CN116559854A - 一种运动目标速度估计方法、装置和计算机可读储存介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种运动目标速度估计方法、装置和计算机可读储存介质，方法包括步骤：向运动目标发射两组频率步进信号；获取运动目标的多个散射点对所述两组频率步进信号的两组原始回波数据；根据各个散射点对应的两组原始回波数据，计算获得所述运动目标的多个补偿速度和对应的KL散度；搜索计算获得的所述运动目标的所有KL散度，KL散度最小值的对应的补偿速度即为运动目标的估计速度。本发明基于双频率步进信号和KL散度实现高速运动目标速度估算，可消除采样距离单元走动、距离像偏移和波形发散等因素的影响。

Description

一种运动目标速度估计方法、装置和计算机可读储存介质
技术领域
本发明涉及雷达成像和目标速度检测技术领域，具体涉及一种运动目标速度估计方法、装置和计算机可读储存介质。
背景技术
频率步进信号对目标运动较为敏感，目标径向速度会引起一维距离向的距离偏移和波形发散，当目标速度进一步提高时，还会引起采样距离单元走动。因此，在进行一维高分辨距离成像之前，必须首先对运动目标进行运动补偿。
采样距离单元走动的研究较少，一般都假设目标速度引起的采样距离单元走动可以忽略。然而，针对高速运动目标，这一假设显然不成立。《频率步进雷达高速目标运动补偿新方法》（左衍琴，朱永锋，赵宏钟等，雷达科学与技术2010）考虑了这一点，并设计了时域互相关法估计目标速度，但算法流程比较复杂。采样距离单元走动在逆合成孔径雷达（ISAR）中有较多的介绍，处理过程称为“包络对齐”，常用方法有Keystone变换、Hough变换等，但并不适合高速运动目标。
公布号为CN115113159A、名称为“基于相位相消的频率步进信号雷达成像方法”的专利文件，使用相同的频率步进信号波形，该方法可以实现运动目标静止成像，即可以消除距离偏移和波形发散对一维高分辨距离像的影响，但是也没有考虑采样距离单元走动的影响，且该方法并没有目标速度估计功能。
发明内容
技术目的：针对频率步进信号对目标运动较为敏感，在高速目标成像中引起的采样距离单元走动、距离像偏移和波形发散的问题，本发明提出了一种运动目标速度估计方法、装置和计算机可读储存介质，能够精准地评估高速运动目标速度。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种运动目标速度估计方法，其特征在于，包括步骤：
向运动目标发射两组频率步进信号；
获取运动目标的多个散射点对所述两组频率步进信号的两组原始回波数据；
根据各个散射点对应的两组原始回波数据，计算获得所述运动目标的多个补偿速度和对应的KL散度；
搜索计算获得的所述运动目标的所有KL散度， KL散度最小值的对应的补偿速度即为运动目标的估计速度。
优选地，根据各个散射点对应的两组原始回波数据，计算获得所述运动目标的多个补偿速度和对应的KL散度，具体包括：
根据运动目标的所有散射点的回波数据，计算所述运动目标的所有散射点的对时域回波序列；
对所有散射点的时域回波序列进行一维距离像高分辨，得到一维静止高分辨距离像，即静止距离像；
使用包络互相关法对静止距离像进行速度粗估计，获取目标速度搜索范围；
在所述目标速度搜索范围内，根据一次相位项对速度补偿的精度要求，设置速度搜索步进/>，并根据所述搜索步进/>和目标速度搜索范围/>，设置补偿速度集/>；
采用补偿速度集中的速度对时域回波序列进行运动补偿，得到对应的补偿后的回波数据/>；
对所述补偿后的回波数据进行逆傅里叶变换，得到经过速度补偿的补偿距离像/>；
根据所述静止距离像和补偿距离像/>，计算得到与速度对应的KL散度；
其中，所述运动目标的所有散射点的对时域回波序列，通过如下步骤分别求各个散射点的时域回波序列获得：
获取运动目标的同一个散射点对所述两组频率步进信号的原始回波序列，即第一脉组和第二脉组/>；
对所述第一脉组和第二脉组/>进行傅里叶变换，由时域转换到频域，得到第一频域脉组/>和第二频域脉组/>；
采用频域相消算法，对所述第一频域脉组和第二频域脉组/>进行相位相消，得到经过运动补偿后的频域回波信号/>；
将所述频域回波信号按距离向进行逆傅里叶变换，由频域转换到时域，得到时域回波序列/>。
优选地，向运动目标发射的两组频率步进信号表示为式（1）：
式（1）中，表示系统时间，/>表示初始载频，/>为频率步进，/>为步进数；/>为信号脉宽，/>为第一个频率步进信号的重复周期；/>为矩形函数；/>，/>分别表示两个脉组的初始相位；
所述第一脉组和第二脉组/>表示为式（2）：
式（2）中，为发射信号频率，/>、/>为目标延迟时间，通过式（3）计算获得：
式（3）中，，/>为光速，/>为第k个散射点相对雷达的径向距离，/>为目标相对雷达的径向速度。
优选地，对所述第一脉组和第二脉组/>进行傅里叶变换，得到式（4）：
式（4）中，，/>为采样周期，/>表示采样距离单元，/>。
优选地，根据式（5）对第一频域脉组和第二频域脉组/>进行相位相消：
频域回波信号为得到经过运动补偿后的频域信号；
根据式（6）对频域回波信号按距离向进行逆傅里叶变换：
得到目标运动产生的采样距离单元走动已被消除的时域回波序列。
优选地，根据式（7）对式中的数据即所述时域回波序列/>按同距离单元进行一维距离像高分辨：
式（7）中，为距离像分辨率，目标位置在/>处。
优选地，所述搜索速度步进表示为：；
补偿速度集表示为：；
其中，/>表示向上取整函数。
优选地，以式（10）确定补偿后的回波数据：
对式（10）的回波数据进行一维距离像高分辨，得到使用进行运动补偿的一维距离像/>，以式（11）确定KL散度：
（11）。
一种运动目标速度估计装置，其特征在于，包括：
频率步进信号发射模块，用于向运动目标发射两组频率步进信号；
原始回波数据接收模块，用于获取运动目标的多个散射点对所述两组频率步进信号的两组原始回波数据；
回波数据处理模块，用于根据各个散射点对应的两组原始回波数据，计算获得所述运动目标的多个补偿速度和对应的KL散度；
估计速度确定模块，用于搜索计算获得的所述运动目标的所有KL散度， KL散度最小值的对应的补偿速度即为运动目标的估计速度。
一种计算机可读储存介质，其特征在于，所述计算机可读储存介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述运动目标速度估计方法。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明提出的一种运动目标速度估计方法，其采用双频率信号，通过对回波数据进行频域相位相消，可同时消除采样距离单元走动、距离像偏移和波形发散，实现高速运动目标静止成像，并计算该静止像与单个频率步进信号回波所成一维距离像的KL散度来搜索估计目标速度。
附图说明
图1为双频率步进信号的波形图；
图2为本发明方法中步骤二至步骤十一的信号示意图；
图3为运动目标300m/s的双频率步进信号的示意图；
图4为运动目标300m/s时方法1和本发明方法的成像比较图；
图5为运动目标300m/s的双频率步进信号的示意图；
图6为运动目标300m/s时方法1和本发明方法的成像比较图；
图7为本发明方法在预设速度300m/s情况下的目标速度估计图；
图8为本发明方法在预设速度3000m/s情况下的目标速度估计图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细的说明。
本发明提出了一种基于双频率步进信号和KL散度的运动目标速度估计方法，包括：
步骤一：获取运动目标原始回波
双频率步进信号如图1所示，对应的发射信号为：
式（1）中，表示系统时间，/>表示初始载频，/>为频率步进，/>为步进数；/>为信号脉宽，/>为第一个频率步进信号的重复周期；/>为矩形函数；/>，/>分别表示两个脉组的初始相位。
假设目标有个散射点，第/>个散射点第/>个回波采样序列：
式中，为矩形函数，/>为信号脉宽，/>为第一个频率步进信号的重复周期，/>为发射信号频率，/>为频率步进，/>为步进数。、/>为目标延迟时间。
式中，，/>为光速，/>为第/>个散射点相对雷达的径向距离，/>为目标相对雷达的径向速度。高速不能忽略速度引起采样距离单元走动，式（2）第一个波形和第二个波形中的矩形函数不相等，所以不能简化。
步骤二：对原始回波按脉冲做傅里叶变换
式中，，/>为采样周期，/>表示采样距离单元，；
步骤三：频域相消算法
步骤四：对式（5）中数据按距离向做逆傅里叶变换
从式（6）中可以看出，矩形函数与目标速度无关，只与目标距离相关，所以目标运动产生的采样距离单元走动已被消除。上述步骤一至五是以一个散射点的回波数据处理为例，本发明实际上对该运动目标的所有散射点的回波数据的处理方法相同，计算出运动目标的所有散射点的/>。
步骤五：对式中的数据按同距离单元/>做一维高分辨静止距离像：
式中，为距离像分辨率，目标位置在/>处，/>。
步骤六：对前后两帧回波数据得到的一维静止高分辨距离像使用包络互相关法进行速度粗估计，获取目标速度搜索范围；包络互相关法可以参考《频率步进和脉冲多普勒复合测速研究》（王桂丽，李兴国. [J].红外与毫米波学报，2008，27(3)：190-192）。
步骤七：设置搜索速度步进，以一次相位项对速度补偿的精度要求为速度搜索步进，即/>；
步骤八：设置补偿速度集，其中，/>表示向上取整函数；
步骤九：以速度对第一个脉组的回波信号做运动补偿，补偿后的回波数据：
总共有两个脉组的数据，而速度补偿只需要一个脉组的数据，可以是任意一个，可默认使用第一个脉组；
步骤十：对式（10）中数据按同距离单元做逆傅里叶得到一维距离像；
步骤十一：将步骤五和步骤十的数据做KL散度：
（11）
式中，为步骤5产生的静止一维距离像，/>为步骤二产生的经过速度补偿的一维距离像；
步骤十二：重复步骤八至步骤十一，计算个KL散度，因为补偿速度集/>存在/>个补偿速度；
步骤十三：搜索KL散度最小值，此时的对应的速度即为目标估计速度。
本发明对第一个脉组进行速度补偿，是为了与双脉组得到的静止距离像做KL散度，通过KL散度来估计速度，如图2所示。对第一脉组或者对第二脉组做速度补偿都可以，但是不必同时对两个脉组都做速度补偿，因为计算KL散度只要一个脉组就可以。本发明方法可以从个速度里找到最接近目标真实速度的值。
将上述公布号为CN115113159A、名称为“基于相位相消的频率步进信号雷达成像方法”的专利文件提供的技术方案称为方法1，将本发明的方法称为方法2，对两者的评估方法进行比较。波形仿真参数见表1，目标位置在，目标速度分别设为300m/s和3000m/s，图3和图5示出了采样距离门。
表1步进频率信号参数设计
对比图4和图6，可以看出，在3000m/s时方法1会出现假象，说明方法1并没有高速目标成像能力，而方法2成像效果依然很好。图7为和图8为方法2中的目标速度估计，可以看出本发明方法的估计精度较高。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种运动目标速度估计方法，其特征在于，包括步骤：
向运动目标发射两组频率步进信号；
获取运动目标的多个散射点对所述两组频率步进信号的两组原始回波数据；
根据各个散射点对应的两组原始回波数据，计算获得所述运动目标的多个补偿速度和对应的KL散度；
搜索计算获得的所述运动目标的所有KL散度， KL散度最小值的对应的补偿速度即为运动目标的估计速度。
2.根据权利要求1所述的一种运动目标速度估计方法，其特征在于，根据各个散射点对应的两组原始回波数据，计算获得所述运动目标的多个补偿速度和对应的KL散度，具体包括：
根据运动目标的所有散射点的回波数据，计算所述运动目标的所有散射点的时域回波序列；
对所有散射点的时域回波序列进行一维距离像高分辨，得到一维静止高分辨距离像，即静止距离像；
使用包络互相关法对静止距离像进行速度粗估计，获取目标速度搜索范围；
在所述目标速度搜索范围内，根据一次相位项对速度补偿的精度要求，设置速度搜索步进/>，并根据所述搜索步进/>和目标速度搜索范围/>，设置补偿速度集/>；
采用补偿速度集中的速度对时域回波序列进行运动补偿，得到对应的补偿后的回波数据/>；
对所述补偿后的回波数据进行逆傅里叶变换，得到经过速度补偿的补偿距离像；
根据所述静止距离像和补偿距离像/>，计算得到与速度对应的KL散度；
其中，所述运动目标的所有散射点的时域回波序列，通过如下步骤分别求各个散射点的时域回波序列获得：
获取运动目标的同一个散射点对所述两组频率步进信号的原始回波序列，即第一脉组和第二脉组/>；
对所述第一脉组和第二脉组/>进行傅里叶变换，由时域转换到频域，得到第一频域脉组/>和第二频域脉组/>；
采用频域相消算法，对所述第一频域脉组和第二频域脉组/>进行相位相消，得到经过运动补偿后的频域回波信号/>；
将所述频域回波信号按距离向进行逆傅里叶变换，由频域转换到时域，得到时域回波序列/>。
3.根据权利要求2所述的一种运动目标速度估计方法，其特征在于：向运动目标发射的两组频率步进信号表示为式（1）：
式（1）中，表示系统时间，/>表示初始载频，/>为频率步进，/>为步进数；/>为信号脉宽，/>为第一个频率步进信号的重复周期；/>为矩形函数；/>，/>分别表示两个脉组的初始相位；
所述第一脉组和第二脉组/>表示为式（2）：
式（2）中，为发射信号频率，/>、/>为目标延迟时间，通过式（3）计算获得：
式（3）中，，/>为光速，/>为第k个散射点相对雷达的径向距离，/>为目标相对雷达的径向速度。
4.根据权利要求3所述的一种运动目标速度估计方法，其特征在于：对所述第一脉组和第二脉组/>进行傅里叶变换，得到式（4）：
式（4）中，，/>为采样周期，/>表示采样距离单元，/>。
5.根据权利要求4所述的一种运动目标速度估计方法，其特征在于，根据式（5）对第一频域脉组和第二频域脉组/>进行相位相消：
频域回波信号为得到经过运动补偿后的频域信号；
根据式（6）对频域回波信号按距离向进行逆傅里叶变换：
得到目标运动产生的采样距离单元走动已被消除的时域回波序列。
6.根据权利要求5所述的一种运动目标速度估计方法，其特征在于，根据式（7）对式中的数据即所述时域回波序列/>按同距离单元/>进行一维距离像高分辨：
式（7）中，为距离像分辨率，目标位置在/>处。
7.根据权利要求6所述的一种运动目标速度估计方法，其特征在于，所述搜索速度步进表示为：；
补偿速度集表示为：；
其中，/>表示向上取整函数。
8.根据权利要求7所述的一种运动目标速度估计方法，其特征在于，以式（10）确定补偿后的回波数据：
对式（10）的回波数据进行一维距离像高分辨，得到使用进行运动补偿的一维距离像，以式（11）确定KL散度：
（11）。
9.一种运动目标速度估计装置，其特征在于，包括：
频率步进信号发射模块，用于向运动目标发射两组频率步进信号；
原始回波数据接收模块，用于获取运动目标的多个散射点对所述两组频率步进信号的两组原始回波数据；
回波数据处理模块，用于根据各个散射点对应的两组原始回波数据，计算获得所述运动目标的多个补偿速度和对应的KL散度；
估计速度确定模块，用于搜索计算获得的所述运动目标的所有KL散度， KL散度最小值的对应的补偿速度即为运动目标的估计速度。
10.一种计算机可读储存介质，其特征在于，所述计算机可读储存介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述方法。
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