CN104330791B - 一种基于频域切变的相参积累方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于频域切变的相参积累方法，当目标回波包络在相参处理间隔内出现跨距离单元走动时，将距离‑慢时间维信号空间的包络走动轨迹看作图像，再通过频域切变处理方法进行一定角度的旋转平移，每一次旋转平移过程通过慢时间维快速傅里叶变换得到相参积累峰值；这样每一个旋转角度对应一个积累峰值，以最大峰值位置得到对应的目标轨迹的斜率、及起始距离，从而得到目标的运动轨迹。本发明有效实现距离走动校正和目标能量的积累，适用于雷达微弱目标信号检测、及雷达成像技术中距离走动校正，其精度高、运算速度快、易于工程实现、鲁棒性好。

Description

一种基于频域切变的相参积累方法

技术领域

本发明属于雷达系统中目标检测和跟踪技术领域，特别涉及一种基于频域切变的相参积累方法。

背景技术

隐身目标、无人机以及巡航导弹等微弱目标，对传统雷达系统构成严重的威胁，而长时间相参积累技术能有效的对隐身等微弱目标进行检测。但在雷达信号长时间相参积累处理中，目标运动引起的跨距离走动严重影响目标能量的积累和检测。并且伴随着雷达对高分辨率的需求，距离单元越来越小，跨距离单元现象更加严重。对于跨距离单元补偿问题，需要目标运动参数的精确估计，而一般情况下低信噪比(SNR)时，目标运动参数的精确估计是难以做到的。因此未知目标运动参数情况下，如何进行积累检测和改善积累检测的性能是长时间信号积累检测要研究的主要问题。

在成像系统中，逆合成孔径雷达(ISAR)的平动补偿包络对齐方法，如互相关法、模-1或模-2法、最小熵法等，在回波SNR较高时才有较好的包络对齐效果。对目标运动参数搜索类的方法，其时域移位或寻址量为整数，在未插值时有能量积累损失，并且运算量大。Keystone变换能够在一定速度范围内的跨距离单元进行统一补偿(详见“张顺生,曾涛,基于Keystone变换的微弱目标检测,电子学报,2005,33(6):1675-1678.”)，但是该算法需要对多普勒模糊数进行估计，否则性能严重下降。图像处理中，直线检测的Hough变换和Radon变换应用于“检测前跟踪(TBD)”技术中，但是由于非相参积累存在SNR阈值现象，对低SNR积累效率不高。相参Radon变换对微弱目标进行检测，其采用旋转和双线性插值实现Radon变换并通过多普勒滤波器进行相位补偿实现相参积累(详见“Javier C M,Javier G M,etal.,A Coherent Radon Transform for Small Target Detection,IEEE RaderConference,2009:1-4.”)，但是插值存在损失且容易导致旁瓣的产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于隐身等微弱目标回波信号，采用长时间相参积累技术过程出现的跨距离单元走动问题的解决方法。按照本发明提供的方法对微弱目标回波信号进行距离走动校正和相参积累，得到低信噪比下目标回波信号的能量积累，同时得到运动目标的轨迹信息。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于频域切变的相参积累方法，其中包含如下步骤：

S1、雷达对接收信号处理后得到基带信号，进一步得到包含目标的包络轨迹信号距离-慢时间维信号空间；

S2、根据目标的速度范围确定所要进行频域切变的角度范围，并确定角度搜索过程中的角度步进；

S3、对每一个搜索角度进行频域切变，来进行包络轨迹的搜索；

S4、沿慢时间维快速傅里叶变换完成一次角度搜索结果的多普勒滤波，得到快速傅里叶变换之后该角度对应的距离-多普勒参数空间；

S5、判断距离-多普勒参数空间峰值是否为最大峰值，如果是最大峰值，则返回最大峰值位置和对应的旋转角度；如果不是最大峰值，重复S3～S5，直至搜索角度遍历完毕，输出最大峰值位置及其对应的旋转角度；

S6、对返回的最大峰值所在的距离-多普勒参数空间进行恒虚警检测,如果过门限，则输出此时参数空间的距离信息，并根据此时的角度值得到目标的速度信息；

通过S1～S6，完成距离走动情况下的距离走动补偿，并得到相参积累结果，从而得到目标的运动轨迹。

优选示例的一种基于频域切变的相参积累方法中，包含如下步骤：

(1)雷达对接收信号处理后得到基带信号，进一步得到包含目标的包络轨迹信号距离-慢时间维信号空间。

(2)根据目标的速度范围确定所要进行频域切变的角度范围，并确定角度搜索过程中的角度步进Δθ。

(3)对包络轨迹s(t,t_m)进行频域切变进行包络轨迹的搜索。首先，初始化切变旋转角度。

(4)整个切变过程始终围绕信号空间的中心进行旋转平移。为了表示方便，将f(x,y)表示包络轨迹s(t,t_m)，u表示距离维x的频域，v表示慢时间维y的频域。则行切变过程表示为

M_x(x,y)＝IFFT_u{Q₁(u,y)FFT_x{f(x,y)}}

其中，FFT_x表示对x进行快速傅里叶变换；IFFT_u表示对u进行快速傅里叶逆变换；Q₁(u,y)为

其中，θ为切变旋转角度；M为相参处理间隔内的脉冲数；N为距离维采样点数。

(5)对行切变之后的信号空间进行列切变变换。即对M_x(x,y)进行列方向的变换：

M_yx(x,y)＝IFFT_v{Q₂(x,v)FFT_y{M_x(x,y)}}

其中，FFT_y表示对y进行快速傅里叶变换；IFFT_v表示对v进行快速傅里叶逆变换；Q₂(x,v)为

(6)对M_yx(x,y)进行行方向的变换：

M_xyx(x,y)＝IFFT_u{Q₁(u,y)FFT_x{M_yx(x,y)}}

上述(3)～(6)完成一次角度切变旋转变换。

(7)沿慢时间维快速傅里叶变换(FFT)完成一次角度搜索结果的多普勒滤波，FFT之后该角度对应的距离-多普勒参数空间。

(8)判断距离-多普勒参数空间峰值大小，如果是最大值返回峰值位置(距离、速度)和此时的对应的旋转角度θ；如果不是最大峰值，按角度步进更新旋转角度，并重复(4)～(7)，直至搜索角度遍历完毕，输出最大峰值位置、以及该最大值对应的角度。

(9)对返回的最大峰值所在的距离-多普勒参数空间进行恒虚警检测(CFAR)，如果过门限，则输出此时参数空间的距离信息，而目标的速度信息从此时的角度值得到。

通过以上步骤，即可完成距离走动情况下的距离走动补偿，并得到相参积累结果，从而得到目标的运动轨迹。

本发明提出基于频域切变的距离走动补偿及利用其进行相参积累的方法，与现有技术相比，本发明的创新点和优点在于：

1)采用频域切变的方法对目标轨迹进行寻找；2)通过峰值对应角度反推得到目标的速度，当回波包络发生距离走动时，即轨迹存在一定的斜率，就不存在速度模糊的问题；3)频域切变过程可以采用FFT实现，不存在速度模糊、插值损失问题，因此计算速度快，同时便于工程实现；4)频域进行距离走动的校正无需插值等操作，不会出现积累损失问题。

附图说明

图1：本发明实施流程图；

图2：目标包络轨迹所在距离-慢时间维信号空间示意图；

图3：频域切变后包络轨迹的位置示意图；

图4：频域切变具体实现过程。

具体实施方式

本发明涉及无线电回波信号在跨距离走动(包络走动)情况下，进行目标回波包络的补偿对齐，并完成回波能量相参积累的技术。

参照图1所示，为本发明所述基于频域切变的相参积累方法的实施流程图，其具体实施步骤如下：

步骤1，雷达接收到雷达回波数据进行混频得到基带雷达回波信号。

设远场、单目标回波信号在一个相参积累间隔(CPI)内雷达接收到的第m个回波基带信号为

s_r(t,t_m)＝A_rp(t-2R(t_m)/c)exp(-j4πf_cR(t_m)/c) (1)

其中，t和t_m分别为快时间和慢时间(t_m＝mT_r，且T_r为脉冲重复间隔(PRI))；f_c为载波频率；c为光速；A_r为点目标的回波幅度；p(t)表示发射的基带信号；R(t_m)＝R₀+v₁t_m其中R₀和R(t_m)分别为t₀和t_m时刻目标相对于雷达的径向距离；v₁为目标的速度。

步骤2，得到包含目标的包络轨迹信号空间。

对于式(1)，如果发射波形基带信号p(t)为方波，则式(1)表示回波的包络轨迹s(t,t_m)＝s_r(t,t_m)。如果发射波形基带信号为线性调频信号，则需要进行匹配压缩，则包络轨迹表示为

s(t,t_m)＝A₁Bsinc[B(t-2R(t_m)/c)]exp(-j4πf_cv₁t_m/c) (2)

其中，A₁＝A_rexp(-j4πf_cR₀/c)；B为信号带宽。s(t,t_m)所表示的距离-慢时间维信号空间如图2所示。

步骤3，对包络轨迹s(t,t_m)进行频域切变进行包络轨迹的搜索。进一步包括如下5个小步骤。

步骤3.1，根据目标的速度范围确定所要进行频域切变的角度范围。如果目标的速度范围为v_min≤v₁≤v_max，则所需要搜索的角度范围为

其中，ΔR为距离分辨率。

步骤3.2，确定角度搜索过程中的角度步进Δθ。Δθ由速度搜索间隔Δv决定，其设置方法为在积累时间内距离变化不超过1个距离分辨单元，即当相参积累时间MT_r(其中M为相参处理间隔内的脉冲数)确定后，速度搜索步长为Δv＝ΔR/(MT_r)。因此，角度搜索过程中步进为

其中，为当前速度。

确定了角度搜索范围和搜索步进后，对每一个搜索角度进行频域切变。整个切变过程需要两次行切变、及一次列切变，如下步骤3.3～步骤3.5所示。

步骤3.3，行切变变换。切变概念是图像处理中，对图像进行横向或者纵向拉伸，这里定义的频域切变，表示在频域进行数据空间的拉伸或者畸变，来使包络轨迹进行对齐。

整个切变过程始终围绕信号空间的中心进行旋转平移。为了表示方便，将f(x,y)表示包络轨迹s(t,t_m)，u表示距离维x的频域，v表示慢时间维y的频域。则行切变过程表示为

M_x(x,y)＝IFFT_u{Q₁(u,y)FFT_x{f(x,y)}} (5)

其中，FFT_x表示对x进行快速傅里叶变换；IFFT_u表示对u进行快速傅里叶逆变换；Q₁(u,y)为

其中，θ为旋转角度；N为距离维采样点数。

步骤3.4，列切变变换。对M_x(x,y)进行列方向的变换：

M_yx(x,y)＝IFFT_v{Q₂(x,v)FFT_y{M_x(x,y)}} (7)

其中，FFT_y表示对y进行快速傅里叶变换；IFFT_v表示对v进行快速傅里叶逆变换；Q₂(x,v)为

步骤3.5，行切变变换。最后对M_yx(x,y)进行行方向的变换：

M_xyx(x,y)＝IFFT_u{Q₁(u,y)FFT_x{M_yx(x,y)}} (9)

从步骤3.3～步骤3.5完成一次角度搜索的切变旋转过程，其几何关系如图2所示，具体频域切变过程如图4所示。

步骤4，多普勒滤波。沿慢时间维快速傅里叶变换(FFT)完成一次角度搜索结果的多普勒滤波，FFT之后该角度对应的距离-多普勒参数空间为

s_p(r,f_d)＝|FFT_y{M_xyx(x,y)}| (10)

其中，|·|表示取绝对值。

步骤5，判断。判断距离-多普勒参数空间峰值大小，如果是最大值返回峰值位置(距离、速度)和此时的对应的旋转角度θ；如果不是最大峰值，重复步骤3～步骤5，直至搜索角度遍历完毕，输出最大峰值位置、以及该最大值对应的角度。

步骤6，目标提取。对返回的最大峰值所在的距离-多普勒参数空间进行恒虚警检测(CFAR)，如果过门限，则输出此时参数空间的距离信息，而目标的速度信息从此时的角度值得到，表示如下：

通过以上步骤，即可完成距离走动情况下的距离走动补偿，并得到相参积累结果。从而得到目标的运动轨迹。

综上所述，本发明涉及一种能够快速实现在距离走动情况下的相参积累方法，解决了雷达回波包络轨迹出现跨距离单元走动现象时的距离补偿和相参积累问题。其实现步骤是：当目标回波包络在相参处理间隔内出现跨距离单元走动时，将距离-慢时间维信号空间的包络走动轨迹看作图像，在通过频域切变处理方法进行一定角度的旋转平移，每一次旋转平移过程通过慢时间维快速傅里叶变换得到相参积累峰值；这样每一个旋转角度对应一个积累峰值，以最大峰值位置得到对应的目标轨迹的斜率、及起始距离，从而得到目标的运动轨迹。本发明有效实现距离走动校正和目标能量的积累，适用于雷达微弱目标信号检测、及雷达成像技术中距离走动校正，其精度高、运算速度快、易于工程实现、鲁棒性好。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种基于频域切变的相参积累方法，其特征在于，包含如下过程：

S1、雷达对接收信号处理后得到基带信号，进一步得到包含目标的包络轨迹信号距离-慢时间维信号空间；

S2、根据目标的速度范围确定所要进行频域切变的角度范围，并确定角度搜索过程中的角度步进；

S3、对每一个搜索角度进行频域切变，来进行包络轨迹的搜索；

S4、沿慢时间维快速傅里叶变换完成一次角度搜索结果的多普勒滤波，得到快速傅里叶变换之后该角度对应的距离-多普勒参数空间；

S5、判断距离-多普勒参数空间峰值是否为最大峰值，如果是最大峰值，则返回最大峰值位置和对应的旋转角度；如果不是最大峰值，重复S3～S5，直至搜索角度遍历完毕，输出最大峰值位置及其对应的旋转角度；

S6、对返回的最大峰值所在的距离-多普勒参数空间进行恒虚警检测,如果过门限，则输出此时参数空间的距离信息，并根据此时的角度值得到目标的速度信息；

通过S1～S6，完成距离走动情况下的距离走动补偿，并得到相参积累结果，从而得到目标的运动轨迹。

2.如权利要求1所述的相参积累方法，其特征在于，

所述步骤1中，设远场、单目标回波信号在一个相参积累间隔内雷达接收到的第m个回波基带信号为

s_r(t,t_m)＝A_rp(t-2R(t_m)/c)exp(-j4πf_cR(t_m)/c)

其中，t和t_m分别为快时间和慢时间，t_m＝mT_r，且T_r为脉冲重复间隔；

f_c为载波频率；c为光速；A_r为点目标的回波幅度；p(t)表示发射波形基带信号；R(t_m)＝R₀+v₁t_m其中R₀和R(t_m)分别为t₀和t_m时刻目标相对于雷达的径向距离；v₁为目标的速度。

3.如权利要求2所述的相参积累方法，其特征在于，

如果发射波形基带信号p(t)为方波，则回波的包络轨迹表示为

s(t,t_m)＝s_r(t,t_m)；

如果发射波形基带信号为线性调频信号，则包络轨迹表示为

s(t,t_m)＝A₁Bsinc[B(t-2R(t_m)/c)]exp(-j4πf_cv₁t_m/c)

其中，A₁＝A_rexp(-j4πf_cR₀/c)；B为信号带宽。

4.如权利要求3所述的相参积累方法，其特征在于，

所述步骤2中，目标的速度范围为v_min≤v₁≤v_max时，所需要搜索的角度范围为

$\mathrm{\θ}\∈\left(arctan\right(\frac{v_{\min }{T}_r}{\mathrm{\Δ}R}),arctan(\frac{v_{max}{T}_r}{\mathrm{\Δ}R}\left)\right)$

其中，ΔR为距离分辨率。

5.如权利要求4所述的相参积累方法，其特征在于，

所述步骤2中，角度搜索过程中的角度步进Δθ：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=arctan\left(\frac{(\tilde{v}+\mathrm{\Δ}v)T_r}{\mathrm{\Δ}R}\right)-arctan\left(\frac{\tilde{v}{T}_r}{\mathrm{\Δ}R}\right)$

其中，为当前速度，速度搜索步长为Δv＝ΔR/(MT_r)；M为相参处理间隔内的脉冲数。

6.如权利要求1或5所述的相参积累方法，其特征在于，

所述S3中进一步包含如下过程：

S3-1、对包络轨迹s(t,t_m)进行频域切变进行包络轨迹的搜索；首先，初始化切变旋转角度；

S3-2、整个切变过程始终围绕信号空间的中心进行旋转平移；将f(x,y)表示包络轨迹s(t,t_m)，u表示距离维x的频域，v表示慢时间维y的频域；

则进行行切变的过程表示为

M_x(x,y)＝IFFT_u{Q₁(u,y)FFT_x{f(x,y)}}

其中，FFT_x表示对x进行快速傅里叶变换；IFFT_u表示对u进行快速傅里叶逆变换；Q₁(u,y)由下式得到：

$Q_1(u,y)=\exp \[\frac{-j2\mathrm{\π}(u-M/2)(y-N/2)}{M}tan(\mathrm{\θ}/2)\]$

其中，θ为切变旋转角度；M为相参处理间隔内的脉冲数；N为距离维采样点数；

S3-3、对第一次行切变之后的信号空间进行列切变变换；即对M_x(x,y)进行列方向的变换：

M_yx(x,y)＝IFFT_v{Q₂(x,v)FFT_y{M_x(x,y)}}

其中，FFT_y表示对y进行快速傅里叶变换；IFFT_v表示对v进行快速傅里叶逆变换；Q₂(x,v)由下式得到：

$Q_2(x,v)=\exp \[\frac{j2\mathrm{\π}(v-N/2)(x-M/2)}{N}sin\left(\mathrm{\θ}\right)\]$

S3-4、对M_yx(x,y)进行行方向的变换：

M_xyx(x,y)＝IFFT_u{Q₁(u,y)FFT_x{M_yx(x,y)}}

所述S3-1～S3-4完成一次角度切变旋转变换。