CN104155649A - 一种基于三周期调频连续波相参雷达距离速度去耦合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三周期调频连续波相参雷达距离速度去耦合方法，本发明可用于多目标场合。本发明的主要技术要点为：通过三个周期下经过MTD处理后的距离-速度图像间的多目标关联和速度解模糊，得到目标真实运动速度，进而完成对距离-速度的解耦合。本发明相比较通常的三角波线性调频连续波雷达，其可靠性和准确性都得到提高。

Description

一种基于三周期调频连续波相参雷达距离速度去耦合方法

技术领域

本发明涉及一种基于三周期锯齿波的调频连续波相参雷达运动目标距离速度去耦合方法。

背景技术

相对于脉冲雷达，线性调频连续波(linear frequency modulationcontinuous wave，LFMCW)雷达更容易实现高的距离分辨率。同时，它还具有无测距盲区、发射功率低、抗截获能力强、易实现设备的小型化和轻量化等优点，这些都使得线性调频连续波雷达在以民用和军用中获得了广泛的关注。

但线性调频连续波雷达存在严重的距离-速度耦合问题，通常发射三角波波形，利用正、负斜率下运动目标耦合距离关于真实距离镜像的特点，完成对目标真实距离和速度的解算。但在多目标环境中，存在目标间配对难的问题。目前，解决该问题常用的方法包括：基于频谱面积的配对法、基于MTD速度的配对法和变发射周期的配对方法。其中，频谱面积法对于谱特征相近的目标难以正确配对；MTD速度法对于模糊速度相近的目标，也容易出现配对错误；变周期配对法理论上较为理想，但存在难以工程实现的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于三周期锯齿波的调频连续波相参雷达运动目标距离速度去耦合方法，实现线性调频连续波雷达在多目标场合下的高可靠性和准确性的距离速度解耦合。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于三周期锯齿波的调频连续波相参雷达运动目标距离速度去耦合方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1、雷达依次连续发射三种不同周期的调频连续波信号，并且每种周期的调频连续波信号均连续发射L次，其中L为相参积累周期数；其次，雷达对三种不同周期的调频连续波信号与对应的接收回波信号之间的差拍信号分别进行模数转换，得到三个周期下的数字差拍信号；

步骤2、对三个周期下的数字差拍信号各自依次进行一维FFT处理以及二维MTD处理，得到三幅不同周期下的耦合距离-模糊速度图像；

步骤3、以三幅耦合距离-模糊速度图像下耦合距离误差最小为准则，对三幅耦合距离-模糊速度图像中的同一目标进行关联；

步骤4、以三周期下多普勒频率二次均方差最小为准则，对经过步骤3关联形成的同一目标进行速度解模糊，得到该目标的真实速度；

步骤5、根据线性调频连续波雷达运动目标的距离-速度耦合关系，从耦合距离中解算出该目标的真实距离。

其中，所述步骤1中，三种不同周期具体要求为：使得小于雷达最大设计多普勒频率的任意回波多普勒都至少能被两个不同的发射周期所解析。

其中，所述步骤3具体包括以下步骤：

(3-1)设共有N个目标，其在两幅耦合距离-模糊速度图像中的耦合距离分别为R_1i、R_2j，其中i代表一副耦合距离-模糊速度图像中的目标编号，j代表另一副耦合距离-模糊速度图像中的目标编号；定义误差矩阵Δ，

$\mathrm{\Δ}=\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{\Δ}}_{11}& {\mathrm{\Δ}}_{12}& ...& {\mathrm{\Δ}}_{1N}\\ {\mathrm{\Δ}}_{21}& {\mathrm{\Δ}}_{22}& ...& {\mathrm{\Δ}}_{2N}\\ ...& ...& {\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{ij}}& ...\\ {\mathrm{\Δ}}_{N1}& {\mathrm{\Δ}}_{N2}& ...& {\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{NN}}\end{array}\right)$

其中，Δ_ij＝|R_1i-R_2j|，N为正整数；

(3-2)设定初始误差矩阵Δ⁽⁰⁾＝Δ，判断是否存在minΔ⁽⁰⁾≤R_TH，若存在，则认为一幅耦合距离-模糊速度图像中的目标i与另一幅图像中的目标j是同一个目标；其中，R_TH为设定的耦合距离关联门限；

(3-3)将误差矩阵Δ⁽⁰⁾中第i行与第j列删除，得到新的误差矩阵Δ⁽¹⁾，在此进行判断：如果minΔ⁽¹⁾＞R_TH，则完成对同一目标的关联；如果minΔ⁽¹⁾≤R_TH，则转入步骤(3-2)进行下一次与耦合距离关联门限R_TH的判断。

其中，所述步骤4具体包括以下步骤：

(4-1)列举目标的所有可能多普勒频率值：

$f_{\mathrm{dk}}=F_{\mathrm{dk}}+\frac{m}{T_k},-M\≤m\≤M,k=\mathrm{1,2,3};$

式中，T_k为第k个周期，F_dk为第k个周期下所测的模糊多普勒频率；m为多普勒模糊周期数，M为最大模糊周期数；

(4-2)定义目标的平均多普勒

${\stackrel{\‾}{f}}_d=\frac{1}{3}\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{dk}}$

式中，r、p、q分别是不同的模糊周期数，其值在-M与M之间。

(4-3)通过最小均方差解算目标的真实速度

定义第j个多普勒脉冲串C_d：

$C_d=\frac{1}{3}\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{(f_{\mathrm{dk}}-{\stackrel{\‾}{f}}_d)}^2;$

在上式中，使得C_d最小的为最佳多普勒频率，也就是目标的真实多普勒频率，进而得到目标的真实径向速度v为：

$v=\mathrm{\λ}{\stackrel{\‾}{f}}_d/2$

式中，λ为发射的调频连续波信号波长。

本发明与背景技术相比，具有如下优点：

(1)本发明采用基于发射锯齿波并利用耦合距离进行多目标间的配对，相比较背景技术，由于距离方向的采样点数远大于多普勒向，因而其三个周期间关联准确性及可靠性都得到提高。

(2)发射三个不同重复周期的线性调频信号，通过增加冗余，解决了采用两个重复周期以及背景技术中存在的因盲速而导致的目标速度不能被解析的问题。

(3)考虑到盲速以及某些MTI滤波器对静止杂波的抑制，三个周期数值不是任意的，需要服从被解析多普勒频率“最大无缝覆盖”的原则，这在数学上对三周期的选择准则给予了解释。

附图说明

图1是三周期解距离速度耦合处理流程图；

图2是多目标配对示意图；

具体实施方式

下面图1和图2和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种基于三周期锯齿波的调频连续波相参雷达运动目标距离速度去耦合方法，其具体实施方式包括以下步骤：

步骤1、雷达依次连续发射三种不同周期的调频连续波信号，并且每种周期的调频连续波信号均连续发射L次，其中L为相参积累周期数；其次，雷达对三种不同周期的调频连续波信号与对应的接收回波信号之间的差拍信号分别进行模数转换，得到三个周期下的数字差拍信号。这里采用三个不同周期的调频连续波信号主要是为了采用MTD的方法解决目标回波存在的速度模糊问题。同时，采用三个周期还可以解决某一个周期下因为盲速而造成的数据无效的情况。

步骤2、对三个周期下的数字差拍信号各自依次进行一维FFT处理以及二维MTD处理，得到三幅不同周期下的耦合距离-模糊速度图像；

步骤3、以三幅耦合距离-模糊速度图像下耦合距离误差最小为准则，对三幅耦合距离-模糊速度图像中的同一目标进行关联；

其中，所述步骤3具体包括以下步骤：

(3-1)设共有N个目标，其在两幅耦合距离-模糊速度图像中的耦合距离分别为R_1i、R_2j，其中i代表一副耦合距离-模糊速度图像中的目标编号，j代表另一副耦合距离-模糊速度图像中的目标编号；定义误差矩阵Δ，

$\mathrm{\Δ}=\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{\Δ}}_{11}& {\mathrm{\Δ}}_{12}& ...& {\mathrm{\Δ}}_{1N}\\ {\mathrm{\Δ}}_{21}& {\mathrm{\Δ}}_{22}& ...& {\mathrm{\Δ}}_{2N}\\ ...& ...& {\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{ij}}& ...\\ {\mathrm{\Δ}}_{N1}& {\mathrm{\Δ}}_{N2}& ...& {\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{NN}}\end{array}\right)$

其中，Δ_ij＝|R_1i-R_2j|，N为正整数；

(3-2)设定初始误差矩阵Δ⁽⁰⁾＝Δ，判断是否存在minΔ⁽⁰⁾≤R_TH，若存在，则认为一幅耦合距离-模糊速度图像中的目标i与另一幅图像中的目标j是同一个目标；其中，R_TH为设定的耦合距离关联门限；

(3-3)将误差矩阵Δ⁽⁰⁾中第i行与第j列删除，得到新的误差矩阵Δ⁽¹⁾，在此进行判断：如果minΔ⁽¹⁾＞R_TH，则完成对同一目标的关联，同时将剩余未删除的行和列编号所代表的目标标记为未能成功关联的目标；如果minΔ⁽¹⁾≤R_TH，则转入步骤(3-2)进行下一次与耦合距离关联门限R_TH的判断。

步骤4、以三周期下多普勒频率二次均方差最小为准则，对经过步骤3关联形成的同一目标进行速度解模糊，得到该目标的真实速度；

其中，所述步骤4具体包括以下步骤：

(4-1)列举目标的所有可能多普勒频率值：

$f_{\mathrm{dk}}=F_{\mathrm{dk}}+\frac{m}{T_k},-M\≤m\≤M,k=\mathrm{1,2,3};$

式中，T_k为第k个周期，F_dk为第k个周期下所测的模糊多普勒频率；m为多普勒模糊周期数，M为最大模糊周期数；

(4-2)定义目标的平均多普勒

${\stackrel{\‾}{f}}_d=\frac{1}{3}\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{dk}}$

式中，r、p、q分别是不同的模糊周期数，其值在-M与M之间。(4-3)通过最小均方差解算目标的真实速度

定义第j个多普勒脉冲串C_d：

$C_d=\frac{1}{3}\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{(f_{\mathrm{dk}}-{\stackrel{\‾}{f}}_d)}^2;$

在上式中，使得C_d最小的为最佳多普勒频率，也就是目标的真实多普勒频率，进而得到目标的真实径向速度v为：

$v=\mathrm{\λ}{\stackrel{\‾}{f}}_d/2$

式中，λ为发射的调频连续波信号波长。

步骤5、根据线性调频连续波雷达运动目标的距离-速度耦合关系，从耦合距离中解算出该目标的真实距离。

其中，所述步骤1中，三种不同周期具体要求为：使得小于雷达最大设计多普勒频率的任意回波多普勒都至少能被两个不同的发射周期所解析。

Claims (4)

1.一种基于三周期调频连续波相参雷达距离速度去耦合方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1、雷达依次连续发射三种不同周期的调频连续波信号，并且每种周期的调频连续波信号均连续发射L次，其中L为相参积累周期数；其次，雷达对三种不同周期的调频连续波信号与对应的接收回波信号之间的差拍信号分别进行模数转换，得到三个周期下的数字差拍信号；

步骤2、对三个周期下的数字差拍信号各自依次进行一维FFT处理以及二维MTD处理，得到三幅不同周期下的耦合距离-模糊速度图像；

步骤3、以三幅耦合距离-模糊速度图像下耦合距离误差最小为准则，对三幅耦合距离-模糊速度图像中的同一目标进行关联；

步骤4、以三周期下多普勒频率二次均方差最小为准则，对经过步骤3关联形成的同一目标进行速度解模糊，得到该目标的真实速度；

步骤5、根据线性调频连续波雷达运动目标的距离-速度耦合关系，从耦合距离中解算出该目标的真实距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于三周期锯齿波的调频连续波相参雷达运动目标距离速度去耦合方法，其特征在于：所述步骤1中，三种不同周期具体要求为：使得小于雷达最大设计多普勒频率的任意回波多普勒都至少能被两个不同的发射周期所解析。

3.根据权利要求1所述的一种基于三周期锯齿波的调频连续波相参雷达运动目标距离速度去耦合方法，其特征在于：所述步骤3具体包括以下步骤：

(3-1)设共有N个目标，其在两幅耦合距离-模糊速度图像中的耦合距离分别为R_1i、R_2j，其中i代表一副耦合距离-模糊速度图像中的目标编号，j代表另一副耦合距离-模糊速度图像中的目标编号；定义误差矩阵Δ，

$\mathrm{\Δ}=\left(\begin{array}{cccc}{\mathrm{\Δ}}_{11}& {\mathrm{\Δ}}_{12}& ...& {\mathrm{\Δ}}_{1N}\\ {\mathrm{\Δ}}_{21}& {\mathrm{\Δ}}_{22}& ...& {\mathrm{\Δ}}_{2N}\\ ...& ...& {\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{ij}}& ...\\ {\mathrm{\Δ}}_{N1}& {\mathrm{\Δ}}_{N2}& ...& {\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{NN}}\end{array}\right)$

其中，Δ_ij＝|R_1i-R_2j|，N为正整数；

(3-2)设定初始误差矩阵Δ⁽⁰⁾＝Δ，判断是否存在minΔ⁽⁰⁾≤R_TH，若存在，则认为一幅耦合距离-模糊速度图像中的目标i与另一幅图像中的目标j是同一个目标；其中，R_TH为设定的耦合距离关联门限；

(3-3)将误差矩阵Δ⁽⁰⁾中第i行与第j列删除，得到新的误差矩阵Δ⁽¹⁾，在此进行判断：如果minΔ⁽¹⁾＞R_TH，则完成对同一目标的关联；如果minΔ⁽¹⁾≤R_TH，则转入步骤(3-2)进行下一次与耦合距离关联门限R_TH的判断。

4.根据权利要求1所述的一种基于三周期锯齿波的调频连续波相参雷达运动目标距离速度去耦合方法，其特征在于：所述步骤4具体包括以下步骤：

(4-1)列举目标的所有可能多普勒频率值：

$f_{\mathrm{dk}}=F_{\mathrm{dk}}+\frac{m}{T_k},-M\≤m\≤M,k=\mathrm{1,2,3};$

式中，T_k为第k个周期，F_dk为第k个周期下所测的模糊多普勒频率；m为多普勒模糊周期数，M为最大模糊周期数；

(4-2)定义目标的平均多普勒

${\stackrel{\‾}{f}}_d=\frac{1}{3}\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{dk}}$

式中，r、p、q分别是不同的模糊周期数，其值在-M与M之间。

(4-3)通过最小均方差解算目标的真实速度

定义第j个多普勒脉冲串C_d：

$C_d=\frac{1}{3}\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{(f_{\mathrm{dk}}-{\stackrel{\‾}{f}}_d)}^2;$

在上式中，使得C_d最小的为最佳多普勒频率，也就是目标的真实多普勒频率，进而得到目标的真实径向速度v为：

$v=\mathrm{\λ}{\stackrel{\‾}{f}}_d/2$

式中，λ为发射的调频连续波信号波长。