CN102323575A - Pd雷达在微弱信号检测过程中的距离走动校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微弱信号检测过程中的距离走动校正方法，主要解决现有技术未考虑离散时间采样误差，检测性能低的问题。其实现步骤是：雷达发射一组带宽不超过载波中心频率1％的线性调频脉冲信号；对回波数据进行混频得到基带雷达回波信号；对基带回波信号在快时间域做傅里叶变换；对经过快时间域做傅里叶变换得到的信号在快时间域进行数字脉冲压缩，并找出离散时间误差最小时对应的脉冲号；以该脉冲号为对齐基准，用SINC插值方法实现Keystone变换，并进行多普勒模糊补偿；在快时间域做逆傅里叶变换，并相干积累，求出目标所在的距离单元和多普勒通道。本发明与同类方法相比，使离散时间采样误差的影响降到最低，能提高雷达***的检测性能。

Description

PD雷达在微弱信号检测过程中的距离走动校正方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体来说是一种用于PD雷达在微弱信号检测过程中进行距离走动校正的方法。

背景技术

微弱信号的检测是当前雷达技术领域的热点和难点问题。利用信号处理方法来提高雷达对微弱目标的检测，可以通过增加观测时间，采用相干积累的方法以加大回波能量来实现。但是相干积累时间的延长也带来了新的问题：长时间积累期间目标的距离走动超过了一个距离分辨单元。目标包络跨距离单元走动不仅造成目标的距离和速度信息失真，更使得目标能量分散而达不到检测门限，造成雷达作用距离缩短。

为了解决这个问题，现有技术主要是应用Keystone变换方法进行回波距离走动的补偿。通过keystone变换，雷达的相参积累时间不再受制于目标距离走动的情况，因此可以通过增加相参积累时间来提高目标的信噪比，实现高增益信号处理的目的。

对于Keystone变换，其具有代表性的研究成果主要有：

1.保铮等人在“雷达成像技术，北京：电子工业出版社，2005”一书中，提出采用尺度变换的方法，也就是DFT+IFFT算法来实现Keystone变换。同时还提出了采用数字信号处理领域的Chirp-Z变换算法来实现Keystone变换的思想。

2.张顺生等人在“基于Keystone变换的微弱目标检测，电子学报，2005，33(9)：1675-1678”文章中，提出应用SINC插值方法来实现Keystone变换的算法。

3.高梅国等人在“基于Knab内插核的Keystone变换，数据采集与处理，2010，25(4)：425-429”文章中，提出通过对SINC函数进行加窗截断处理的方法来实现Keystone变换。

然而，现有的Keystone变换算法实现距离走动校正时，其各脉冲回波包络都是以第一个脉冲为基准对齐的。由于现在脉冲压缩都是以数字方式实现的，因而不同时刻会存在不同的离散时间误差，从而造成脉冲压缩后幅度有损失。有的脉冲目标回波前沿正好对准采样时刻，这时回波与脉冲压缩滤波器的权值正好对齐，脉冲压缩输出幅度最大；有的脉冲目标回波前沿正好落在两个采样时刻之间，这时回波与脉冲压缩滤波器的权值没有对齐，其脉冲压缩输出幅度会明显降低。现有的Keystone变换算法均未考虑到离散时间采样误差的问题，所以必然会对信号检测性能造成一定的影响。

发明内容

本发明的主要目的在于克服已有方法的缺点，提出一种PD雷达在微弱信号检测过程中的距离走动校正方法，该方法首先找出数字脉冲压缩过程中离散时间采样误差最小的脉冲，然后将该脉冲作为对齐基准脉冲进行Keystone变换，可以把离散时间采样误差对雷达***整体检测性能的影响降到最低，提高了雷达对微弱信号的检测性能。

为了实现上述目的，本发明的实现步骤如下：

(1)雷达发射一组带宽不超过载波中心频率1％的线性调频脉冲信号；

(2)雷达接收机接收雷达回波数据，并将其混频到基带得到基带雷达回波信号y(t_k，t_m)，其中t_k＝t-mT为快时间，t_m为慢时间，t_m＝mT，t为全时间，m为慢时间变量，m＝0，1，L，M-1，M为发射的总脉冲数，T为脉冲重复周期；

(3)将基带雷达回波信号在快时间域进行傅里叶变换，得到快时间频域信号Y(f，m)，其中f为与快时间对应的快时间频率，然后在快时间频域进行离散采样，得到离散形式的快时间频域信号Y(l，m)，其中l为快时间频率的采样点，l＝Nf/B，N为距离单元数，B为发射的线性调频信号带宽；

(4)对快时间频域信号Y(l，m)进行数字脉冲压缩处理，得到离散形式的频域脉冲压缩信号S(l，m)；

(5)找出上述数字脉冲压缩过程中离散时间采样误差最小的脉冲，设其对应的脉冲号为n₀；

(6)以n₀脉冲为对齐基准，用SINC插值方法实现Keystone变换，得到所有脉冲回波都被校正到n₀脉冲所在的距离单元的信号O(l，n)：

$O(l,n)=\underset{m=n-P/2}{\overset{n+P/2-1}{\mathrm{\Σ}}}S(l,m)\sin c\left[\frac{1}{1+\mathrm{\ηl}}(n-n_0)(m-n_0)\right]$

其中，n为虚拟慢时间变量，n＝(1+ηl)m，η为常量，η＝B/(Nf_c)，l为快时间频率的采样点，l＝Nf/B，P为插值点数，取值为大于等于16的偶数，S(l，m)为频域脉冲压缩信号，sinc为SINC插值函数；

(7)设多普勒模糊次数为F，通过将上述的O(l，n)乘以

对多普勒模糊进行补偿，得到多普勒模糊补偿后的脉冲回波信号，其中exp表示以e为底的指数幂，多普勒模糊次数F的计算公式为：其中，round为沿最近的整数进行取整的函数，abs为求模值的函数，v为目标运动速度矢量，设远离方向为正，f_r为脉冲重复频率，c为光速；

(8)将上述多普勒模糊补偿后的脉冲回波信号在快时间频域做逆傅里叶变换，得到时域脉冲回波信号，并对该时域脉冲回波信号进行相干积累，求出目标所在的距离采样单元和多普勒通道，完成信号检测过程。

本发明与现有的Keystone变换实现算法，如DFT+IFFT算法，Chirp-Z变换算法、SINC插值算法和Knab插值算法相比，由于充分考虑了数字脉冲压缩技术在离散采样过程中存在离散时间误差的问题，通过寻找离散时间采样误差最小的脉冲及其对应的脉冲号，并以此作为Keystone变换的基准对齐脉冲，使离散时间采样误差对雷达***整体检测性能的影响降到最低，提高了雷达对微弱信号的检测性能。

附图说明

图1是本发明的实施流程图；

图2是一组线性调频脉冲信号，经过数字脉冲压缩处理后目标回波信号的时域图；

图3是用本发明方法进行距离走动校正的计算机仿真图；

图4为用本发明以不同脉冲为对齐基准进行Keystone变换再相干积累后的结果图。

具体实施方式

参照图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，雷达发射一组带宽不超过载波中心频率1％的线性调频脉冲信号。

雷达以T为脉冲重复周期，连续发射M个带宽不超过载波中心频率1％的线性调频脉冲信号y(t)：y(t)＝u(t-mT)exp[j2πf_c(t-mT)]，其中，t为全时间；m为慢时间变量，m＝0，1，L，M-1，M为脉冲数；exp表示以e为底的指数幂；f_c为发射信号的中心频率；u(t)为线性调频信号，

T₀为脉冲时宽，k为调频率，假设发射信号带宽为B，则有

rect为矩形函数，

步骤2，通过雷达接收机接收雷达回波数据，并将其混频到基带得到基带雷达回波信号中。

设远场有一运动点目标，则目标回波信号经过混频后的基带回波信号形式为：

$y(t_k,t_m)=\mathrm{Au}(t_k-\frac{2R\left(t_m\right)}{c})e^{-j\frac{4\mathrm{\π}{f}_c}{c}R\left(t_m\right)}+\mathrm{wgn}(t_k,t_m)---1)$

其中，t_k＝t-mT为快时间，t_m为慢时间，t_m＝mT；A为常量，大小与目标散射特性有关；c为光速；R(t_m)为t_m时刻目标与雷达的相对距离，R(t_m)＝R₀+vt_m，式中R₀为第一个发射脉冲时刻目标与雷达的相对距离，v为目标运动速度矢量；wgn为接收机噪声。

步骤3，将基带雷达回波信号在快时间域进行傅里叶变换，得到快时间频域信号，然后在其快时间域进行离散采样，得到离散形式的快时间频域信号。

(3a)将基带雷达回波信号在快时间域进行傅里叶变换，得到快时间频域信号Y(f，m)：

$Y(f,m)=\mathrm{AU}\left(f\right)e^{-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}(f+f_c)R\left(t_m\right)}+\mathrm{WGN}(f,m)---2)$

式中，f为与快时间对应的快时间频率，U(f)为线性调频信号u(t_k)的频域形式，U(f)＝FT[u(t_k)]，其中FT表示傅里叶变换；WGN为接收机噪声wgn的频域形式，WGN＝FT[wgn]。

(3b)对上述快时间频域信号Y(f，m)，在其快时间域进行离散采样，采样频率为发射信号带宽的2倍，得到离散形式的快时间频域信号Y(l，m)，其中l为快时间频率的采样点，l＝Nf/B，N为距离单元数，B为发射信号带宽。

步骤4，对快时间频域信号Y(l，m)进行数字脉冲压缩处理，得到离散形式的频域脉冲压缩信号S(l，m)：

$S(l,m)=A{\left|U\left(l\right)\right|}^2{e}^{-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}\left(\frac{B(1+\mathrm{\ηl})}{\mathrm{N\η}}\right)R_0}{e}^{-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}\left(\frac{B(1+\mathrm{\ηl})}{\mathrm{N\η}}\right){\mathrm{vt}}_m}+U^{*}\left(l\right)\mathrm{WGN}(l,m)---3)$

其中，A为常量，大小与目标散射特性有关；||为绝对值符号；U(l)为线性调频信号u(t_k)的离散形式；c为光速；B为发射信号带宽；η为常量，η＝B/(Nf_c)，f_c为发射信号的中心频率；*为取共轭符号。

步骤5，找出上述数字脉冲压缩过程中离散时间采样误差最小的脉冲，设其对应的脉冲号为n₀。

(5a)根据雷达在前一帧周期得到的目标距离和速度信息，以及雷达接收站里其他传感器得到的目标位置和运动参数等信息进行预估计，得到脉冲号n₀的可能取值范围；

(5b)依次将该所有可能的n₀取值代入之后的步骤6、步骤7和步骤8进行处理；

(5c)比较步骤8的相干积累结果并找到相干积累输出幅度最大时所使用的n₀，就是所求的n₀取值。

步骤6，以n₀脉冲为对齐基准，用SINC插值方法实现Keystone变换，得到所有脉冲回波都被校正到n₀脉冲所在的距离单元的信号O(l，n)：

$O(l,n)=\underset{m=n-P/2}{\overset{n+P/2-1}{\mathrm{\Σ}}}S(l,m)\sin c\left[\frac{1}{1+\mathrm{\ηl}}(n-n_0)(m-n_0)\right]---4)$

其中，l为快时间频率的采样点，l＝Nf/B，B为发射信号带宽；n为虚拟慢时间变量，n＝(1+ηl)m；η为常量，η＝B/(Nf_c)；m为慢时间变量，m＝0，1，L，M-1，M为脉冲数；P为插值点数，取值为大于等于16的偶数；S(l，m)为频域脉冲压缩信号；sinc为SINC插值函数。

步骤7，设多普勒模糊次数为F，通过将步骤6得到的距离走动校正后的信号O(l，n)乘以

对多普勒模糊进行补偿，得到多普勒模糊补偿后的脉冲回波信号O_abm(l，n)：

$O_{\mathrm{abm}}(l,n)=\exp [-j2\mathrm{\πF}(n-n_0)\frac{1}{1+\mathrm{\ηl}}]\·O(l,n)---5)$

其中，exp表示以e为底的指数幂，多普勒模糊次数F的计算公式为：

$F=\mathrm{round}\left(\mathrm{abs}\left(\frac{{2\mathrm{vf}}_c}{f_{r}c}\right)\right)---6)$

式中，round为沿最近的整数进行取整的函数；abs为求模值的函数；v为目标运动速度矢量；f_c为发射信号的中心频率；f_r为脉冲重复频率；c为光速。

步骤8，将上述多普勒模糊补偿后的脉冲回波信号在快时间域做逆傅里叶变换，得到时域脉冲回波信号，并对该时域脉冲回波信号进行相干积累，求出目标所在的距离采样单元和多普勒通道。

(8a)对多普勒模糊补偿后的脉冲回波信号在快时间域做逆傅里叶变换；

(8b)对得到的时域脉冲回波信号进行相干积累；

(8c)对上述的相干积累结果采用恒虚警检测方法获得目标所在的距离采样单元和多勒通道，完成信号检测过程。

本发明的效果可以通过以下计算机仿真进行验证：

1.仿真条件

仿真中，发射信号中心频率f_c＝10GHz，发射信号带宽B＝10MHz，发射脉冲时宽T₀＝20μs，脉冲重复周期T＝0.2ms，发射脉冲数M＝1024，目标运动速度v＝320m/s，初始时刻目标与雷达的相对距离R₀＝10Km，距离上为过2采样，即采样频率f_s＝20MHZ，接收机噪声功率为0。根据步骤5的方法，找出数字脉冲压缩过程中离散时间采样误差最小的脉冲，即脉冲号n₀＝547。

2.仿真内容

仿真1，利用上述条件，随机选取一部分脉冲目标回波，仿真所选取的脉冲目标回波进行数字脉冲压缩处理后的时域结果，仿真结果如图2所示。图2中横坐标为距离单元，纵坐标为幅度，图2中曲线从右至左依次代表第1、21、41、61、81、101、121、141、161、181个脉冲目标回波信号进行数字脉冲压缩处理后的结果。从图2看出：有的脉冲的脉冲压缩输出幅度大，有的脉冲压缩输出幅度小。该仿真结果证明本发明所提出的离散时间采样误差是确实存在的。

仿真2，利用上述条件，采用本发明方法进行距离走动校正仿真，仿真结果如图3所示，其中：

图3(a)为未进行Keystone变换时，1024个脉冲回波信号的整体距离走动情况，图3(a)中横坐标为脉冲数，纵坐标为距离单元。从图3(a)看出：脉冲回波信号跨越了大约5个距离分辨单元，距离走动是比较明显的。

图3(b)为未进行Keystone变换时，1024个脉冲回波信号进行相干积累后的输出三维图，图3(b)中x轴为距离单元，y轴为多普勒通道，z轴为幅度。从图3(b)看出：相干积累的性能很差，几乎不能发现目标。

图3(c)为采用本发明以所求的脉冲号为对齐基准进行Keystone变换后，1024个脉冲回波信号的整体距离走动情况，图3(c)中横坐标为脉冲数，纵坐标为距离单元。从图3(c)看出：脉冲回波信号均被校正到相同的距离分辨单元。

图3(d)为采用本发明以所求的脉冲号为对齐基准进行Keystone变换后，1024个脉冲回波信号进行相干积累后的输出三维图，图3(d)中x轴为距离单元，y轴为多普勒通道，z轴为幅度。从图3(d)看出：相干积累的性能大大提高，明显好于未进行Keystone变换的情况。这说明本发明能够实现距离走动校正的功能。

仿真3，利用上述条件，采用本发明方法以所求的脉冲号为对齐基准进行Keystone变换再相干积累进行仿真，仿真结果如图4所示。为了对比，图4中同时给出了以第1、512和1024个脉冲回波为对齐基准进行Keystone变换再相干积累的结果。图4中，横坐标轴为距离单元数，纵坐标轴为幅度。从图4可以看出：以不同脉冲回波为对齐基准进行Keystone变换再相干积累后的结果各不相同，但积累输出均比未进行Keystone变换时大得多。仿真结果说明本发明能将脉冲回波校正到某一特定的距离分辨单元，而且，以所求的脉冲号为对齐基准进行Keystone变换再相干积累时的输出幅度最大，这充分证明本发明能提高雷达***的检测性能，可用于对微弱信号的检测。

Claims (3)

1.一种PD雷达在微弱信号检测过程中的距离走动校正方法，包括如下步骤：

(1)雷达发射一组带宽不超过载波中心频率1％的线性调频脉冲信号；

(2)雷达接收机接收雷达回波数据，并将其混频到基带得到基带雷达回波信号y(t_k，t_m)，其中t_k＝t-mT为快时间，t_m为慢时间，t_m＝mT，t为全时间，m为慢时间变量，m＝0，1，L，M-1，M为发射的总脉冲数，T为脉冲重复周期；

(3)将基带雷达回波信号在快时间域进行傅里叶变换，得到快时间频域信号Y(f，m)，其中f为与快时间对应的快时间频率，然后在快时间频域进行离散采样，得到离散形式的快时间频域信号Y(l，m)，其中l为快时间频率的采样点，且l＝Nf/B，N为距离单元数，B为发射的线性调频信号带宽；

(4)对快时间频域信号Y(l，m)进行数字脉冲压缩处理，得到离散形式的频域脉冲压缩信号S(l，m)；

(5)找出上述数字脉冲压缩过程中离散时间采样误差最小的脉冲，设其对应的脉冲号为n₀；

(6)以n₀脉冲为对齐基准，用SINC插值方法实现Keystone变换，得到所有脉冲回波都被校正到n₀脉冲所在的距离单元的信号O(l，n)：

$O(l,n)=\underset{m=n-P/2}{\overset{n+P/2-1}{\mathrm{\Σ}}}S(l,m)\sin c\left[\frac{1}{1+\mathrm{\ηl}}(n-n_0)(m-n_0)\right]$

其中，n为虚拟慢时间变量，n＝(1+ηl)m，η为常量，η＝B/(Nf_c)，P为插值点数，取值为大于等于16的偶数，S(l，m)为频域脉冲压缩信号，sinc为SINC插值函数；

(7)设多普勒模糊次数为F，通过将上述的O(l，n)乘以

对多普勒模糊进行补偿，得到多普勒模糊补偿后的脉冲回波信号，其中exp表示以e为底的指数幂，多普勒模糊次数F的计算公式为：

其中，round为沿最近的整数进行取整的函数，abs为求模值的函数，v为目标运动速度矢量，设远离方向为正，f_r为脉冲重复频率，c为光速；

(8)将上述多普勒模糊补偿后的脉冲回波信号在快时间域做逆傅里叶变换，得到时域脉冲回波信号，并对该时域脉冲回波信号进行相干积累，求出目标所在的距离采样单元和多普勒通道，完成信号检测过程。

2.根据权利要求1所述的PD雷达在微弱信号检测过程中的距离走动校正方法，其特征在于，步骤(5)所述的找出数字脉冲压缩过程中离散时间采样误差最小的脉冲，按如下步骤进行：

(5a)根据雷达在前一帧周期得到的目标距离和速度信息，以及雷达接收站里其他传感器得到的目标位置和运动参数等信息进行预估计，得到脉冲号n₀的可能取值范围；

(5b)依次将该所有可能的n₀取值代入之后的步骤(6)、(7)和(8)进行处理；

(5c)比较步骤(8)得到的相干积累结果并找到相干积累输出幅度最大时所使用的n₀，就是所求的n₀取值。

3.根据权利要求1所述的PD雷达在微弱信号检测过程中的距离走动校正方法，其特征在于，步骤(8)所述的对时域脉冲回波信号进行相干积累，求出目标所在的距离采样单元和多普勒通道，是先对得到的时域脉冲回波信号进行相干积累，再对相干积累结果采用恒虚警检测方法获得目标所在的距离采样单元和多勒通道。

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