CN113884998A - 一种多载波相参和非相参联合累积处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子技术领域，具体涉及一种多载波相参和非相参联合累积处理方法。本发明包括如下步骤：步骤1、单载波模糊函数相关累积；步骤2、对步骤1中的相关处理结果进行运动补偿对齐；步骤3、将多个载波运动补偿对齐后的数据进行非相参累积处理；步骤4、目标检测测量。本发明利用同源多载波联合相关积累，可有效提高设备微弱电磁散射信号的检测灵敏度，提升系统作用距离和对小BCS目标侦察定位能力。

Description

一种多载波相参和非相参联合累积处理方法
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种多载波相参和非相参联合累积处理方法。
背景技术
外辐射源雷达系统通过接收直达波信号和目标散射信号，进行长时间相关处理提高信号信噪比，得到信号的互模糊函数，从而检测目标。若以同步轨道的广播电视卫星信号作为照射源，由于同步轨道的卫星距离地面在三万六千公里以上，其到达地面的信号功率较小，同时经目标散射后信号会更加微弱。需要利用一定的技术手段提供检测目标的信噪比。
静止轨道商用通信卫星在设计时为提升其经济效益和通信容量，大都采用多个转发器，其辐射能量分散在宽带范围内的多个载波上，利用单载波相关积累，没有充分利用卫星的频谱资源，相关积累增益比较低，从而获得的性价比有限。
发明内容
本发明的目的在于：
本发明提供一种多载波相参和非相参联合累积处理方法，利用同源多载波联合相关积累，可有效提高设备微弱电磁散射信号的检测灵敏度，提升系统作用距离和对小BCS目标侦察定位能力。
本发明采用的技术方案：
一种多载波相参和非相参联合累积处理方法，包括如下步骤：步骤1、单载波模糊函数相关累积；步骤2、对步骤1中的相关处理结果进行运动补偿对齐；步骤3、将多个载波运动补偿对齐后的数据进行非相参累积处理；步骤4、目标检测测量。
所述步骤1具体包括如下步骤：选取一定带宽内的一个或多个频点相邻信号作为一个载波，进行相关模糊函数计算，得到设置时频差范围内的单载波相关处理结果。
单载波相关模糊函数的计算公式为：
Figure BDA0003282518320000021
其中：se(t)为直达波信号；sr(t)为目标回波信号；T为积累时间；t为时间；f为频移；fd为多普勒频移；td为时延；D为固定时延。
所述步骤2具体包括如下步骤：记接收到的参考信号为u(t)，忽略脉内相位变化，对相应的回波信号进行分段处理，处理后的回波信号表示为：
Figure BDA0003282518320000022
其中，tf表示快时间，tm表示慢时间，A表示幅度系数，τ0＝R0/c表示初始时延，aτ＝va/c表示时延变化率，R0表示目标的初始位置；va表示目标在回波路径上的投影速度；c表示光速、fc表示载频的中心频率；
对回波信号沿快时间维tf做傅里叶变换转换到频域为：
Figure BDA0003282518320000031
其中，U(f)表示u(t)的傅里叶变换。
对参考信号进行分段处理，并进行沿快时间维tf做傅里叶变换转，得到上参考信号的快时间频域形式的共轭U*(f)。
公式(3)乘上U*(f)，得到：
Figure BDA0003282518320000032
将上式傅里叶反变换到快时间时域得到：
Figure BDA0003282518320000036
利用一阶RFT进行走动补偿的表达形式如下：
SRFT(r,va)＝∫SMP(tf,R0+vatm)Hv(tm)dtm (6)
r∈[Rmin,Rmax]为目标距离搜索范围，va∈[vmin,vmax]表示目标投影速度搜索范围，且：
Figure BDA0003282518320000033
所述步骤3具体包括如下步骤：
多载波相参和非相参联合累积处理处理数学模型：
Figure BDA0003282518320000034
单杂波行动的噪声可以假设为高斯白噪声，单载波相关检测处理输出噪声为高斯分布，根据概率统计理论，若n个相互独立的随机变量ξ1、ξ2、……、ξn，均服从标准正态分布，则这n个服从标准正态分布的随机变量的平方和
Figure BDA0003282518320000035
构成一新的随机变量，其分布规律称为χ2分布，其中参数v称为自由度，正如正态分布中均数或方差不同就是另一个正态分布一样，自由度不同就是另一个χ2分布。记为Q～χ2(v)或者
Figure BDA0003282518320000041
其中v＝n-k，k为限制条件数；
卡方分布是由正态分布构造而成的一个新的分布，当自由度v很大时，χ2分布近似为正态分布；
χ2分布在第一象限内，卡方值都是正值，呈正偏态，随着参数v的增大，x2分布趋近于正态分布；卡方分布密度曲线下的面积都是1；χ2分布的均值与方差可以看出，随着自由度v的增大，χ2分布向正无穷方向延伸，分布曲线也越来越低阔；不同的自由度决定不同的卡方分布，自由度越小，分布越偏斜；若χ2(v1)，χ2(v2)互相独立，则：χ2(v1)+χ2(v2)服从χ2分布，自由度为v1+v2；χ2分布的均数为自由度v，记为E(χ2)＝v；6)χ2分布的方差为2倍的自由度(2v)，记为D(χ2)＝2v。
所述步骤4具体包括如下步骤：根据积累载波数量和噪底，设置检测门限，完成目标检测测量；利用外场试验对固定标校塔侦收数据进行仿真验证。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的一种多载波相参和非相参联合累积处理方法，利用同源多载波联合相关积累，可有效提高设备微弱电磁散射信号的检测灵敏度，提升系统作用距离和对小BCS目标侦察定位能力。
(2)由理论分析和试验数据仿真结果可以看出，基于相参和非相参积累的多载波能量积累技术可以有效降低相关检测门限，提升系统对微弱电磁扰动信号的检测灵敏度。
附图说明
图1为一种多载波相参和非相参联合累积处理方法流程图；
图2为Radon-Fourier变换算法流程图；
图3为脉压处理后目标回波跨距离单元走动情况；
图4为单载波相关检测处理结果；
图5为多载波联合积累结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种多载波相参和非相参联合累积处理方法作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种多载波相参和非相参联合累积处理方法，包括如下步骤：
步骤1、单载波模糊函数相关累积
选取一定带宽内的一个或多个频点相邻信号作为一个载波，进行相关模糊函数相关处理，得到设置时频差范围内的单载波相关处理结果；
单载波相关模糊函数的计算，是将单载波的直达波信号和目标回波信号进行相关处理。如下式所示，
Figure BDA0003282518320000051
其中：se(t)为直达波信号；sr(t)为目标回波信号；T为积累时间；t为时间；f为频移；fd为多普勒频移；td为时延；D为固定时延。
步骤2、对步骤1中的相关处理结果进行运动补偿对齐
相同速度下不同频点对应的多普勒频差不同，因此需对不同载波相关处理结果进行运动补偿对齐，利用Radon-Fourier变换算法进行越距离单元的补偿处理；
Radon-Fourier变换是一种通过距离和速度的联合搜索实现回波信号解耦合的动目标检测方法，本质上是一种广义的多普勒滤波器组。该方法检测动目标时无需采用补偿算法对目标跨距离单元走动进行补偿，可以实现低信噪比下高速运动目标检测。具体流程如图2所示。
以亚洲七号卫星发射的信号作为辐射源，记石家庄被动雷达接收到的参考信号为u(t)，忽略脉内相位变化，对相应的回波信号进行分段处理，处理后的回波信号表示为：
Figure BDA0003282518320000061
其中，tf表示快时间，tm表示慢时间，A表示幅度系数，τ0＝R0/c表示初始时延，aτ＝va/c表示时延变化率，R0表示目标的初始位置；va表示目标在回波路径上的投影速度；c表示光速、fc表示载频的中心频率；
对回波信号沿快时间维tf做傅里叶变换转换到频域为：
Figure BDA0003282518320000062
其中，U(f)表示u(t)的傅里叶变换。
对参考信号进行分段处理，并进行沿快时间维tf做傅里叶变换转，得到上参考信号的快时间频域形式的共轭(即频域脉压系数)U*(f)；
公式(3)乘上U*(f)，得到：
Figure BDA0003282518320000071
将上式傅里叶反变换到快时间时域得到：
Figure BDA0003282518320000072
经过脉压处理后目标回波跨距离单元走动情况如图3中斜线所示，该斜线由目标参数(R0,va)决定。
利用一阶RFT进行走动补偿的表达形式如下：
SRFT(r,va)＝∫SMP(tf,R0+vatm)Hv(tm)dtm (6)
r∈[Rmin,Rmax]为目标距离搜索范围，va∈[vmin,vmax]表示目标投影速度搜索范围，且：
Figure BDA0003282518320000073
可以看出一阶RFT是利用目标回波在相邻等效脉冲之间具有固定的相位差
Figure BDA0003282518320000074
这个关系，对位于(r,t)平面上目标所在直线上的进行积分运算。
一般情况下，对于商用静止轨道卫星照射源，同一照射波束的载波共用一个发射天线，因此同一照射源同一照射源波束条件下，不同载波的传输延时可以认为完全相同(不考虑宽带接收系统的群时延误差)。理论上同一照射源的多个载波可直接进行相参积累，但工程实现时考虑到以下几点，采用相参和非相参联合方法。
1)多载波相参积累使得系统的时延分辨率过高，在同时保证长积累时间条件下，使得处理量过于庞大，工程上难以实现；
2)过高的时延分辨率，使得运动补偿处理也许保证相应的时延运动补偿精度，使得运动补偿处理的复杂度和运算量显著增大；
3)当时延分辨率精细到目标成像级别时，目标不能再简单看做一个点目标，相关能量被分散到多个目标像素点上，相关处理增益反而无法提高。
步骤3、将多个载波运动补偿对齐后的数据进行非相参累积处理
多载波相参和非相参联合累积处理处理数学模型：
Figure BDA0003282518320000081
其中r为目标距离变量，va为目标速度变量；
单杂波行动的噪声可以假设为高斯白噪声，单载波相关检测处理输出噪声为高斯分布，根据概率统计理论，若n个相互独立的随机变量ξ1、ξ2、……、ξn，均服从标准正态分布(也称独立同分布于标准正态分布)，则这n个服从标准正态分布的随机变量的平方和
Figure BDA0003282518320000082
构成一新的随机变量，其分布规律称为χ2分布(chi-square distribution)，其中参数v称为自由度，正如正态分布中均数或方差不同就是另一个正态分布一样，自由度不同就是另一个χ2分布。记为Q～χ2(v)或者
Figure BDA0003282518320000083
(其中v＝n-k，k为限制条件数)。
卡方分布是由正态分布构造而成的一个新的分布，当自由度v很大时，χ2分布近似为正态分布。
卡方分布特点：1)χ2分布在第一象限内，卡方值都是正值，呈正偏态(右偏态)，随着参数v的增大，χ2分布趋近于正态分布；卡方分布密度曲线下的面积都是1.2)χ2分布的均值与方差可以看出，随着自由度v的增大，χ2分布向正无穷方向延伸(因为均值v越来越大)，分布曲线也越来越低阔(因为方差2v越来越大)。3)不同的自由度决定不同的卡方分布，自由度越小，分布越偏斜。4)若χ2(v1)，χ2(v2)互相独立，则：χ2(v1)+χ2(v2)服从χ2分布，自由度为v1+v2；5)χ2分布的均数为自由度v，记为E(χ2)＝v。6)χ2分布的方差为2倍的自由度(2v)，记为D(χ2)＝2v。
步骤4、目标检测测量
根据积累载波数量和噪底，设置检测门限，完成目标检测测量。如图4和图5所示，
利用外场试验对固定标校塔侦收数据进行仿真验证。受试验中采集设备接收机带宽因素限制，仅能通过窄带多波束联合检测模拟实际使用场景下宽带多波束积累。
1)恒虚警检测门限仿真
对单载波检测和8载波联合检测条件下的恒虚警检测门限进行理论仿真，如图4和图5所示，可以看出多载波联合检测可以有效降低系统检测门限，从而提高微弱扰动信号检测灵敏度。2)外场试验数据仿真试验场景：卫星照射源，110.5E，中星10号，对1.6km外的标校塔进行检测测量。从星上多个载波中选择8个载波，进行仿真，单个载波带宽约0.8MHz，积累时间0.358s，单个载波相关检测信噪比10-12dB，如下表所示，可以看出单载波相关检测，8个载波中仅有两个载波正确检测到目标，且检测信噪比较低。

Claims (9)

1.一种多载波相参和非相参联合累积处理方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤(1)、单载波模糊函数相关累积；步骤(2)、对步骤1中的相关处理结果进行运动补偿对齐；步骤(3)、将多个载波运动补偿对齐后的数据进行非相参累积处理；步骤(4)、目标检测测量。
2.根据权利要求1所述的一种多载波相参和非相参联合累积处理方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括如下步骤：选取一定带宽内的一个或多个频点相邻信号作为一个载波，进行相关模糊函数计算，得到设置时频差范围内的单载波相关处理结果。
3.根据权利要求2所述的一种多载波相参和非相参联合累积处理方法，其特征在于：单载波相关模糊函数的计算公式为：
Figure FDA0003282518310000011
其中：se(t)为直达波信号；sr(t)为目标回波信号；T为积累时间；t为时间；f为频移；fd为多普勒频移；td为时延；D为固定时延。
4.根据权利要求3所述的一种多载波相参和非相参联合累积处理方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括如下步骤：记接收到的参考信号为u(t)，忽略脉内相位变化，对相应的回波信号进行分段处理，处理后的回波信号表示为：
Figure FDA0003282518310000012
其中，tf表示快时间，tm表示慢时间，A表示幅度系数，τ0＝R0/c表示初始时延，aτ＝va/c表示时延变化率，R0表示目标的初始位置；va表示目标在回波路径上的投影速度；c表示光速、fc表示载频的中心频率；
对回波信号沿快时间维tf做傅里叶变换转换到频域为：
Figure FDA0003282518310000021
其中，U(f)表示u(t)的傅里叶变换。
5.根据权利要求4所述的一种多载波相参和非相参联合累积处理方法，其特征在于：对参考信号进行分段处理，并进行沿快时间维tf做傅里叶变换转，得到上参考信号的快时间频域形式的共轭U*(f)。
6.根据权利要求5所述的一种多载波相参和非相参联合累积处理方法，其特征在于：
公式(3)乘上U*(f)，得到：
Figure FDA0003282518310000022
将上式傅里叶反变换到快时间时域得到：
Figure FDA0003282518310000023
7.根据权利要求6所述的一种多载波相参和非相参联合累积处理方法，其特征在于：
利用一阶RFT进行走动补偿的表达形式如下：
SRFT(r,va)＝∫SMP(tf,R0+vatm)Hv(tm)dtm (6)
r∈[Rmin,Rmax]为目标距离搜索范围，va∈[vmin,vmax]表示目标投影速度搜索范围，且：
Figure FDA0003282518310000024
8.根据权利要求7所述的一种多载波相参和非相参联合累积处理方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括如下步骤：
多载波相参和非相参联合累积处理处理数学模型：
Figure FDA0003282518310000031
单杂波行动的噪声可以假设为高斯白噪声，单载波相关检测处理输出噪声为高斯分布，根据概率统计理论，若n个相互独立的随机变量ξ1、ξ2、……、ξn，均服从标准正态分布，则这n个服从标准正态分布的随机变量的平方和
Figure FDA0003282518310000032
构成一新的随机变量，其分布规律称为χ2分布，其中参数v称为自由度，正如正态分布中均数或方差不同就是另一个正态分布一样，自由度不同就是另一个χ2分布。记为Q～χ2(v)或者
Figure FDA0003282518310000033
其中v＝n-k，k为限制条件数；
卡方分布是由正态分布构造而成的一个新的分布，当自由度v很大时，χ2分布近似为正态分布；
χ2分布在第一象限内，卡方值都是正值，呈正偏态，随着参数v的增大，χ2分布趋近于正态分布；卡方分布密度曲线下的面积都是1；χ2分布的均值与方差可以看出，随着自由度v的增大，χ2分布向正无穷方向延伸，分布曲线也越来越低阔；不同的自由度决定不同的卡方分布，自由度越小，分布越偏斜；若χ2(v1)，χ2(v2)互相独立，则：χ2(v1)+χ2(v2)服从χ2分布，自由度为v1+v2；χ2分布的均数为自由度v，记为E(x2)＝v；6)χ2分布的方差为2倍的自由度(2v)，记为D(χ2)＝2v。
9.根据权利要求8所述的一种多载波相参和非相参联合累积处理方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括如下步骤：根据积累载波数量和噪底，设置检测门限，完成目标检测测量；利用外场试验对固定标校塔侦收数据进行仿真验证。
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