CN113325407B - 一种基于自适应脉冲压缩的雷达目标距离超分辨方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自适应脉冲压缩的雷达目标距离超分辨方法，该方法利用自适应脉冲压缩对距离采样失配的敏感性，来实现一个距离分辨单元内的目标超分辨；包括以下步骤：1)对距离维回波数据的正常采样；2)对发射的线性调频波形进行过采样，并对其进行抽取和移位；3)利用步骤2)的抽取和移位序列，对步骤1)的距离维回波序列进行迭代自适应脉冲压缩处理；4)将步骤3)的处理结果，按照过采样间隔和采样时序进行重组，从而实现对一个距离分辨单元内多个目标的超分辨。与正常采样条件下的脉冲压缩处理相比，本发明给出的基于自适应脉冲压缩的雷达目标距离超分辨方法能够有效分辨一个距离分辨单元内的多个目标。

Description

一种基于自适应脉冲压缩的雷达目标距离超分辨方法
技术领域
本发明涉及雷达信号处理领域，具体涉及雷达目标距离超分辨领域，特别是涉及一种基于自适应脉冲压缩的雷达目标距离超分辨方法。
背景技术
随着雷达技术的发展，用户对雷达系统的距离分辨能力提出了越来越高的要求。通常，大时宽-带宽积信号及其相应的脉冲压缩技术能够较好的满足雷达系统对各种距离分辨率的要求。但是，这也给雷达系统资源和雷达处理能力提出了越来越高的要求。因此，人们希望能在给定的距离分辨力条件下，即给定的雷达信号带宽条件下，通过信号处理技术实现一个距离分辨单元内的目标超分辨能力。
雷达对回波信号进行距离维采样时，根据奈奎斯特采样定理，一般是一个距离分辨单元采样一个复数点，这就导致一个常见的现象是，采样点不是正好位于目标所在距离点上，这就是所谓的距离采样失配现象；该现象会导致回波采样点距离与目标真实距离之间存在差异，进而使得回波采样点复幅度与目标真实点复幅度之间出现相位失配。对于我们正在讨论的一个距离分辨单元内的目标超分辨问题来说，“一个距离分辨单元采样一个复数点”意味着必然发生了距离采样失配现象。而我们在研究自适应脉冲压缩时发现，对于常用的线性调频信号来说，自适应脉冲压缩能够较好地解决基于匹配滤波的常规脉冲压缩过程中容易出现的大目标旁瓣掩盖小目标主瓣的问题；但是，距离采样失配现象的存在会显著影响自适应脉冲压缩的性能，以致于难以形成有效的峰值。因此，利用自适应脉冲压缩对距离采样失配的敏感性，有望实现一个距离分辨单元内的目标超分辨。鉴于上述理解，本发明提供了一种基于自适应脉冲压缩的雷达目标距离超分辨方法。
发明内容
本发明的目的在于，针对一个距离分辨单元内的雷达目标距离超分辨问题，提供一种基于自适应脉冲压缩的雷达目标距离超分辨方法，其中要解决的技术问题包括：
(1)直接对距离维回波数据进行过采样时面临的大存储量问题；
(2)发射信号的各个正常采样版本进行脉冲压缩时面临的多目标距离旁瓣相互影响的问题。
在对距离维回波数据进行“一个距离分辨单元采样一个复数点”的正常采样情况下，为了解决一个距离分辨单元内的雷达目标距离超分辨问题，本发明提供一种基于自适应脉冲压缩的雷达目标距离超分辨方法，其特征在于包括以下技术措施：
S1、首先对发射的线性调频波形进行G倍过采样；然后对得到的过采样线性调频信号序列，按正常采样间隔进行抽取，形成了G个正常采样的线性调频信号序列sg，g＝1,…,G；最后对每个正常采样的线性调频信号序列sg进行移位，得到相应的移位序列；
S2、在第p次迭代自适应脉冲压缩处理过程中，针对每个线性调频信号序列sg，在计算G个线性调频信号序列各自对应的信号协方差矩阵的基础上，通过G个信号协方差矩阵之和的求逆操作来抑制多目标的距离旁瓣，进而得到sg对应的第p次迭代自适应脉冲压缩处理结果ρg,p；遍历所有的sg后，进入下一次迭代处理；
S3、将第P次迭代处理输出的G个自适应脉冲压缩处理结果ρg,P，g＝1,…,G，按照过采样间隔和采样时序，依次排列成过采样情况下的距离维回波序列的自适应脉冲压缩处理结果ρP，从而实现对一个距离分辨单元内多个目标的超分辨。
(1)本发明利用发射信号的过采样版本来抽取不同距离采样失配对应的正常采样板本，以满足对距离维回波数据进行常规脉冲压缩的需求，避免了传统方法中对距离维回波进行过采样时带来的大存储量问题；
(2)本发明针对发射信号的各个正常采样版本进行脉冲压缩时导致的多目标距离旁瓣相互影响的问题，首先计算各个正常采样版本对应的信号协方差矩阵，然后用这些协方差矩阵之和来描述多目标之间的相互影响程度，进而通过信号协方差矩阵之和的求逆操作来抑制多目标的距离旁瓣。
附图说明
图1是一种基于自适应脉冲压缩的雷达目标距离超分辨方法的流程图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。参照说明书附图1，本发明的具体实施方式分以下步骤：
(1)雷达观测场景的某个或某些距离分辨单元中存在一个以上目标，将这些距离分辨单元中的目标数目最大值记为M；其中，M既可以根据观测场景的先验知识来确定，也可以根据雷达系统的性能要求来确定；距离分辨单元的大小等于
Figure BDA0003095333760000031
B是信号带宽，c是光速；一个距离分辨单元内的多个目标都必需具有25dB以上的信噪比；
(2)根据奈奎斯特采样定理，按照“一个距离分辨单元采样一个复数点”的正常采样方式对距离维回波数据进行采样，获得总长度为L的距离维回波序列，记为r＝[r(0),r(Δt0),…,r((L-1)·Δt0)]T，其中正常采样方式是指按正常采样间隔进行采样，正常采样间隔为Δt0＝1/B，上标T表示转置；
(3)对发射的线性调频波形进行G倍的过采样，得到过采样的线性调频信号序列，记为s＝[s(0),s(Δt1),…,s((N1-1)·Δt1)]T，其中，G≥10M，
Figure BDA0003095333760000048
ξ为调频斜率；脉冲宽度为τ，脉冲内正常采样点数为
Figure BDA0003095333760000041
G倍过采样的采样间隔为
Figure BDA0003095333760000042
脉冲内过采样点数为
Figure BDA0003095333760000043
对过采样的线性调频信号序列s按正常采样间隔进行抽取，形成了G个正常采样的线性调频信号序列sg，sg＝[s((g-1)·Δt1),s((g-1)·Δt1+Δt0),…,s((g-1)·Δt1+n0·Δt0),s((g-1)·Δt1+(N0-1)·Δt0)]T，其中，g＝1,…,G，n0＝0,…,N0-1；对线性调频信号序列sg按下式所示方式进行移位，得到移位序列sg,k，
Figure BDA0003095333760000044
(4)进入自适应脉冲压缩处理，设置迭代总次数为P，迭代次数变量为p；
第p＝1次迭代时，利用线性调频信号序列sg，g＝1,…,G，分别对距离维回波序列r进行常规脉冲压缩处理，其输出分别记为ρg,p，g＝1,…,G，如下式所示，
ρg,p＝[ρg,p((g-1)·Δt1),…,ρg,p((g-1)·Δt1+l·Δt0),…,ρg,p((g-1)·Δt1+(L-1-(N0-1))·Δt0)]T
其中，
Figure BDA0003095333760000045
0≤l≤L-N0；
(5)进入第p+1次迭代，针对距离维回波序列r中的第l个采样点，按下式计算G个线性调频信号序列sg对应的信号协方差矩阵之和，
Figure BDA0003095333760000046
其中，
Figure BDA0003095333760000047
上标H表示共轭转置；
进而针对每个线性调频信号序列sg，g＝1,…,G，按下式计算第l个采样点处，sg对应的自适应脉冲压缩权矢量wg,p(l·Δt0)，
Figure BDA0003095333760000051
其中，
Figure BDA0003095333760000052
表示噪声背景的平均功率，可由雷达系统自测给出，I表示N0×N0维的单位阵；
利用wg,p(l·Δt0)计算每个sg对应的第l个采样点处，第p+1次迭代输出的自适应脉冲压缩结果ρg,p+1(l·Δt0)，
Figure BDA0003095333760000053
遍历所有的l，p(N0-1)≤l≤L-1-(p+1)(N0-1)，得到ρg,p+1如下，并将该结果将作为下一次迭代的输入，
Figure BDA0003095333760000054
(6)将p+1替换为p，再次执行步骤(5)，直至步骤(5)输出的ρg,p+1中的下标p+1＝P为止；此时，就得到了线性调频信号序列sg，g＝1,…,G对应的自适应脉冲压缩输出结果，
Figure BDA0003095333760000055
(7)然后按照过采样间隔和采样时序，依次将G个ρg,P排列成过采样情况下的距离维回波序列的自适应脉冲压缩处理结果ρP，从而实现对一个距离分辨单元内的多个目标的超分辨；ρP的表达式如下，
Figure BDA0003095333760000056

Claims (3)

1.一种基于自适应脉冲压缩的雷达目标距离超分辨方法，其特征在于：
S1、按照正常采样方式对距离维回波数据进行采样，获得总长度为L的距离维回波序列，记为r，
r＝[r(0),r(Δt0),…,r((L-1)·Δt0)]T
其中，正常采样间隔Δt0＝1/B，B是信号带宽，r(·)表示序列元素，上标T表示转置；
S2、对发射的线性调频波形进行G倍的过采样，得到过采样的线性调频信号序列；对过采样的线性调频信号序列按正常采样间隔进行抽取，形成了G个正常采样的线性调频信号序列sg，
sg＝[s((g-1)·Δt1),s((g-1)·Δt1+Δt0),…,s((g-1)·Δt1+n0·Δt0),s((g-1)·Δt1+(N0-1)·Δt0)]T
其中s(·)表示序列元素，G倍过采样的采样间隔为
Figure FDA0003777972420000011
g＝1,…,G，n0＝0,…,N0-1，N0表示脉冲内正常采样时的点数；对每个正常采样的线性调频信号序列sg进行移位，得到移位序列sg,k，
Figure FDA0003777972420000012
其中，移位步长k满足-(N0-1)≤k≤(N0-1)；
S3、利用G个正常采样的线性调频信号序列sg，g＝1,…,G，分别对距离维回波序列r进行常规脉冲压缩处理，得到第p＝1次迭代结果ρg,p，
ρg,p＝[ρg,p((g-1)·Δt1),…,ρg,p((g-1)·Δt1+l·Δt0),…,ρg,p((g-1)·Δt1+(L-1-(N0-1))·Δt0)]T
其中
Figure FDA0003777972420000013
0≤l≤L-N0，上标H表示共轭转置；
进入第p+1次迭代，1＜p+1≤P，P为迭代总次数，针对距离维回波序列r中的第l个采样点，p(N0-1)≤l≤L-1-(p+1)(N0-1)，利用G个正常采样的线性调频信号序列sg与其移位序列sg,k以及第p次迭代结果ρg,p，计算得到G个线性调频信号序列对应的信号协方差矩阵之和，
Figure FDA0003777972420000021
其中
Figure FDA0003777972420000022
是第g个线性调频信号序列sg对应的信号协方差矩阵；
然后针对每个线性调频信号序列sg，g＝1,…,G，利用信号协方差矩阵Cp(l·Δt0)，按下式计算第l个采样点处，sg对应的自适应脉冲压缩权矢量wg,p(l·Δt0)，
Figure FDA0003777972420000023
p(N0-1)≤l≤L-1-(p+1)(N0-1)，g＝1,…,G，
其中，
Figure FDA0003777972420000024
表示噪声背景的平均功率，由雷达系统自测给出；I表示N0×N0维的单位阵；
进而针对每个线性调频信号序列sg，g＝1,…,G，利用wg,p(l·Δt0)计算sg对应的第l个采样点处，第p+1次迭代输出的自适应脉冲压缩结果ρg,p+1(l·Δt0)，
Figure FDA0003777972420000025
遍历所有的l，p(N0-1)≤l≤L-1-(p+1)(N0-1)，得到第p+1次迭代输出的自适应脉冲压缩结果ρg,p+1，
Figure FDA0003777972420000026
将ρg,p+1作为下一次迭代的输入，迭代过程直至ρg,p+1中的下标p+1＝P为止；
S4、将第P次迭代自适应脉冲压缩处理得到的G个结果ρg,P，g＝1,…,G，
Figure FDA0003777972420000027
按照过采样间隔和采样时序进行排列，就得到了过采样情况下的距离维回波序列的自适应脉冲压缩处理结果ρP，
Figure FDA0003777972420000031
该结果实现了对一个距离分辨单元内多个目标的超分辨。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应脉冲压缩的雷达目标距离超分辨方法，其特征在于：所述S1中的正常采样方式，具体为：
根据奈奎斯特采样定理，按照“一个距离分辨单元采样一个复数点”的采样方式对距离维回波数据进行采样；正常采样方式对应的正常采样间隔为Δt0＝1/B，B是信号带宽。
3.根据权利要求1所述的一种基于自适应脉冲压缩的雷达目标距离超分辨方法，其特征在于：所述S2中，对发射的线性调频波形进行过采样，得到过采样的线性调频信号序列的具体步骤为：
对发射的线性调频波形进行G倍的过采样，得到过采样的线性调频信号序列，记为s＝[s(0),s(Δt1),…,s((N1-1)·Δt1)]T，其中，G≥10M，M表示距离分辨单元中包含的目标数目最大值，该值既可以根据观测场景的先验知识来确定，也可以根据雷达系统的性能要求来确定；
Figure FDA0003777972420000032
ξ为调频斜率；脉冲宽度为τ，脉冲内正常采样点数为
Figure FDA0003777972420000033
脉冲内过采样点数为
Figure FDA0003777972420000034
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