一种基于合成宽带脉冲多普勒雷达的毫米级微动测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微动测量领域，尤其涉及一种基于合成宽带脉冲多普勒雷达的毫米级 微动测量方法。
【背景技术】
[0002] 微动（Micro-motion)是指目标或目标的组成部分除了主体平动之外的运动，如 直升机旋翼的转动，喷气式飞机引擎叶片的旋转，人体的心跳和呼吸时胸腔的运动等。目标 的微动状态能够反映目标的精细特征，是目标识别的重要依据。
[0003] 合成宽带脉冲多普勒（PD)雷达，具有瞬时窄带、合成宽带的特点。相比于宽带线 性调频信号，具有AD采样率低、利于长时间积累、利于幅相失真补偿、抗干扰等优势。
[0004] 随着现代雷达技术的进步，雷达对目标的精细探测能力越来越高。相推测距是目 前精度最高的测距方法。雷达回波的相位随目标距离而变化，当目标径向移动半波长时，回 波相位变化2 31。利用回波相位变化测距称为相位测距。如对单频连续波雷达，设载频为 心，其发射信号为sin (2 ，信号发射后到距离为R的目标再返回雷达传播时间为TR，则 回波信号为sin[2 在接收机中对发射及回波信号比相，如目标距离小于半波 长，其相位差为A (0< A <230,则目标距离
[0006] 从上式可知，在波长A -定时，相位差与距离成正比。但是目标距离远大于A/2， 则总的回波相位可写成
[0007] (J) = 2 Ji k+ A
[0008] 相应目标距离为
[0010] 式中k为整数，是相位变化周期的数目。
[0011] 相推测距每隔半波长存在距离模糊，通常在多频连续波雷达中，利用多个频率解 距离模糊。
[0012] 现有的微动参数估计方法，通常是将时频分析与Hough变换或逆Radon变换相结 合，在图像域估计微动曲线的参数，其精度取决于时频图的分辨力，因此，其精度较低。
【发明内容】
[0013] 有鉴于此，本发明提供了一种基于合成宽带脉冲多普勒雷达的毫米级微动测量方 法，能够获得目标的精确运动彳目息。
[0014] 为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
[0015] -种基于合成宽带脉冲多普勒雷达的毫米级微动测量方法，包括如下步骤：
[0016] 步骤1、根据距离门内目标回波的I、Q两路信号以及目标轨迹估计值，采用相推测 距方法，测量目标的运动距离；
[0017] 步骤2、根据步骤1获得的目标运动距离，提取出目标的微动特征参数，具体包括 如下步骤：
[0018] 步骤21、将目标运动看作平动和周期性微运动的合成，并利用M阶多项式建立目 标的平动模型，采用正弦信号建立目标的微动模型，则目标的运动表示如下：
[001 9] ^Hq-^rCl^tn + * *+ + 8111^2?'^t：n + Sft J
[0020] 其中，n表示回波信号的帧序列号，a。，v aM表示平动模型的系数，R "为通过第n 帧回波信号获得的目标距离，tn为时间序列，A为目标微运动幅度，f为周期，巾为初相，e n 为误差；
[0021] 步骤22、采用迭代法估计平动模型和微运动模型参数，步骤如下：
[0022] S221、首先令A = 0,根据之前获得的回波信号的目标距离，采用多项式拟合法估 计得到a。，S1,…，aM的值；
[0023]S222、令误差en表达为：
中N表示回波信号的总帧数，使目标函数取值最小，具体步骤如下：
[0026] 32231、对en作傅里叶变换，取频谱幅度最大的点对应的频率作为频率f?的初值， 即f的当前值；
[0027]S2232、令 X = A cos <}>，y = A sin <}>，则目标函数写为：
[0032] 将y取任意初值后连同en、f当前值以及tn代入到X表达式中，得到X的值，再代 入到表达式y中，求得y值后再代入到X表达式，如此类推，直到X和y值收敛，再由X = A cos 和 y = A sin 分别算出 A 和 ;
[0033]S2233、计算目标函数对f的导数：
作为下一次迭代的当前值，执行S2234 ;
[0036] S2234、判断f值是否收敛：如果是，执行S224 ;
[0037] 如果否，返回S2232;
[0038] S224、将S223获得的f当前值、A和巾值代入sin(2Jiftn+(i))中，
a。，ai，…，aM的值；如此，得到目标平动以及微动周期、幅度和初相的估计值，实现目标的微 动测量。
[0039] 较佳的，所述步骤1中，采用相推测距方法测量目标的运动距离的方法如下：
[0040] 步骤101、根据目标轨迹的估计值和距离门内回波的I、Q两路信号，获得所述距离 门内一维距离像的峰值点，并测定最大峰值点的距离，设第n帧回波得到的最大峰值点距 离为R n;
[0041] 步骤102、利用峰值点距离测量值的轨迹拟合结果解相位模糊：
络测距误差，A为在模糊相位测量中计算得到的相位；ARn= R n+1-Rn;
[0043] 步骤103、根据第n帧回波的最大峰值点距离Rn和第n+1帧回波的最大峰值点距 离R n+i，得到ARJg，再解得k值，最后重新代入到A(J) = 2Jik+A+e并将e近似为零， 得到A (}>，即为目标的运动距离。
[0044] 较佳的，所述每一帧的最大峰值点距离R1均为采用多项式拟合方法进行平滑后的 结果。
[0045] 本发明具有如下有益效果：
[0046] (1)本发明提出了一种基于合成宽带脉冲多普勒雷达的毫米级微动测量方法，采 用相推测速测距技术，精确测量目标运动，其中采用了一种迭代的运动参数联合估计方法， 以获得目标的精确运动信息。利用本发明的方法可对目标毫米级的微动进行测量。因此， 本发明是一种有效的微动测量方法，能够精确提取目标运动参数。
[0047] (2)本发明利用轨迹平滑的方法，显著降低了相位解模糊对信噪比的要求。
[0048] (3)相比于传统的窄带微动测量方法，本方法是一种相位级的高精度微动测量方 法，其测距精度毫米量级，测速精度厘米/秒量级，满足微动提取对雷达高精度测距、测速 的需求；且本方法具有距离高分辨能力，可将复杂目标各散射点分离开来，同时获得目标不 同散射点的距离和运动信息；宽带ro处理方法可以实现回波相参积累，并有效抑制静止以 及低速杂波；结合航迹滤波信息，可以提高宽带包络测距/测速精度，降低正确解相位模糊 对信噪比的要求；该方法计算简单，数据率高，能满足微动提取对高数据率的需求。
【附图说明】
[0049] 图1为本发明的迭代多运动参数联合估计方法原理图。
[0050] 图2为本发明的试验系统雷达原理框图。
[0051] 图3为本发明的包络测距及轨迹拟合结果。
[0052] 图4为本发明的包络测距拟合误差。
[0053] 图5为本发明的相推测距及轨迹拟合结果。
[0054] 图6为本发明的相推测距拟合误差。
[0055] 图7为本发明的目标运动轨迹。
[0056] 图8为本发明的目标平动估计结果。
[0057] 图9为本发明的钢球微动估计结果。
[0058] 图10为本发明的目标运动轨迹估计误差。
[0059] 图11为本发明的飞机一维距离像序列。
[0060] 图12为本发明的机头所在距离单元相位随时间变化曲线。
[0061] 图13为本发明的去除转动信息后机头所在距离单元的相位变化。
[0062] 图14为本发明的机头所在距离单元的微动轨迹。
[0063] 图15为本发明的飞机机头微动情况分析结果。
【具体实施方式】
[0064] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0065] 本发明的一种基于合成宽带脉冲多普勒雷达的毫米级微动测量方法，具体过程 为：
[0066] 步骤一、将距离门内目标回波I、Q和目标轨道估计值输入到相推测距（PDR)模块， 精确测量目标的运动距离。
[0067] 步骤101、输入目标轨迹的估计值和距离门内回波I、Q信号到回波距离估计器中， 根据选中的距离门内一维距离像的峰值点（通常是最大值点），精确测定最大峰值点的距 离。设第i帧回波得到的最大峰值点距离为R 1。
[0068] 步骤102、利用峰值点距离测量（也叫包络测距）值的轨迹拟合结果解相位模 糊。对于运动目标，连续两帧得到的峰值点距离差即为目标的运动距离AR 1，有Ri+1 =
模糊相位测量中计算得到的相位，该相位由一维距离像中最大点的I、Q值所确定，其值满 足0彡A彡231。在高信噪比条件下，可利用包络测距值UPR1之差A R直接解相位模 糊，即确定k值，但对信噪比的要求较高。
[0069] 为满足在低信噪比条件下能够正确解模糊，提出利用包络轨迹拟合结果解相位模 糊的方法。由于目标运动轨迹是连续的，可以用多项式进行近似。首先对包络测距结果民 进行q阶多项式拟合，即氧+掉+…，其中尾表示拟合结果，P。，P1，…Pq表示各阶 多项式系数。利用拟合结果爲和之差M解相位模糊，该方法可将正确解信噪比要求降 低至15dB。
[0070] 步骤103、由于相推测距精度远高于包络测距，故A可认为是真值，在解距离模糊 后即可得到接近真值的A巾=2 Jik+A+e，将e近似为零，解得A (})后，将其