CN107561508B - 一种用于匀加速运动目标的相参积累检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于匀加速运动目标的相参积累检测方法，属于雷达技术领域。本发明首先利用PD雷达发射线性调频信号，然后对接收到的含有目标的回波信号进行脉冲压缩。再对脉冲压缩后的回波信号进行坐标搬移变换以校正目标的距离走动。随后，利用分数阶傅里叶变换消除目标的多普勒走动并实现能量的相参积累。由于本发明同时利用目标回波中的幅度与相位信息进行长时间相参积累，因此能够有效地抑制噪声，提高雷达对微弱目标的检测性能。另外，本发明的分数阶傅里叶变换能够通过快速傅里叶变换实现，因此可以极大地减小运算量，有利于雷达对微弱目标的快速检测。

Description

一种用于匀加速运动目标的相参积累检测方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域的运动目标检测技术，具体涉及一种用于匀加速运动目标的相参积累检测方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展与进步，如何快速而有效地实现对低信噪比运动目标快速而有效的检测成为了雷达信号处理领域中一项具有挑战性的问题。由于远距离目标和低雷达截面积目标通常都有很低的回波信噪比，因此我们常将这两类目标称为微弱目标。为了有效地检测微弱目标，增加回波积累数目并延长积累时间是一种行之有效的方法。然而，随着积累时间的延长，目标会不可避免地出现距离走动和多普勒走动。因此，距离走动与多普勒走动的补偿效果决定了微弱目标的检测效果。

目前，雷达目标回波长时间积累方法主要可以分为非相参积累和相参积累两类。非相参积累只考虑回波数据的幅度信息，实现方式较为简单。然而，由于未使用其相位信息，该类方法在低信噪比环境中的积累增益会极大地降低。相参积累则同时考虑回波数据的幅度与相位信息，具体来说是对回波进行同相叠加，因此能够获得更高的积累增益。

传统的相参积累方法如动目标检测(MTD)技术能够对驻留时间在一个距离单元或多普勒单元内的运动目标进行积累并检测。当目标出现距离走动，即出现目标跨多个距离单元时，传统的积累方法MTD将失效。Keystone变换、AR-MTD算法、Radon傅里叶变换等方法能够校正距离走动，实现匀速运动目标的能量积累、检测。然而，对于运动方式更为复杂的匀加速运动，其会出现目标同时跨多个距离单元和多个多普勒分辨单元的问题，即同时发生距离走动和多普勒走动。多普勒走动会导致积累时能量在频域的分散，会使上述方法失效。

为解决距离走动和多普勒走动，多种方法被提出。两步二阶Keystone变换通过重复插值进行距离走动的校正与能量的积累，然而，该方法存在大量插值损失，且多次插值，过程复杂繁琐。广义Radon傅里叶变换能够消除距离走动和多普勒走动，通过距离、速度和加速度的三维联合搜索对目标能量进行相参积累。然而，广义Radon傅里叶变换的计算非常复杂，影响雷达信号处理的实时性。总体来看，现有方法主要通过插值运算或多维度参数搜索来实现，运算量更大、实现方式更复杂使其实用性降低。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能校正匀加速运动目标的距离走动和多普勒走动效应，并在低信噪比环境中实现目标能量的相参积累与目标检测。

本发明的用于匀加速运动目标的相参积累检测方法，包括如下步骤：

步骤1：使用PD(脉冲多普勒)雷达发射线性调频信号，记为z_t(τ,t_n)，将雷达接收到的目标回波信号记为z_r(τ,t_n)。其中，τ是快时间，即从发射到接收单个脉冲所用的时间(也可用来对应表示目标距离)；t_n表示慢时间，即第n个脉冲信号所需时间，即t_n＝nT(n＝1,...,N)，T和N分别表示脉冲重复间隔和发射的总脉冲数。

基于雷达到目标的初始距离s₀、目标径向速度v和径向加速度a可得到目标与雷达在t_n时刻的距离为：

步骤2：对回波信号进行脉冲压缩处理，得到脉压回波信号，记为z_c(τ,t_n)。再对脉压回波信号z_c(τ,t_n)中的快时间τ、慢时间t_n进行离散处理，得到离散处理后的快时间m、慢时间n，从而得到离散处理后在m-n域的回波信号记为z_c(m,n)，其中m＝f_sτ、

f_s是采样频率。

步骤3：基于设定的搜索步长Δσ在角度搜索范围中对角度变量进行遍历搜索，利用每次搜索到的变换角度σ进行变量代换(即对m、n进行坐标搬移变换，因而变换角度σ也可表示搬移角，一个搬移角对应一个目标速度，即对搬移角的搜索相当于对目标速度的搜索)，得到坐标搬移变换后的快时间m′、慢时间n′，从而得到坐标搬移变换后的回波信号为z_c(m′,n′；σ)，其中坐标搬移变换公式为：

并对每次坐标搬移变换代换后的回波信号z_c(m′,n′；σ)做分数阶傅里叶变换并进行幅值积累，将最大积累幅值所对应变换角度σ作为角度变量的估计值，记为

即

其中FRFT(·)表示做分数阶快速傅里叶变换；|·|表示取模操作；

表示括号中的对象取最大值时所对应的σ。

步骤4：判断当前估计值

是否在预设误差范围内(预设用于准确性判决的取值范围)，若否，则调整搜索步长Δσ继续执行步骤3；若是，则表示角度变量估计准确，将当前角度变量估计值

代入回波信号，完成对距离走动的校正，即将

作为距离走动被校正的回波信号，其中

为了简化描述，记校正后的回波信号记为z_c(m′,n′)。距离走动校正后，所有回波位于

距离单元内，其中，

表示与雷达到目标初始距离s₀相对应的距离单元。将距离单元

中的回波信号记为z_c(n′)。对z_c(n′)做分数阶傅里叶变换即可消除多普勒走动，进行能量的相参积累。

步骤5：对相参积累后的峰值与预设门限值进行比较，当积累峰值高于门限值时，表示目标能被检测到；否则目标无法被检测到。

所述步骤4中的分数阶傅里叶变换的公式为：

其中,F_p(·)表示以p为变量做分数阶傅里叶变换操作；

表示旋转角度，α是变换阶数；K_p(n′,u)表示变换核。

本发明首先利用PD雷达发射线性调频信号，然后对接收到的含有目标的回波信号进行脉冲压缩。再对脉冲压缩后的回波信号进行变量代换以校正目标的距离走动。随后，利用分数阶傅里叶变换消除目标的多普勒走动并实现能量的相参积累。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：同时利用目标回波中的幅度与相位信息进行长时间相参积累，能够有效地抑制噪声，提高雷达对匀加速运动目标的检测能力。另外，本发明的分数阶傅里叶变换能够通过快速傅里叶变换实现，因此可以极大地减小运算量，有利于雷达对微弱目标的快速检测。

附图说明

图1是本发明提供方法的流程框图；

图2表示目标回波脉冲压缩的结果；

图3表示使用本发明的距离走动校正结果；

图4表示使用本发明的相参积累结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

本发明主要采用仿真实验的方法进行验证，所有步骤和结论都是用科学计算软件Matlab R2014a来验证其正确性。设定目标的个数为1，目标相对雷达的初始距离为300km，目标径向速度为2500m/s，目标径向加速度为24m/s²，雷达发射载频为0.3GHz，雷达带宽为5MHz，雷达脉冲重复频率为500Hz，相参积累时间内总脉冲数为512，信噪比为-10dB。下面结合图1给出本发明的具体实现方式：

步骤1：使用PD雷达发射线性调频信号记为z_t(τ,t_n)，将雷达接收到的目标回波信号记为z_r(τ,t_n)。其中，τ表示快时间；t_n表示慢时间；

设定目标与雷达在t_n时刻的距离为：

其中，s₀、v和a分别为雷达到目标的初始距离、目标径向速度和径向加速度。

步骤2：对回波信号进行脉冲压缩处理，得到脉压后的信号记为z_c(τ,t_n)。图2显示，脉压之后目标回波出现的严重的距离走动。之后，对脉压后回波信号z_c(τ,t_n)中的变量τ和t_n进行离散处理，即

其中，f_s是采样频率。离散处理后在m-n域的回波信号记为z_c(m,n)。

步骤3：在搜索范围[σ_min,σ_max]中进行以Δσ为搜索间隔对角度变量σ进行遍历搜索，其中，σ_min是搜索范围的下界，σ_max表示其上界。利用每次搜索到的变换角度(即将每次的搜索结果赋值给角度变量σ)进行变量代换，记变量代换后的回波信号为z_c(m′,n′；σ)，其中m′为搬移后新的快时间变量，n′是搬移后新的慢时间变量。对每次坐标搬移代换后的回波信号z_c(m′,n′；σ)做分数阶傅里叶变换进行积累并比较幅值，最大积累幅值所对应的即为角度变量的估计值，记为

步骤4：判断当前估计值

是否在预设误差范围内，若否，则调整搜索步长Δσ继续执行步骤3；若是，则表示角度变量估计准确，将

作为距离走动被校正的回波信号，为了简化描述，记校正后的回波信号记为z_c(m′,n′)。如图3所示，经过坐标搬移代换，目标距离走动被校正。距离走动校正后，所有回波位于

距离单元内，其中，

是与雷达到目标初始距离s₀相对应的距离单元。将距离单元

中的回波信号记为z_c(n′)。对z_c(n′)做分数阶傅里叶变换即可消除多普勒走动，进行能量的积累与聚焦，即能量的相参积累。如图4显示了目标能量的相参积累结果。

步骤5：对相参积累后的峰值与预设门限值进行比较，当积累峰值高于门限值时，表示目标能被检测到；否则目标无法被检测到。

Claims (1)

1.一种用于匀加速运动目标的相参积累检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1：使用脉冲多普勒雷达发射线性调频信号并接收回波信号，将发射信号记为z_t(τ,t_n)，将接收到的目标回波信号记为z_r(τ,t_n)，其中τ表示快时间；t_n表示慢时间；

步骤2：对回波信号z_r(τ,t_n)进行脉冲压缩处理，得到脉压回波信号，记为z_c(τ,t_n)；

再对脉压回波信号z_c(τ,t_n)中的快时间τ、慢时间t_n进行离散处理，得到离散处理后的快时间m、慢时间n，从而得到离散处理后在m-n域的回波信号记为z_c(m,n)，其中m＝f_sτ、

f_s是采样频率，T是脉冲重复间隔；

步骤3：基于设定的搜索步长Δσ在角度搜索范围中对角度变量进行遍历搜索，利用每次搜索到的变换角度σ对快时间m、慢时间n进行坐标搬移变换，得到坐标搬移变换后的快时间m′、慢时间n′，从而得到坐标搬移变换后的回波信号为z_c(m′,n′；σ)，其中坐标搬移变换公式为：

并对每次坐标搬移变换代换后的回波信号z_c(m′,n′；σ)做分数阶傅里叶变换并进行幅值积累，将最大积累幅值所对应变换角度σ作为角度变量的估计值，记为

步骤4：判断当前估计值

是否在预设误差范围内，若否，则调整搜索步长Δσ继续执行步骤3；若是，则将当前角度变量估计值

代入回波信号z_c(m′,n′；σ)，对距离走动进行校正，并将校正后的回波信号记为z_c(m′,n′)；

距离走动校正后，所有回波位于

距离单元内，其中，

表示与雷达到目标初始距离s₀相对应的距离单元，将距离单元

中的回波信号记为z_c(n′)，并对回波信号z_c(n′)做分数阶傅里叶变换后，进行能量的相参积累；

其中，分数阶傅里叶变换的公式为：

其中,F_p(·)表示以p为变量做分数阶傅里叶变换操作；

表示旋转角度，α是变换阶数；K_p(n′,u)表示变换核；

步骤5：对相参积累后的峰值与预设门限值进行比较，当积累峰值高于门限值时，表示目标能被检测到；否则目标无法被检测到。

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