一种线性调频-频率步进信号宽带测速方法

本发明涉及雷达信号处理，具体涉及一种线性调频-频率步进信号宽带测速方法。

背景技术：

1、现代雷达不仅要看得见，还要看得准，即在测量得到目标位置信息的同时，还要获取目标的结构、尺寸、形状等多种信息以便于对其进行精准识别。而提高目标识别性能的基础是采用大带宽甚至超宽带(带宽达到ghz)的发射信号。

2、在宽带发射信号中，线性调频信号是研究最早，应用最广的一种脉冲压缩信号。但是，线性调频信号通常需要较高的采样率，不利于后端信号处理。考虑前端中频采样率限制，可以采用线性调频-频率步进信号，利用多个窄带子脉冲，合成一个宽带信号。在降低子脉冲采样率的同时，实现大带宽成像效果。

3、但是，对于超宽带信号而言，直接发射一个超宽带线性调频信号存在较大困难；采用线性调频-频率步进信号需要数十个甚至上百个脉冲，才能合成一个超大带宽信号，给速度估计和补偿带来了较大的难度。因此，江碧涛等人(江碧涛,张云华,姜景山.宽带调频步进信号的全去斜处理方法[j].测试技术学报,2008(03):225-230.)基于前人研究提出了一种子脉冲采用宽带线性调频，脉间频率步进的合成超宽带信号。该信号子脉冲采用宽带去斜处理，可降低子脉冲采样率的要求，同时可有效减少频率步进合成的子脉冲个数，保证了宽带的成像效果和高数据率。

4、然而宽带/超宽带去斜信号对目标速度补偿的精度要求较高，如速度估计精度较差，则会导致目标回波主瓣畸变，极大影响目标的成像、测量及识别效果。参考文献中的基于最小熵的方法对目标进行速度估计及步进频合成，然而该方法对系统信噪比及采样率要求较高，且在某些情况下测速精度不够理想，另外基于相推测速的方法时间复杂度较高，实时性较差。因此，如何进行实时高精度的速度估计和补偿成为步进频合成宽带中一个亟待解决的难题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种线性调频-频率步进信号宽带测速方法，通过对子脉冲回波构造似然函数，实现目标速度的精确估计，适用于宽带、超宽带步进频回波。

2、本发明的线性调频-频率步进信号宽带测速方法，包括：

3、步骤1，基于参考信号对子脉冲回波信号进行去斜处理；其中，参考信号的脉宽大于回波信号的脉宽；

4、步骤2，对去斜处理后的子脉冲回波信号进行采样，得到回波信号样本；其中，采样频率应大于去斜后信号最高频率的二倍；计算所有子脉冲回波信号样本的概率密度分布，构建所述概率密度分布的对数似然函数；

5、步骤3，在速度参考范围内，求取所述对数似然函数的最大值，对数似然函数最大值所对应的速度即为估计的目标速度。

6、较优的，所述步骤3中，基于对分法，在速度参考范围内求取最大对数似然函数所对应的速度。

7、较优的，雷达发射信号为：

8、

9、其中，t为采样时间，tp为脉冲宽度；k为信号的调频斜率，k＝b/tp，b为信号带宽；fn为第n个子脉冲的fn＝f0+(n-1)δf,n＝1,2,…n，n,f0,δf分别表示子脉冲的个数、起始频率和频率步进量；

10、距离为r的目标回波信号为：

11、

12、其中，τn为第n个子脉冲的时延，其表达式为：τn＝2(r+v(n-1)tr)/c，v为目标速度，tr为脉冲持续时间，c为光速；

13、参考信号为：

14、

15、其中，τ0为参考信号相对于发射信号的延时，τ0＝2rref/c，rref为参考距离，t0为参考信号的脉冲宽度；

16、将不同子脉冲回波信号在时域与参考信号进行共轭相乘，完成子脉冲回波信号的去斜处理。

17、较优的，所述概率密度分布为：

18、

19、其对数似然函数为：

20、

21、其中m为采样点，n为子脉冲个数；

22、则速度的最大似然估计为

23、

24、本发明还提供了一种合成宽带成像方法，采用上述线性调频-频率步进信号宽带测速方法估计目标速度，根据估计的目标速度构造误差补偿函数，对去斜处理后的子脉冲回波信号进行速度误差补偿；对速度误差补偿后的子脉冲回波进行步进频合成，完成成像。

25、较优的，步进频合成的具体方式如下：

26、首先通过对比不同子脉冲去斜回波相位差求得误差函数，其表达式为：

27、

28、而后根据估计的速度求出误差补偿函数，其表达式为

29、

30、利用得到的误差补偿函数对子脉冲进行相位补偿，而后需要根据fs(b-δf)/k计算出相邻子脉冲时频交叠部分对应的去斜后子脉冲信号长度，保留交叠部分的任一子脉冲回波进行拼接，去重叠拼接后即可得到目标的合成高分辨距离像。

31、有益效果：

32、(1)由于最大似然估计本身为无偏估计，估计效果相较于其他方法更加精确，因此本发明基于最大似然估计方法展开，首先求取子脉冲去斜回波样本的概率密度分布函数，然后基于该概率密度分布构建与速度有关的似然函数，进而可通过求取似然函数的最大值完成目标速度估计，稳健性高、精度高，在实测数据处理中能够保证其成像稳定性，另外由于本发明基于去斜系统，因此仅需较小的采样率即可完成目标速度估计。

33、(2)利用对分法去估算速度值，与遍历搜索的方法相比较，对分法在保证估计精度的同时，大大减小了运算量，可以在保证精度的前提下，满足系统实时性的要求。

技术特征：

1.一种线性调频-频率步进信号宽带测速方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，基于对分法，在速度参考范围内求取最大对数似然函数所对应的速度。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述概率密度分布为：

5.一种合成宽带成像方法，其特征在于，采用如权利要求1～4任一所述的线性调频-频率步进信号宽带测速方法估计目标速度，根据估计的目标速度构造误差补偿函数，对去斜处理后的子脉冲回波信号进行速度误差补偿；对速度误差补偿后的子脉冲回波进行步进频合成，完成成像。

6.如权利要求5所述的成像方法，其特征在于，步进频合成的具体方式如下：

技术总结
本发明公开了一种线性调频‑频率步进信号宽带测速方法。本发明基于最大似然估计方法展开，首先求取子脉冲去斜回波样本的概率密度分布函数，然后基于该概率密度分布构建与速度有关的似然函数，进而可通过求取似然函数的最大值完成目标速度估计，稳健性高、精度高，在实测数据处理中能够保证其成像稳定性，另外由于本发明基于去斜系统，因此仅需较小的采样率即可完成目标速度估计。

技术研发人员：常少强,王刚,梁振楠,陈新亮,刘泉华
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14