟源基于恒定加速度对应距离与速度的关系，实时计算目标实际的运动距离和速度信息，并将所述信息传送给所述测控设备。

可选的，所述射频信号模拟源对速度进行一阶拟合、对距离进行二阶拟合以获取目标实时信息，恒定加速度对应距离与速度的关系具体为：

其中，a为恒定加速度，t为运动时长，v为目标速度实时值，R为实际目标距离实时值，R₀为目标与雷达装置的起始距离。

可选的，所述雷达装置主振信号的周期满足公式(2)：

T≥(2 R′/c) (2)

其中，T为主振信号的周期，R′为不同距离模式下目标与雷达装置距离最大值，c为真空环境下电磁波传播速度。

可选的，一种基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估系统，包含：

空间目标位置模拟设备，其设置于微波屏蔽暗室内，所述空间目标位置模拟设备向微波暗室辐射模拟目标回波信号，其装载有标准增益喇叭；

雷达信号处理组件，其与设置于微波屏蔽暗室内的雷达装置连接，所述雷达装置接收标准增益喇叭的目标回波信号，所述雷达信号处理组件接收存储并解析雷达装置接收的目标回波信号；

射频信号模拟源，其分别与所述雷达信号处理组件和目标连接，所述射频信号模拟源控制目标以恒定加速度移动，所述射频信号模拟源接收所述雷达信号处理组件的主振信号并将其储频转发，使标准增益喇叭模拟目标回波信号并将其发射，所述雷达装置接收所述目标回波信号；

测控设备，其接收所述雷达信号处理组件解析的目标速度与距离信息和所述射频信号模拟源传来的目标实际速度与距离信息，评估距离多普勒耦合效应。

可选的，所述射频信号模拟源对速度进行一阶拟合、对距离进行二阶拟合以获取目标实际速度与距离信息，恒定加速度对应距离与速度的关系具体为：

其中，a为恒定加速度，t为运动时长，v为目标速度实时值，R为实际目标距离实时值，R₀为目标与雷达装置的起始距离。

可选的，所述雷达装置设置于重力卸载装置上；

和/或，所述测控设备设置于控制室内；

和/或，所述射频信号模拟源设置于信号源室。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明的一种基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估方法和系统中，该方法通过给目标设置一个恒定的加速度，利用目标在恒定加速度下运动距离和速度的稳定变化，在线性调频脉冲压缩雷达测得回波信号的速度、距离信息后，采用测控设备对其进行拟合分析，进一步计算得到距离多普勒耦合效应的影响大小，实现对线性调频脉冲压缩雷达测距多普勒耦合效应的评估；该方法通过多种不同的距离模式，对同一恒定加速度的目标进行探测，从而消除不同时宽下的测量误差及多普勒测量误差和环境干扰，同时每个距离模式有多个频点，可以避免外部环境对雷达探测的影响，提高测速、测距精度。

进一步的，该方法通过给运动目标设定恒定加速度，而非使用“时间戳”的方式，可获得连续稳定变化的目标速度、距离实际数据，简化数据拟合方式，降低了评估方式的复杂度，提高了数据可靠性与评估效率。

进一步的，该方法采用信号处理组件的主振信号作为射频信号模拟源输入，不需要打开发射机，具有低辐射、低功耗、易操作、简单可靠的优点。

进一步的，该方法采用速度一阶拟合，距离二阶拟合法对目标实际信息与雷达探测信息进行拟合分析，提高了数据拟合精度，能精确评估距离多普勒耦合效应。

附图说明

图1为本发明的一种基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估方法示意图；

图2(a)-2(b)为本实施例中的距离模式n频点m下的雷达装置探测的速度一阶拟合、距离二阶拟合结果示意图；

图3(a)-3(b)为本实施例中射频信号模拟源对恒定加速度a＝0.01m/s²的目标速度、距离计算仿真结果示意图；

图4(a)-4(b)为本实施例中测控设备将射频信号模拟源目标信息仿真值与雷达探测到的目标测量值对比结果示意图；

图5为本发明的一种基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，为本发明的一种基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估方法，该方法的过程主要在微波屏蔽暗室中开展，以降低外部环境对雷达的干扰和杂波，选用抛物面天线具有高增益的特点，模拟目标回波信号的标准增益喇叭第一副瓣电平较低。

具体地，该方法包含：

S1、射频信号模拟源设置待接收的雷达信号处理组件的主振信号的周期、中心频率、带宽和目标的恒定加速度。其中，雷达信号处理组件为雷达装置的信号处理部分，其包含信号处理机、中频接收机、微波源、二次电源等部件。目标是射频信号模拟源发射出来的变化的回波信号即目标信号，而非运动的实物。

其中，主振信号的周期要保证雷达装置的作用距离需求，即所述雷达装置主振信号的周期满足公式(2)：

T≥(2 R′/c) (2)

其中，T为主振信号的周期，R′为不同距离模式下目标与雷达装置距离最大值，c为真空环境下电磁波传播速度。

S2、射频信号模拟源设置微波暗室空间中的目标与雷达装置的起始距离。

S3、雷达信号处理组件设置N个距离模式和M个频点，并向所述射频信号模拟源发送主振信号。其中，M个频点需确保主振信号频率之间有一定的差异性，即主振频率值不能相同或相近。回波信号距离变化的原理为：距离变化则是射频信号模拟源对其储频转发主振信号的时间进行控制从而产生距离的变化。

所述步骤S3具体为：从第一个距离模式开始，开启射频信号模拟源主振信号接收储频转发通道，在雷达信号处理组件设置相同的距离模式，设置第一个频点，雷达信号处理组件向所述射频信号模拟源发送主振信号，所述射频信号模拟源接收主振信号。

S4、所述射频信号模拟源驱动目标信号以恒定加速度移动，同时所述射频信号模拟源进行主振信号储频转发，使标准增益喇叭模拟发射目标回波信号，即标准增益喇叭将射频信号模拟源储频转发的主振信号辐射到微波暗室，模拟目标回波信号。

其中，回波信号速度变化的原理为：射频信号模拟源通过混入多普勒频移信号到其储频转发的主振信号中以体现速度变化。

其中，所述射频信号模拟源设置恒定加速度，设定距离与速度相关，雷达信号处理组件在同一距离模式与同一频点下发射的主振信号保持不变。

具体地，所述步骤S4中，所述射频信号模拟源储存主振信号并根据设置的起始距离进行相应的延时之后将存储的主振信号通过放大器将主振信号放大并传送给所述标准增益喇叭，所述标准增益喇叭发射模拟的目标回波信号并将其辐射到微波暗室空间中。

S5、雷达装置接收所述标准增益喇叭发射的所述目标回波信号，将其传送给雷达信号处理组件。

S6、所述雷达信号处理组件对所述目标回波信号进行保存和解析处理，获取目标相对雷达的距离与速度信息。如图2(a)-2(b)所示，为本实施例中的距离模式n频点m下的该线性调频脉冲压缩雷达即雷达装置探测的速度一阶拟合、距离二阶拟合结果，图2(a)中斜向直线代表速度-时间度曲线，图2(b)中抛物线代表距离-时间度曲线，其纵坐标起点为雷达装置和目标之间的起始距离。

S7、测控设备接收并存储所述信号处理软件的解析信息，并结合所述射频信号模拟源的信息进行目标速度、距离数据拟合分析，第一个频点完成。

其中，所述步骤S7中，所述射频信号模拟源基于恒定加速度对应距离与速度的关系，实时计算目标实际的运动距离和速度信息，并将所述信息传送给所述测控设备。具体地，所述射频信号模拟源对速度进行一阶拟合、对距离进行二阶拟合以获取目标实时信息，恒定加速度对应距离与速度的关系具体为：

其中，a为恒定加速度，t为运动时长，v为实际目标速度实时值，R为实际目标距离实时值，R₀为目标与雷达装置的起始距离。

如图3(a)-3(b)所示，为本实施例中所述射频信号模拟源在恒定加速度a＝0.01m/s²的目标速度、距离计算仿真结果，图3(a)中斜向直线代表恒定加速度下的速度-时间度曲线，图3(b)中抛物线代表恒定加速度下的距离-时间度曲线，其纵坐标起点为雷达装置和目标之间的起始距离。

如图4(a)-4(b)所示，为测控设备将射频信号模拟源目标信息仿真值与雷达探测到的目标测量值对比结果，图4(a)中包含射频信号模拟源目标速度信息仿真值-时间度曲线和雷达探测的目标速度测量值-时间度曲线，图4(b)中包含射频信号模拟源目标距离信息仿真值-时间度曲线和雷达探测的目标距离测量值-时间度曲线，其纵坐标起点为雷达装置和目标之间的起始距离。

S8、当测控设备显示当前频点序号m小于最大频点M时，测控设备使m＝m+1，并返回步骤S3。即当第一个频点完成后，切换下一个频点返回步骤S3重复步骤。

S9、当当前频点序号m达到最大频点M时，判断当前距离模式次数n是否达到N次，若未达到，切换距离模式，使n＝n+1，进行下一个距离模式，并返回步骤S2，直到所有距离模式都完成测试。

S10、若当前距离模式次数n达到N次，即所有距离模式都完成测试，测控设备根据多组数据评估距离多普勒耦合效应。所有距离模式都完成测试后，N×M组测试数据保存在测控设备中，测控设备进行数据拟合分析，评估距离多普勒效应。

具体地，所述测控设备将保存的各个距离模式、各个频点下雷达装置探测到的目标速度、距离测量值分别进行一阶拟合和二阶拟合处理后，通过对比射频信号模拟源恒定加速度下的目标实际运动速度、距离曲线与雷达探测到的目标速度、距离测量值曲线，对该线性调频脉冲压缩雷达距离多普勒耦合效应进行评估。

如图5所示，基于同一发明构思，本发明还公开了一种基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估系统，该系统主要包含：空间目标位置模拟设备、雷达装置的雷达信号处理组件、射频信号模拟源、测控设备。

其中，所述空间目标位置模拟设备设置于微波暗室内，所述空间目标位置模拟设备向微波暗室辐射模拟目标回波信号，其上装载有标准增益喇叭。本发明不需测角，只需要用单个标准增益喇叭辐射微波信号即目标回波信号到微波暗室。

所述雷达信号处理组件与设置于微波屏蔽暗室内的雷达装置连接，雷达的天线与机构用重力卸载装置吊住固定，抵消天线与机构重力的影响，所述雷达装置接收标准增益喇叭的目标回波信号，所述雷达信号处理组件接收存储并解析雷达装置接收的目标回波信号。

所述射频信号模拟源设置于信号源室，所述射频信号模拟源分别与所述雷达信号处理组件和目标即目标信号连接，所述射频信号模拟源控制目标以恒定加速度移动，所述射频信号模拟源接收所述雷达信号处理组件的主振信号并将其储频转发，使标准增益喇叭模拟目标回波信号并将其发射，所述雷达装置接收所述目标回波信号。

所述测控设备设置于控制室内，所述测控设备接收所述雷达信号处理组件解析的目标速度与距离信息和所述射频信号模拟源传来的目标实际速度与距离信息，评估距离多普勒耦合效应。

其中，所述射频信号模拟源对速度进行一阶拟合、对距离进行二阶拟合以获取目标实际速度与距离信息，恒定加速度对应距离与速度的关系具体为：

其中，a为恒定加速度，t为运动时长，v为实际目标速度实时值，R为实际目标距离实时值，R₀为目标与雷达装置的起始距离。

综上所述，本发明的一种基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估方法和系统中，该方法给目标设置一个恒定加速度以保证其运动速度、距离变化的稳定性，通过线性调频脉冲压缩雷达即雷达装置在多个距离模式与多个频点下获得目标回波信号的速度、距离测量值后，对速度一阶拟合、距离二阶拟合分析，进一步计算得到距离多普勒耦合效应的影响大小，实现对线性调频脉冲压缩雷达测距多普勒耦合效应的评估。

进一步的，该方法中给予目标恒定加速度，目标运动信息连续稳定，无需为射频信号模拟源的目标和雷达之间建立“时间戳”，可直接分别对射频信号模拟源恒定加速度下的目标数据、雷达探测到的目标测量值进行处理，从各自起始距离点处进行对比即可。

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 (6)

1.一种基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估方法，其特征在于，包含：

S1、射频信号模拟源设置待接收的雷达信号处理组件的主振信号的周期、中心频率、带宽和目标的恒定加速度；

S2、射频信号模拟源设置目标与雷达装置的起始距离；

S3、信号处理组件设置N个距离模式和M个频点，并向所述射频信号模拟源发送主振信号；

S4、所述射频信号模拟源驱动目标以恒定加速度移动，同时所述射频信号模拟源进行主振信号储频转发，使标准增益喇叭模拟发射目标回波信号；

S5、雷达装置接收所述标准增益喇叭发射的所述目标回波信号，将其传送给雷达信号处理组件；

S6、所述雷达信号处理组件对所述目标回波信号进行保存和解析处理，获取目标相对雷达的距离与速度信息；

S7、测控设备接收并存储所述信号处理软件的解析信息，并结合所述射频信号模拟源的信息进行目标速度、距离数据拟合分析；

S8、当当前频点序号m小于M，使m＝m+1，并返回步骤S3；

S9、当当前频点序号m为M时，判断当前距离模式次数n是否达到N次，若未达到，切换距离模式，使n＝n+1，并返回步骤S2；

S10、若当前距离模式次数n达到N次，测控设备根据多组数据评估距离多普勒耦合效应；

其中，所述步骤S7中，

所述射频信号模拟源基于恒定加速度对应距离与速度的关系，实时计算目标实际的运动距离和速度信息，并将所述信息传送给所述测控设备；所述射频信号模拟源对速度进行一阶拟合、对距离进行二阶拟合以获取目标实时信息，恒定加速度对应距离与速度的关系具体为：

其中，a为恒定加速度，t为运动时长，v为目标速度实时值，R为实际目标距离实时值，R₀为目标与雷达装置的起始距离。

2.如权利要求1所述的基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估方法，其特征在于，

所述射频信号模拟源通过混入多普勒频移信号到其储频转发的主振信号中以体现目标的速度变化。

3.如权利要求1所述的基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估方法，其特征在于，所述步骤S4中，

所述射频信号模拟源通过放大器将主振信号放大并传送给所述标准增益喇叭。

4.如权利要求1所述的基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估方法，其特征在于，所述雷达装置主振信号的周期满足公式(2)：

T≥(2 R′/c) (2)

其中，T为主振信号的周期，R′为不同距离模式下目标与雷达装置距离最大值，c为真空环境下电磁波传播速度。

5.一种基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估系统，其特征在于，包含：

空间目标位置模拟设备，其设置于微波屏蔽暗室内，所述空间目标位置模拟设备向微波暗室辐射模拟目标回波信号，其装载有标准增益喇叭；

雷达信号处理组件，其与设置于微波屏蔽暗室内的雷达装置连接，所述雷达装置接收标准增益喇叭的目标回波信号，所述雷达信号处理组件接收存储并解析雷达装置接收的目标回波信号；

射频信号模拟源，其分别与所述雷达信号处理组件和目标连接，所述射频信号模拟源控制目标以恒定加速度移动，所述射频信号模拟源接收所述雷达信号处理组件的主振信号并将其储频转发，使标准增益喇叭模拟目标回波信号并将其发射，所述雷达装置接收所述目标回波信号；

测控设备，其接收所述雷达信号处理组件解析的目标速度与距离信息和所述射频信号模拟源传来的目标实际速度与距离信息，评估距离多普勒耦合效应；

所述射频信号模拟源对速度进行一阶拟合、对距离进行二阶拟合以获取目标实际速度与距离信息，恒定加速度对应距离与速度的关系具体为：

其中，a为恒定加速度，t为运动时长，v为目标速度实时值，R为实际目标距离实时值，R₀为目标与雷达装置的起始距离。

6.如权利要求5所述的基于恒定加速度的距离多普勒耦合效应评估系统，其特征在于，

所述雷达装置设置于重力卸载装置上；

和/或，所述测控设备设置于控制室内；

和/或，所述射频信号模拟源设置于信号源室。

Images