CN110441763A - 一种基于调频步进信号的高速目标相推测速方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于调频步进信号的高速目标相推测速方法，具体过程为：步骤一，建立基于调频步进信号的高速目标回波模型，在建立所述模型的过程中考虑脉内时间调制对目标回波时延的影响；步骤二，对回波模型进行单个脉冲的匹配脉压处理，在脉压处理时，对频谱相位中存在的二次相位项进行补偿；步骤三，对脉压处理后的结果进行相参合成处理，得到一维高分辨距离像；步骤四，基于所述一维高分辨距离像，实现相推测速。本发明建立了考虑脉内多普勒调制的高速目标回波模型，推导了考虑加速度的相推测速模型，可适用于径向运动包含加速度和加加速度的高速目标，满足工程应用需求。

Description

一种基于调频步进信号的高速目标相推测速方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种基于调频步进信号的高速目标相推测速方法。

背景技术

随着雷达技术发展的日新月异，人们对雷达精确测量提出了更高的要求。如微动提取作为目标探测与识别的研究热点，其关键问题在于平动补偿不够精确、微动幅度小、各散射点难以区分等因素造成的微动特征信息不明显，使得微动提取难度很大。突破该瓶颈最有效的办法是提高雷达对精细运动的刻画能力，即提高雷达精确测速能力。传统的包络测距精度有限，同时传统的测速方法主要通过增加积累时间来获得高精度的速度测量值，这种方法是以牺牲数据率为代价的，不能适用于对数据率要求较高的场景。相推测速作为一项新兴的技术，通过提取目标回波的相位信息，分析相邻帧回波的相位变化，即可实现高精度速度估计。

频率步进信号是一种瞬时窄带、合成宽带信号，具有良好的距离和多普勒分辨性能，且易于工程实现。但由于频率步进雷达需要利用多个子脉冲来完成信号的相参积累使得它对目标运动比较敏感，目标的径向运动会使频率步进信号脉冲压缩所得的高分辨距离像产生耦合时移和波形发散。对于高速运动目标，还需要考虑包络走动和脉内多普勒调制等影响。目前，范花玉(H.Fan,“A high precision method of phase derived velocityMeasurement and its application in motion compensation of ISAR imaging.”IEEETrans.Geosci.Remote Sens.,vol.56,no.1,pp.60-77,Jan.2018.)给出了比较全面的相推测量的处理方法，但是，该方法是基于低速模型实现的，不适用于高速目标。郭立勇(L.Guo,“A Novel High Accuracy Phase-derived Velocity Measurement Method for FastMoving Space Target,”IEEE Geosci.Remote Sens.Lett.,to be published.DOI:10.1109/LGRS.2018.2879491.)介绍了基于线性调频信号的高速目标相推测速处理方法，但是该方法仅适用于采用去斜处理的线性调频信号，而不适用于频率步进信号。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决高速目标精确测速的问题，提出一种基于调频步进信号的高速目标相推测速方法。

本发明方法是通过下述技术方案实现的：

一种基于调频步进信号的高速目标相推测速方法，具体过程为：

步骤一，建立基于调频步进信号的高速目标回波模型，在建立所述模型的过程中考虑脉内时间调制对目标回波时延的影响；

步骤二，对回波模型进行单个脉冲的匹配脉压处理，在脉压处理时，对频谱相位中存在的二次相位项进行补偿；

步骤三，对脉压处理后的结果进行相参合成处理，得到一维高分辨距离像；

步骤四，基于所述一维高分辨距离像，实现相推测速。

进一步地，本发明所述目标回波时延为t_r：

其中，R为目标距离，v为目标速度，a为目标加速度，T_r为脉冲重复周期，N为跳频数，t'表示快时间轴，t'∈(0,T_r)，c表示光速。

进一步地，本发明步骤二中补偿的二次相位项为：

其中，K表示调频率，f表示频率。

进一步地，本发明在步骤三得到一维高分辨距离像时，进行包络走动补偿，所述包络走动补偿项为：

其中，f_n＝(f₀+nΔf)，f₀为载频，Δf为频率跳变间隔，τ表示脉冲宽度，v表示粗测速度。

进一步地，本发明在步骤三还包括对一维高分辨距离像脉压后的二次相位项进行补偿，具体过程为：

当粗测目标的速度和加速度满足下式时，利用当前粗测的速度和加速度进行二次相位项的补偿；

其中，

有益效果：

第一，由于高速(>100m/s)目标运动速度大，回波不易于积累，存在脉内多普勒调制等问题，本发明建立了考虑脉内多普勒调制的高速目标回波模型，推导了考虑加速度的相推测速模型，可适用于径向运动包含加速度和加加速度的高速目标，满足工程应用需求。

第二，本发明所设置二次相位补偿可以实现单个脉冲匹配脉压的有效处理，改善非线性相位项对于脉压带来的影响。

第三，本发明所进行包络走动补偿可以更好的实现相参脉压过程，有效的积累回波能量，补偿由于目标高速运动带来的脉冲散焦的问题。

第四，本发明所一维高分辨距离像脉压前的二次相位项进行补偿可以实现相参脉压处理，防止目标高速运动引起的波形发散，信噪比降低等问题。

第五，本发明可获得相位量级的测速精度，且数据率高，运算量小。

附图说明

图1为相推测速结果；

图2为相推测速误差。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明实施例提供一种基于调频步进信号的高速目标相推测速方法，

首先建立基于雷达发射调频步进信号的高速目标回波模型；然后对单个脉冲进行匹配脉压处理，分析目标高速运动对回波产生的脉内调制影响，主要体现在速度引起的包络走动，高阶相位项等；之后分析了包络走动及高阶相位项补偿的可行性，并在此基础上实现了目标的相参合成一维高分辨成像处理；最后通过分析相邻帧回波的包络时延和峰值点相位变化，利用包络测速结果解相推测速模糊，即可获得高速目标的高精度相推测速结果。

该方法的具体包括如下步骤：

步骤一、基于雷达发射调频步进信号的高速目标回波建模。

本步骤通过分析高速目标的回波时延，建立基于调频步进信号的雷达回波模型。后续的相关处理都是在此模型的基础上进行。

需要说明的是，对于由多个脉冲合成获得的更大带宽信号，这些信号都可以认为是步进频体制类型的信号。例如简单步进频信号，脉内相位编码脉间频率步进信号，调频步进信号等。在单个脉冲的匹配脉压处理后，这些步进频体制的信号均可以等效为相同的信号模型。所以本发明所提的方法适用于这一类信号。此处，只是以调频步进信号为例，介绍相关的相推处理方法。

雷达发射的调频步进信号可以表示为：

其中，T_r为脉冲重复周期，τ为脉冲宽度，f₀为载频，Δf为频率跳变间隔，N为跳频数，K为调频率。

假设目标距离为R，速度为v，且定义目标远离雷达为正，加速度为a。相推测速仅在相邻帧之间进行，一般来说，一帧数据时间很短，可以假定目标在一帧时间内近似做匀加速运动。在这个前提下，该方法同样适用于做变加速运动的目标。

此时目标回波时延为：

将时间表示成慢时间与快时间，即

t＝t'+nT_r n＝0:N-1t'∈(0,T_r)

(4)

目标加速度一般不大于100m/s²，因此可以忽略加速度对脉内的影响，仅考虑加速度对脉间的影响。此时回波时延可以表示为：

进一步整理，令：

回波信号为：

与本振混频后的基带信号为：

其中：

f_n＝(f₀+nΔf)

(10)

对上述基带信号(式(8))进行AD采样后，就可以进行后续单个脉冲匹配脉压处理。

步骤二：单个脉冲的匹配脉压处理

本步骤实现对回波信号单个脉冲的匹配脉压处理。本步骤是后续IFFT相参处理的基础。对于高速目标来说，回波中存在目标高速运动引起的调制以及对回波包络的伸缩变换等，因此需要在处理中考虑这些影响。

由傅里叶变换的尺度性质：

可以求得回波信号的频谱为：

在频域实现匹配滤波处理：

S_out＝S_n(f)·S_ref ^*(f) (13)

匹配滤波的后的结果在频域可以表示为：

由式(14)可以看出，频谱相位中存在二次相位项，会导致时域波形的发散，需要对其进行补偿，补偿的二次相位项为：

经过补偿后，匹配脉压后的时域输出结果为：

其中，sinc为辛格函数，且

由式(16)可以看出，与传统的脉冲压缩结果相比，由于目标高速运动对雷达回波的脉内调制作用，其脉冲压缩结果存在包络的尺度伸缩效应；此外，脉冲压缩结果还存在快时间维度的多普勒调制的影响。

步骤三：相参合成一维高分辨成像

本步骤拟采用IFFT相参处理合成一维高分辨距离像。IFFT相参合成是频率步进体制信号常用的处理方法。在步骤二完成单脉冲脉压处理的基础上，对不同的脉冲进行IFFT相参合成处理，可以获得一维高分辨距离像。在此基础上，对目标进行步骤四相推测速处理，获得高精度的速度信息。

由于目标的高速运动，同一帧信号的不同脉冲的峰值点位置是不同的。即不同脉冲的峰值点可能会相差好几个距离分辨单元。这会影响后续的IFFT相参合成处理，导致一维高分辨距离像出现散焦。因此，拟从频域对包络走动现象进行补偿。

包络走动补偿项应为：

包络补偿后的结果应保证，所有脉冲回波的峰值走动不超过半个距离分辨单元。对带宽为30MHz，一帧时间为20ms的雷达来说，当加速度为100m/s²时(目标加速度一般小于100m/s²)，包络走动补偿要求的速度精度近似为124m/s。由于速度补偿精度要求比较低，因此可以采用雷达***提供的目标参考速度或者采用传统的包络测速方法获得的粗测速结果。

补偿后的一维高分辨成像结果为：

忽略包络的影响，分析式(19)峰值点处的相位项，按照关于n的常数项相位，一次相位项，二次相位项、三次相位项分别进行整理：

上式中关于n的二次相位项和三次相位项会影响相参处理，导致波形发散。一般来说，当相位变化的最大值小于π/2时，其对脉压结果的影响可以忽略，即需满足：

对于N＝20，Δf＝30MHz，T_r＝1000μs，.f₀＝3GHz.的S波段雷达来说，对三阶相位项，按照式(22)计算可得：|a|＜312.5m/s²，因加速度一般小于100m/s²，则三阶相位项满足式(22)，无需对其进行补偿。对二阶相位项，需要对加速度和速度同时补偿。如果不考虑加速度，仅对速度补偿，按照式(21)计算可得：|v|＜3.12m/s；如果不考虑速度，仅对加速度补偿，按照式(21)计算可得：|a|＜62.5m/s²；当速度补偿精度为1m/s时，加速度补偿精度为42.5m/s²；当加速度补偿精度为10m/s²时，加速度补偿精度为2.62m/s。补偿的速度值可以采用雷达***提供的参考速度或者采用传统的包络测速方法获得的粗测速结果。在获得多帧数据的粗测速结果之后，可以基于多帧速度的平滑滤波结果实现加速度估计。

对二阶相位项补偿后，经IFFT相参处理的高分辨距离像为：

其中，

提取式(23)峰值点处的时延值和相位值，时延值为:

相位值为：

对上式中最后一个与k有关的相位项进行补偿。补偿后的相位项为：

步骤四：高精度测速处理

在步骤三获得一维高分辨距离像的基础上，通过分析相邻帧回波的包络时延增量相对时间的变化率，得到目标的包络粗测速结果；通过对多帧粗测速结果进行平滑滤波，并在此基础上实现目标加速度和距离的粗估计；结合相邻帧回波峰值点相位的变化，利用目标速度、加速度和距离的粗估计结果解相位模糊，实现相推测速处理。

令R₁和R₂表示相邻帧目标的距离，v₁和v₂表示对应的速度。则：

v₂＝v₁+aNT_r (29)

进行包络粗测速时，对其精度要求不是很高，因此可以假设目标在相邻帧内加速度为0，即：R₂＝R₁+v₁NT_r，v₂＝v₁。对具备特显点的回波，可以按下述方法直接处理。对不具备特显点的回波，可以参考文献[1]，采用基于距离像互相关的相推测速处理。对具备特显点的回波，通过波形分析法，提取相邻帧一维高分辨距离像峰值点处的时延值。由式(25)可得：

将相邻帧回波进行相减，可得：

依据上式，可知目标的包络测速结果为：

在获得多帧包络测速结果之后，可以对其进行平滑滤波处理，并在此基础上得到目标加速度的粗估计结果；根据式(30)，可以进一步得到目标距离的粗估计结果。

分析相邻帧一维高分辨距离像峰值点处的相位值：

拟采用包络测速结果解相位模糊，同时可参考文献[1]所提方法实现低信噪比条件下的相位解模糊处理。

最终，联立式(28)、式(29)、式(34)、式(35)，即可求得目标的相推测速结果。

自此，就完成了基于调频步进信号的高速目标相推测速处理，获得了高精度的相推测速结果。

为验证本发明提供方法的正确性，进行了仿真验证。仿真参数如表1所示，其中雷达工作在S波段。假设目标沿着雷达径向做匀加速运动。目标初始距离为80km，初始速度为4000m/s，加速度为10m/s²。处理200帧回波数据。其中IFFT相参合成后的信噪比为25dB。

目标的相推测速结果及其速度真值如图1所示，图1右下角为局部放大图。相推测速误差如图2所示，统计可得相推测速均方根误差为0.0226m/s，相推测速的理论精度为0.0204m/s，可知相推测速的仿真结果与理论精度相符，验证了所提方法的高精度测速性能。

表1雷达参数表

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于调频步进信号的高速目标相推测速方法，其特征在于，具体过程为：

步骤一，建立基于调频步进信号的高速目标回波模型，在建立所述模型的过程中考虑脉内时间调制对目标回波时延的影响；

步骤二，对回波模型进行单个脉冲的匹配脉压处理，在脉压处理时，对频谱相位中存在的二次相位项进行补偿；

步骤三，对脉压处理后的结果进行相参合成处理，得到一维高分辨距离像；

步骤四，基于所述一维高分辨距离像，实现相推测速。

2.根据权利要求1所述基于调频步进信号的高速目标相推测速方法，其特征在于，所述目标回波时延为t_r：

其中，R为目标距离，v为目标速度，a为目标加速度，T_r为脉冲重复周期，N为跳频数，t'表示快时间轴，t'∈(0,T_r)，^c表示光速。

3.根据权利要求1所述基于调频步进信号的高速目标相推测速方法，其特征在于，步骤二中补偿的二次相位项为：

其中，K表示调频率，f表示频率。

4.根据权利要求1所述基于调频步进信号的高速目标相推测速方法，其特征在于，在步骤三得到一维高分辨距离像时，进行包络走动补偿，所述包络走动补偿项为：

其中，f_n＝(f₀+nΔf)，f₀为载频，Δf为频率跳变间隔，τ表示脉冲宽度，v表示粗测速度。

5.根据权利要求1所述基于调频步进信号的高速目标相推测速方法，其特征在于，在步骤三还包括对一维高分辨距离像脉压后的二次相位项进行补偿，具体过程为：

当粗测目标的速度和加速度满足下式时，利用当前粗测的速度和加速度进行二次相位项的补偿；

其中，