基于相位分析的雷达目标多普勒谱估计方法
【专利摘要】本发明属于雷达【技术领域】，公开了基于相位分析的雷达目标多普勒谱估计方法。本发明的具体步骤包括：对信号采样，将采样序列等分为两个子序列；对采样序列使用Capon方法做谱分析，得到粗测频率；对子序列使用APES方法分别计算其在粗测频率处的复幅度，经过取相位运算得到子序列频谱在粗测频率处的相位，并计算得相位差；对相位差进行修正，消除频率测量的整周模糊，得到修正后的相位差；由计算信号真实频率和粗测频率的偏差，得到真实频率的估计值；对序列使用APES方法计算真实频率处的复幅度，得到信号的幅度和相位估计。本发明与传统的CAPES法相比，信号参数估计精度更高，可用于正弦波信号的频率、幅度和相位等参数的估计。
【专利说明】基于相位分析的雷达目标多普勒谱估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达【技术领域】，具体地说是公开了一种高精度的雷达目标多普勒谱的 估计方法，可用于雷达动目标检测中复正弦回波信号幅度、频率和相位等参数的估计。
【背景技术】
[0002] 正弦波信号频率的估计是通信、雷达、声纳以及电子对抗等领域信号处理的一个 重要问题。传统的DFT(离散傅里叶变换）因为可以采用快速算法而被广泛采用，但DFT的 频率分辨力和频率估计精度取决于信号的测量时间长度。
[0003] 为了提高DFT的参数估计精度，人们提出一种基于相位分析的傅里叶变换（FFT) 方法（FFT相位分析法），该方法利用分段傅里叶变换的相位差对首先粗略估计出的频率进 行补差修正从而提高了频率估计精度并且避免了相位测量模糊问题，但是FFT相位分析法 的频率分辨率和DFT方法一样受到相干积累时间的限制。
[0004] 为了克服FFT相位分析法频率分辨率低的缺点，人们提出一种联合Capon-APES， 即CAPES方法，这种联合了 Capon法以及幅度与相位估计APES法的超分辨谱估计方法兼 有两种方法各自的优点，在实现频率超分辨的同时还能准确地估计出信号的幅度与相位信 息。但是CAPES方法的频率估计精度受到离散频率采样点数的影响，当离散频率采样点数 较密集使得信号真实频率位于某个频率采样点上时，估计精度较高，但是当信号真实频率 和频率采样点有一定的偏差时，参数的估计精度都会下降。
【发明内容】
[0005] 本发明针对复正弦波信号参数估计中上述方法的不足，公开了一种基于相位分析 的雷达目标多普勒谱估计方法。本发明中，将FFT相位分析法利用分段数据的相位差补偿 频率差的思想应用于CAPES方法，解决了 CAPES方法在正弦波真实频率和离散频率采样点 对不准时参数估计精度差的问题。改进后的方法频率分辨率高，幅度相位参数估计准确并 且即使正弦波真实频率和离散频率采样点有偏差时也能获得很高的参数估计精度。
[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：
[0007] -种基于相位分析的雷达目标多普勒谱估计方法包括以下步骤：
[0008] 步骤1，雷达向目标发射信号，并接收经目标反射的回波数据；得到原始回波数据 矩阵
【权利要求】
1. 一种基于相位分析的雷达目标多普勒谱估计方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，雷达向目标发射信号，并接收经目标反射的回波数据；得到原始回波数据矩阵 W，W = [WpWhwz表示雷达接收的第z个距离单元的回波数据矢量，wz为N 维的列向量，z取1至Z，Z为雷达的一个脉冲重复周期的距离单元数，N为一个相干积累周 期中所包含的脉冲个数，N为偶数，[· ]τ表示转置； 步骤2,令数据矢量X = wz，X = [χ^ χ2，…χη,…，χΝ]，χη表示数据矢量X的第η个元素， η取1至Ν ;将数据矢量X划分为第一子序列&和第二子序列Χ2, & = [Xl，χ2，…，χΝ/2]，Χ2 -[ΧΝ/2+1，ΧΝ/2+2，...，ΧΝ]; 步骤3,对数据矢量X做谱分析，得到初始估计频率/ ,所述初始估计频率/为数据矢 量X的复幅度谱绝对值的最大值对应的离散频率； 步骤4,得出第一子序列&在初始估计频率/处的复幅度谱
、以及第二子序列 X2在初始估计频率/处的复幅度谱
步骤5,提取第一子序列\的复幅度谱
的相位Λ、以及第二子序列X2的复幅度 谱
的相位炉2，得出初始相位差，
步骤6,对初始相位差Δ-进行修正，以解决可能出现的相位模糊问题，得到修正后相 ^[^差&擎免\ 步骤7,由修正后相位差Δ% ,计算信号真实频率和初始频率的偏差1，并得到目标多 普勒频率/; 步骤8,计算数据矢量X在目标多普勒频率/.处的多普勒谱复幅度
得到目标多 普勒谱的幅度估计值人和相位估计值#; 步骤9,令z依次取1至Z，并根据步骤2到步骤8,得出Z个距离单元的目标的多普勒 谱。
2. 如权利要求1所述的一种基于相位分析的雷达目标多普勒谱估计方法，其特征在 于，所述步骤3的具体子步骤为： (3. 1)得出数据矢量X的第t次快拍数据yt : y"t - [Xt，Xt+1，···，Xt+m] 其中，t表示快拍序号，t = 1，2,…，N-m，m为设定的小于N/2的整数，[· ]T表示转置， xt至xt+m分别表示数据矢量X的第t个元素至第t+m个元素； (3. 2)计算数据矢量X的协方差矩阵R和第t次快拍数据yt的归一化傅里叶变换数据 g(fl)：
其中，
=〇, 1，…，L-1，L是为设定的离散频率总数；fs为雷达的脉冲重复频 率，j为虚数符号，
上标Η表示矩阵的共轭转置，t = 1，2, ···，Ν-ηι ; (3.3) 分别计算离散频率对应的滤波器系数h(f\)和数据矢量X的复幅度谱#(/；):
其中，上标-1表示矩阵的逆，上标Η表示矩阵的共轭转置；
(3.4) 令1依次取0，1，?，1^-1，并根据子步骤（3.2)到子步骤（3.3)，得到1^个数据矢 量X的复幅度谱，将L个数据矢量X的复幅度谱的绝对值的最大值对应的离散频率作为初 始估计频率/。
3.如权利要求1所述的一种基于相位分析的雷达目标多普勒谱估计方法，其特征在 于，所述步骤4的具体子步骤为： (4. 1)得出第一子序列&的第k次快拍数据ylk : Ylk - [Xlk，Xl(k+1)，···，Xl(k+s)] 其中，xlk至x1(k+s)分别表示第一子序列&的第k个元素至第k+s个元素；k表示快拍 序号，k = 1，2,…，N/2-s，N为一个相干积累周期中所包含的脉冲个数，s为设定的小于N/4 的整数，[·]τ表示转置； 得出第二子序列Χ2的第k次快拍数据y2k : y2k 一 [X2k， X2(k+1), ··· , X2(k+s)] 其中，x2k至x2(k+s)分别表示第二子序列X2的第k个元素至第k+s个元素； (4. 2)计算第一子序列Xi的协方差矩阵Ri和第一子序列Xi的第k次快拍数据ylk的傅 里叶变换数据
其中，/为初始估计频率，fs为雷达的脉冲重复频率，[· ]H表示共轭转置，j为虚数 符号，
k = 1，2,…，以〗^ ; 计算第二子序列X2的协方差矩阵R2和第二子序列X2的第k次快拍数据y 2k的傅里叶 变换数据;
(4. 3)计算初始估计频率/对应的第一子序列\的复幅度谱
其中，fs为雷达的脉冲重复频率，[· Γ1表示矩阵求逆运算，
，L-l，L是为设定的离散频率总数； 计算初始估计频率/对应的第二子序列\的复幅度谑
其中，
[·Γ表示矩阵求逆运算。
4.如权利要求1所述的一种基于相位分析的雷达目标多普勒谱估计方法，其特征在 于，在步骤6中，修正后相位差Δ魏为：
5. 如权利要求1所述的一种基于相位分析的雷达目标多普勒谱估计方法，其特征在 于，在步骤7中，信号真实频率和初始频率的偏差
其中，N-个相干积累 周期中所包含的脉冲个数，T为脉冲重复周期，目标多普勒频率
6. 如权利要求1所述的一种基于相位分析的雷达目标多普勒谱估计方法，其特征在 于，所述步骤8的具体子步骤为： (8. 1)计算目标多普勒频率/对应的数据矢量X的第t次快拍数据yt的归一化傅里叶 变换数据h
其中，/为目标多普勒频率，t' =1，2，···，Ν-πι'，πι'为设定的小于N/2的整数；fs为雷 达的脉冲重复频率，j为虚数符号
(8. 2)得出目标多普勒谱3(/_)
=0，1^"汁-1，1^是为设定 的离散频率总数，fs为雷达的脉冲重复频率；[· Γ1表示矩阵求逆运算，[· ]H表示共轭转
(8. 3)得到目标多普勒谱的幅度估计值i、以及目标多普勒谱的相位估计值0 :
其中，I · I为取绝对值运算，angle[ ·]为取相位运算。
【文档编号】G01S7/41GK104297740SQ201410558775
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】苏洪涛, 李龙, 刘宏伟, 刘子威, 胡勤振 申请人:西安电子科技大学