CN103901419B - 一种基于频域相位校正的外辐射源雷达距离徙动补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于频域相位校正的外辐射源雷达距离徙动补偿方法，属于雷达目标探测技术领域。首先，先将回波信号进行分段处理；其次将回波变换到频域；然后在频域对回波进行相位校正，使得信号在带宽内可以同相叠加，消除距离徙动的影响；最后将相位校正后的回波再经过傅里叶逆变换到时域，与直达波信号进行互模糊函数计算，得到互模糊函数图。在跟踪模式下（目标速度已知）或目标大致速度已知情况下，本发明方法积累增益和Keystone变换相当，但运算量要小的多。

Description

一种基于频域相位校正的外辐射源雷达距离徙动补偿方法

技术领域

本发明涉及一种基于频域相位校正的外辐射源雷达距离徙动补偿方法，属于雷达目标探测技术领域。

背景技术

外辐射源雷达是一种双(多)基地雷达，它利用已有的非合作辐射源(如广播、电视信号等)，通过被动接收目标散射的回波信号，实现对目标的检测，其配置如附图1所示。由于目标回波通常比较微弱，因此需要进行长时间相参积累以提高信噪比。为保证积累增益，要求在相参积累时间内，目标的距离徙动不能超过一个距离单元。然而由于外辐射源雷达目标回波十分微弱，需要的积累时间较长。在较长的积累时间内，目标运动距离会超过多个距离单元，即发生距离徙动现象，如附图2所示。距离徙动会造成目标峰值能量的分散和信噪比下降，进而影响***作用距离，因此需要寻找方法解决。

对于脉冲体制雷达来说，Keystone变换是一种解决距离徙动的有效方法。在赵永波的“一种用于弱信号检测的广义Keystone变换算法”一文中提到了脉冲雷达Keystone变换的原理。以点目标为例，目标的基带回波信号表示为：

$s\left(t\right)=s(\hat{t},t_m)=AP(\hat{t},t_m)\exp (-j\frac{4{\mathrm{\πf}}_c}{c}R\left(t_m\right))---\left(1\right)$

其中t_m＝mT分别表示快时间和慢时间，T为脉冲重复周期，A为回波目标的幅度，R(t_m)为t_m时刻目标的距离，为归一化的回波包络，f_c为载波频率。

对(1)式在快时间维进行傅里叶变换可得：

$S(f,t_m)=AP\left(f\right)\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}(f+f_c)R\left(t_m\right))---\left(2\right)$

经过距离向的脉压后得到：

$S(f,t_m)=A{\left|P\left(f\right)\right|}^2\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}(f+f_c)R\left(t_m\right))---\left(3\right)$

假设目标在t_m里匀速运动，即速度v保持不变，则

$S(f,t_m)=A\left|P\left(f\right){|}^2\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}(f+f_c)R_0\right)\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}(f+f_c){\mathrm{vt}}_m)---\left(4\right)$

上式中第一个指数项表示目标0时刻的位置，第二个指数项表示相位随时间t_m的变化，由于f的存在，相位的变化率是不同的。

Keystone变换采用对慢时间进行尺度变换的方法：

$t_m^{\′}=\frac{f_c+f}{f_c}{t}_m---\left(5\right)$

将式(5)代入式(4)得到：

$S_r(f,t_m)=A|P\left(f\right){|}^2\exp \[-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}(f+f_c)R_0\]\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{c}{f}_c{\mathrm{vt}}_m^{\′})---\left(6\right)$

由式(6)可知，以t′_m为新的时间来度量，相位的变化率是恒定的，即不同段的目标回波信号之间的包络不再有平移，从而解决了距离徙动问题。

Keystone变换的原理如图3所示。变换前的数据如图3(a)所示，图3(b)中的空心点表示变换后的数据点。由于变换后的数据需要进行IFFT运算变换回时域，所以需要采用SINC内插的方法调整变换后的数据的采样间隔，内插后的数据如图3(b)中的实心点所示。

Keystone变换应用于外辐射源雷达时能很好的解决距离徙动的问题，但是运算量非常大，需要寻找快速的计算方法。

发明内容

本发明的目的是为解决检测目标微弱回波时进行长时间积累而出现距离徙动，不利于目标检测的问题，提出一种基于频域相位校正的外辐射源雷达距离徙动补偿方法，在跟踪情况下(目标速度已知)或目标大致速度已知情况下，通过外辐射源雷达长时间相参积累消除目标距离徙动、提高目标积累增益。

本发明通过在频域对目标回波进行相位校正，使得信号在带宽内可以进行同相叠加，以达到提高目标检测性能的目的，与此同时还降低了运算量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，具体包括以下步骤：

步骤一，数据分段

对回波信号进行数据分段处理，把要处理的回波信号分成N个脉冲，每个脉冲的数据点数为L，即要处理的数据总点数为NL。

步骤二，频域变换

把步骤一分段后的回波信号进行快速傅里叶变换，变换到频域：

E＝FFT{e(n)}(7)

其中e(n)为分段后的回波信号，E为回波信号在频域的表示。

步骤三，相位校正

为了能够对信号进行同相叠加，需要使相频响应在信号带宽内为一条直线，因此对步骤二得到的回波信号在频域进行相位校正，相邻脉冲间相位校正量φ(k)为：

$\mathrm{\φ}\left(k\right)=-(m-1)\frac{\frac{k}{L}\×f_s}{f_c}{\mathrm{\θ}}_c---\left(8\right)$

${\mathrm{\θ}}_c=\frac{2{\mathrm{\πf}}_{d}L}{f_s}---\left(9\right)$

其中 $k=-\frac{L}{2},-\frac{L}{2}+1,...,\frac{L}{2}-2,\frac{L}{2}-1;$

式中各变量的定义为：

m：回波信号的第m个脉冲，m＝1,2,...,N；

L：一个脉冲内的数据点数；

f_s：回波信号的基带采样率；

f_c：回波信号的载波频率；

θ_c：回波信号的相邻脉冲间对应信号中心频率处的相位变化量；

f_d：目标的多普勒频率；

N：回波信号的脉冲个数。

在频域对回波进行相位校正，具体公式为：

E'＝E·exp(jφ(k))(10)

其中E'为在频域进行相位校正补偿后的回波信号。

步骤四，频域变换到时域

通过快速傅里叶逆变换，把步骤三进行相位校正后的频域回波信号变换到时域：

e'(n)＝IFFT{E'}(11)

其中e'(n)为经过相位校正后的回波信号。

有益效果

与传统的Keystone方法进行距离徙动补偿相比，相位校正方法的计算量小。具体运算量为：Keystone方法总的复乘次数为3N(Llog₂(L)/2)+N(N+1)L,总的复加次数3N(Llog₂(L))+N(N-1)L。而相位校正算法总的复乘次数为2N(Llog₂(L)/2),总的复加次数为2N(Llog₂(L))。本发明的相位校正方法明显比Keystone方法的运算量小得多。

附图说明

图1为背景技术中外辐射源雷达配置示意图；

图2为背景技术中长时间积累距离徙动现象；

图3为背景技术中Keystone变换原理示意图，其中(a)为Keystone变换前的数据，(b)为Keystone变换后的数据；

图4为具体实施方式中积累时间为1.0s的情况下，互模糊函数侧视图，其中(a)为频域相位校正算法，(b)为Keystone算法；

图5为具体实施方式中不同积累时间下，频域相位校正算法和Keystone算法运算量的比较。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方法对本发明作进一步说明。

一种基于频域相位校正的外辐射源雷达距离徙动补偿方法，集成于外辐射源雷达信号处理模块中。外辐射源雷达一般有两副天线，参考天线接收直达波信号，回波天线接收目标反射的电视信号，所测目标为民航飞机，如附图1所示。

本实施例利用实验的手段来验证本发明的有效性。

实验参数：中央电视广播塔发射信号带宽为7.56MHz，载波频率为674MHz，基带采样率f_s＝10MHz，检测目标为民航飞机，其多普勒频率f_d＝-483Hz。

具体实施步骤为：

1)对回波信号进行数据分段处理。设积累时间为T_i，则回波的数据总点数为T_i·f_s，每个脉冲的数据点数L＝5000，即把回波分成N＝T_i·f_s/5000个脉冲。由此可得当积累时间为1.0s时，回波总点数为10M，每个脉冲数据点数L＝5000，把回波分成N＝2000个脉冲。

2)对回波信号进行快速傅里叶变换到频域。对每段回波信号进行5000点的FFT运算，得到回波信号的频域表示E＝FFT{e(n)}。

3)相位校正。当积累时间为1.0s时，目标的多普勒频率f_d＝-483Hz，相邻脉冲间对应信号中心频率处的相位变化量θ_c＝-0.483π。相邻脉冲间相位校正量为φ(k)＝-(m-1)·k/337000·(-0.483π)，其中k＝-2500,-2499,...,2498,2499，m＝1,2,...,2000。求得θ_c后频域对回波信号进行相位校正补偿，即E'＝E·exp[-(m-1)·k·j/337000·(-0.483π)]。

4)把已经进行相位校正的频域回波信号变换到时域，即对频域的每段回波信号进行5000点的IFFT得到校正后的时域回波信号：e'(n)＝IFFT{E'}。

在时域对已经进行相位校正的回波信号和直达波信号做互模糊函数得到互模糊函数图。当积累时间为1.0s时，互模糊函数图如附图4所示。采用频域相位校正算法目标的信噪比为17.1dB，总的复乘次数为1.2288×10¹⁰,总的复加次数为2.4575×10⁸；采用Keystone算法目标的信噪比为16.9dB，总的复乘次数为2.0194×10¹⁰，总的复加次数为2.0359×10¹⁰。由此可见在相同的积累时间下，采用频域相位校正算法和采用Keystone算法目标的检测性能相当，但是采用频域相位校正算法运算量大大降低了。

当积累时间为1.5s、2.0s、2.5s、3.0s时，采用频域相位校正算法和采用Keystone算法目标的检测性能相当，但是采用频域相位校正算法运算量大大降低了。不同积累时间下，频域相位校正算法和Keystone算法运算量的比较如附图5所示。

以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于频域相位校正的外辐射源雷达距离徙动补偿方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一，数据分段：

对回波信号进行数据分段处理，把要处理的回波信号分成N个脉冲，每个脉冲的数据点数为L，要处理的数据总点数为NL；

步骤二，频域变换：

把步骤一分段后的回波信号进行快速傅里叶变换，变换到频域：

E＝FFT{e(n)}

其中e(n)为分段后的回波信号，E为回波信号在频域的表示；

步骤三，相位校正：

对步骤二得到的回波信号在频域进行相位校正，使相频响应在信号带宽内为一条直线，相邻脉冲间相位校正量φ(k)为：

$\mathrm{\φ}\left(k\right)=-(m-1)\frac{\frac{k}{L}\×f_s}{f_c}{\mathrm{\θ}}_c$

${\mathrm{\θ}}_c=\frac{2{\mathrm{\πf}}_{d}L}{f_s}$

其中 $k=-\frac{L}{2},-\frac{L}{2}+1,...,\frac{L}{2}-2,\frac{L}{2}-1;$

式中各变量的定义为：

m：回波信号的第m个脉冲，m＝1,2,...,N；

L：一个脉冲内的数据点数；

f_s：回波信号的基带采样率；

f_c：回波信号的载波频率；

θ_c：回波信号的相邻脉冲间对应信号中心频率处的相位变化量；

f_d：目标的多普勒频率；

N：回波信号的脉冲个数；

在频域对回波进行相位校正，具体公式为：

E'＝E·exp(jφ(k))

其中E'为在频域进行相位校正后的回波信号；

步骤四，频域变换到时域：

通过快速傅里叶逆变换，把步骤三进行相位校正后的频域回波信号变换到时域：

e'(n)＝IFFT{E'}

其中e'(n)为经过相位校正后的回波信号。