CN111443335B - 宽带雷达目标微动参数估计方法、***、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带雷达目标微动参数估计方法、***、装置及存储介质,方法包括:获取回波信号,根据所述回波信号得到目标的高分辨率距离像;根据所述高分辨率距离像得到若干散射中心,并对每一散射中心进行升采样处理,获取若干帧脉冲;根据所述脉冲得到每一散射中心的航迹信息,并根据所述航迹信息得到对应的相位信息;获取相邻两帧脉冲间隔的时延信息,根据所述时延信息对所述相位信息进行相位解缠得到解缠后相位信息,根据解缠后相位信息得到目标的微距曲线;根据所述微距曲线得到目标微动参数估计值。本发明通过获取相邻两帧脉冲间隔的时延信息,能有效地解多普勒模糊,提高了目标微动参数估计的精度。本发明可广泛应用于雷达技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及雷达技术领域,尤其是一种宽带雷达目标微动参数估计方法、***、装置及存储介质。
背景技术
随着宽带雷达发射信号带宽的增加,目标在雷达径向距离上扩展,目标将跨越多个距离单元,宽带情况下的距离扩展目标检测和识别将可获得比窄带雷达更好的检测和识别性能。然而,宽带雷达在不同的应用中仍存在一些问题,例如目标径向距离维扩展、目标能量扩散,因此如何在噪声背景下有效的积累距离扩展目标是宽带雷达距离扩展目标检测技术的重中之重。不仅如此,由于雷达带宽的增大,雷达工作在相对较高的载频情况下,而在部分应用中,宽带雷达***的脉冲重复频率较低,从而导致明显的微多普勒模糊现象,因此如何有效的解多普勒模糊也是宽带雷达技术的一大难点。
传统的基于包络测距的方法精度不高,仅为C/2B,如果采用相位测距的方法,可以使测距精度达到半波长的量级,即λ/2,可以有效提高测距精度。然而现有的相位测距方法基本都是在信噪比足够高的情况下进行,而在信噪比较低的情况下,无法有效地解多普勒模糊,从而也无法获取高精度的目标微动参数估计值。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明的目的在于:提供一种宽带雷达目标微动参数估计方法、***、装置及存储介质,以在低信噪比的情况下,高效、精确地获取目标微动参数估计值。
本发明一方面所采取的技术方案是:
一种宽带雷达目标微动参数估计方法,包括以下步骤:
获取回波信号,根据所述回波信号得到目标的高分辨率距离像;
根据所述高分辨率距离像得到若干散射中心,并对每一散射中心进行升采样处理,获取若干帧脉冲;
根据所述脉冲得到每一散射中心的航迹信息,并根据所述航迹信息得到对应的相位信息;
获取相邻两帧脉冲间隔的时延信息,根据所述时延信息对所述相位信息进行相位解缠得到解缠后相位信息,根据解缠后相位信息得到目标的微距曲线;
根据所述微距曲线得到目标微动参数估计值。
进一步,所述获取回波信号,根据所述回波信号得到目标的高分辨率距离像这一步骤,其具体为:
获取回波信号,对所述回波信号进行脉冲压缩处理,根据脉冲压缩处理后的回波信号得到目标的高分辨率距离像。
进一步,所述根据所述脉冲得到每一散射中心的航迹信息,并根据所述航迹信息得到对应的相位信息这一步骤,其包括:
根据所述脉冲和目标状态序列概率密度函数,估计得到目标状态序列;
根据所述目标状态序列和预设的恒虚警概率检测门限得到每一散射中心的航迹信息;
根据所述航迹信息和回波信号得到对应的相位信息。
进一步,所述获取相邻两帧脉冲间隔的时延信息,根据所述时延信息对所述相位信息进行相位解缠得到解缠后相位信息,根据解缠后相位信息得到目标的微距曲线这一步骤,其包括:
对所述脉冲进行自相关操作,得到相邻两帧脉冲间隔的时延信息;
根据所述时延信息与所述相位信息得到解缠后相位信息;
根据所述解缠后相位信息,利用相位测距原理得到目标的微距曲线。
进一步,所述目标微动参数估计值包括进动频率估计值、进动角估计值、半锥角估计值、母线长度估计值、锥体高度估计值和底面半径估计值。
进一步,所述进动频率估计值和进动角估计值的得到过程为:
对所述微距曲线进行傅里叶变换,获取其频域信息;
根据所述频域信息得到进动频率估计值;
根据所述进动频率估计值得到进动角估计值。
进一步,所述半锥角估计值、母线长度估计值、锥体高度估计值和底面半径估计值的得到过程为:
获取各时间观测到的两散射中心在所述微距曲线中的距离差;
计算两散射中心的距离在宽带雷达视线上的投影向量;
根据所述距离差和所述投影向量得到半锥角估计值;
根据所述半锥角估计值得到母线长度估计值、锥体高度估计值和底面半径估计值。
本发明一方面所采取的技术方案是:
一种宽带雷达目标微动参数估计***,其特征在于,包括:
高分辨率距离像模块,用于获取回波信号,根据所述回波信号得到目标的高分辨率距离像;
升采样模块,用于根据所述高分辨率距离像得到若干散射中心,并对每一散射中心进行升采样处理,获取若干帧脉冲;
相位信息模块,用于根据所述脉冲得到每一散射中心的航迹信息,并根据所述航迹信息得到对应的相位信息;
微距曲线生成模块,用于获取相邻两帧脉冲间隔的时延信息,根据所述时延信息对所述相位信息进行相位解缠得到解缠后相位信息,根据解缠后相位信息得到目标的微距曲线;
参数估计模块,用于根据所述微距曲线得到目标微动参数估计值。
本发明另一方面所采取的技术方案是:
一种宽带雷达目标微动参数估计装置,其特征在于,包括:
至少一个处理器;
至少一个存储器,用于存储至少一个程序;
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行,使得所述至少一个处理器实现所述宽带雷达目标微动参数估计方法。
本发明另一方面所采取的技术方案是:一种存储介质,其中存储有处理器可执行的指令,其特征在于,所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述宽带雷达目标微动参数估计方法。
本发明的有益效果是:本发明一种宽带雷达目标微动参数估计方法、***、装置及存储介质,通过对每一散射中心进行升采样处理,获取若干帧脉冲,根据所述脉冲得到每一散射中心的航迹信息,并根据所述航迹信息得到对应的相位信息,适应了低数据率条件下微距曲线的提取,实现了对高速微弱目标的积累检测;通过获取相邻两帧脉冲间隔的时延信息,根据所述时延信息对所述相位信息进行相位解缠得到解缠后相位信息,根据解缠后相位信息得到目标的微距曲线,能有效地解多普勒模糊,提高了目标微动参数估计的精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的宽带雷达目标微动参数估计方法流程示意图;
图2为本发明实施例提供的宽带雷达目标微动参数估计***结构框图;
图3为本发明实施例提供的宽带雷达目标微动参数估计装置结构框图;
图4为本发明实施例提供的整体思路示意图;
图5为本发明实施例提供的目标回波高分辨率距离像示意图;
图6为本发明实施例提供的航迹信息示意图;
图7为本发明实施例提供的解缠后相位信息示意图;
图8为本发明实施例提供的仿真实验微距曲线估计值与真实值的对比图:
图9为本发明实施例提供的仿真实验锥体高度估计误差随信噪比变化的示意图;
图10为本发明实施例提供的仿真实验底面半径估计误差随信噪比变化的示意图。
附图标记:
201、高分辨率距离像模块;202、升采样模块;203、相位信息模块;204、微距曲线生成模块;205、参数估计模块;301、处理器;302、存储器;401、微距曲线估计值;402、微距曲线真实值。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号,其仅为了便于阐述说明而设置,对步骤之间的顺序不做任何限定,实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参照图1,本发明提供了一种宽带雷达目标微动参数估计方法,包括以下步骤:
S101、获取回波信号,根据所述回波信号得到目标的高分辨率距离像;
具体地,获取回波信号,对所述回波信号进行脉冲压缩处理,根据脉冲压缩处理后的回波信号得到目标的高分辨率距离像。
其中,Ar,i表示第i个散射中心散射系数,ri(tm)表示第i个散射中心的微距离,λ=c/fc表示信号的载波波长,c表示光速,N表示目标等效散射中心个数,p1,p2,p3表示运动目标等效散射点,nr(tm)表示回波信号噪声。
若以单频脉冲发射,脉冲越窄,信号频带越宽。但发射很窄的脉冲,要有很高的峰值功率,实际困难较大,故本发明实施例采用大时宽的宽频带信号,接收后通过脉冲压缩处理得到窄脉冲。
其中,B表示信号带宽,As,i表示脉冲压缩后的信号幅度,Av,i表示包含sinc函数后的信号幅度,no(tm)表示脉冲压缩后的噪声。
S102、根据所述高分辨率距离像得到若干散射中心,并对每一散射中心进行升采样处理,获取若干帧脉冲;
如图5所示为本发明实施例目标回波高分辨率距离像示意图,由于宽带雷达具有较高的距离分辨率,因此根据得到的高分辨率距离像可以将散射中心分辨开,再对每一散射中心都进行升采样处理,获取若干帧脉冲。升采样处理可以提高脉冲信号的信噪比,使得后续目标微动参数的估计更加精确。
S103、根据所述脉冲得到每一散射中心的航迹信息,并根据所述航迹信息得到对应的相位信息;
具体地,根据所述脉冲和目标状态序列概率密度函数,估计得到目标状态序列;根据所述目标状态序列和预设的恒虚警概率检测门限得到每一散射中心的航迹信息;根据所述航迹信息和回波信号得到对应的相位信息。
本发明实施例中,采用改进的检测前跟踪算法求得每一散射中心的航迹信息,具体如下:
慢时间维第m个脉冲回波信号x(m)可以表示为:
将目标回波建模为二维x-y平面内运动的目标:xm+1=fm(xm,nm),其中nm表示过程噪声;
联合处理M个脉冲的航迹X1:M记为:X1:M=[x1,x2,…,xM];
根据x方向的分辨率Δm和y方向的分辨率Δθ,将整个测量平面分割成Mr×Mθ个分辨单元,其中Mr表示x方向的分辨单元个数,Mθ表示y方向的分辨单元个数;
联合处理M个脉冲记录为:Z1:M=[z1,z2,…,zM],
得到的相位信息θ1:M可以表示为:
如图6所示即为本发明实施例航迹信息示意图。上述改进的检测前跟踪算法中,通过CFAR的设置可以大大降低检测前跟踪算法的计算量,而且还适应了低数据率条件下微距曲线的提取,实现了对高速微弱目标的积累检测。
S104、获取相邻两帧脉冲间隔的时延信息,根据所述时延信息对所述相位信息进行相位解缠得到解缠后相位信息,根据解缠后相位信息得到目标的微距曲线;
具体地,对升采样处理后得到的脉冲进行自相关操作,得到相邻两帧脉冲间隔的时延信息;根据所述时延信息与所述相位信息得到解缠后相位信息;根据所述解缠后相位信息,利用相位测距原理得到目标的微距曲线。
众所周知,如果能从雷达中提取准确的多普勒相位Ω,我们就可以获得半波长量级的测量误差。然而,实际上,雷达只能提供模糊的多普勒相位θ,真实相位与模糊多普勒相位的关系如下式所示:
θm=Ωm-2kmπ+εm,
其中,θm表示mth回波相位,Ωm表示对应的mth无模糊的相位,km为一整数使得0≤Ωm-2kmπ+εm≤2π,εm表示无模糊的多普勒测量误差。
将(m+1)th和mth之间无模糊相位的变化定义为Dm=Ωm+1-Ωm,则相应的模糊多普勒相位的变化可以表示为:
dm=θm+1-θm
=Ωm+1-2km+1π+εm+1-Ωm+2kmπ-εm
=Dm-2(km+1-km)π+εm+1-εm
=Dm-2Nmπ+εm+1-εm
=Dm-2Nmπ
其中,Nm=km+1-km,θm和θm+1可以从上述步骤S103中得到。
由上式可以进一步得到mth和(m+1)th之间的无模糊相位差Dm=dm+2πNm,从而可以得到缠绕次数Nm。
两个信号之间的相似性是通过相关系数来衡量的,在mth和(m+1)th回波信号脉冲之间应用互相关,就可以得出信号跨度有多少个单元:
xcorr[x(m),x(m+1)]=fix(ΔNstep),其中,fix(ΔNstep)表示跨越距离单元。
则可以得到:
如图7所示即为本发明实施例解缠后相位信息示意图。
S105、根据所述微距曲线得到目标微动参数估计值;
具体地,所述目标微动参数估计值包括进动频率估计值、进动角估计值、半锥角估计值、母线长度估计值、锥体高度估计值和底面半径估计值。
本发明实施例中,根据所述微距曲线R,对其进行傅里叶变换,获取其频域信息:Fz=10lgFFT-1|FFT(R(t))|。由于频谱中的高频分量只由正弦函数叠加产生,不受其他分量影响,故选取高频分量频点位置信息即可得进动频率;
其主要峰值频点频率可以表示为:f=<{F|F>3dB}>,其中,F为估计所得瞬时微距曲线频谱,<·>表示取出峰值高度符合运算符内条件的峰值点对应位置频率,本发明实施例取出微距曲线频谱中峰值大于3dB的频点频率作为f的值;
由于瞬时微距曲线幅度项中耦合了目标物理参数信息,在微动参数估计时会增加估计难度。本发明实施例在估计前,对所得瞬时微距曲线做归一化处理,排除幅度因子的影响,瞬时微距曲线频谱幅度仅受到进动角的影响,将估计获取进动频率值作为已知信息来估计进动角。由上述内容可知,频谱中高频分量受到的误差干扰最少,故选取高频频点,以进动角以及摆动最大角度为参数,将参数估计问题转化为优化问题,对下式二维搜索,即可得到进动角估计值
所述半锥角估计值母线长度估计值锥体高度估计值和底面半径估计值的得到过程为:获取各时间观测到的两散射中心在所述微距曲线中的距离差;计算两散射中心的距离在宽带雷达视线上的投影向量;根据所述距离差和所述投影向量得到半锥角估计值;根据所述半锥角估计值得到母线长度估计值、锥体高度估计值和底面半径估计值。
本发明实施例中,将锥顶与锥底之间的距离ξ记为:ξ=R1-R3=Hcosγ(t)-rsinγ(t),其中,H表示锥体高度,r表示底面半径;
经推导可以得到:
如图4所示为本发明实施例整体思路示意图。本发明实施例根据回波信号得到目标高分辨率距离像,从而分辨散射中心,并对每一散射中心进行升采样处理获取脉冲;通过改进的检测前跟踪算法对宽带距离目标散射中心积累,得到航迹位置信息并返回回波数据中获取航迹多普勒相位信息;同时通过自相关操作解多普勒模糊,得到真实相位信息,然后根据相位测距原理得到微距曲线,进而进行参数估计。本发明实施例无需子孔径包络误差校正处理,对局部微距曲线可进行高阶扩展适应低数据率条件下的微距曲线提取,具有高精度的同时兼具运算效率高的优势。
以上是对本发明的方法步骤进行了说明,下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步说明。
本实验锥体目标仿真参数如下:
表1锥体目标参数
锥体高度H | 0.96m |
质心到顶面距离h | 0.64m |
底面半径r | 0.25m |
自旋频率f<sub>s</sub> | 4Hz |
锥旋频率f<sub>z</sub> | 2Hz |
进动角β | 10° |
本实验宽带雷达发射信号为线性调频信号,参数如下:
表2雷达***的主要参数
载频f<sub>c</sub> | 10GHz |
带宽B | 2GHZ |
脉冲宽度t<sub>p</sub> | 100μs |
脉冲重复周期prf | 1000Hz |
驻留时间T | 1s |
首先根据以上参数设置,经过上述步骤,得到目标的高分辨率一维距离像,由其中完整的曲线数量,确定散射中心的数量,并分别对每一散射中心进行升采样处理;然后采用检测前跟踪算法得到每一散射中心的航迹信息,并得到与所述航迹信息对应的相位信息;之后进行相位解缠得到解缠后相位信息,并根据相位测距原理得到微距曲线;最后根据所述微距曲线得到目标微动参数估计值。
表3为在30dB信噪比情况下,本发明的目标微动参数估计值与传统的仅距离像包络得到的目标微动参数估计值的对比:
表3信噪比30db情况下目标微动参数估计值对比
若以下式定义估计误差:
表4信噪比30db情况下目标微动参数估计误差对比
参照图8,结合表3和4可知,相对于传统的仅距离像包络参数估计的方法,本发明获得的目标微动参数估计值与真实值更为相近,能够更精确的估计出锥体目标的各项参数。
为充分验证该方法的抗噪性能,在其他条件不变的情况下,改变信噪比,目标锥体高度和底面半径的估计误差如图9和10所示,在信噪比高于7db的条件下,本发明参数估计误差未出现太大波动,说明本方法具有一定抗噪性。
参照图2,本发明还提供了一种宽带雷达目标微动参数估计***,包括:
高分辨率距离像模块201,用于获取回波信号,根据所述回波信号得到目标的高分辨率距离像;
升采样模块202,用于根据所述高分辨率距离像得到若干散射中心,并对每一散射中心进行升采样处理,获取若干帧脉冲;
相位信息模块203,用于根据所述脉冲得到每一散射中心的航迹信息,并根据所述航迹信息得到对应的相位信息;
微距曲线生成模块204,用于获取相邻两帧脉冲间隔的时延信息,根据所述时延信息对所述相位信息进行相位解缠得到解缠后相位信息,根据解缠后相位信息得到目标的微距曲线;
参数估计模块205,用于根据所述微距曲线得到目标微动参数估计值。
上述方法实施例中的内容均适用于本***实施例中,本***实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同,并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
参照图3,本发明还提供了一种宽带雷达目标微动参数估计装置,包括:
至少一个处理器301;
至少一个存储器302,用于存储至少一个程序;
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器301执行,使得所述至少一个处理器301实现所述宽带雷达目标微动参数估计方法。
上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中,本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同,并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
此外,本发明实施例还提供了一种存储介质,其中存储有处理器可执行的指令,所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述宽带雷达目标微动参数估计方法。
本发明一种宽带雷达目标微动参数估计方法、***、装置及存储介质,通过对每一散射中心进行升采样处理,获取若干帧脉冲,根据所述脉冲得到每一散射中心的航迹信息,并根据所述航迹信息得到对应的相位信息,适应了低数据率条件下微距曲线的提取,实现了对高速微弱目标的积累检测;通过获取相邻两帧脉冲间隔的时延信息,根据所述时延信息对所述相位信息进行相位解缠得到解缠后相位信息,根据解缠后相位信息得到目标的微距曲线,能有效地解多普勒模糊,提高了目标微动参数估计的精度;通过仿真实验可知,本发明能在较低的信噪比条件下达到较高的测距精度,具有较好的抗噪性。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明,但本发明并不限于所述实施例,熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换,这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种宽带雷达目标微动参数估计方法,其特征在于,包括以下步骤:
获取回波信号,根据所述回波信号得到目标的高分辨率距离像;
根据所述高分辨率距离像得到若干散射中心,并对每一散射中心进行升采样处理,获取若干帧脉冲;
根据所述脉冲得到每一散射中心的航迹信息,并根据所述航迹信息得到对应的相位信息;
获取相邻两帧脉冲间隔的时延信息,根据所述时延信息对所述相位信息进行相位解缠得到解缠后相位信息,根据解缠后相位信息得到目标的微距曲线;
根据所述微距曲线得到目标微动参数估计值;
所述根据所述脉冲得到每一散射中心的航迹信息,并根据所述航迹信息得到对应的相位信息这一步骤,其包括:
根据所述脉冲和目标状态序列概率密度函数,估计得到目标状态序列;
根据所述目标状态序列和预设的恒虚警概率检测门限,得到每一散射中心的航迹信息;
根据所述航迹信息和回波信号得到对应的相位信息。
2.根据权利要求1所述的一种宽带雷达目标微动参数估计方法,其特征在于,所述获取回波信号,根据所述回波信号得到目标的高分辨率距离像这一步骤,其具体为:
获取回波信号,对所述回波信号进行脉冲压缩处理,根据脉冲压缩处理后的回波信号得到目标的高分辨率距离像。
3.根据权利要求1所述的一种宽带雷达目标微动参数估计方法,其特征在于,所述获取相邻两帧脉冲间隔的时延信息,根据所述时延信息对所述相位信息进行相位解缠得到解缠后相位信息,根据解缠后相位信息得到目标的微距曲线这一步骤,其包括:
对所述脉冲进行自相关操作,得到相邻两帧脉冲间隔的时延信息;
根据所述时延信息与所述相位信息得到解缠后相位信息;
根据所述解缠后相位信息,利用相位测距原理得到目标的微距曲线。
4.根据权利要求1所述的一种宽带雷达目标微动参数估计方法,其特征在于,所述目标微动参数估计值包括进动频率估计值、进动角估计值、半锥角估计值、母线长度估计值、锥体高度估计值和底面半径估计值。
5.根据权利要求4所述的一种宽带雷达目标微动参数估计方法,其特征在于,所述进动频率估计值和进动角估计值的得到过程为:
对所述微距曲线进行傅里叶变换,获取其频域信息;
根据所述频域信息得到进动频率估计值;
根据所述进动频率估计值得到进动角估计值。
6.根据权利要求4所述的一种宽带雷达目标微动参数估计方法,其特征在于,所述半锥角估计值、母线长度估计值、锥体高度估计值和底面半径估计值的得到过程为:
获取各时间观测到的两散射中心在所述微距曲线中的距离差;
计算两散射中心的距离在宽带雷达视线上的投影向量;
根据所述距离差和所述投影向量得到半锥角估计值;
根据所述半锥角估计值得到母线长度估计值、锥体高度估计值和底面半径估计值。
7.一种宽带雷达目标微动参数估计***,其特征在于,包括:
高分辨率距离像模块,用于获取回波信号,根据所述回波信号得到目标的高分辨率距离像;
升采样模块,用于根据所述高分辨率距离像得到若干散射中心,并对每一散射中心进行升采样处理,获取若干帧脉冲;
相位信息模块,用于根据所述脉冲得到每一散射中心的航迹信息,并根据所述航迹信息得到对应的相位信息;
微距曲线生成模块,用于获取相邻两帧脉冲间隔的时延信息,根据所述时延信息对所述相位信息进行相位解缠得到解缠后相位信息,根据解缠后相位信息得到目标的微距曲线;
参数估计模块,用于根据所述微距曲线得到目标微动参数估计值;
所述相位信息模块具体用于:
根据所述脉冲和目标状态序列概率密度函数,估计得到目标状态序列;
根据所述目标状态序列和预设的恒虚警概率检测门限,得到每一散射中心的航迹信息;
根据所述航迹信息和回波信号得到对应的相位信息。
8.一种宽带雷达目标微动参数估计装置,其特征在于,包括:
至少一个处理器;
至少一个存储器,用于存储至少一个程序;
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行,使得所述至少一个处理器实现权利要求1-6任一项所述的一种宽带雷达目标微动参数估计方法。
9.一种存储介质,其中存储有处理器可执行的指令,其特征在于,所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行如权利要求1-6任一项所述的一种宽带雷达目标微动参数估计方法。
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