一种超高速目标回波信号处理方法、系统和装置与流程

1.本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种超高速目标回波信号处理方法、系统和装置。


背景技术：

2.稳健和有效的雷达动目标检测始终是雷达信号处理领域的难题，所以研究雷达对快速目标检测的信号处理方法具有重要意义。近年来，随着目标装备的发展，高速目标层出不穷。这些目标具有隐身性能好，速度快等特点。因此，当雷达照射到这类目标，会引起回波的相位变化，同时，目标将跨越多个距离单元，产生距离徙动效应，使得目标能量分散，降低了相参积累增益和mtd性能，导致雷达无法准确地估计出目标的距离，速度等信息，提高雷达探测目标的难度。
3.目前现有的运动目标检测方法主要采用两类常规算法。一类是非相参算法，包括tbd、hough变换等，即通过轨迹搜索方法，把可能是同一运动轨迹的回波能量进行幅值积累，也称长时间非相参积累，对系统没有严格的相参要求，该方法在工程实现上比较简单，但其信号积累效率和snr改善均明显低于相参积累方法，不适于在复杂环境下微弱动目标的检测。另一类是相参算法，例如keystone变换，其通过插值对原有的坐标轴进行尺度变换，从而有效地校正目标运动导致的跨距离单元走动，但是对于目标出现多普勒模糊的情况，keystone变换还需搜索模糊数。
4.针对高速运动的目标，上述现有技术中常规算法采用传统的停走模型对回波进行建模。
5.雷达发射的线性调频脉冲信号表示为：
[0006][0007]
其中，表示快时间变量，t
p
表示脉宽，fc表示载频，k表示调频斜率。
[0008]
对于传统的停走模型，目标相对雷达的瞬时斜距可以表示为：
[0009]
r(tm)＝r0 vtmꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0010]
其中，r0表示目标的初始径向距离；v表示目标的初始径向速度；tm＝mtr(m＝0,1,2,...m-1)表示慢时间变量，m表示脉冲数，tr表示脉冲重复间隔。
[0011]
停走模型下的目标回波信号可表示为：
[0012][0013]
其中，tm＝mtr(m＝0,1,2,...m-1)表示慢时间变量，m表示脉冲数，tr表示脉冲重复间隔；表示快时间变量；τm＝2r(tm)/c，表示第m个脉冲的时延，c为光速；t
p
表示脉宽；k表示调频斜率；fc表示载频。
[0014]
停走模型内的目标瞬时斜距是一个随着tm变化而变化的序列，即只考虑了相邻脉
冲间目标运动产生的位置变化。
[0015]
可以看出，上述算法还存在着一定缺陷，即只针对传统停走模型下的回波进行处理，忽略了目标在一个脉冲持续时间内的脉内运动。高速运动的目标在停走模型下的回波波形会出现收缩或拉伸的尺度变换，从而与发射的参考信号出现失配，导致脉冲压缩输出结果出现主瓣展宽和偏移，影响传统匹配滤波算法性能。因此，这些算法只适用于窄带信号或低速运动目标的场合。所以，需要提出一种针对多普勒脉冲雷达体制，实现超高速目标探测的回波信号处理方法。


技术实现要素：

[0016]
本发明目的是针对多普勒脉冲雷达探测远距离超高速目标的情形，提供一种超高速目标回波信号处理方法、系统和装置，能很好地解决了高速目标回波的距离徙动问题和回波尺度变换导致的失配滤波，从而更加精确地估计出了目标速度和距离信息。
[0017]
具体地说，一方面，本发明提供了一种超高速目标回波信号处理方法，包括：
[0018]
构造参考信号：将高速目标可能的径向运动速度区间划分为多个速度档，在每一速度档vi中，构造相应的参考信号；
[0019]
匹配滤波：在每一速度档vi中，将脉内运动模型的目标回波的距离维频谱与所述参考信号的共轭进行相乘，得到频域脉冲压缩结果：当速度档位vi的值与目标径向运动速度相等时，参考信号与回波信号匹配；
[0020]
构造徙动相位补偿函数：在每一速度档vi中，构造徙动相位补偿函数，进行慢时间维相位补偿，消除目标回波中的距离徙动；
[0021]
距离维ifft：对经过徙动相位补偿的回波信号进行距离维ifft处理；
[0022]
mtd处理：对距离维ifft的输出信号进行mtd处理。
[0023]
进一步地，所述脉内运动模型的目标回波的距离维频谱为：
[0024][0025]
其中，tm表示慢时间变量；表示快时间变量；f表示对应的距离频率变量；fd表示目标多普勒频率；α＝1-2v/c表示尺度变换因子；k表示调频斜率；t
p
表示发射信号时宽；fc表示发射信号载频；τm＝2r(tm)/c，表示第m个脉冲的时延。
[0026]
进一步地，所述参考信号s
ref2
(f)为：
[0027][0028]
其中，f
di
＝-2vi/λ，表示速度档vi对应的多普勒频率；αi＝1-2vi/c，表示速度档vi对应的尺度变换因子；f表示对应的距离频率变量；k表示调频斜率；t
p
表示发射信号时宽。
[0029]
进一步地，所述多个速度档档间距δv的取值原则为：其导致的距离徙动量在整个相参积累时间t内不超过一个距离门，即其中，c为光速；b为回波信号带宽。
[0030]
进一步地，所述徙动相位补偿函数为：
[0031][0032]
其中，tm＝mtr(m＝0,1,2,...m-1)表示慢时间变量；f表示对应的距离频率变量；fc表示载频；αi＝1-2vi/c，是速度档vi的尺度变换因子；c为光速。
[0033]
进一步地，在mtd处理之后还包括：根据各速度档的处理结果中最大mtd峰值，获得最大mtd峰值对应的速度信息，作为目标的速度信息。
[0034]
进一步地，在mtd处理之后还包括：根据mtd主峰对应的距离坐标，换算出目标真实距离即其中α为尺度变换因子；为mtd平面上的主峰对应距离值。
[0035]
另一方面，本发明还提供了一种超高速目标回波信号处理系统，用于实现上述超高速目标回波信号处理方法，包括回波产生模块、匹配滤波模块、徙动补偿模块和mtd模块；
[0036]
所述回波产生模块，产生脉内运动模型下的超高速目标回波；
[0037]
所述匹配滤波模块，构造参考信号，并利用所述参考信号对所述超高速目标回波进行匹配滤波；
[0038]
所述徙动补偿模块，构造徙动相位补偿函数，并利用所述补偿函数消除超高速目标回波的距离徙动；
[0039]
所述mtd模块，用于进行慢时间fft处理。
[0040]
再一方面，本发明还提供了一种超高速目标回波信号处理装置：所述装置包括存储器和处理；所述存储器存储有实现超高速目标回波信号处理方法的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序，以实现上述方法的步骤。
[0041]
本发明的超高速目标回波信号处理方法的有益效果如下：
[0042]
针对多普勒脉冲雷达探测远距离超高速目标的情形，本发明提出的对超高速目标的信号检测方法，相比于常规算法，着重考虑了超高速目标脉内运动的影响，并且通过多速度档处理，建立了更精确的回波模型，提出有效的匹配滤波算法，从而实现回波的相参积累和目标检测，很好地解决了高速目标回波的距离徙动问题和回波尺度变换导致的失配滤波，从而更加精确地估计出了目标速度和距离信息，具有很强的实际应用价值。
[0043]
本发明通过构建特定的参考信号，与所构造的精确回波模型进行匹配，从而实现脉冲压缩，可以避免采用传统参考信号实现脉压时会出现的主峰展宽和偏移现象。
[0044]
本发明将高速目标可能的径向运动速度区间划分为多个速度档，可以找到较为准确的目标速度值，并用以构造参考信号和徙动相位补偿函数，从而分别实现匹配滤波和距离徙动校正。
[0045]
本发明采用相位补偿可以补偿由于慢时间与距离频率之间存在耦合相位而造成的超高速目标回波会出现距离徙动现象，从而校正距离徙动、避免相参积累性能损失。
附图说明
[0046]
图1是本发明的系统组成示意图。
[0047]
图2是本发明的方法流程图。
[0048]
图3是现有技术中常规算法下目标回波信号的脉冲压缩处理结果示意图。
[0049]
图4是现有技术中常规算法下目标回波信号出现距离徙动现象示意图。
[0050]
图5是现有技术中常规算法下目标回波信号的mtd结果示意图。
[0051]
图6是本实施例的目标回波信号在各速度档的脉冲压缩处理结果示意图。
[0052]
图7是本实施例的脉冲压缩和目标检测算法下目标1的脉冲压缩处理结果示意图。
[0053]
图8是本实施例的脉冲压缩和目标检测算法下目标1回波徙动校正后的轨迹示意图。
[0054]
图9是本实施例的脉冲压缩和目标检测算法下目标1回波的mtd结果示意图。
[0055]
图10是在本实施例的脉冲压缩和目标检测算法下目标2的脉冲压缩处理结果示意图。
[0056]
图11是在本实施例的脉冲压缩和目标检测算法下目标2回波信号徙动相位补偿后的轨迹示意图。
[0057]
图12是在本实施例的脉冲压缩和目标检测算法下目标2回波信号的mtd结果示意图。
[0058]
图13是在噪声环境中现有技术中常规算法下目标的mtd结果示意图。
[0059]
图14是在噪声环境本实施例的脉冲压缩和目标检测算法下目标回波信号在各速度档的脉冲压缩处理结果示意图。
[0060]
图15是在噪声环境本实施例的脉冲压缩和目标检测算法下目标1回波信号的mtd结果示意图。
[0061]
图16是在噪声环境本实施例的脉冲压缩和目标检测算法下目标2回波信号的mtd结果示意图。
具体实施方式
[0062]
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。
[0063]
实施例1：
[0064]
针对多普勒脉冲雷达探测远距离超高速目标的情形，本发明采用脉内运动模型更精确地对高速运动目标的回波信号进行建模。本发明的一个实施例，为一种超高速目标回波信号处理方法和系统。如图1所示，本实施例的超高速目标回波信号处理系统包括回波产生模块、匹配滤波模块、徙动补偿模块和mtd模块。其中，回波产生模块，产生脉内运动模型下的超高速目标回波；匹配滤波模块，利用参考信号对回波进行匹配滤波；徙动补偿模块，利用徙动相位补偿函数消除回波距离徙动；mtd模块，用于进行慢时间fft(fast fourier transform，快速傅立叶变换)处理，从而实现相参积累。
[0065]
脉内运动模型下的目标相对雷达的瞬时斜距由快时间和慢时间同时决定，表示为：
[0066]
r(t)＝r0 vt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，r0表示目标的初始径向距离；v表示目标的初始径向速度；表示全时间变量，表示快时间变量，tm＝mtr(m＝0,1,2,...m-1)表示慢时间变量，m表示脉冲数，tr表示脉冲重复间隔。
[0067]
将式(4)中的r(t)替换式(3)中的r(tm)(式中r(tm)＝cτm/2)，可得脉内运动模型下的时域目标回波信号可表示为：
[0068][0069]
其中，表示快时间变量，tm＝mtr(m＝0,1,2,...m-1)表示慢时间变量，m表示脉冲数，tr表示脉冲重复间隔；τm＝2r(tm)/c，表示第m个脉冲的时延，c为光速；t
p
表示脉宽；α＝1-2v/c是尺度变换因子，v表示目标的初始径向速度；fd＝-2v/λ，是目标的多普勒频率，λ＝c/fc，是发射信号波长，fc表示载频。
[0070]
比较传统的停走模型与本发明的脉内运动模型的回波(式(3)和式(5))可看出，相比于停走模型，脉内运动模型下的目标回波脉冲宽度和时延都发生了改变，如下表所示。
[0071]
参数停走模型脉内运动模型脉冲时延τmτm/α脉冲宽度t
p
t
p
/α
[0072]
计算发射和接收脉冲之间的宽度差δt
p
：
[0073][0074]
其中，t
p
表示脉宽；α＝1-2v/c表示尺度变换因子，v表示目标的初始径向速度，c为光速。
[0075]
因此，当宽度差δt
p
大于即目标的初始径向速度大于时，回波的形变不可忽略，将对常规的脉冲压缩和目标检测造成影响，b为回波信号带宽。
[0076]
为了解决高速目标回波形变不可忽略对常规脉冲压缩和目标检测造成的影响，本发明的超高速目标回波的信号处理方法采用改进的基于多速度档处理的脉冲压缩和目标检测算法进行脉冲压缩处理，如图2所示。具体过程包括：
[0077]
1、构建参考信号。
[0078]
脉内运动模型的目标回波的距离维频谱s
r2
(tm,f)可由下式求得：
[0079][0080]
其中，tm表示慢时间变量；表示快时间变量；f表示对应的距离频率变量；fd表示目标多普勒频率；α＝1-2v/c表示尺度变换因子；k表示调频斜率；t
p
表示发射信号时宽；fc表示发射信号载频；τm＝2r(tm)/c，表示第m个脉冲的时延。
[0081]
由式(7)可见，相比于传统停走模型下的回波频谱，脉内运动模型下的回波频谱出现了多普勒频移和尺度变换的现象，为了实现匹配滤波，需要构造特定的参考信号。
[0082]
将高速目标可能的径向运动速度区间(例如假设高速目标可能的径向运动速度区间为0m/s～9000m/s)划分为多个速度档。各个速度档档间距δv的取值原则为：其导致的距离徙动量在整个相参积累时间t内不超过一个距离门，即(例如，取δv＝100m/s)。通过匹配滤波模块，在每一速度档vi中，构造以下的参考信号s
ref2
(f)：
[0083][0084]
其中，f
di
＝-2vi/λ，表示速度档vi对应的多普勒频率；αi＝1-2vi/c，表示速度档vi对应的尺度变换因子；f表示对应的距离频率变量；k表示调频斜率；t
p
表示发射信号时宽。
[0085]
参考信号的构造可以由回波产生模块完成。
[0086]
可以理解，本发明的超高速目标回波信号处理方法和系统也可用于超高速目标频域回波信号，此时不再需要对其进行距离维fft，直接进行速度分档。
[0087]
2、匹配滤波。
[0088]
利用上述构造出的参考信号s
ref2
(f)，在每一速度档vi中，将脉内运动模型的目标回波的距离维频谱s
r2
(tm,f)(时域目标回波信号经距离维fft处理所得)和参考信号s
ref2
(f)的共轭s
ref2*
(f)进行相乘，可得到回波频域脉冲压缩结果s
c2
(tm,f)：
[0089][0090]
当vi＝v时，即速度档位vi的值与目标径向运动速度相等，参考信号与回波匹配，可得：
[0091][0092]
其中，f表示对应的距离频率变量；fd表示目标多普勒频率；α＝1-2v/c表示尺度变换因子；k表示调频斜率；t
p
表示发射信号时宽；fc表示发射信号载频；τm＝2r(tm)/c，表示第m个脉冲的时延
[0093]
3、构造徙动相位补偿函数。
[0094]
为了防止距离徙动现象，在每一速度档vi中，构造徙动相位补偿函数，进行慢时间维相位补偿，消除目标回波中的距离徙动。
[0095]
通过徙动补偿模块构造徙动相位补偿函数，对s
c2
(tm,f)进行慢时间维相位补偿，可得：
[0096]sc3
(tm,f)＝s
c2
(tm,f)h(tm,f)(11)
[0097]
其中，为徙动相位补偿函数；tm＝mtr(m＝0,1,2,...m-1)表示慢时间变量；f表示对应的距离频率变量；fc表示载频；αi＝1-2vi/c，是速度档vi的尺度变换因子；c为光速。
[0098]
当vi＝v时，目标超高速运动造成的距离徙动将得到校正。此时回波频域脉冲压缩结果可表示为：
[0099][0100]
其中，tm＝mtr(m＝0,1,2,...m-1)表示慢时间变量，m表示脉冲数，表示快时间变量；f表示对应的距离频率变量；fd＝-2v/λ，是目标的多普勒频率，λ＝c/fc，是波长；c为光速；α＝1-2v/c是尺度变换因子；k表示调频斜率；t
p
表示脉宽；fc表示载频，r0表示目标的初始径向距离；。
[0101]
常规算法通常采用速度模糊数搜索结合keystone变换的方法，依次校正速度模糊数和基带速度造成的距离徙动。而本发明所构造的补偿函数无需额外考虑速度模糊造成的徙动校正，直接利用脉冲压缩时的速度档位值构造补偿函数，可以直接校正距离徙动。根据实验仿真得到本实施例的目标最大不模糊速度为0.67m/s，远小于脉冲压缩时构造参考信号的各个速度档档间距δv(100m/s)，在积累时间内造成的距离徙动量远小于一个距离门。
[0102]
补偿函数的构造可以由徙动补偿模块实现。
[0103]
4、距离维ifft。
[0104]
对经过徙动相位补偿的回波信号进行距离维ifft处理，则此时回波脉冲压缩结果可表示为：
[0105][0106]
其中，tm表示慢时间变量；表示快时间变量；a1为信号幅度；f表示对应的距离频率变量；s
c3
(tm,f)表示回波频域脉冲压缩结果；α＝1-2v/c表示尺度变换因子；k表示调频斜率；t
p
表示发射信号时宽；r0表示目标的初始径向距离；fd表示目标多普勒频率。
[0107]
5、mtd处理。
[0108]
对上一步的输出信号进行mtd处理，得到目标的距离和速度估计值。具体过程包括：
[0109]
在每一速度档vi中，对进行以下mtd处理(慢时间fft处理)，同时输出mtd的峰值。当vi＝v时，即速度档位vi的值与目标径向运动速度相等，即：
[0110][0111]
其中，fm表示tm对应的方位频率变量；表示快时间变量；tm＝mtr(m＝0,1,2,...m-1)表示慢时间变量，m表示脉冲数，tr表示脉冲重复间隔；；α＝1-2v/c是尺度变换因子；k表示调频斜率；t
p
表示脉宽；r0表示目标的初始径向距离；fd＝-2v/λ，是目标的多普勒频率，λ＝c/fc，是波长。
[0112]
根据各速度档的处理结果中最大mtd峰值，获得最大mtd峰值对应的速度信息，作为目标的速度信息。进一步的，根据mtd主峰对应的距离坐标，换算出测得的目标真实距离
即其中为mtd平面上的主峰对应距离值。
[0113]
本实施例中，设置两个高速运动目标，它们与雷达之间的初始径向距离分别为2000km和2020km，初始径向速度分别为10马赫和20马赫。同时，使用该方法处理时各速度档设置为0m/s,100m/s,200m/s
…
,9000m/s。
[0114]
为了方便观察目标徙动轨迹和脉冲压缩结果，验证本发明的超高速目标回波的信号处理方法的有效性，本实施例针对理想的无噪声环境分别对采用现有技术中常规算法、以及采用本发明的超高速目标回波的信号处理方法得到的结果进行比较。
[0115]
采用常规脉冲压缩mtd算法对两个超高速目标回拨信号的处理结果如图3～图5所示。图3给出了采用常规脉冲压缩mtd算法对首个回波脉冲的脉冲压缩结果，可见由于参考信号与发生形变的目标回波出现失配，导致脉冲压缩结果出现了主瓣位移和展宽现象。图4给出了经过数据重排后的二维脉冲压缩时域结果，可见由于目标进行高速运动，导致回波出现距离徙动现象，跨越多个距离门。图5给出了目标回波的mtd结果，可以看出由于脉冲压缩主瓣展宽和距离徙动，积累性能很差，无法检测出目标。
[0116]
采用本实施例的超高速目标回波的信号处理方法对两个超高速目标回拨信号的处理结果如图6～图12所示。图6给出了各速度档处理的输出结果，通过两个峰值可以很明显看出有两个目标。
[0117]
图7、图8、图9分别给出了当速度档为3400m/s时对目标1回波的脉冲压缩、徙动校正后轨迹和mtd结果。比较图3和图7可见，由于构造了与回波匹配的参考信号，本发明的超高速目标回波的信号处理方法能够有效实现匹配滤波，防止主瓣展宽，且使得主峰提高了1.38db。另外，由于构造了补偿函数，本发明的超高速目标回波的信号处理方法还可以对目标距离徙动进行校正，从而提高mtd的积累增益，实现目标检测。
[0118]
图10、图11、图12分别给出了当速度档为6800m/s时对目标2回波的脉冲压缩、徙动轨迹和mtd结果。可可以看出，本发明的超高速目标回波的信号处理方法也可以有效对其进行积累，其中脉冲压缩主峰相比常规方法提高4.6db。
[0119]
此外，考虑到让仿真更有实际意义，加入了噪声影响。在信噪比为-40db的噪声环境中，采用现有技术中常规目标检测算法的处理结果如图13所示；本发明的超高速目标回波的信号处理方法的处理结果如图14、图15、图16所示。可见，由于未考虑回波形变及距离徙动的影响，采用现有技术中常规目标检测算法无法积累目标能量，而本发明的超高速目标回波的信号处理方法可以对两目标都进行有效聚焦，可以比较准确地估计出超高速目标的距离和速度。
[0120]
在一些实施例中，上述技术的某些方面可以由执行软件的处理系统的一个或多个处理器来实现。该软件包括存储或以其他方式有形实施在非暂时性计算机可读存储介质上的一个或多个可执行指令集合。软件可以包括指令和某些数据，这些指令和某些数据在由一个或多个处理器执行时操纵一个或多个处理器以执行上述技术的一个或多个方面。非暂时性计算机可读存储介质可以包括例如磁或光盘存储设备，诸如闪存、高速缓存、随机存取存储器(ram)等的固态存储设备或其他非易失性存储器设备。存储在非临时性计算机可读存储介质上的可执行指令可以是源代码、汇编语言代码、目标代码或被一个或多个处理器解释或以其他方式执行的其他指令格式。
[0121]
计算机可读存储介质可以包括在使用期间可由计算机系统访问以向计算机系统
提供指令和/或数据的任何存储介质或存储介质的组合。这样的存储介质可以包括但不限于光学介质(例如，光盘(cd)、数字多功能光盘(dvd)、蓝光光盘)、磁介质(例如，软盘、磁带或磁性硬盘驱动器)、易失性存储器(例如，随机存取存储器(ram)或高速缓存)、非易失性存储器(例如，只读存储器(rom)或闪存)或基于微机电系统(mems)的存储介质。计算机可读存储介质可以嵌入计算系统(例如，系统ram或rom)中，固定地附接到计算系统(例如，磁性硬盘驱动器)，可移除地附接到计算系统(例如，光盘或通用基于串行总线(usb)的闪存)，或者经由有线或无线网络(例如，网络可访问存储(nas))耦合到计算机系统。
[0122]
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本技术的权利要求所界定的内容为标准。