基于PD雷达体制的Keystone变换空域及时域走动补偿方法与流程

本发明属于雷达信号处理领域，具体涉及一种宽带数字相控阵雷达空时级联Keystone变换算法，该算法能够补偿PD体制宽带数字相控阵雷达宽角扫描下的孔径渡越问题和长驻留时间目标存在的越距离单元走动问题，适合于宽角同时多波束工程实现。

背景技术：

雷达目标回波波前到达相控阵天线阵两端的时间差称为孔径渡越时间，对应的距离成为孔径渡越距离，目标与天线法线偏角越大，孔径渡越时间/孔径渡越距离越长。若雷达采用宽带信号，孔径渡越距离会大于多个距离分辨单元，这时相控阵雷达如果采用传统的窄带数字波束形成技术，将会导致信噪比下降，波束副瓣抬高，指向精度变差，距离向分辨能力下降；同时由于采用了宽带信号，在波束驻留时间内，目标运动会导致脉冲间发生越距离单元走动，如果不对距离走动进行补偿，脉冲间将难以实现相参积累，也会使得信噪比下降，距离副瓣升高，距离分辨能力下降。

针对宽带相控阵雷达存在的上述问题，目前解决方法分为两个部分：宽带相控阵雷达波束形成以及时域越距离单元走动补偿，空域和时域不仅割裂，而且各自存在一定的不足。

宽带相控阵雷达波束形成通常有模拟延迟线、数字延迟线以及模数混合延迟线三种方法，在阵元级或者子阵级完成。模拟延迟线主要利用电磁波在微波传输线中传输所消耗的时间实现信号的延迟，延迟量往往被量化为中心频率信号周期的整数倍，存在的问题有：体积大、成本高、量化精度低、系统复杂度高、温度较敏感。数字延迟线是将中频模拟信号AD采样后，通过数字下变频、数字延迟滤波器实现信号的延迟；数字延迟线具有灵活的延迟功能,能够直接和数字波束形成网络联合使用，形成灵活的数字波束，便于后续的数字信号处理，与模拟延迟器正好相反,它体积小、成本低、受环境影响小、量化精度高，且能灵活改变延时量，其缺点是如果需要产生同时多波束，则对于每个波束指向，需要产生与之相对应的延迟序列，运算量大大增加；模数混合的方法通常采用模拟Dechirp技术，将宽带模拟信号变为窄带模拟信号，然后通过AD采样，在数字域进行距离延迟补偿处理，该算法通常在跟踪/识别模式有效，搜索模式需要全程处理，该算法将会失效。

对于越距离单元走动问题，传统的处理方法是对目标速度估计，然后根据估计的速度进行包络走动补偿，其缺点是在多运动目标环境中，不能同时补偿距离走动；

本发明利用宽带相控阵雷达空域及时域回波特点，将Keystone分别应用于空域及时域，同时实现空域孔径渡越及时域越距离单元走动补偿，将空域与时域有效结合起来，同传统方法相比大大降低了运算量与工程实现的复杂度。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了解决传统多通道基于横向滤波器的时延补偿方法存在的运算量大的缺点，本发明提出一种基于PD雷达体制的Keystone变换空域及时域走动补偿方法，用于补偿PD体制宽带相控阵雷达宽角扫描与长驻留时间存在的空域时域距离走动问题。通过空域时域级联处理，达到对宽角扫描下的快速目标走动补偿，实现对目标的相参积累，提高了目标的检测能力及角度、距离测量精度及分辨能力。

技术方案

一种基于PD雷达体制的Keystone变换空域及时域走动补偿方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对相控阵雷达单次PRT获得的距离阵元平面进行快时间维N点傅里叶变换，即将采样信号s_k(n,m)的快时间维经过FFT变换到基带频率域，获得s_freq_k(n,m)平面，其中k为脉冲维，n为时间维采样单元，m为空间维；

步骤2：对s_freq_k(n,m)进行空域Keystone变换，即采用sinc函数做插值处理得到其中f_c为雷达工作载频，为基带频率，M为总的阵元数目；

步骤3：计算多波束其中θ_i为第i个波束入射角，i为波束号，为阵元间距波长比；

步骤4：对驻留时间内的K次y_i(n)数据依次排列，形成y_i(n,k)平面，其中k为慢时间维，i为波束号；对y_i(n,k)平面数据进行慢时间维内插处理得到其中

步骤5：将y_{i_time_keystone}(n,k')与频域匹配系数复乘，然后对每个脉冲通道做IFFT，完成频域脉压，获得距离脉冲平面y_{i_dpc}(n,k')。

步骤2和步骤4中的插值也可以采用DFT+FFT或CZT算法。

有益效果

本发明提出的一种基于PD雷达体制的Keystone变换空域及时域走动补偿方法，通过多维变换以及基于sinc函数/CZT变换的方法进行空域/慢时间维插值，可以方便地补偿多目标不同入射角下以及多目标不同速度下的空时距离走动，有效提高空时相参积累，提高信噪比得益以及更好的角度/距离分辨力及精度。其特征是：通过空域及时域级联Keystone变换处理，能够同时补偿空域与时域的走动问题。

本发明解决了传统多通道基于横向滤波器的时延补偿方法存在的运算量大的缺点，巧妙地将空域与时域二维走动结合起来，通过采用基于时域差值\CZT变换\DFT-IFFT方法实现Keystone变换，提高了相参积累得益、测角精度、测距测速精度及相应分辨力。

附图说明

图1是本发明的空域Keystone变换实现框图及数据在级联平面上的分布对比：(a)第一级Keystone变换框图；(b)keystone变换插值前后数据分布变换；

图2是数字波束形成框图；

图3是慢时间维Keystone变换实现框图及数据在级联平面上的分布对比：(a)慢时间keystone变换框图；(b)慢时间keystone变换插值前后数据分布图；

图4是频域脉压框图，获得平面，即距离-慢时间平面。

图5本发明流程图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

首先对单个PRT采样获得的距离-阵元平面进行距离维傅里叶变换，将距离-阵元平面变换为快傅里叶-阵元平面，然后在每个快傅里叶通道上进行阵元间的内插，实现对空域的Keystone变换；其次进行DBF，即形成期望信号的指向波束，权值为载波频率下的理想权值；最后对该波束的驻留时间内的快傅里叶-慢时间平面进行慢时间维的内插，频域脉冲压缩，实现时域的距离走动补偿。

这里约定算法输入的信号为阵元通道经过AD采样及DDC后的数字基带信号，主要标号解释如下：m为阵元维，总的阵元数目为M；n为快时间维与频域维，总的数目为N；k为脉冲维，即PRT维，总的脉冲数目为K；i为波束维，总的波束数目为I。这里记单次PRT获得的距离-阵元平面数据：式中k为第k个PRT，为快时间，a_m为实际阵元位置，m取值为0：M-1，M为阵元数目。经过快时间采样后，快时间维被离散化，因此记为s_k(n,m)。

本发明的具体实现步骤如下：

步骤1，单次PRT空域Keystone变换，参照图1。

1a)设基带采样率为f_s，波门长度为T_p，则采样点个数为：L＝f_s·T_p，取不小于L的同时为2的整数幂的数N作为FFT的点数，采样信号记为：s_k(n,m)，k为脉冲维，n为时间维采样单元，m为空间维；

1b)对单次PRT获得的距离阵元平面进行快时间维N点傅里叶变换，将s_k(n,m)的快时间维经过FFT变换到基带频率域，获得s_freq_k(n,m)平面，频域采样点数为N点，则s_freq_k(n,m)矩阵维数为NxM，参考图1(a)；

1c)在空间维做Keystone变换，即对s_freq_k(n,m)平面数据进行阵元维内插处理，定义一个虚拟阵元位置为：(f_c：雷达工作载频)，即将原来的(n-m)平面变为(n-m′)平面，即信号采样由原来的矩形格式点变为梯形格式点，可以通过sinc函数实现，即也可以通过DFT+IFFT或CZT算法来实现，m'为新空间维。参考图1(b)。

步骤2，数字波束形成，参照图2。

2a)已知期望信号入射角θ_i，其中i为波束号。阵元间距波长比设计期望信号导向矢量为维数为MxI。

2b)进行数字波束形成

计算获得期望信号波束频域结果，维数为NxI，i为波束号。

步骤3，时域Keystone变换，参照图3。

3a)对驻留时间内的K次y_i(n)数据依次排列，形成y_i(n,k)平面，维数为NxK，k为慢时间维，i为波束号；

3b)对y_i(n,k)平面数据进行慢时间维内插处理，定义一个慢时间单元位置为：(f_c：雷达工作载频)，即将原来的(n-k)平面变为(n-k')平面，即信号采样由原来的矩形格式点变为梯形格式点，获得新的数据平面维数为NxK，参考图3(a)和图3(b)。

步骤4，频域脉冲压缩，参照图4。

对y_{i_time_keystone}(n,k')与频域匹配系数复乘，然后对每个脉冲通道做IFFT，完成频域脉压，获得距离脉冲平面y_{i_dpc}(n,k')，进行后续处理。

本发明充分利用空域孔径渡越及时域越距离单元走动的特点，通过频域处理及级联Keystone变换的方法实现空时域走动的有效补偿。