CN112882008B - 基于数字阵列雷达的波束内密集多目标超分辨实现方法 - Google Patents

基于数字阵列雷达的波束内密集多目标超分辨实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于数字阵列雷达的波束内密集多目标超分辨实现方法。该方法包括：对多通道的回波数据进行一维距离像恒虚警检测，分辨出多个不同距离的目标；对每个目标距离单元的回波数据进行多脉冲FFT得到每个目标距离单元的距离多普勒域数据，根据距离多普勒域数据分辨出距离单元相同、速度不同的多个目标；对每个目标单元多个通道的距离多普勒域数据进行FFT和空间频率CFAR检测，分辨距离、速度均相同，角度不同的多个目标。本发明的方法能够从回波数据中较好的分辨出波束内距离、速度和角度相近的多个目标,实现密集多目标的超分辨检测。

Description

基于数字阵列雷达的波束内密集多目标超分辨实现方法
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种基于数字阵列雷达的波束内密集多目标超分辨实现方法。
背景技术
数字阵列雷达(DAR)目标探测技术是一种先进的雷达目标探测技术。在雷达目标探测技术中，密集临近多目标的分辨尤为困难，是雷达目标探测领域一项难点。
目前，雷达目标检测与分辨技术主要有基于一维距离像的恒虚警检测技术、基于和差波束的比相测角技术和基于阵列波束扫描的目标角度估计等技术。上述目标分辨技术，都有一定的缺点。基于一维距离像的恒虚警检测技术无法实现波束内距离相同的多个目标分辨；基于和差波束的比相测角和基于阵列波束扫描的目标角度估计技术无法分辨角度相近的多个目标，当多个目标之间的距离小于一个距离单元间隔或角度小于半功率波束宽度时，上述方法都不能对空间中多个密集目标进行正确区分与分辨。
综上所述，如何从阵列雷达体制和空间目标回波的本质出发，提出对空间密集临近多目标的分辨检测算法是一项亟待解决的问题。
发明内容
本发明的实施例提供了一种基于数字阵列雷达的波束内密集多目标超分辨实现方法，以实现对空间密集临近多目标进行有效地分辨。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种基于数字阵列雷达的波束内密集多目标超分辨实现方法，包括：
对多通道的回波数据进行一维距离像恒虚警检测，检测出距离不同的多个目标；
对每个目标距离单元的多个脉冲回波数据进行FFT得到距离多普勒域数据，对距离多普勒域数据进行CFAR检测,分辨出距离单元相同、速度不同的多个目标；
对每个目标多个通道的距离多普勒单元数据进行FFT和空间频率CFAR检测，分辨距离、速度均相同，角度不同的多个目标。
优选地，所述的对多通道的回波数据进行一维距离像恒虚警检测，检测出距离不同的多个目标，包括：
对单脉冲多通道的回波数据进行数字波束合成处理，对波束合成后的回波数据进行匹配滤波，得到一维距离像数据；
将所述一维距离像数据中的每个距离单元的回波数据进行一维距离恒虚警检测，分辨出回波数据中包含的多个不同距离的目标。
优选地，所述的对每个目标距离单元的多个脉冲回波数据进行FFT得到距离多普勒域数据，对距离多普勒域数据进行CFAR检测,分辨出距离单元相同、速度不同的多个目标，包括：
对每个目标距离单元处来自同一通道的多个脉冲数据进行FFT，得到每个目标距离单元处距离多普勒数据Srd(n)，表示为：
Srd(n)＝F(S(k))n＝1,2,…,N (1)
式(1)中，S(k)＝[s1(k) s2(k) … sN(k)]，sn(k)代表第n个脉冲的第k距离单元处的一维距离像复数据，n＝1,2,…,N，F(·)表示傅里叶变换算子，N为相干处理脉冲数；
傅里叶变换后，距离相同的第i个目标回波信号将凝聚落入Srd(n)的第K个多普勒频率单元：
Figure BDA0002891931060000031
式(2)中，vi为第i个目标相对于雷达的运动速度，PRF为雷达系统脉冲重复频率，λ为雷达工作频率；
通过对Srd(n)进行多普勒频率恒虚警检测，区分出目标距离单元中包含的距离相同、速度不同的各个目标。
优选地，所述的对每个目标多个通道的距离多普勒单元数据进行FFT和空间频率CFAR检测，分辨距离、速度均相同，角度不同的多个目标，包括：
对每个目标在雷达各通道中的距离多普勒复数据进行FFT：
Ssd(m)＝F(Sd(K)),m＝1,…,M (3)
式(3)中，
Figure BDA0002891931060000032
Figure BDA0002891931060000033
代表第m个通道的第K个距离多普勒单元处的复数据，m＝1,…,M，M为雷达接收通道数；
对Sd(K)进行傅里叶变换后得到空间频域数据Ssd(m)，距离、速度均相同，角度不同的目标会落入Ssd(m)中不同的空间频率单元,通过对Ssd(m)进行空间频率恒虚警检测区分距离、速度相同，位于不同角度的多个目标。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明的方法能够从回波数据中较好的分辨出波束内距离、速度和角度相近的多个目标。能够对数字阵列雷达波束内的多个密集临近目标进行分辨检测，实现密集多目标的超分辨检测。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些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
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于数字阵列雷达的多目标超分辨检测方法的实现原理示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于数字阵列雷达的多目标超分辨检测方法的处理流程图；
图3为本发明实施例提供的一种数字阵列雷达对空间临近密集多目标的观测模型框图；
图4为本发明实施例提供的一种波束内距离、速度相同，角度不同的两目标阵列回波波程延迟示意图；
图5为本发明实施例提供的一种利用多目标回波进行脉冲压缩后的一维距离像数据示意图；
图6为本发明实施例提供的一种利用多脉冲一维距离像FFT后的距离多普勒数据示意图；
图7为本发明实施例提供的一种单目标多通道距离多普勒单元幅度数据和FFT后的空间频域数据示意图；
图8为本发明实施例提供的一种距离、速度均相同的两目标多通道距离多普勒单元幅度数据和FFT后的空间频域数据示意图；
图9为本发明实施例提供的一种利用该方法对空间密集临近多个目标分辨检测结果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例提供的一种基于数字阵列雷达的密集多目标超分辨实现方法的实现原理图，具体处理流程如图2所示，包括如下的处理步骤：
步骤101：对目标回波进行一维距离像恒虚警检测，分辨不同距离目标。
对单脉冲多通道的回波数据进行数字波束合成，以提高回波数据的信噪比。图3为本发明实施例提供的一种数字阵列雷达对空间临近密集多目标的观测模型框图。然后，对波束合成后的回波数据进行匹配滤波或脉内相参积累，得到一维距离像数据。对一维距离像数据中的每个距离单元的回波数据进行一维距离CFAR(Constant False Alarm Rate,恒虚警率)检测，分辨出回波数据中包含的多个不同距离的目标。
步骤102：利用多个脉冲数据，对各目标距离单元回波进行FFT(快速傅里叶变换，Fast Fourier Transform)与多普勒频率CFAR检测，分辨距离单元相同、速度不同的多个目标。
根据一维距离像检测到不同距离单元的目标回波数据，对每个距离单元处来自同一通道的多个脉冲数据进行FFT，得到每个距离单元处目标多普勒数据Srd(n)。表示为：
Srd(n)＝F(S(k))n＝1,2,…,N (1)
式(1)中，S(k)＝[s1(k) s2(k) … sN(k)]，sn(k)代表第n个脉冲第k距离单元处的复数据，n＝1,2,…,N，F(·)表示傅里叶变换算子，N为相干处理脉冲数。
傅里叶变换后，该距离单元中的第i个目标回波信号将凝聚落入Srd(n)的第K个多普勒频率单元：
Figure BDA0002891931060000061
式(2)中，vi为第i个目标相对于雷达的运动速度，PRF为雷达系统脉冲重复频率，λ为雷达工作频率。通过对Srd(n)进行多普勒频率CFAR检测，就可以区分出该距离单元信号中包含的距离相同、速度不同的各个目标。
步骤103：对各目标距离多普勒单元多通道数据进行FFT与空间频率检测，分辨距离、速度均相同，角度不同的多个目标。
图3为本发明实施例提供的一种波束内距离、速度相同，角度不同的两目标阵列回波波程延迟示意图。由电磁波远场性质可知，当目标处于雷达阵列远场时，不同角度的目标到雷达阵列的相位延迟不同，而同一目标的回波到相邻两个阵列的相位延迟相同，如图3所示，根据上述性质，对每个距离多普勒单元处的雷达各通道复数据进行FFT：
Ssd(m)＝F(Sd(K)),m＝1,…,M (3)
式(3)中，
Figure BDA0002891931060000071
Figure BDA0002891931060000072
代表第m个阵列的第K个距离多普勒频率单元复数据，m＝1,…,M，M为雷达接收阵列通道数。对Sd(K)进行傅里叶变换后得到空间频域数据Ssd(m)，距离、速度均相同，角度不同的目标会落入Ssd(m)不同的空间频率单元。通过对Ssd(m)进行空间频率CFAR检测就可以区分距离、速度相同，位于不同角度的多个目标。
实施例1
图5为本发明实施例提供的一种基于数字阵列雷达的波束内密集多目标超分辨实现方法的一维距离像仿真数据示意图。其中，雷达工作频率为9.2GHz，波束宽度为1.8°，波束内的4个目标距离雷达分别为：[45、50、45、45]km，速度分别为[10、10、-10、10]m/s，目标方位角度分别为：[3.8、3.8、2.1、2.1]°。由图5中可以看出，第1,3,4个目标由于距离相同，一维距离像无法分辨，而第2个目标可以与其他3个目标进行分辨。
图6为本发明实施例提供的一种对一维距离像数据进行FFT后的数据示意图，相干处理脉冲数为256，从图中可以看出，由于距离相同，速度不同，通过距离多普勒域数据可以将第3个目标与第1,4个目标进行分辨。
图7为本发明实施例提供的一种利用32个子阵对第2和第3个目标的距离多普勒域数据的复数据进行FFT后的空间频域数据示意图，相邻子阵间距为0.0326m。其中，上图为第2个目标的空间频域数据示意图，下图为第3个目标的空间频域数据示意图。从图中可以看到，由于两个目标的距离多普勒域数据均为单目标，两个目标距离多普勒单元出的空间频域数据均呈现为单峰值。
图8为本发明实施例提供的一种利用32个子阵对第1、4目标的距离多普勒域数据的复数据进行FFT后的空间频域数据示意图，从图中可以看出，由于该距离多普勒单元包含2个目标数据，FFT后的空间频域数据呈现双峰值，由此可将1、4两个目标进行分辨。
图9为利用本发明实施例的方法对4个目标进行分辨的结果示意。可以看出，通过上述处理步骤，可将波束宽度内距离、速度重叠的多个临近目标进行分辨开来，实现密集临近多目标的超分辨检测。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于数字阵列雷达的密集多目标分辨方法，能够从回波数据中较好的分辨出波束内距离、速度和角度相近的多个目标。
通过本发明，能够对数字阵列雷达波束内的多个密集临近目标进行分辨，实现密集多目标的超分辨检测。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于数字阵列雷达的波束内密集多目标超分辨实现方法，其特征在于，包括：
对数字阵列雷达多通道的回波数据进行波束合成、匹配滤波及一维距离像恒虚警检测，检测出距离不同的多个目标；
对每个目标距离单元的多个波束合成后的脉冲回波数据进行FFT得到距离多普勒域数据，对距离多普勒域数据进行CFAR检测,分辨出距离单元相同、速度不同的多个目标；
对每个目标多个通道的距离多普勒单元数据进行FFT和空间频率CFAR检测，分辨距离、速度均相同，角度不同的多个目标；
所述的对数字阵列雷达多通道的回波数据进行波束合成、匹配滤波及一维距离像恒虚警检测，检测出距离不同的多个目标，包括：
数字阵列雷达的工作模式为脉冲多普勒模式，雷达天线阵列为均匀线阵或者二维面阵分布，且每个天线单元为收发共用天线，发射信号为脉冲信号；
对单脉冲多通道的回波数据进行数字波束合成处理，对波束合成后的回波数据进行匹配滤波，得到一维距离像数据；
将所述一维距离像数据中的每个距离单元的回波数据进行一维距离恒虚警检测，分辨出回波数据中包含的多个不同距离的目标；
所述的对每个目标距离单元的多个波束合成后的脉冲回波数据进行FFT得到距离多普勒域数据，对距离多普勒域数据进行CFAR检测,分辨出距离单元相同、速度不同的多个目标，包括：
对每个目标距离单元处的多个波束合成后的脉冲数据进行FFT检测，得到每个目标距离单元处距离多普勒数据Srd(n)，表示为：
Srd(n)＝F(S(k)) n＝1,2,…,N (1)
式(1)中，S(k)＝[s1(k)s2(k)…sN(k)]，sn(k)代表波束合成后第n个脉冲的第k距离单元处的一维距离像复数据，n＝1,2,…,N，F(·)表示傅里叶变换算子，N为相干处理脉冲数；
傅里叶变换后，距离相同的第i个目标回波信号将凝聚落入Srd(n)的第K个多普勒频率单元：
Figure FDA0004044851250000021
式(2)中，vi为第i个目标相对于雷达的运动速度，PRF为雷达系统脉冲重复频率，λ为雷达工作频率；
通过对Srd(n)进行多普勒频率恒虚警检测，区分出目标距离单元中包含的距离相同、速度不同的各个目标；
所述的对每个目标多个通道的距离多普勒单元数据进行FFT和空间频率CFAR检测，分辨距离、速度均相同，角度不同的多个目标，包括：
对每个目标在雷达各通道中的距离多普勒复数据进行FFT：
Ssd(m)＝F(Sd(K)),m＝1,…,M (3)
式(3)中，
Figure FDA0004044851250000022
Figure FDA0004044851250000023
代表第m个通道的第K个距离多普勒单元处的复数据，m＝1,…,M，M为雷达接收通道数；
对Sd(K)进行傅里叶变换后得到空间频域数据Ssd(m)，距离、速度均相同，角度不同的目标会落入Ssd(m)中不同的空间频率单元,通过对Ssd(m)进
行空间频率恒虚警检测区分距离、速度相同，位于不同角度的多个目标，
实现密集多目标的超分辨。
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