CN114415143B - 一种匀速运动目标的多帧相参积累方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种匀速运动目标的多帧相参积累方法，多帧距离走动补偿，多帧相位补偿，将第二帧数据的前两个相位项补偿后，即可采用快速傅里叶变换实现拼接后信号能量的有效积累。本发明利用相参积累能量最大原则，对目标匀速运动产生的相位进行精确补偿，使得雷达多帧回波数据可以进行目标能量的有效积累。通过帧之间的相位变化规律，解决多帧雷达回波数据相位不连续的突出问题，有效实现雷达回波信号跨帧间的多普勒相参积累，克服高旁瓣和栅瓣等不利影响。
Description
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，涉及一种多帧相参积累方法，适用于雷达圈扫或扇扫模式下的匀速运动目标帧间相参积累。
背景技术
长时间积累技术是实现慢速弱小目标检测的有效方法，通过长时间积累技术增加可接受的目标回波能量，即用时间换取能量。目前，长时间积累检测技术都是对单帧数据进行处理，对雷达接收到的回波信号进行单脉冲匹配滤波、杂波抑制、帧内相参/非相参/混合积累、恒虚警检测处理后得到目标的点迹信息，对目标的点迹进行跟踪滤波就获得了航迹，即常规的雷达信号处理方法先检测后跟踪(Detect-Before-Track,DBT)。当目标回波信号较强时，该方法可以获得理想的检测和跟踪效果，但是对于微弱目标而言，由于此类目标回波信号太弱，该方法将难以奏效。检测前跟踪(Track-Before-Detect,TBD)方法是对雷达接收到的单帧回波信号不做处理，而是通过对雷达多帧回波信号的联合处理后同时宣布检测结果和目标航迹。与DBT方法相比，TBD方法的优点在于最大程度的保留了原始回波信号的信息，克服了DBT方法中对单帧回波信号进行过门限检测所导致的对微弱目标的漏检。TBD的实现方法包括动态规划(DP)、投影变换(如Hough变换、Radon变换)、粒子滤波(PF)、三维匹配滤波(3-D Matched Filters,3D-MF)、时域滤波等多种方法。TBD方法虽然可以有效改善雷达对微弱目标的检测能力，但是该方法在本质上是一种能量的非相参积累方式，积累效率并不高。随着积累时间延长，目标回波有可能发生距离徙动(包括距离走动、距离弯曲)和多普勒徙动(多普勒展宽)，因此进行有效的包络补偿和相位补偿是实现长时间相参积累的关键。
传统的机械扫描雷达的天线按照一定的时间间隔对其关注的空域按进行多次扫描，将该时间间隔称为雷达天线的扫描周期。雷达天线在对其关注的空域进行扫描时，按照时间的先后顺序在不同的位置使用不同的波束进行照射。假设整个空域被划分成P个波束，雷达在一个波束内驻留M个脉冲，一个脉冲的总采样点数为L，则雷达天线完成一次扫描得到的单帧回波信号如图1所示。对位于某一位置的特定目标而言，该目标的回波信号只存在于该波束的M个脉冲内，而其他波束的脉冲内并不包含该目标的回波信号。单帧回波信号指的是雷达在一个天线扫描周期中接收到的某一波束内的连续M个脉冲回波信号。因此，可以将雷达在多个连续的天线扫描周期内得到的同一波束内的多个脉冲回波信号称为多帧回波信号。将多帧回波信号的相参积累方法称为完全相参积累，将常用的对脉冲回波信号进行的单帧回波信号相参积累后在帧间进行非积累的处理方法以及其他信号处理方法均称为部分相参积累。
为了实现多个天线扫描周期的多个脉冲的完全相参积累，按照图2所示的方法，将雷达在某一波束内得到的连续K个天线扫描周期内的多个脉冲信号按照时间的先后顺序拼接起来，得到一个L行K×M列的数据矩阵。由于目标位置信息未知，将每个波束上的连续多帧脉冲回波信号按照上述方法进行拼接，然后采用距离校正算法将多个脉冲信号的峰值位置对齐到同一个距离单元，并根据目标的速度对多个脉冲信号间的相位差进行补偿后进行相参积累。综上所述，多帧回波信号完全相参积累流程如图3所示。目标运动会导致目标回波信号发生距离走动现象，直接对拼接后的脉冲信号进行相参积累，会导致目标的能量发生泄漏，不利于目标信噪比的提高。另一方面，目标的距离走动现象同样会导致相参积累后主瓣展宽，使得相参积累结果的距离分辨力和多普勒分辨力下降。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种匀速运动目标的多帧相参积累方法。本发明通过分析帧之间的相位变化规律，提出一种匀速运动目标的多帧相参积累方法，解决多帧雷达回波数据距离走动和相位不连续问题，从而抑制旁瓣和栅瓣，有效实现跨帧间匀速运动目标的相参积累。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤为：
步骤1：多帧距离走动补偿；
雷达发射信号为线性调频信号，经过脉压后，第k个天线扫描周期信号的第n个脉冲的时域表示为：
式中，A和B分别表示脉压后信号的幅度和线性调频信号带宽，R0和v分别表示运动目标的初始距离和径向速度，c表示光速，fc和fd分别表示雷达载波频率以及目标的多普勒频率，代表快时间，/>表示慢时间，Tr为雷达工作的脉冲重复周期，NR为雷达天线完成一次扫描所发射的脉冲数；
经过脉压之后信号频谱为：
式(2)中，f表示距离频率，为一固定常数项，指数第二项是由目标多普勒引起的多个脉冲信号相位的线性变化，指数第三项就是回波信号距离走动产生的原因；目标速度已知，则通过回波信号频域乘上一个指数因子/>经过频域校正之后，脉冲间的距离走动现象将消失，目标能量积累到同一个距离单元内，当目标为匀速运动目标，则其回波表达式表示为：
步骤2：多帧相位补偿
由于时间是非连续时间，导致多帧数据拼接时存在相位不连续现象，无法直接采用傅里叶变换进行有效积累；以两帧数据为例，只考虑多普勒相位的影响，则两帧回波信号分别表示为：
从式(5)看出，为保障两个信号的相位连续，即第二帧第1个采样值s2(1)与第一帧第N个采样值s1(N)的相位具有连续性；根据第一帧信号的表达式，第N+1个采样信号应为为保障相位的连续性，则第二帧信号的相位通过相位补偿的方式应与s1(N+1)的相位保持一致，对第二帧数据s1(n)整理得到：
式(6)中，第一个相位是由跨帧引起的相位项，第二个相位项是为保证帧间数据连续性提取出的相位项，第三个相位项与第一帧数据拼接后可构成相位连续且长度为2N的信号；因此，只要将第二帧数据的前两个相位项补偿后，即可采用快速傅里叶变换(FastFourier Transform,FFT)实现拼接后信号能量的有效积累。
数据相参拼接具体方法如下：
首先，提取第一帧数据s1(n)和第二帧数据s2(n)，将第二帧数据每一个采样值乘以相同的补偿因子，构造补偿后的第二帧数据/>
然后，将第一帧数据与补偿后的第二帧数据拼接成长度为2N向量，即考虑到匀速运动目标的速度v未知，需采用搜索的方式，利用相参积累能量最大原则，在[0,2π]范围内搜索补偿相位/>，当式(7)达到最大值所得到相位即为所求的补偿相位/>
其中，“FFT”表示快速傅里叶变换，“|·|”表示求模操作；
最后，将补偿相位与第二帧数据相乘后与第一帧数据进行拼接，获得相位连续的新向量/>进行FFT即可实现两帧数据的相参积累。
同理，当有多帧数据进行拼接时，先实现第一帧和第二帧数据的拼接，即获得s12(n)，然后再采用以上数据相参拼接方法，将s12(n)与第三帧s3(n)进行拼接，获得s123(n)，依次类推，如图4所示，最终实现多帧数据的相参积累。
本发明的有益效果在于通过搜索方式，利用相参积累能量最大原则，对目标匀速运动产生的相位进行精确补偿，使得雷达多帧回波数据可以进行目标能量的有效积累。该方法通过帧之间的相位变化规律，解决多帧雷达回波数据相位不连续的突出问题，有效实现雷达回波信号跨帧间的多普勒相参积累，克服高旁瓣和栅瓣等不利影响。
附图说明
图1单帧回波信号示意图。
图2多帧回波信号示意图。
图3多帧回波信号完全相参处理流程图。
图4多帧数据相参拼接示意图。
图5匀速运动目标相位未补偿的相参积累结果图，图5的图(a)为跨帧拼接数据时域图5的图(b)为回波信号直接进行傅里叶变换结果，图5的图(c)为多普勒补偿结果。
图6匀速运动目标相位补偿后的相参积累结果图，图6的图(a)跨帧拼接补偿后的数据时域，图6的图(b)傅里叶变换后结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
根据式(2)可知，距离矫正时需要已知目标的速度，但对于非合作目标，其速度信息是未知的，需要搜索速度参数，当搜索速度与真实目标速度匹配时，则距离校正和相位补偿后，多帧信号能量会达到最大值，即实现了跨帧的相参积累。以三帧数据拼接为例，具体实现过程如下：
步骤1：多帧距离走动补偿
将三帧数据沿慢时间轴拼接，并将拼接后的回波信号变换到距离频域，目标的速度为，构建相应的指数因子/>，以补偿距离走动。
步骤2：多帧相位补偿
首先提取两帧数据，利用相参积累能量最大原则，在[0,2π]范围内搜索补偿相位当式(7)达到最大值所得到相位即为所求的补偿相位/>，则拼接后的数据可表示为然后采用同样的方法，搜索s12(n)与s3(n)的补偿相位/>，则拼接后的三帧数据为/>对s123(n)进行傅里叶变换。
步骤3：速度搜索
重复步骤1-步骤2，依次改变目标的速度参数并记录不同速度参数下多帧积累的幅值/>，则最大的幅值代表以当前速度参数进行距离补偿时，其距离走动和相位补偿效果最佳，即实现了跨帧雷达回波数据的相参积累。
本发明的效果可以通过以下实测数据试验进一步说明：
图4给出了跨帧拼接的时域信号，信号幅度为1，采用了3帧数据进行拼接，每帧驻留脉冲数为128个。在理想条件下，信号相参积累的结果应该为384，但由于相位的不连续(如图4(a)所示)，导致直接进行傅里叶变换时其信号能量为362，如图4(b)所示；采用多普勒补偿方法，其信号能量为380.8，接近理论值，但非连续采样，导致频谱出现高的旁瓣和栅瓣情况，如图4(c)所示。
图5给出了三帧信号相位补偿后的相参积累结果，从图5(a)中可以看出，经过相位补偿后，拼接处的相位不连续消除，对其直接进行快速傅里叶变换，其目标能量能有效积累，其幅度达到383.9，与理论的幅度值差0.026％，且解决了拼接过程中的高旁瓣和栅瓣问题。
Claims (3)
1.一种匀速运动目标的多帧相参积累方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：多帧距离走动补偿；
雷达发射信号为线性调频信号，经过脉压后，第k个天线扫描周期信号的第n个脉冲的时域表示为：
式中，A和B分别表示脉压后信号的幅度和线性调频信号带宽，R0和v分别表示运动目标的初始距离和径向速度，c表示光速，fc和fd分别表示雷达载波频率以及目标的多普勒频率，代表快时间，/>表示慢时间，Tr为雷达工作的脉冲重复周期，NR为雷达天线完成一次扫描所发射的脉冲数；
经过脉压之后信号频谱为：
式(2)中，f表示距离频率，为一固定常数项，指数第二项是由目标多普勒引起的多个脉冲信号相位的线性变化，指数第三项就是回波信号距离走动产生的原因；目标速度已知，则通过回波信号频域乘上一个指数因子/>经过频域校正之后，脉冲间的距离走动现象将消失，目标能量积累到同一个距离单元内，当目标为匀速运动目标，则其回波表达式表示为：
步骤2：多帧相位补偿
由于时间是非连续时间，导致多帧数据拼接时存在相位不连续现象，无法直接采用傅里叶变换进行有效积累；考虑多普勒相位的影响，则两帧回波信号分别表示为：
从式(5)看出，为保障两个信号的相位连续，即第二帧第1个采样值s2(1)与第一帧第N个采样值s1(N)的相位具有连续性；根据第一帧信号的表达式，第N+1个采样信号应为为保障相位的连续性，则第二帧信号的相位通过相位补偿的方式应与s1(N+1)的相位保持一致，对第二帧数据s1(n)整理得到：
式(6)中，第一个相位是由跨帧引起的相位项，第二个相位项是为保证帧间数据连续性提取出的相位项，第三个相位项与第一帧数据拼接后可构成相位连续且长度为2N的信号；因此，只要将第二帧数据的前两个相位项补偿后，即可采用快速傅里叶变换实现拼接后信号能量的有效积累。
2.根据权利要求1所述的匀速运动目标的多帧相参积累方法，其特征在于：
数据相参拼接具体方法如下：
首先，提取第一帧数据s1(n)和第二帧数据s2(n)，将第二帧数据每一个采样值乘以相同的补偿因子构造补偿后的第二帧数据/>
然后，将第一帧数据与补偿后的第二帧数据拼接成长度为2N向量，即考虑到匀速运动目标的速度v未知，需采用搜索的方式，利用相参积累能量最大原则，在[0,2π]范围内搜索补偿相位/>当式(7)达到最大值所得到相位即为所求的补偿相位/>
其中，“FFT”表示快速傅里叶变换，“|·|”表示求模操作；
最后，将补偿相位与第二帧数据相乘后与第一帧数据进行拼接，获得相位连续的新向量/>进行FFT即可实现两帧数据的相参积累。
3.根据权利要求1所述的匀速运动目标的多帧相参积累方法，其特征在于：
当有多帧数据进行拼接时，先实现第一帧和第二帧数据的拼接，即获得s12(n)，然后再采用以上数据相参拼接方法，将s12(n)与第三帧s3(n)进行拼接，获得s123(n)，依次类推，最终实现多帧数据的相参积累。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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