星载脉冲多普勒雷达的匀加速运动目标参数快速估计方法与流程

本发明涉及一种星载脉冲多普勒雷达的匀加速运动目标参数快速估计方法，属于雷达测量技术领域。

背景技术：

现代雷达往往通过长时间相参积累来提高目标回波信噪比，从而提高对目标的检测能力。但是，目标运动引起的积累损失会影响参数估计的精度。在积累时间内，目标运动引起的距离徙动和多普勒频率扩散是需要解决的两个关键问题。对于距离徙动校正，有许多典型的方法，包括楔石变换，霍夫变换等。对于多普勒频率扩散，方位向上的回波可以被建模为线性调频信号，因此可利用线性调频信号的参数估计方法获得运动参数。常用方法包括最大似然估计，时频分析方法等。然而，这些方法可能具有较大的计算复杂度，低分辨率或高交叉项。

此外，在2011年《ieeetransactionsonaerospaceandelectronicsystems》中第47卷第2期第1186至1200页，xuj等人在“radarmaneuveringtargetmotionestimationbasedongeneralizedradon-fouriertransform”一文中提出了一种新的拉登傅里叶变换方法来实现具有距离徙动的运动目标的相参积累。在2015年《ieeesignalprocessingletters.》中第22卷第3期第270至274页，lixl等人在“afastmaneuveringtargetmotionparametersestimationalgorithmbasedonaccf”一文中提出了一种基于近邻互相关法的包络徙动校正法，该算法通过逐级降阶的方式来实现包络对齐，将其应用于机动目标窄带回波信号模型可消除穷尽搜索，但是低抗噪性能和特定假设限制了算法的应用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出了一种星载脉冲多普勒雷达的匀加速运动目标参数快速估计方法，该方法能够解决多普勒模糊情况下的距离徙动和多普勒频率扩散问题，以获得精确的参数估计结果。

实现本发明的技术方案如下：

一种星载脉冲多普勒雷达的匀加速运动目标参数快速估计方法，具体过程为：

步骤一：建立运动目标回波信号模型，并对其进行脉压处理；

步骤二：将脉压处理后的信号变换到快时间频域得到快时间频域信号，对快时间频域信号进行子带分解，并将两个子带信号进行距离向频移后，共轭相乘得到合成信号；

步骤三：对合成信号进行拉登分数阶傅里叶变换处理；

步骤四：对傅里叶变换的结果进行峰值搜索和门限判决，获得目标参数估计结果。

进一步地，本发明将快时间频域信号记为

其中，f表示距离频域，b为线性调频带宽，σ0k为目标的反射系数，fc为载波频率，c为光速，rk(t)是雷达和第k个目标之间的瞬时距离；

则将快时间频域信号进行子带分解，并将两个子带信号进行距离向频移后得到的信号为：

其中，g1和g2分别为两个信号的距离向脉压处理增益，且满足tp为脉冲宽度，δfr/2表示两个子带信号距离向频移量，δfr＝b/2。

有益效果

本发明方法不需要预知目标的任何先验信息，通过子带分解和共轭相乘处理能够降低信号的等效频率，从而可以解决多普勒模糊情况下的多普勒频率扩散问题，并获得准确的参数估计。

附图说明

图1为步骤二中时间频域信号进行子带分解示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明本实施例一种星载脉冲多普勒雷达的匀加速运动目标参数快速估计方法，具体过程为：

步骤一：建立运动目标回波信号模型，对接收的信号进行脉压处理，具体方法如下:

假设场景中存在k个目标，不失一般性，对第k个目标进行推导分析。假设雷达发射线性调频信号为

st(t,τ)＝rect(τ/tp)exp(jπγτ²)exp[j2πfc(t+τ)](1)

其中tp为脉冲宽度，fc为载波频率，γ为调频斜率，τ为快时间，即距离时间，t为慢时间，且t＝nt,(n＝0,1,....n-1)，n为相参积累时间内发射的脉冲数，t为脉冲重复周期。

雷达接收信号经下变频和距离脉冲压缩处理后变为

其中，σ0k为目标的反射系数，g为距离压缩增益，b为线性调频带宽，c为光速，λ＝fc/c为波长，sinc(x)＝sin(x)/x。

rk(t)是雷达和第k个目标之间的瞬时距离，满足

rk(t)＝r0k-v0kt-a0kt²/2(3)

将式(3)带入式(2)可得

从式(4)可以看出，在相参积累时间内发生了距离徙动和多普勒频率扩散，导致积累性能损失。如果上述问题无法有效解决，则能量不能完全积累。

步骤二：对快时间频域信号进行子带分解，构造两个子带信号，共轭相乘得到新的信号，具体方法如下:

将式(4)变换到快时间频域为

在距离频域将式(5)分为两个子带信号，如图1所示。然后分别将这两个信号进行距离向频移δfr/2，其中δfr＝|f1-f2|表示两个子带信号的中心频率差，这两个子带信号经过距离向的频移后的时域信号分别为

其中g1和g2分别为两个信号的距离向脉压处理增益，且满足f表示距离频域。

对这两个子带信号进行共轭相乘，得到合成信号的自项表达式为

可见，合成信号scomp(t,τ)的等效频率变为δfr，且满足δfr＜＜fc。

步骤三：对合成信号进行拉登分数阶傅里叶变换处理，具体方法如下:

其中，frft(·)表示分数阶傅里叶算子，r＝r0-vt-at²/2表示加速运动目标的运动轨迹，用于平面上的运动轨迹搜索。通过计算不同的搜索参数组合下的rfrft(fv,fa)并通过峰值搜索可获得相参积累结果。当且仅当搜索的初始距离、速度和加速度值分别等于目标的真实距离、速度和加速度时，相参积累时间内各回波脉冲的目标能量可以聚集起来，|rfrft(fv,fa)|可以获得最大的峰值。

步骤四：通过峰值搜索和门限判决来检测目标，从而获得目标的参数估计结果，具体方法如下:

经过上述分子带拉登分数阶傅里叶变换处理后，通过峰值检测和门限判决可获得各目标的参数估计值和

实例：

本实例中，雷达系统仿真参数如下:载频fc＝10ghz，脉宽tp＝100μs，线性调频带宽b＝15mhz，采样频率fs＝37.5mhz，脉冲重复间隔pri＝1000μs，相参积累脉冲数n＝1024。仿真目标位置与运动参数如下:初始径向距离r01＝80.05km，径向速度v01＝550m/s，径向加速度a01＝10m/s²。

本实例的具体过程为：

步骤一：建立运动目标回波信号模型，对接收的信号进行脉压处理，具体方法如下:

雷达发射线性调频信号为

st(t,τ)＝rect(τ/tp)exp(jπγτ²)exp[j2πfc(t+τ)]

其中tp为脉冲宽度，fc为载波频率，γ为调频斜率，τ为快时间，即距离时间，t为慢时间，且t＝nt,(n＝0,1,....n-1)，n为相参积累时间内发射的脉冲数，t为脉冲重复周期。

雷达接收信号经下变频和距离脉冲压缩处理后变为

其中，σ为目标的反射系数，g为距离压缩增益，b为线性调频带宽，c为光速，λ＝fc/c为波长，sinc(x)＝sin(x)/x。

r1(t)是雷达目标之间的瞬时距离，满足

r1(t)＝r01-v01t-a01t²/2

进而可得

可以看出，在相参积累时间内发生了距离徙动和多普勒频率扩散，导致积累性能损失。如果上述问题无法有效解决，则能量不能完全积累。

步骤二：对快时间频域信号进行子带分解，构造两个子带信号，共轭相乘得到新的信号，具体方法如下:

将s1(t,τ)变换到快时间频域为

在距离频域将分为两个子带信号，如图1所示。然后分别将这两个信号进行距离向频移δfr/2，其中δfr＝|f1-f2|表示两个子带信号的中心频率差，这两个子带信号经过距离向的频移后的时域信号分别为

其中g1和g2分别为两个信号的距离向脉压处理增益，且满足

对这两个子带信号进行共轭相乘，得到合成信号的自项表达式为

可见，合成信号scomp(t,τ)的等效频率变为δfr，且满足δfr＜＜fc。

步骤三：对合成信号进行拉登分数阶傅里叶变换处理，具体方法如下

rfrft(fv,fa)＝frft[scomp(t,2r/c)]

＝frft[scomp(t,2(r0-vt-at²/2)/c)]

其中frft(·)表示分数阶傅里叶算子，r0-vt-at²/2表示加速运动，用于平面上的运动轨迹搜索。通过计算不同的搜索参数组合下的rfrft(fv,fa)并通过峰值搜索可获得相参积累结果。当且仅当搜索的初始距离、速度和加速度值分别等于目标的真实距离、速度和加速度时，相参积累时间内各回波脉冲的目标能量可以聚集起来，|rfrft(fv,fa)|可以获得最大的峰值。

步骤四：通过峰值搜索和门限判决来检测目标，从而获得目标的参数估计结果，具体方法如下:

经过上述分子带拉登分数阶傅里叶变换处理后，通过峰值检测和门限判决可获得目标的参数估计值:初始距离径向速度径向加速度

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。