CN112834992B - 一种脉冲多普勒雷达的信号处理方法、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉冲多普勒雷达的信号处理方法、装置及存储介质，该方法包括循环发射一个脉组，脉组包括多个不同频率编码的发射脉冲；接收响应脉组返回的回波信号；使用匹配滤波器组对回波信号进行依次匹配滤波，进行不同距离模糊区域的分离；利用Keystone变换方法对每个距离模糊区域进行距离走动的校正；遍历预设范围内的多普勒模糊数进行多普勒模糊数补偿；根据多普勒模糊数补偿后的相参积累结果的峰值大小，确定对应的多普勒模糊数，完成多普勒解模糊。本发明可以在不改变重频的情况下同时解距离模糊和多普勒模糊，并可以进行整个驻留时间内回波脉冲的相参处理能力，提高了多普勒分辨率，带来了更多的信噪比增益，提高了测距精度和测速精度。
Description
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术领域，尤其是一种脉冲多普勒雷达的信号处理方法、装置及存储介质。
背景技术
脉冲多普勒雷达，诸如机载雷达、新型的陆基雷达和舰载雷达，具有全天时、全天候、穿透性强等优良特性，在导航、测绘、侦察、警戒以及火控等各种民用或者军事领域有着广泛的应用。然而，利用MPRF对目标的探测可能同时存在距离和多普勒的两维模糊，现有技术中，对于距离模糊，可以使用距离搜索方法、混合滤波解模糊，或者使用脉冲间相位编码、脉冲频率编码等方法，可以对发射波形序列进行标记以解决距离模糊的问题，在匹配滤波阶段，可以根据不同的脉冲标记进行距离模糊区域的分离；但是这些方法只能解决距离的模糊，同时由于需要多个脉冲作为一组信号进行距离解模糊，等效脉冲重复频率降低，因此增加了多普勒的模糊。
术语解释：
MPRF(Medium Pulse Repeat Frequency)：中脉冲重复频率；
DFC(discrete frequency coding)：离散频率编码；
PRF(pulse repetition frequency)：脉冲重复频率；
Multi-PRF(Multiple pulse repetition frequency)：多脉冲重复频率。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种脉冲多普勒雷达的信号处理方法、装置及存储介质。
本发明所采取的技术方案是：
一方面，本发明实施例包括一种脉冲多普勒雷达的信号处理方法，包括：
循环发射一个脉组，所述脉组包括多个不同频率编码的发射脉冲；
接收响应所述脉组返回的回波信号；
使用匹配滤波器组对所述回波信号进行依次匹配滤波，进行不同距离模糊区域的分离；
利用Keystone变换方法对每个所述距离模糊区域进行距离走动的校正；
遍历预设范围内的多普勒模糊数进行多普勒模糊数补偿；
根据所述多普勒模糊数补偿后的相参积累结果的峰值大小，确定对应的多普勒模糊数，完成多普勒解模糊。
进一步地，所述脉组中第n个发射脉冲表示为：
式中，为脉组中第n个发射脉冲，/>表示快时间，fc为发射信号载频，un(t)为第n个发射脉冲的脉内调制项。
进一步地，发射第n个脉冲时接收到的回波信号表示为：
其中，式中，tm表示慢时间，/>表示快时间，σ为目标回波的强度系数，/>表示当前脉冲回波中，目标对应的发射脉冲的脉内调制项，τ(tm)为目标在tm时刻的时延，fc为发射信号载频，j为虚数，/>为发射脉冲在脉组中的索引，k为目标的距离模糊次数，k满足：Rumk<R<Rum(k+1)，Rum为最大不模糊距离。
进一步地，所述使用匹配滤波器组对所述回波信号进行依次匹配滤波中，所述匹配滤波函数表示为：
Hn(f)＝conj[Un(f)]；
式中，conj[Un(f)]表示共轭，Hn(f)为第n个匹配滤波函数，Un(f)为第n个脉内调制项的频域形式。
进一步地，所述利用Keystone变换方法对每个所述距离模糊区域进行距离走动的校正这一步骤，具体包括：
使用Keystone变换方法进行快时间频率和慢时间的解耦合处理；
对每一个快时间频点在慢时间维度上重采样。
进一步地，所述多普勒模糊数补偿通过以下公式执行：
式中，F为对应的多普勒模糊数，τr＝(f+fc)tm/fc为重采样后的慢时间，Sn,run(f,τr)为匹配滤波后的信号频域，fp为脉冲重复频率，fc为发射信号载频，f表示快时间频域的频率采样点。
进一步地，进行多普勒模糊数补偿后，所述方法还包括：
通过慢时间维度的快速傅氏变换进行相参积累处理。
进一步地，根据所述多普勒模糊数补偿后的相参积累结果的峰值大小，确定对应的多普勒模糊数之后，所述方法还包括：
对各个多普勒模糊数下的结果进行二维CFAR检测；
根据检测结果，对比不同多普勒模糊数下的多普勒频点的相参积累输出，获取所述相参积累输出最大值对应的多普勒模糊数及多普勒值；
根据所述多普勒模糊数及多普勒值，获取目标的参数估计结果。
另一方面，本发明实施例还包括一种脉冲多普勒雷达的信号处理装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的脉冲多普勒雷达的信号处理方法。
另一方面，本发明实施例还包括计算机可读存储介质，其上存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在被处理器执行时用于实现所述的脉冲多普勒雷达的信号处理方法。
本发明的有益效果是：
本发明通过循环发射包括多个不同频率编码的发射脉冲进行两维解模糊处理，可以在不改变重频的情况下同时解距离模糊和多普勒模糊，并可以进行整个驻留时间内回波脉冲的相参处理能力，相比于传统多脉冲重频解模糊方法，提高了多普勒分辨率，带来了更多的信噪比增益，且由于信噪比的提升，提高了测距精度和测速精度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例所述脉冲多普勒雷达的信号处理方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例所述MPRF模式雷达发射DFC信号与距离模糊模型示意图；
图3为本发明实施例所述典型DFC波形示意图；
图4为本发明实施例所述DFC信号的模糊函数示意图；
图5为本发明实施例所述匹配滤波解距离模糊示意图；
图6为本发明实施例所述脉冲多普勒雷达的信号处理装置的结构示意图；
图7为本发明实施例所述不同距离模糊区域的匹配滤波结果示意图；
图8为本发明实施例所述多普勒解模糊结果示意图；
图9为本发明实施例所述目标检测性能对比示意图；
图10为本发明实施例所述距离测量精度对比示意图；
图11为本发明实施例所述速度测量精度对比示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本申请实施例作进一步阐述。
参照图1，本发明实施例提出一种脉冲多普勒雷达的信号处理方法，包括但不限于以下步骤：
S1.循环发射一个脉组，所述脉组包括多个不同频率编码的发射脉冲；
S2.接收响应所述脉组返回的回波信号；
S3.使用匹配滤波器组对所述回波信号进行依次匹配滤波，进行不同距离模糊区域的分离；
S4.利用Keystone变换方法对每个所述距离模糊区域进行距离走动的校正；
S5.遍历预设范围内的多普勒模糊数进行多普勒模糊数补偿；
S6.根据所述多普勒模糊数补偿后的相参积累结果的峰值大小，确定对应的多普勒模糊数，完成多普勒解模糊。
具体地，针对步骤S1，本实施例中，雷达在MPRF(中脉冲重复频率)模式下使用DFC(离散频率编码)波形在空域探测目标，雷达在工作过程中循环发射N个脉冲信号，每个发射脉冲具有不同的频率编码。假设雷达发射脉冲重复频率为Tr，其最大不模糊距离为Rum＝c*Tr/2，其中c为光速；雷达波束覆盖的空域内，当目标距离大于Rum时，脉冲信号的重复周期小于雷达回波到达时间，产生距离模糊。如图2所示，雷达回波中，不同模糊区域的目标回波叠加在一起到达雷达接收机。不同编码的DFC波形具有正交性，利用这种正交性，在回波处理中，在匹配滤波过程中，进行不同距离模糊区域的回波分离，达到距离解模糊目的。
在图2中，展示了使用5个不同频率编码的脉冲组成的一个发射脉组。
雷达循环发射一个脉组，脉组中第n个发射脉冲可以表示为：
式中，为脉组中第n个发射脉冲，/>表示快时间，fc为发射信号载频，un(t)为第n个发射脉冲的脉内调制项。
如图3所示，为一个典型DFC波形的示意图，发射脉冲由一列点频窄脉冲信号随机排列拼接组成，每一个点频信号称为一个码片。式(1)中信号的脉内调制项可以表示为
式中，rect()表示矩形函数，M为一个脉冲内的频率码片个数，Tsp为每个频率码片的时间宽度，fn＝anΔf为第n个发射脉冲的频率编码序列，n表示脉冲在脉组中的索引，Δf为频率码片的频率间隔，且Δf＝1/Tsp，a＝{a1,a2,…,aM}为频率编码系数，且a是由整数{0,1,…,M-1}的乱序重排，un(t)表示第n个发射脉冲的脉内调制项。
DFC信号具有”图钉”型模糊函数，同时，不同编码的DFC信号，具有正交特性，如图4所示，分别为DFC信号的自模糊函数以及不同频率编码的DFC信号的互模糊函数。从互模糊函数没有峰值可以看出，不同编码的DFC信号具有正交性。
针对步骤S2和S3，本实施例中，循环发射发射一个脉组后，设雷达视场中存在一个距离模糊的目标，由于脉冲宽度较窄，一个脉冲内目标的运动可以忽略，即不考虑回波信号的脉内多普勒，雷达发射第n个脉冲时接收到的目标回波可以表示为：
其中，式中，tm表示慢时间，/>表示快时间，σ为目标回波的强度系数，/>表示当前脉冲回波中，目标对应的发射脉冲的脉内调制项，τ(tm)为目标在tm时刻的时延，fc为发射信号载频，j为虚数，/>为发射脉冲在脉组中的索引，k为目标的距离模糊次数，k满足：Rumk<R<Rum(k+1)，Rum为最大不模糊距离；
其中，R＝R0+vtm表示目标的距离，R0为观测起始时间的目标距离，v为目标速度。
式(3)中，τ(tm)为目标在tm时刻的时延，考虑光速远大于目标速度，该时延表示为：目标回波信号被接收后，使用载频fc下变频至基频信号，基频信号可以表示为：
其中，fdt＝-2v/λ为目标对应的多普勒频率，为基频信号，λ为信号载频对应的波长。多普勒频率使用慢时间tm采样，因此当目标多普勒频率大于信号重频时，产生多普勒模糊。
对接收到的回波信号使用各个正交波形依次进行匹配滤波，可以准确对不同距离模糊区域的回波进行分离。匹配滤波函数为使用发射脉冲组调制项生成，共需生成N个匹配滤波函数，在一次回波脉冲中，不同匹配滤波函数对应的结果表示一个距离模糊区域。
将脉内调制项un(t)进行傅里叶变换，第n个脉内调制信号对应的频域形式可以表示为：
其中，
根据时延目标基频回波的快时间频域形式为：
其中，Sb,n(f,tm)为目标基频回波的快时间频域形式，fp为脉冲重复频率，为模糊后的多普勒频率，且有/>F1表示抽取前的多普勒模糊数，且多普勒模糊对应的相位为2π的倍数，f表示快时间频域的频率采样点。
匹配滤波器组对应于发射脉冲调制项，令匹配滤波函数为：
Hn(f)＝conj[Un(f)] (式7)；
式中，conj[Un(f)]表示共轭，Hn(f)为第n个匹配滤波函数，Un(f)为第n个脉内调制项的频域形式。
使用匹配滤波器组对回波信号进行依次匹配滤波，得到不同距离模糊区域的回波信号：
匹配滤波后的信号频域可以表示为：
其中A(f)为匹配滤波后信号的频域包络，为一个幅度有调制的矩形函数。
对上式再进行IFFT即可得到各个距离模糊区域的匹配滤波结果。如5图所示为脉冲匹配滤波解距离模糊示意图，由于信号的正交性，只有相应距离模糊单元的目标回波会得到匹配滤波增益。
针对步骤S4，本实施例中，由于式9中存在快时间频率与慢时间的耦合项，在长时间回波中，目标的距离像会发生距离走动，距离走动的存在，使得慢时间的相参积累无法获得完整的聚焦效果，因此需要进行距离走动的校正。本实施例中，使用Keystone变换方法进行快时间频率和慢时间的解耦合，同时对每一个快时间频点在慢时间上重采样，达到解耦合目的。
在慢时间维度tm进行重采样，令τr＝(f+fc)tm/fc，式9可以表示为：
式10中已经解决了由多普勒模糊后的多普勒频率带来的耦合，但是同时引入了由于多普勒模糊带来的耦合项，在多普勒不模糊时，该项经过快速傅立叶反变换(IFFT)以后，已经拉直信号包络，但是在存在多普勒模糊时，需要进行多普勒补偿才能拉直信号包络。
针对步骤S5和S6，由于,通过步骤S4的处理，已经解决了多普勒模糊后多普勒带来的距离走动影响，但是多普勒模糊还需要进行处理。接下来对多普勒模糊进行处理。本实施例中使用多普勒模糊数遍历的方法进行多普勒补偿，并通过补偿后的相参处理结果的聚焦效果来确定多普勒模糊数。根据相参积累最大积累增益对应的模糊数，达到多普勒解模糊的目的。
多普勒模糊数补偿通过下式完成：
其中，F为对应的多普勒模糊数，τr＝(f+fc)tm/fc为重采样后的慢时间，Sn,run(f,τr)匹配滤波后的信号频域，fp为脉冲重复频率，fc为发射信号载频，f表示快时间频域的频率采样点。
通过遍历一定范围内的多普勒模糊数，并根据后续相参积累结果的峰值大小，可以找到对应的多普勒模糊数，完成多普勒解模糊。
进行了正确多普勒补偿后，信号的快时间频域可以表示为：
进行快时间频率的快速傅立叶反变换(IFFT)，信号的距离像可以表示为：
其中，a()表示A(f)的时域，为一个类sin c信号。
可选地，进行多普勒模糊数补偿后，所述方法还包括：
S7.通过慢时间维度的快速傅氏变换进行相参积累处理。
本实施例中，在进行了多普勒模糊数补偿后，不正确的补偿结果由于依旧存在多普勒模糊，因此距离像具有走动，能力无法完全聚焦与一个点而成为在距离上分散的多个距离单元，多普勒正确补偿的，目标距离像只集中于一个距离单元。对匹配滤波结果进行慢时间相参积累处理，此处观察到，慢时间维度，相位是一个与多普勒有关的线性相位，因此，通过慢时间维度的FFT完成相参积累。
式14中，信号能力集中在一个单元，信噪比大大改善，同时能量相对于多普勒补偿不正确的更高。通过对比积累后的信号能力，可以确定多普勒模糊数F1，信号的真正多普勒为
可选地，步骤S6之后，也就是根据所述多普勒模糊数补偿后的相参积累结果的峰值大小，确定对应的多普勒模糊数之后，所述方法还包括：
S801.对各个多普勒模糊数下的结果进行二维CFAR检测；
S802.根据检测结果，对比不同多普勒模糊数下的多普勒频点的相参积累输出，获取所述相参积累输出最大值对应的多普勒模糊数及多普勒值；
S803.根据所述多普勒模糊数及多普勒值，获取目标的参数估计结果。
本实施例中，在经过步骤S6之后，得到了回波在不同距离模糊区域以及不同多普勒模糊单元的距离-多普勒结果，对各个模糊数下的结果进行二维CFAR检测，由于距离模糊根据信号正交性已经分离，此处检测结果的距离信息加上距离模糊区域对应的起始距离即为真实距离信息，对于多普勒模糊，当信噪比较高时，多普勒模糊数错误补偿的积累记过也会被检测出来，根据其多普勒中心与最优相参积累结果中心一致，根据不同多普勒模糊数补偿后的检测结果，对比不同模糊次数下的多普勒频点的相参积累输出，找出最大值对应的多普勒模糊次数以及多普勒值，即可得到目标对应多普勒以及目标真实速度。对目标检测结果进行进一步处理，得到目标的参数估计结果进行输出。
本发明实施例所述脉冲多普勒雷达的信号处理方法具有以下技术效果：
本发明通过循环发射包括多个不同频率编码的发射脉冲进行两维解模糊处理，可以在不改变重频的情况下同时解距离模糊和多普勒模糊，并可以进行整个驻留时间内回波脉冲的相参处理能力，相比于传统多脉冲重频解模糊方法，提高了多普勒分辨率，带来了更多的信噪比增益，且由于信噪比的提升，提高了测距精度和测速精度。
参照图6，本发明实施例还提供了一种脉冲多普勒雷达的信号处理装置200，具体包括：
至少一个处理器210；
至少一个存储器220，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器210执行，使得所述至少一个处理器210实现如图1所示的方法。
其中，存储器220作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序。存储器220可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器220可选包括相对于处理器210远程设置的远程存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器210。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
可以理解到，图6中示出的装置结构并不构成对装置200的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
如图6所示的装置200中，处理器210可以调取存储器220中储存的程序，并执行但不限于图1所示实施例的步骤。
以上所描述的装置200实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现实施例的目的。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在被处理器执行时用于实现如图1所示的方法。
本申请实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图1所示的方法。
可以理解的是，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
本实施例中，为了证明本发明实施例所提出的利用循环发射DFCW波形进行脉冲多普勒雷达在MPRF模式下距离-多普勒两维解模糊以及低信噪比回波目标检测能力的有效性，进行了以下两部分实验进行验证。(1)DFC信号解距离-多普勒两维模糊的有效性；使用正交性匹配滤波以及Keystone多普勒模糊校正，验证其可以准确解决距离-多普勒两维模糊。(2)本发明实施例方法能量积累及目标检测、参数估计性能，验证考虑多普勒敏感性的精确匹配滤波应对不同速度目标的匹配滤波结果输出、固定重频带来的整个驻留时间的长时间相参积累带来的信噪比增益，以及获得信噪比增益后对目标检测以及参数估计的优势。
在所进行的实验中，设定机载火控PD雷达雷达循环发射5个正交DFC波形脉冲，可以进行最大4次距离模糊分离。具体的雷达仿真参数如表1。发射的5个频率编码脉冲对应的频率编码如表2所示。
表1仿真参数
表2频率编码
首先通过实验验证利用正交波形进行距离模糊区域区分的有效性，根据仿真参数，雷达的最大不模糊距离为15km。在本实验中，设置三个分别位于不同距离模糊区域的目标，目标距离分别为[7.8 27 33]km。由于对信号的匹配滤波在多普勒域中完成，因此需要对比相同多普勒目标的正交波形距离模糊区分结果，此处设定三个目标速度均为0。在一个波位驻留对应的相干处理时间内，共循环发射了256组信号，共1280个脉冲。
如图7所示为目标所在多普勒谱线的匹配滤波结果，由图7中可以发现，对于在同一多普勒谱线的不同距离模糊区域的目标，由于不同模糊区域具有对应的正交信号，只在相对应的距离模糊区域被正确的脉冲压缩，在其他区域由于匹配滤波器参考信号的正交，不产生峰值。图7(a)为距离不模糊区域的匹配滤波结果，信号输出主瓣附近为-32dB左右的信号自相关旁瓣。位于目标距离模糊对应的区域，存在距离模糊区域回波信号与此区域编码信号的相关结果输出，由于信号的正交性，匹配滤波的峰值的主瓣旁瓣比大于22.87dB，验证了发射波形的正交性，以及由正交性带来的距离模糊区域的区分。第三距离模糊区域无目标，对应的匹配滤波结果低于-22.55dB，为信号旁瓣量级。
以上已经证明使用正交DFCW可以实现在一定模糊旁瓣抑制的条件下，进行不同距离模糊区域的分离，接下来通过实验验证多普勒解模糊的有效性。
设定目标距离为7.8km的目标的速度为120m/s，相对于最大不模糊速度来说，有了一次多普勒模糊，在回波信号进行Keystone模糊数搜索中，对不同模糊数下距离-多普勒结果中的值进行对比，结果如图8所示，进行多普勒模糊数为1的补偿后的相参积累结果具有高的峰值能量，且主瓣较窄，其他模糊数补偿的相参积累结果由于目标距离像分布在多个距离单元，相参处理后能量未完全积累在同一个距离单元，峰值较低，且主瓣宽，影响距离分辨能力。通过不同模糊数补偿的积累结果对比，可以确定回波信号的多普勒模糊数为1。目标在距离多普勒结果中，多普勒谱线对应的速度为-30.0821m/s，结合峰值比较输出得到的目标多普勒模糊数，以及1次多普勒模糊对应150m/s，可以求得目标的估计速度为119.9179m/s，与设定目标基本一致。
本发明实施例所提算法具有整个驻留时间内脉冲相参处理能力，相对于传统Multi-PRF只能进行有限脉冲的相参积累来说，具有非常明显的优势。为了验证本发明实施例所提算法对目标检测以及参数估计的性能，使用了经典的Multi-PRF、脉冲间相位编码的方法进行对比。
对比算法中，采用Multi-PRF方法以及相位调制方法。Multi-PRF使用3/5原则，在一次驻留时间内，发射5组不同PRF的脉冲，具体PRF为[15 8.7 7.2 11 13]KHz，每组PRF包含256个脉冲，信号带宽设置为与本发明实施例方法仿真一致的20MHz。使用13脉冲的方法进行对比，信号重频同样为10KHz，信号带宽20MHz，每次驻留时间内共有100组脉冲簇。相对应的，在实验对比中，本发明实施例所提算法在每次驻留时间内进行256个脉组信号发射。
实验中，设置起始距离为7800米的目标速度为330m/s，通过蒙特卡洛实验进行不同信噪比下的目标检测以及测量精度实验。实验结果如图9-图11所示，图中，PulseCoding表示脉冲相位编码信号，Multi-PRF表示多脉冲重复频率方法。从图9中可以看到在每种信噪比下进行150次蒙特卡洛实验后不同算法的检测概率。Multi-PRF和PulseCoding的结果分别在信噪比为-38dB和-36dB下，目标的检测概率已经趋近于零。由于本发明实施例方法在整个驻留时间的脉冲回波进行了相参积累，且考虑了脉内多普勒对匹配滤波的影响，因此在回波信噪比-44dB的情况下，依旧有60％左右的检测概率。从结果可以看出，本发明实施例所提算法在低信噪比目标回波中的检测性能明显高于其他方法。
本发明实施例所提信号处理方法，有利于获得高的信噪比增益，高的信噪比可以使目标的测量结果更加精确。如图10所示，为不同算法的目标距离测量精度，此结果中，使用-30dB至0dB的回波信噪比，以保证在各个算法对目标稳定检测下的测量精度的对比。从结果中可以看出，本发明实施例算法在不同信噪比下的目标距离测量精度可以保持在0.05m以内，Multi-PRF和PulseCoding方法的测量精度随着信噪比的提高也有提高，但是仍然大于本发明实施例所提方法。参照图11，对于目标速度的测量，由于目标存在多普勒模糊，PulseCoding的方法没有解多普勒模糊的能力，因此对于目标速度的提取错误，在速度精度结果中不再体现错误的结果；本发明实施例所提算法由于使用了整个驻留时间的脉冲进行多普勒处理，多普勒分辨率明显高于Multi-PRF的方法，而且在信噪比处理增益上，也有提高，因此对于速度的测量精度本发明实施例方法明显优于Multi-PRF方法。
表3目标测量结果方差
| 算法 | MultiPRF | PulseCoding | 本发明实施例方法 |
| 距离方差 | 0.0008 | 0.0026 | 0.0001 |
| 速度方差 | 0.9854 | -- | 0.0059 |
如表3所示为不同方法对于距离和速度测量精度的方差。从结果可以发现，本发明实施例提出的信号处理方法对于目标距离和速度测量结果的方法均优于其他方法。
具体地，本发明实施例提出的信号处理方法可以在不变重频的情况下同时解距离模糊和多普勒模糊，由此可以进行整个驻留时间内回波脉冲的相参处理能力，相比于传统多脉冲重频解模糊方法，带来至少6dB的信噪比增益。同时由于信噪比的提升，算法的测距精度提高2倍以上。在多普勒测量中，由于使用了全驻留时间脉冲回波的相参处理，多普勒分辨较传统方法提高5-8倍以上，同时由于信噪比的提高，综合测速精度提高10倍以上。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种脉冲多普勒雷达的信号处理方法，其特征在于，包括：
循环发射一个脉组，所述脉组包括多个不同频率编码的发射脉冲；
接收响应所述脉组返回的回波信号；
使用匹配滤波器组对所述回波信号进行依次匹配滤波，进行不同距离模糊区域的分离；
利用Keystone变换方法对每个所述距离模糊区域进行距离走动的校正；
遍历预设范围内的多普勒模糊数进行多普勒模糊数补偿；
根据所述多普勒模糊数补偿后的相参积累结果的峰值大小，确定对应的多普勒模糊数，完成多普勒解模糊；
所述脉组中第n个发射脉冲表示为：
式中，为脉组中第n个发射脉冲，/>表示快时间，fc为发射信号载频，un(t)为第n个发射脉冲的脉内调制项，j为虚数；
发射第n个脉冲时接收到的回波信号表示为：
其中，式中，tm表示慢时间，/>表示快时间，σ为目标回波的强度系数，/>表示当前脉冲回波中，目标对应的发射脉冲的脉内调制项，τ(tm)为目标在tm时刻的时延，fc为发射信号载频，j为虚数，/>为发射脉冲在脉组中的索引，k为目标的距离模糊次数，k满足：Rumk＜R＜Rum(k+1)，Rum为最大不模糊距离；
所述多普勒模糊数补偿通过以下公式执行：
式中，F为对应的多普勒模糊数，τr＝(f+fc)tm/fc为重采样后的慢时间，Sn,run(f,τr)为匹配滤波后的信号频域，fp为脉冲重复频率，fc为发射信号载频，f表示快时间频域的频率采样点。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲多普勒雷达的信号处理方法，其特征在于，所述使用匹配滤波器组对所述回波信号进行依次匹配滤波中，匹配滤波函数表示为：
Hn(f)＝conj[Un(f)]；
式中，conj[Un(f)]表示共轭，Hn(f)为第n个匹配滤波函数，Un(f)为第n个脉内调制项的频域形式。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲多普勒雷达的信号处理方法，其特征在于，所述利用Keystone变换方法对每个所述距离模糊区域进行距离走动的校正这一步骤，具体包括：
使用Keystone变换方法进行快时间频率和慢时间的解耦合处理；
对每一个快时间频点在慢时间维度上重采样。
4.根据权利要求1所述的一种脉冲多普勒雷达的信号处理方法，其特征在于，进行多普勒模糊数补偿后，所述方法还包括：
通过慢时间维度的快速傅氏变换进行相参积累处理。
5.根据权利要求1所述的一种脉冲多普勒雷达的信号处理方法，其特征在于，根据所述多普勒模糊数补偿后的相参积累结果的峰值大小，确定对应的多普勒模糊数之后，所述方法还包括：
对各个多普勒模糊数下的结果进行二维CFAR检测；
根据检测结果，对比不同多普勒模糊数下的多普勒频点的相参积累输出，获取所述相参积累输出最大值对应的多普勒模糊数及多普勒值；
根据所述多普勒模糊数及多普勒值，获取目标的参数估计结果。
6.一种脉冲多普勒雷达的信号处理装置，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-5任一项所述的方法。
7.计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在被处理器执行时用于实现如权利要求1-5任一项所述的方法。
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