多项式Hough傅里叶变换的高速隐身目标检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明隶属于雷达信号处理领域，适用于解决临近空间高超声速飞行器、高速无 人机、弹道导弹、空间碎片等高速机动隐身目标的积累检测问题。
【背景技术】
[0002] 从上世纪40年代雷达诞生之日起，雷达信号处理就不断发展和演进，雷达信号处 理的功能日趋复杂多样，成为了现代雷达的核心分系统。由于临近空间高超声速飞行器、高 速隐身无人机、弹道导弹、空间碎片等一系列新型高威胁目标的出现，使得现代雷达的探测 环境变得异常恶劣，这些高速机动隐身目标给常规的雷达信号处理方式带来严峻挑战。
[0003] 目前，对于隐身目标检测的雷达信号处理方法主要方法是先通过对线性调频信号 进行脉冲压缩，然后再进行相参积累，以提高回波信号的信噪比。然而，目标高速运动使得 回波信号发生了距离走动，信号无法在时间上对齐，同时大的加速度使得信号的相位发生 改变，积累时会出现多普勒扩展现象，导致无法有效相参积累，限制了信噪比的提高，进而 降低了目标发现概率。针对这一问题，人们提出了一系列方法，例如，用于解决距离走动的 方法有频域补偿校正法、包络频域相位补偿法、Keystone变换法、Radon-Fourier变换法 等，用于解决多普勒扩展的方法有Dechirp法，分数阶傅里叶变换法、匹配傅里叶变换法 等，这些方法在理论上一定程度的解决了高速机动隐身目标的相参积累检测问题，但在目 标速度、加速度、甚至加加速度未知且变换范围较大的情况下，由于需要在大的范围内进行 多维参数搜索，这些算法均会面临计算量大难以满足实时性要求的问题，虽然算法优化设 计、并行处理等方法能在一定程度提高计算速度，但是需要在硬件上进行改进，增加了系统 的复杂性。
[0004] 为解决上述问题，本发明提出了一种新的方法，其思路是：高速机动目标在信号检 测的时间内径向距离的变化可近似为匀加速直线运动，即可以用多项式= + 来进行建模（如果考虑更复杂的运动则为2次以上的多项式），其中，R为径向距离，Rtl为 初始径向距离，V为目标速度，a为目标加速度，t为目标检测期间运动的总时间。可见， 以t为自变量R为函数的式子是一条多项式曲线，由于速度V和加速度a未知，则目标在 信号积累期间的径向轨迹可能是无数个多项式曲线中的一条，为减少计算量，可以先以大 的分辨力建立多个多项式模型，则目标运动曲线的参数必定落在多个多项式模型的参数之 间，在各个多项式曲线轨迹上进行信号补偿积累，并将信号能量的最大值映射到参数空间， 通过提取参数空间能量的最大值可以确定一个多项式模型，然后在该多项式模型附近再以 更高的分辨力建立多个多项式曲线模型，再在小的区域沿着新的多项式模型进行信号补偿 积累，依次类推，当精度满足要求时停止多项式模型的细分，从而得到精确相参积累检测结 果D
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的问题就是，针对高速机动隐身目标积累检测中的距离走动和多 普勒扩展问题，提供一种多项式Hough傅里叶变换的积累检测方法。首先以较大分辨力建 立多个多项式模型，利用提出的多项式Hough傅里叶变换实现参数空间的能量积累，然后 根据参数空间能量最大值对应的参数再建立分辨力更高的多个多项式模型，再在小的区域 进行高分辨力的多项式Hough傅里叶变换，依次类推，直到达到补偿精度要求，从而实现高 速机动隐身目标的相参积累检测。
[0006] 本发明解决所述技术问题，采用技术方案步骤如下：
[0007] (1)分别对雷达距离波门内的M个脉冲重复周期的回波信号进行采样，得到一组 MXN的矩阵信号序列S"，m= 1，2, 3…Μ，η = 1，2, 3，···，N，其中N为每一个周期内的采样 总点数（大小与波门宽度和采样频率有关），然后对M个脉冲重复周期内的采样信号S mn分 别进行匹配滤波，得到脉冲压缩后的信号序列S' mn;
[0008] (2)将目标在检测时间内的运动轨迹看成为一条多项式曲线，若将目标运动 近似为匀加速直线运动，则目标运动轨迹为二次多项式，由于多项式参数未知，建立多 个可能的多项式模型，即在最大速度和最小速度之间等间隔划分构成L个速度参数 [V 1, V2，…，Vu vj，在最大加速度和最小加速度之间等间隔划分构成K个加速度参数 Iia1, a2,…，a^，aK]，进而构造目标径向运动的H个可能的多项式模型R1, R2,…，R^1, Rh， 1 , 其中 = + H = LXK，h = 1，2，...，H-1，H，I = 1，2,3，...，L-1，L，k = 1，2, ...，K-1，K ;
[0009] (3)根据构造的多个多项式模型，选取速度和加速度构成的二维平面作为参数空 间（以二次多项式为例），分别对M个回波信号进行多模型多项式Hough傅里叶变换，在参 数空间实现能量积累；
[0010] ⑷对参数空间内的能量进行比较，找出参数空间能量最大点对应的参数 [vi, ak]；
[0011] (5)当满足Ivw-VhI < Λ ε郴lak+rak-」< Λ ￡2时，则输出信号的相参积累 结果，其中[Vh，v1+1]和La1^a kJ表示参数空间中包围参数点[Vl，ak]最近的参数区间， Λ ε i、Λ ε 2为根据精度要求设置的较小实数；否则进入下一步；
[0012] (6)然后再在Vh和V 1+1之间等间隔划分构成L'个速度，在ak_# ak+1之间等间隔 划分构成K'个加速度，进而再构造目标的径向运动轨迹的H'个可能模型'，&:，··_，&".， 其中 H' = L' XK' ；
[0013] (7)回到第⑶步。
[0014] 具体的，所述步骤（3)中多模型多项式Hough傅里叶变换具体为：
[0015] 假设H个多项式模型= i?0 + V'/ + ，h = 1，2,…，H，，对M个脉冲周期的回 波信号分别进行H个多项式模型Hough傅里叶变换，多模型多项式模型Hough傅里叶变换 步骤为：
[0016] a)选取速度和加速度为参数空间的参数，以第k个多项式模型Rh为例，则目标沿 着多项式模型Rk运动时，其速度和加速度分别应为V a k;
[0017] b)对1至M个脉冲重复周期的信号进行速度为^的距离走动补偿，以第m个周期 的脉冲信号为例，补偿后的信号为S"（m，：），有
[0018] S'（m，：）= IFFT(FFT(S，（m，：））· exp(j4Ji frVlT(m)/c)))
【主权项】
1. 多项式Hough傅里叶变换的高速隐身机动目标积累检测方法，其特征在于包括以下 步骤： (1) 分别对雷达距离波门内的M个脉冲重复周期的回波信号进行采样，得到一组MXN 的矩阵信号序列S"，m= 1，2,3…M，n= 1，2,3,…，N，其中N为每一个周期内的采样总点 数（大小与波门宽度和采样频率有关），然后对M个脉冲重复周期内的采样信号Smn分别进 行匹配滤波，得到脉冲压缩后的信号序列S' mn; (2) 将目标在检测时间内的运动轨迹看成为一条多项式曲线，若将目标运动近似为匀 加速直线运动，则目标运动轨迹为二次多项式，由于多项式参数未知，建立多个可能的多项 式模型，即在最大速度和最小速度之间等间隔划分构成L个速度参数[Vl，v2，…，Vh，vj，在 最大加速度和最小加速度之间等间隔划分构成K个加速度参数[ai，a2，…，a^，aK]，进而构 造目标径向运动的H个可能的多项式模型&，R2，…，RmRH，其中= & +V'/ + ^<7,/，H= LXK，h= 1，2, 1 = 1，2, 3,…，L-l，L，k= 1，2, ...，K-1，K; (3) 根据构造的多个多项式模型，选取速度和加速度构成的二维平面作为参数空间 (以二次多项式为例），分别对M个回波信号进行多模型多项式Hough傅里叶变换，在参数 空间实现能量积累； (4) 对参数空间内的能量进行比较，找出参数空间能量最大反"点对应的参数 [vi,ak]； (5) 当满足Ivi+nVA￡1和lak+ra^kA￡2时，则输出信号的相参积累结果，其中 和[ak+ak+J表示参数空间中包围参数点[VpaJ最近的参数区间，Ae^Ae2 为根据精度要求设置的较小实数；否则进入下一步； (6) 然后再在VljPv1+1之间等间隔划分构成L'个速度，在akjPak+12间等间隔划分 构成K'个加速度，进而再构造目标的径向运动轨迹的H'个可能模型'，尺^，…，凡，其中H' =L'XK' ； (7) 回到第（3)步。
2. 根据权利要求1所述的多项式Hough傅里叶变换的高速隐身机动目标积累检测方 法，其特征在于，所述步骤（3)中多模型多项式Hough傅里叶变换具体为： 假设H个多项式模型=i?〇 +v/ +yaj2，h=l，2，...，H，，对M个脉冲周期的回波信号分 别进行H个多项式模型Hough傅里叶变换，多模型多项式模型Hough傅里叶变换步骤为： a) 选取速度和加速度为参数空间的参数，以第k个多项式模型Rh为例，则目标沿着多 项式模型Rk运动时，其速度和加速度分别应为vak; b) 对1至M个脉冲重复周期的信号进行速度为^的距离走动补偿，以第m个周期的脉 冲信号为例，补偿后的信号为S"（m，：），有 S'（m，：）=IFFT(FFT(S'（m，：））?exp(j4JifrVlT(m)/c)))
T=L〇,Tprf，2Tprf，3Tprf，? ? ?，（M-1)Tprf」 其中，j表示虚数单位，IFFTO表示对括号中的信号进行快速傅里叶逆变换，FFT()表 示对括号中的信号进行快速傅里叶变换，S'（m，：）表示第m个脉冲重复周期信号的采样序 列，fs为米样频率，c为光速，TPRF为脉冲重复周期； c) 对1至M个脉冲重复周期的信号进行加速度为ak的相位补偿，以M个脉冲周期信号 序列的同一点第n点为例，相位补偿后的信号为S"（:，n)，有 S"（:，n) =S'（:，n) ?exp(-jJrakT2) 对补偿后信号矩阵的所有列进行快速傅里叶变换实现相参积累，以S"第n列为例，有S"，（:，n) =FFT(S"（:，n)) 求矩阵S" '中幅度对大值，有
其中，Max〇表示求括号内矩阵的最大值，乓^为矩阵S"'各元素绝对值中的最大值， 下标Vpak表示取得该最大值时多项式对应的速度和加速度参数； d) 反,的值赋予参数空间的坐标点[Vl，ak]，表示参数空间点[Vl，ak]的幅度； e) 类似的将所有多项式模型对应的参数空间的坐标点赋值，使得参数空间每一个参数 点对应着一个能量幅度。
【专利摘要】针对高速机动隐身目标积累检测中的距离走动和多普勒扩展问题，提供一种多项式Hough傅里叶变换的积累检测方法。首先以较大分辨力建立多个多项式模型，利用提出的多项式Hough傅里叶变换实现参数空间的能量积累，然后根据参数空间能量最大值对应的参数再建立分辨力更高的多个多项式模型，再在小的区域进行高分辨力的多项式Hough傅里叶变换，依次类推，直到达到补偿精度要求，从而实现高速机动隐身目标的相参积累检测。本发明通过多项式模型多分辨力的逐层逼近搜索思路，利用提出的多项式Hough傅里叶变换实现目标的积累检测，与传统方法需要大范围多维参数搜索相比，可显著降低计算量、存储量和复杂度，便于工程实现。
【IPC分类】G01S7-41
【公开号】CN104808188
【申请号】CN201510137242
【发明人】王国宏, 吴巍, 谭顺成, 孙进平
【申请人】中国人民解放军海军航空工程学院
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年3月26日