CN113009465B - 一种基于两次相位补偿的稳健自适应脉冲压缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于两次相位补偿的稳健自适应脉冲压缩方法，该方法首先补偿因距离采样失配引起的相位失配，然后补偿因脉内多普勒失配引起的相位失配；最后利用降维自适应脉冲压缩方法实现距离旁瓣抑制。本发明通过依次估计距离采样失配量和多普勒失配量，补偿回波中距离采样失配和多普勒失配引起的相位失配，解决了该相位失配造成的自适应脉冲压缩输出距离旁瓣显著升高的问题；同时，本发明针对距离维数据中多目标距离旁瓣相互影响的问题，通过构建不同匹配滤波波形间的协方差矩阵来描述多目标之间的相互影响程度，进而通过协方差矩阵求逆操作来抑制多目标的距离旁瓣。

Description

一种基于两次相位补偿的稳健自适应脉冲压缩方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理领域，具体涉及雷达信号的自适应脉冲压缩领域，特别是涉及一种基于两次相位补偿的稳健自适应脉冲压缩方法。

背景技术

随着雷达技术的广泛应用，用户对雷达***的作用距离、距离分辨能力、测量精度等性能指标提出了越来越高的要求，基于大时宽-带宽积信号的脉冲压缩技术能够同时满足雷达***对雷达探测距离和距离分辨率的要求。

传统的脉冲压缩技术通常采用匹配滤波(Matched Filter,MF)器来实现。匹配滤波器是一种在点目标和高斯白噪声条件下，使输出信噪比最大化的最佳线性滤波器。然而实际应用中，匹配滤器的输出存在强目标距离旁瓣可能会遮蔽邻近弱目标主瓣的问题。加窗脉冲压缩技术能够抑制强目标的部分距离旁瓣能量，但效果有限。而自适应脉冲压缩方法为解决这个问题提供了很好的思路。Blunt教授提出的基于迭代最小均方误差准则(Reiterative Minimum Mean Square Error,RMMSE)的自适应脉冲压缩(Adaptive PulseCompression,APC)方法利用目标距离维功率值为每一个距离单元设计相应的自适应滤波器，通过反复迭代即可获得良好的距离旁瓣抑制性能。然而目标回波脉冲中可能存在多普勒频率f_d，这将导致目标回波采样点复幅度与线性调频波形之间存在多普勒失配，进而导致二者之间出现相位失配。针对存在多普勒失配的情况，Blunt教授提出了基于多普勒补偿的自适应脉冲压缩方法，即在估计并补偿脉内多普勒频率的基础上，再进行自适应脉冲压缩，避免了多普勒失配造成自适应脉冲压缩性能严重下降的问题。

以上自适应脉冲压缩方法都假定目标点位于采样点上，即没有考虑距离采样失配的情况。距离采样失配是指雷达对目标回波脉冲信号进行距离维采样时，采样点不是正好位于目标所在距离点上，从而导致回波采样点距离与目标真实距离之间存在差异，进而使得回波采样点复幅度与目标真实点复幅度之间出现相位失配。这是一种很常见的现象。对于常用的线性调频信号来说，距离采样失配将会使其回波在自适应脉冲压缩过程中，难以在距离旁瓣处形成深凹口，从而造成自适应脉冲压缩性能的严重下降。对此，Blunt教授团队提出在一个距离单元中进行过采样的策略来抑制距离采样失配带来的影响，但过采样会导致存储量和计算量的大幅增加。而李秀友等人提出的一种基于线性约束最小方差准则的自适应脉冲压缩方法，通过设置主瓣宽度和干扰零点约束条件来解决距离采样失配问题，但是该算法需要事先界定目标的强弱，这在实际中很难定量操作。而且，对于同时出现多普勒失配和距离采样失配情况下的自适应脉冲压缩问题，目前尚未见报道。

发明内容

为了解决上述多普勒失配与距离采样失配同时出现情况下的自适应脉冲压缩的技术问题，本发明提供一种基于两次相位补偿的稳健自适应脉冲压缩方法，该方法首先补偿因距离采样失配引起的相位失配，然后补偿因脉内多普勒失配引起的相位失配；最后利用降维自适应脉冲压缩方法实现距离旁瓣抑制。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于两次相位补偿的稳健自适应脉冲压缩方法，具体包括如下步骤：

S1、利用线性调频信号序列对输入的距离维回波数据进行匹配滤波，并在输出结果的包络中找到最大值点；

S2、利用该最大值点对应的距离维回波数据，估计该最大值点对应的距离采样失配量和多普勒失配量，以此构建经过距离采样失配补偿和多普勒失配补偿的新匹配滤波器，并将其存入新匹配滤波器集合中；

S3、利用新匹配滤波器集合中的所有新匹配滤波器对输入的距离维回波数据进行降维自适应脉冲压缩处理，输出处理结果z_P；

S4、在输出处理结果z_P中，搜索新的信杂噪比不小于给定门限的最大值点，若存在这样的最大值点，则重复S2至S4，否则处理过程结束，输出z_P为算法最终处理结果。

优选地，所述S1中给定门限的选取方法为：雷达常用的脉冲压缩波形是线性调频波形，该波形匹配滤波输出的平均主副比一般在50dB左右，因此，给定门限的取值区间定为[48dB,52dB]。

优选地，所述S2中的距离采样失配量估计，具体为：

对S1中匹配滤波所用的线性调频信号序列进行分块，构建匹配滤波器矩阵；将该匹配滤波器矩阵与S2中最大值点对应的距离维回波数据进行乘积运算，然后利用输出矢量中的前后相邻两元素相除，并对商的相位取平均，即可得到由距离采样失配和多普勒失配引起的等效失配相位估计值

通过对采样间隔进行量化，即可根据等效失配相位估计得到距离采样失配量的估计值

优选地，所述S2中的多普勒失配量估计，具体为：

利用距离采样失配量的估计值对匹配滤波器进行补偿，得到经过距离采样失配补偿的匹配滤波器；将该匹配滤波器进行分块，构建匹配滤波器矩阵；将该匹配滤波器矩阵与S2中最大值点对应的距离维回波数据进行乘积运算，然后利用输出矢量中的前后相邻两元素相除，并对商的相位取平均，即可得到由多普勒失配引起的等效失配相位估计值

进而得到多普勒失配量的估计值

优选地，所述S3中的降维自适应脉冲压缩处理中的全矢量w(l)的计算方法，具体为：

降维自适应脉冲压缩处理包含三次迭代处理；在第三次迭代处理中，先是利用S2所述的新匹配滤波器集合中的所有经过距离采样失配补偿和多普勒失配补偿的新匹配滤波器，求解每个新匹配滤波器对应的协方差矩阵，然后按照如下方式计算w(l)，

其中，

为第i个新匹配滤波器对应的协方差矩阵；当距离采样点l对应有新匹配滤波器时，

就是该新匹配滤波器，否则

就是S1中所述的匹配滤波器。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过依次估计距离采样失配量和多普勒失配量，补偿回波中距离采样失配和多普勒失配引起的相位失配，解决了该相位失配造成的自适应脉冲压缩输出距离旁瓣显著升高的问题。

(2)本发明针对距离维数据中多目标距离旁瓣相互影响的问题，通过构建不同匹配滤波波形间的协方差矩阵来描述多目标之间的相互影响程度，进而通过协方差矩阵求逆操作来抑制多目标的距离旁瓣。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于两次相位补偿的稳健自适应脉冲压缩方法流程图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例1提供一种基于两次相位补偿的稳健自适应脉冲压缩方法，具体包括如下步骤：

S1、利用匹配滤波器发射的线性调频信号序列s对输入的雷达距离维回波数据y进行匹配滤波，输出处理结果z₀，并找到该处理结果的包络的最大值点；同时，记循环处理次数P＝0；

其中，发射的线性调频信号波形在1倍带宽采样条件下得到线性调频信号序列，记为s：

其中，N为一个脉冲内的采样点数，ξ为调频斜率，T_s为脉内采样间隔。

S2、针对信杂噪比不小于50dB的包络最大值点，先进行距离采样失配量估计，然后通过在线性调频信号序列中补偿距离采样失配引起的相位失配，构建出经过距离采样补偿的匹配滤波器；

S21、从处理结果中搜索信杂噪比不小于50dB的包络最大值点；

对于第P次循环，如果该包络最大值点对应的信杂噪比小于50dB且P＝0，则算法结束，输出处理结果z₀；如果该包络最大值点对应的信杂噪比小于50dB且P>0，则算法结束，输出处理结果z_P；

如果该包络最大值点对应的信杂噪比不小于50dB，则P＝P+1，给出该包络最大值点对应的距离位置，记为a_P，并将a_P存入集合A中，同时提取输入的距离维回波数据y中a_P对应的回波脉冲内所有采样点，记为：

y(a_P)＝[y(a_P),y(a_P+1),＝,y(a_P+N-1)]^T

其中，上标T表示矢量或矩阵的转置。

S22、针对信杂噪比不小于50dB的包络最大值点，先进行距离采样失配量估计，然后通过在线性调频信号序列中补偿距离采样失配引起的相位失配，构建出经过距离采样补偿的匹配滤波器；

对线性调频信号序列s进行分块，构建匹配滤波器矩阵。将该匹配滤波器矩阵与y(a_P)进行乘积运算，然后利用该乘积结果估计距离采样失配量，用于补偿s中因距离采样失配引起的相位失配，构建出经过距离采样失配补偿的匹配滤波器

具体为：首先，对于第P次循环，将线性调频脉冲序列s分成M+1块，M＝N/2，从而构建匹配滤波器矩阵D_MF。

其中，

为s的第m+1分块矢量，0≤m≤M；上标H表示矢量或矩阵的共轭转置。

然后，将匹配滤波器矩阵D_MF与y(a_P)做乘积运算，得到M+1维矢量g(a_P)＝D_MFy(a_P)。

由于针对的是信杂噪比大于50dB的大目标，因此距离位置a_P对应的y(a_P)中所有采样点y(a_P),y(a_P+1),…,y(a_P+N-1)的幅值可由该大目标的幅值

来近似。因此，y(a_P)可重写为：

其中，Δt表示距离采样失配，f_d表示多普勒失配。

因此，可得g(a_P)＝[g₍₀₎(a_P),g₍₁₎(a_P),…,g_(m)(a_P),…,g_(M)(a_P)]^T的第m+1个元素为：

将g(a_P)中前后相邻两元素相除，并对相位取平均，即可得到由距离采样失配和多普勒失配引起的等效失配相位，记为

其中，∠[·]表示求相位角函数。

将采样间隔T_s平均分成q份，每份的时间跨度为ΔT＝T_s/q，利用ΔT可对距离采样失配程度Δt进行量化。然后考虑到ξΔt＞＞f_d，利用

得到距离采样失配量的估计值

式中，

表示向下取整运算。

利用距离采样失配量的估计值

补偿s中因距离采样失配引起的相位失配，从而得到经过距离采样失配补偿的匹配滤波器，记为

S3、然后进行多普勒失配量估计，在步骤S2中构建的经过距离采样失配补偿的匹配滤波器的基础上补偿因多普勒失配引起的相位失配，形成经过距离采样失配补偿和多普勒失配补偿后的新匹配滤波器集合B；

对步骤S2构建的

进行分块，从而得到新的匹配滤波器矩阵。将该匹配滤波器矩阵与y(a_P)做乘积运算，然后利用乘积结果估计多普勒失配量，用于补偿

中因多普勒失配引起的相位失配，从而构建新匹配滤波器，并将该匹配滤波器保存在经过距离采样失配补偿和多普勒失配补偿后的新匹配滤波器集合中B；

具体为：

对于第P次循环，将

分成M+1块，M＝N/2，从而构建匹配滤波器矩阵E_MF。

其中，

为

的第m+1分块矢量，0≤m≤M。

利用匹配滤波器矩阵E_MF对y(a_P)做乘积运算，得到M+1维矢量h(a_P)＝E_MFy(a_P)。

将h(a_P)中前后相邻两元素相除，并对其相位取平均，即可得到由多普勒失配引起的等效失配相位，记为

其中，h_(m)(a_P)是h(a_p)的第m+1个元素，可表示为：

由于

利用

估计多普勒失配量

利用多普勒失配量的估计值

补偿

中因多普勒失配引起的相位失配，从而得到新的匹配滤波器，记为

并将

保存在经过距离采样失配补偿和多普勒失配补偿后的新匹配滤波器集合B中，且B中的

与集合A中的a_P一一对应。

S4、利用新匹配滤波器集合B对输入的距离维回波数据进行降维自适应脉冲压缩处理，并在输出的处理结果中搜索新的包络最大值点。

利用步骤S3输出的新匹配滤波器集合B中的所有经过距离采样失配补偿和多普勒失配补偿的新匹配滤波器对输入的距离维回波数据y进行基于最小方差无畸变响应原则的降维自适应脉冲压缩处理。该处理包含r＝3次循环迭代运算。

r＝0时，I中的

分别与输入的距离维回波数据y做匹配滤波，并将滤波结果取模平方，得其功率值

其中，y(l)＝[y(l),y(l+1),…,y(l+N-1)]^T；

当r＝1和2时，先将

分成C个分块，其中C是大于1小于N的整数，且能整除N。

的第c(c＝1,…,C)个分块

是长度为K＝N/C的矢量，表示为：

针对距离位置l，(r-1)(N-1)<l<||y||-(r-1)(N-1)(||y||表示y的长度)，计算协方差矩阵

其中，

的第c个子阵

为：

上式中

是以

为基础移位得到的K维向量：

若在移位过程中，k＜-N+cK或k＞(c-1)K使得(c-1)K-k,(c-1)K-k+1,(c-1)K-k+2,(c-1)K-k+3,…,cK-k-1中的一个或多个索引值为小于0或大于N-1时，则需要将

中对应位置的元素用0替代。

用下式计算第r次迭代输出的距离维回波功率值的估计值，

遍历所有的l，(r-1)(N-1)<l<||y||-(r-1)(N-1)，和所有的i，i＝1,2,…,P，计算

当r＝3时，采用与r＝1和2时相同的计算方法计算

进而计算权矢量w(l)，

式中，当l＝a_i∈A时，则

用

代入计算，否则

用s代入计算。I为单位阵，噪声方差

可由雷达***给出。

计算z_P(l)＝w^H(l)y(l)，遍历所有的l，(r-1)(N-1)<l<||y||-(r-1)(N-1)，得到降维自适应脉冲压缩的最终输出结果z_P＝[z_P((r-1)(N-1)+1)，…，z_P(||y||-(r-1)(N-1)-1)]^T。

S5、对步骤S4的输出z_P取包络得到|z_P|，并|z_P|中在搜索新的包络最大值点，其中“新”的意思是新搜索到的包络最大值点不在集合A中；然后进入步骤S2。

综上，本发明通过依次估计距离采样失配量和多普勒失配量，补偿回波中距离采样失配和多普勒失配引起的相位失配，解决了该相位失配造成的自适应脉冲压缩输出距离旁瓣显著升高的问题；同时，本发明针对距离维数据中多目标距离旁瓣相互影响的问题，通过构建不同匹配滤波波形间的协方差矩阵来描述多目标之间的相互影响程度，进而通过协方差矩阵求逆操作来抑制多目标的距离旁瓣。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于两次相位补偿的稳健自适应脉冲压缩方法，其特征在于：

S1、对输入的距离维回波数据进行匹配滤波，并在匹配滤波输出结果中搜索信杂噪比不小于给定门限的最大值点；

S2、利用该最大值点对应的距离维回波数据，估计该最大值点对应的距离采样失配量和多普勒失配量，以此构建经过距离采样失配补偿和多普勒失配补偿的新匹配滤波器，并将其存入新匹配滤波器集合中；

所述距离采样失配量估计具体为：对S1中匹配滤波所用的线性调频信号序列进行分块，构建匹配滤波器矩阵；将该匹配滤波器矩阵与S2中最大值点对应的距离维回波数据进行乘积运算，然后利用输出矢量中的前后相邻两元素相除，并对商的相位取平均，得到由距离采样失配和多普勒失配引起的等效失配相位估计值

再通过对采样间隔进行量化，得到距离采样失配量的估计值

其中ξ为线性调频信号的调频斜率，T_s为脉内采样间隔，将采样间隔T_s平均分成q份，每份的时间跨度为ΔT＝T_s/q；

所述多普勒失配量估计具体为：利用距离采样失配量的估计值对匹配滤波器进行补偿，得到经过距离采样失配补偿的匹配滤波器；将该匹配滤波器进行分块，构建匹配滤波器矩阵；将该匹配滤波器矩阵与S2中最大值点对应的距离维回波数据进行乘积运算，然后利用输出矢量中的前后相邻两元素相除，并对商的相位取平均，得到由多普勒失配引起的等效失配相位估计值

进而得到多普勒失配量的估计值

S3、利用新匹配滤波器集合中的所有新匹配滤波器对输入的距离维回波数据进行降维自适应脉冲压缩处理，并在输出结果中搜索新的信杂噪比不小于给定门限的最大值点，若存在这样的最大值点，则重复S2和S3，否则处理过程结束，输出降维自适应脉冲压缩处理结果为算法最终处理结果。

2.根据权利要求1所述的基于两次相位补偿的稳健自适应脉冲压缩方法，其特征在于，所述S1中给定门限的选取方法具体为：设置给定门限的取值区间为[48dB,52dB]。

3.根据权利要求1所述的基于两次相位补偿的稳健自适应脉冲压缩方法，其特征在于，所述S3中的降维自适应脉冲压缩处理中的权矢量w(l)的计算方法具体为：

在第三次迭代处理中，先是利用S2所述的新匹配滤波器集合中的所有经过距离采样失配补偿和多普勒失配补偿的新匹配滤波器，求解每个新匹配滤波器对应的协方差矩阵，然后按照如下方式计算w(l)，

其中，

为噪声方差，可由雷达***给出，σ_n是

的开方值，表示噪声标准差；I为经过距离采样失配补偿和多普勒失配补偿后所得到的匹配滤波器集合，且i∈I；I为单位阵；

为第i个新匹配滤波器对应的协方差矩阵；当距离采样点l对应有新匹配滤波器时，

就是该新匹配滤波器，否则

就是S1中所述的匹配滤波器。

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