CN114384484B - 一种基于分段处理的匀加速运动目标快速相参积累方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于分段处理的匀加速运动目标快速相参积累方法，应用于雷达信号技术领域，针对现有技术存在的相参积累性能低下的问题；本发明首先，对基带回波信号进行脉冲压缩处理。然后，将脉压后的回波信号分成多个均匀时间片段，保证每个时间段内由加速度造成的二阶距离徙动与多普勒徙动能够被忽略。随后，对每个时间段内的一阶距离徙动进行校正，再通过慢时间快速傅里叶变换对校正后的段内目标能量进行相参积累。之后，校正补偿时间段间的二阶距离徙动与多普勒徙动，再将补偿后的多段信号能量进行相参积累。最后，沿快时间频率方向做逆快速傅里叶变换得到所有时间片段能量的相参积累结果。本发明的方法能够有效提高雷达对匀加速目标的能量聚焦性能。

Description

一种基于分段处理的匀加速运动目标快速相参积累方法

技术领域

本发明属于雷达信号技术领域，特别涉及一种匀加速运动目标的相参积累技术。

背景技术

随着航空航天技术快速发展与隐身技术的广泛应用，运动目标的有效检测成为雷达信号处理领域的难题。长时间积累技术能够显著地提高雷达的检测性能。然而，目标的复杂运动(包括速度和加速度)会导致一阶/二阶距离徙动与多普勒徙动，造成雷达积累检测性能损失。为此，需要在相参积累前对距离徙动与多普勒徙动实现有效校正补偿。

为了校正由目标速度造成的一阶距离徙动并获得良好的相参积累效果，多种方法被提出，例如Radon傅里叶变换、Keystone变换以及改进位置旋转变换。这三种方法均是通过二维运动参数搜索实现一阶距离徙动校正与能量相参积累。但是当目标的机动性较强时，上述方法会由于目标加速度引起的二阶距离徙动与多普勒徙动的影响而出现相参积累性能下降的问题。

为了校正补偿二阶距离徙动与多普勒徙动，相关学者相继提出了广义Radon傅里叶变换和Radon分数阶傅里叶变换等方法。尽管上述方法的积累检测性能较好，但计算复杂度较高。为此，许稼等人提出了混合积累方法，通过分段处理依次实现段内相参积累与段间非相参积累，但是该方法的积累增益会随着子片段的长度变短而下降。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于分段处理的匀加速运动快速相参积累方法，利用分段处理快速校正补偿匀加速运动目标的距离徙动与多普勒徙动并实现目标能量的相参积累。

本发明采用的技术方案为：一种基于分段处理的匀加速运动快速相参积累方法，包括：

S1、对雷达接收到的回波信号做脉冲压缩处理；

S2、将经脉冲压缩后的回波信号均匀分为多个时间段，每个时间段对应的经脉冲压缩后的回波信号具备以下特征：

该时间段内由加速度引起的二阶距离徙动与多普勒徙动能够忽略；

S3、对每个时间片段对应的脉冲压缩后的回波信号进行目标速度引起的一阶距离徙动校正；

S4、通过慢时间快速傅里叶变换对经步骤S3校正后的时间段内目标能量进行相参积累；

S5、对经步骤S4处理后的回波进行时间段间的二阶距离徙动与多普勒徙动校正补偿；

S6、将补偿后的多段信号能量进行相参积累；

S7、沿快时间频率方向做逆快速傅里叶变换得到所有时间片段能量的相参积累结果。

步骤S2所述该时间段内由加速度引起的二阶距离徙动与多普勒徙动能够忽略；具体为满足：

其中，W_s表示每个时间片段的脉冲数，c为光速，λ为波长，k_2,max表示可能的最大加速度值，f_s表示采样频率，T_r表示脉冲重复间隔。

步骤S3具体采用对每个时间段的回波信号进行位置旋转变换，实现目标速度引起的一阶距离徙动校正。

位置旋转变换的过程为：

对该时间段的回波信号的位置坐标以△σ为间隔遍历旋转角搜索值σ′(σ′∈[σ′_min,σ′_max])进行旋转，其中σ′_min和σ′_max分别是旋转角搜索范围的下界和上界；

每选择一个搜索值σ′，得到一个与之对应的旋转矩阵；

当旋转角搜索值与真实值相等时，根据对应的旋转矩阵得到该时间段内的一阶距离徙动校正结果。

步骤S5具体为：将每段相参积累后的回波信号沿快时间方向做快速傅里叶变换，构造快时间频域匹配滤波方程校正补偿时间段间的二阶距离徙动与多普勒徙动。

所述构造的快时间频域匹配滤波方程表达式为：

其中，f_c表示雷达载频，exp(·)表示以自然对数e为底指数函数。

本发明的有益效果：本发明的方法首先，对基带回波信号进行脉冲压缩处理。然后，制定分段准则将脉压后的回波信号分成多个均匀时间片段，保证每个时间段内由加速度造成的二阶距离徙动与多普勒徙动能够被忽略。随后，利用位置旋转变换对每个时间段内的一阶距离徙动进行校正，再通过慢时间快速傅里叶变换对校正后的段内目标能量进行相参积累。之后，将每段相参积累后的回波信号沿快时间方向做快速傅里叶变换，构造快时间频域匹配滤波方程校正补偿时间段间的二阶距离徙动与多普勒徙动，再将补偿后的多段信号能量进行相参积累。最后，沿快时间频率方向做逆快速傅里叶变换得到所有时间片段能量的相参积累结果；本发明的方法具有以下优点：

1、本发明采用分段处理且所有操作均利用快速傅里叶变换实现，提高了本发明的实时性；

2、在时间片段内与时间片段间均利用了目标回波的相位与幅度信息实现相参积累，能够有效提高雷达对匀加速目标的能量聚焦性能。

附图说明

图1是本发明实现的流程框图；

图2表示雷达接收到的目标回波脉冲压缩后的结果；

图3表示使用本发明第11个时间片段相参积累结果；

图4表示使用本发明所有时间片段相参积累结果；

图5表示使用现有混合积累方法的积累结果。

具体实施方式

本发明主要采用Matlab仿真实验的方法进行验证，在科学计算软件MatlabR2014a上验证本发明的正确性和有效性。下面结合图1-5给出本发明的具体实现方式.

如图1所示，本发明的方法包括以下步骤：

步骤1：将雷达接收到的线性调频波形多脉冲基带回波信号记为

为快时间，t_ω为慢时间，t_ω＝ωT_r(ω＝0,1,...,W-1)，W和T_r分别表示总脉冲数目和脉冲重复间隔。

定义匀加速目标与雷达在t_ω时刻的距离为：

其中r₀表示目标与雷达之间的初始距离；k₁和k₂分别为目标的速度和加速度。本实施例中设置：r₀＝50km，k₁＝102m/s，k₂＝10m/s²，脉冲压缩后的SNR＝6dB。

对

做脉冲压缩处理，将脉压后的时域回波信号记为

将

中的变量

和t_ω进行离散化处理，即

与ω＝t_ω/T_r，从而得到离散后在

域的回波信号记为

其中f_s＝mB表示采样频率，m为采样倍数，B表示信号带宽。离散后脉冲压缩结果如图2所示，目标能量分布在不同的距离单元中，发生了距离徙动。

步骤2：时间片段分段处理：制定分段准则将脉压后的回波信号均匀分为多个时间片段，保证每个时间段内由加速度引起的二阶距离徙动与多普勒徙动能够被忽略，即需满足

其中W_s＝W/P为每个时间片段的脉冲数，P为所有时间片段的数目，c为光速，λ为波长，k_2,max表示可能的最大加速度值。此时，以第p个时间段为例，其脉压结果记为

其中l为第p个时间段内的脉冲数；p∈[1,2,...,P]，l∈[0,1,2,...,W_s]。

步骤3：时间段内校正与相参积累：对每个时间段的回波信号进行位置旋转变换以校正目标速度引起的一阶距离徙动。具体是对

的位置坐标以△σ为间隔遍历旋转角搜索值σ′(σ′∈[σ′_min,σ′_max])进行旋转，其中σ′_min和σ′_max分别是旋转角搜索范围的下界和上界。每选择一个搜索值σ′就可得到一个与之对应的旋转矩阵，旋转矩阵具体表达式为

当旋转角搜索值与真实值相等时，即可获得第p个时间段内的一阶距离徙动校正结果

随后，通过慢时间做W点快速傅里叶变换，即可得到第p个时间段内的相参积累结果为

其中f_ω′为W点快速傅里叶变换后的慢时间频率。以第11个时间片段为例，其相参积累结果如图3所示。本步骤基于雷达对目标探测时的先验信息确定旋转角搜索上下界。

步骤4：时间段间补偿与相参积累：沿距离向对

做快速傅里叶变换得到

随后，构造频域匹配滤波方程

对时间段间的包络与相位差异进行频域补偿得到

其表达式为

其中，k′₁与k′₂分别为初始速度与加速度的搜索值。上式中频域匹配滤波方程的表达式为：

其中，f_c表示雷达载频，exp(·)表示以自然对数e为底指数函数。

当搜索值与真实值相等(即同时满足k′₁＝k₁与k′₂＝k₂)时，不同时间段间的包络与相位差异被完全补偿，所有P个时间段补偿后的距离频域回波信号表达式为

最后，对

沿距离频率方向做逆快速傅里叶变换即可得到段间目标能量的相参积累结果

所有时间片段的相参积累结果如图4所示，经过段内-段间两级相参积累，可以获得良好的积累聚焦结果。

为了说明本方法的有效性，图5给出了使用现有混合积累方法的积累结果。由于目标的加速度与时间片段长度受限的影响，混合积累方法积累失效。结合图4可以看出本发明的方法可有效进行相干积累。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种基于分段处理的匀加速运动快速相参积累方法，其特征在于，包括：

S1、对雷达接收到的回波信号做脉冲压缩处理；

S2、将经脉冲压缩后的回波信号均匀分为多个时间段，每个时间段对应的经脉冲压缩后的回波信号具备以下特征：

该时间段内由加速度引起的二阶距离徙动与多普勒徙动能够忽略；

S3、对每个时间片段对应的脉冲压缩后的回波信号进行目标速度引起的一阶距离徙动校正；

S4、通过慢时间快速傅里叶变换对经步骤S3校正后的时间段内目标能量进行相参积累；通过慢时间做W点快速傅里叶变换，即可得到第p个时间段内的相参积累结果为

其中f_ω′为W点快速傅里叶变换后的慢时间频率；

S5、对经步骤S4处理后的回波进行时间段间的二阶距离徙动与多普勒徙动校正补偿；步骤S5具体为：将每段相参积累后的回波信号沿快时间方向做快速傅里叶变换，构造快时间频域匹配滤波方程校正补偿时间段间的二阶距离徙动与多普勒徙动；所述构造的快时间频域匹配滤波方程表达式为：

其中，f_c表示雷达载频，exp(·)表示以自然对数e为底指数函数；

频域匹配滤波方程

对时间段间的包络与相位差异进行频域补偿得到

其表达式为

其中，k′₁与k′₂分别为初始速度与加速度的搜索值；

S6、将补偿后的多段信号能量进行相参积累；

S7、沿快时间频率方向做逆快速傅里叶变换得到所有时间片段能量的相参积累结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于分段处理的匀加速运动快速相参积累方法，其特征在于，步骤S2所述该时间段内由加速度引起的二阶距离徙动与多普勒徙动能够忽略；具体为每个时间片段的脉冲数满足：

其中，W_s表示每个时间片段的脉冲数，c为光速，λ为波长，k_2,max表示可能的最大加速度值，f_s表示采样频率，T_r表示脉冲重复间隔。

3.根据权利要求2所述的一种基于分段处理的匀加速运动快速相参积累方法，其特征在于，步骤S3具体采用对每个时间段的回波信号进行位置旋转变换，实现目标速度引起的一阶距离徙动校正。

4.根据权利要求3所述的一种基于分段处理的匀加速运动快速相参积累方法，其特征在于，位置旋转变换的过程为：

对该时间段的回波信号的位置坐标以△σ为间隔遍历旋转角搜索值σ′(σ′∈[σ′_min,σ′_max])进行旋转，其中σ′_min和σ′_max分别是旋转角搜索范围的下界和上界；

每选择一个搜索值σ′，得到一个与之对应的旋转矩阵；

当旋转角搜索值与真实值相等时，根据对应的旋转矩阵得到该时间段内的一阶距离徙动校正结果。

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