一种面目标回波波束中心速度测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种面目标回波波束中心速度测量方法，首先对回波进行加速度补偿，然后判断速度滤波值是处于近区测量模式还是远区测量模式，近区测量模式经过FFT运算得到回波的频谱之后，利用Chirp-Z方法对多普勒速度附近的谱线进行细化操作，得到回波频谱，远区测量模式经过FFT运算得到回波频谱，最后将回波频谱进行平滑处理和包络截取以得到波束中心对应的频率值，从而计算得到速度值，最后采用Kalman滤波的方法对速度进行跟踪，并对下一时刻的速度，加速度等信息进行预测。该方法兼顾了大动态范围和高精度的要求，提高了测量精度。
【专利说明】一种面目标回波波束中心速度测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种回波波束中心速度测量方法，尤其涉及一种连续波多普勒雷达高精度面目标回波波束中心速度测量方法，属于空间微波遥感【技术领域】。
【背景技术】
[0002]连续波测速雷达是月球深空探测着陆工程中的关键单机，它为卫星制导、导航和控制系统提供精确的卫星速度信息，从而保证着陆的安全。连续波测速雷达的测量精度较高，采用单一利用高精度面目标回波多普勒波束中心求取方法，对面目标多普勒频谱计算出波束中心的多普勒频率。另外，连续波测速雷达在导弹制导以及舰载飞机、无人机起降方面都有广阔的应用前景。
[0003]天线发射的电磁波是具有一定宽度的波束，波束内各个分量方向上速度的径向分量不同，也就对应不同的多普勒频移，因此天线收到的回波信号是由多个具有不同频率的分量叠加而成，由于着陆器存在加速度，会导致多普勒带宽展宽，同时由于散射等因素的影响，会使回波信号中峰值分量的位置发生偏移。
[0004]为了提高多普勒信号的测量精度，必须消除着陆器运动加速度引起的多普勒频谱展宽的影响，所以需要进行加速度的估计和补偿，目前现有文献都是对点目标机动运动条件下的运动补偿，可采用最大似然方法、时频分析方法、基于加速度模板的解线性调频方法估计目标加速度，这些方法所需要的运算量都过大，不利于实时处理；二阶多项相位变换(DPT)是一种运算量较小的估计加速度的方法，但对于面目标的加速度估计，它的精度将大大降低。另外，对于面目标多普勒频率的检测，现有的文献中采用前沿检测、能量重心法或几何中心法，但是这些方法对于求取天线波束中心对应的多普勒频率，估计误差较差。
【发明内容】
[0005]本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种面目标回波波束中心速度测量方法，兼顾了大动态范围和高精度的要求，提高了测量精度。
[0006]本发明的技术解决方案是:一种面目标回波波束中心速度测量方法，步骤如下:
[0007](I)天线接收到的射频回波信号经过微波通道变频解调后得到基带模拟信号，该基带模拟信号经过AD采集模块转换为雷达数字回波信号s (η)；
[0008](2)利用卡尔曼滤波对前一个测量周期面目标回波波束中心的速度进行跟踪滤波，并对本周期面目标回波波束中心的加速度进行估计，得到前一个周期面目标回波波束中心的速度滤波值V和本周期面目标回波波束中心的加速度估计值a ；
[0009](3)利用步骤(2)得到的本周期面目标回波波束中心的加速度估计值a，对步骤
(I)得到的雷达数字回波信号s (η)进行加速度补偿；
[0010](4)判断步骤(2)得到的前一个周期面目标回波波束中心的速度滤波值V是处于近区测量模式还是远区测量模式，如果是处于近区测量模式，执行步骤(5);否则执行步骤
(6)；
[0011](5)对加速度补偿后的雷达数字回波信号进行FFT谱分析得到雷达数字回波多普勒频谱，根据雷达数字回波多普勒频谱对加速度补偿后的雷达数字回波信号进行Chirp-Z变换，得到频谱细化后的雷达数字回波多普勒频谱，执行步骤(7)；
[0012](6)对加速度补偿后的雷达数字回波信号进行FFT谱分析，得到雷达数字回波多普勒频谱，执行步骤(7)；
[0013](7)对雷达数字回波多普勒频谱进行平滑处理，对平滑处理后的雷达数字回波多普勒频谱进行包络截取，在此基础上计算得到面目标回波波束中心速度值；
[0014](8)重复执行步骤⑴一(7)，得到面目标回波波束中心的实时速度值。
[0015]所述步骤(2)的实现方式为:
[0016]设速度滤波值的三阶矩阵为xjilter []，速度估计值的三阶矩阵为x_estimate []，速度测量值为 Vm，则 x—filter = x—estimate+K*z ；
[0017]其中
[0018]z = vm_H*x_estimate
[0019]
【权利要求】
1.一种面目标回波波束中心速度测量方法，其特征在于步骤如下: (1)天线接收到的射频回波信号经过微波通道变频解调后得到基带模拟信号，该基带模拟信号经过AD采集模块转换为雷达数字回波信号S (η)； (2)利用卡尔曼滤波对前一个测量周期面目标回波波束中心的速度进行跟踪滤波，并对本周期面目标回波波束中心的加速度进行估计，得到前一个周期面目标回波波束中心的速度滤波值V和本周期面目标回波波束中心的加速度估计值a ； (3)利用步骤(2)得到的本周期面目标回波波束中心的加速度估计值a，对步骤(1)得到的雷达数字回波信号s (η)进行加速度补偿； (4)判断步骤(2)得到的前一个周期面目标回波波束中心的速度滤波值V是处于近区测量模式还是远区测量模式，如果是处于近区测量模式，执行步骤(5);否则执行步骤(6)； (5)对加速度补偿后的雷达数字回波信号进行FFT谱分析得到雷达数字回波多普勒频谱，根据雷达数字回波多普勒频谱对加速度补偿后的雷达数字回波信号进行Chirp-Z变换，得到频谱细化后的雷达数字回波多普勒频谱，执行步骤(7)； (6)对加速度补偿后的雷达数字回波信号进行FFT谱分析，得到雷达数字回波多普勒频谱，执行步骤⑵； (7)对雷达数字回波多普勒频谱进行平滑处理，对平滑处理后的雷达数字回波多普勒频谱进行包络截取，在此基础上计算得到面目标回波波束中心速度值； (8)重复执行步骤⑴一(7)，得到面目标回波波束中心的实时速度值。
2.根据权利要求1所述的一种面目标回波波束中心速度测量方法，其特征在于:所述步骤(2)的实现方式为: 设速度滤波值的三阶矩阵为xjilter□，速度估计值的三阶矩阵为X_eStimate□，速度测量值为 ^则 x_filter = x_estimate+K*z ； 其中
z = vm-H*x_estimate K = (-l———)* P * Ht
为上一个周期更新后的误差协方差矩阵； 每个周期计算完成后，按照下式更新误差协方差矩阵: P = (Ι-Κ*Η)*Ρ，其中I为单位矩阵； 在上述基础上，得到速度滤波值V = x_filter [O];加速度估计值a = x_estimate [I]；
其中，H为观测矩阵
为状态转移矩阵
Q为动态噪声协方差矩阵，
P为误差协方差矩阵，
为观 测噪声协方差矩阵初始值，= W; T为周期间隔，σ力目标速度动态噪声方差，y力观测速度方差。
3.根据权利要求1所述的一种面目标回波波束中心速度测量方法，其特征在于:所述步骤(3)的实现方式为: 加速度补偿后的雷达数字回波信号为
其中As为数字回波信号幅度，λ为雷达发射连续波波长，η为离散数字采样序列号，
4.根据权利要求1所述的一种面目标回波波束中心速度测量方法，其特征在于:所述步骤(4)的实现方式为: 当前一个周期波束中心的速度滤波值V e [80m/s~500m/s]时，为远区测量模式，当V e [-36m/s~80m/s]时，为近区测量模式。
5.根据权利要求1所述的一种面目标回波波束中心速度测量方法，其特征在于:所述步骤(5)中根据雷达数字回波多普勒频谱对加速度补偿后的雷达数字回波信号进行Chirp-Z变换，得到频谱细化后的雷达数字回波多普勒频谱的实现方式为:设加速度补偿后的雷达数字回波信号中的时域序列x(n)长度为N，则利用Chirp-Z变换算法得到Z平面上M点频谱采样值X(Zk)的方式为:
A和W为极坐标下的参数，Aci和Wci为I ; Θ ^为频谱序列X (η)起始取样点的相角，通过从FFT谱分析得到的信息提取得到；％为取样间隔，M为取样点数。
6.根据权利要求1所述的一种面目标回波波束中心速度测量方法，其特征在于:所述步骤(7)的实现方式为: 对雷达数字回波多普勒频谱进行平滑处理的方式为:设频谱序列f(n’)共N1个点，η’为频谱序列号，平滑点数为2L+1，那么平滑处理后序列F(n’)表示为:
对平滑处理后的雷达数字回波多普勒频谱进行包络截取的方式为:在平滑处理后的雷达数字回波多普勒频谱上选择该段频谱幅度的峰值以及该幅度峰值对应的频率坐标，并根据信噪比和天线波束的主瓣宽度确定幅度门限，在频谱上从幅度峰值对应的频率坐标处向两边进行搜索，当搜索到的频谱幅度小于设定的门限时，得到两个频率坐标值，分别为最小多普勒频率fmin和最大多普勒频率fmax ; 计算得到波束中心频率估计值的方式为
，其中为多普勒中心频
率，Θ表示天线波束主瓣宽度对应角度；从而得到波束中心速度值为
其中λ为雷达发射连续波波长。
【文档编号】G01S13/58GK104076353SQ201410307016
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】牛文博, 谭小敏, 党红杏, 王科, 张爱军, 孙嘉, 刘瑞冬 申请人:西安空间无线电技术研究所