作为距离的 最终精确估计值。
[0071] 步骤二、根据目标运动测量结果，提取出目标的微动特征参数。本发明提出一种迭 代的多运动参数联合估计方法，可同时提取目标的平动及微动运动参数，其测量原理框图 如图2所示。具体步骤说明如下：
[0072] 步骤201、将目标运动看作平动和周期性微运动的合成。利用M阶多项式对平动建 模，正弦信号对微动建模，即目标的运动可表示如下：
[0074] 其中tn为时间序列，Rn为目标径向距离，A为微运动幅度，f为周期，中为初相，e n 为由噪声等干扰引入的误差。需要求"Sato A, f,巾的最小二乘估计。M-般取值3 至4〇
[0075] 步骤22、采用迭代法估计上述参数，流程如下：
[0076] 1)首先令A = 0,用多项式拟合估计a。，S1，…，aM。
[0077] 2)计算误差
[0081] 使其取值最小，具体步骤如下：
[0082] ①首先估计频率f，对en作傅里叶变换，取频谱幅度最大的点对应的频率f。为频 率f的初值。
[0083] ②然后估计A，巾。作变量替换
[0094] 由于g(x, y)是二次函数，其极值点也是全局最小值点，估计x, y只需取任意初值 用上式迭代即可收敛到全局最小值点，即将y取任意初值后连同en、f当前值以及t n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<i)，y = A sin<i)算出A,伞；
[0095] ③更新f。对f求导，得
[0098] ④转向②直到迭代收敛。
[0099] 4)将获得的f?值、A，巾，代入到en= R n_A sin (2 JT ftn+巾）中，得到误差en的值， 然后在根据=疋-? _印一…-s采用多项式拟合法估计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。
[0100] 实施例
[0101] 本部分结合具体S波段实验雷达的外场实验实例，对基于合成宽带雷达的mm 级微动测量方法进行说明。
[0102] 实施例1
[0103] 本例的系统框图如图2所示。
[0104] 本实例中参数设置如下：
[0105] 发射信号子脉冲时宽Tp= 0.1 y s，子脉冲重复周期1\= 1.6 ys，合成带宽B = 320MHz，频率步进阶梯数N = 64,频率步进间隔Af = 5MHz。
[0106] 目标为一直径5厘米、中空、内置小球的钢球。利用弹射器将钢球弹射到空间作为 运动目标，测量钢球的运动并提取微动，具体结果如下。
[0107] 随着钢球远离雷达运动，回波的信噪比逐渐降低至25dB。图3、图4分别给出了包 络测距拟合结果及包络测距拟合误差，可见随着信噪比的降低，测距误差增加。
[0108] 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2 k+ A，并将其作为距离的最终精确估计值。相推测距结果及拟合误差分别 如图5、图6所示，对比图4、图6,相推测距结果的精度达到了毫米量级，远高于包络测距的 精度。
[0109] 根据以上目标运动测量结果，还原出目标的运动轨迹如图7。根据本发明提出的迭 代多运动参数联合估计方法，按照图2的流程进行参数估计，分离出平动和微动轨迹分别 如图8和图9所示。提取出目标的微动运动参数，如下表1所示。将目标运动估计结果与 目标运动轨迹测量值作差，得到目标运动估计误差如图10所示，该误差足够小，与场景中 噪声的功率变化相一致，可认为是由噪声引起的误差，从而验证了本方案的有效性。
[0110] 表1微动分量估计结果
[0111]
[0112] 实施例2
[0113]本实例对飞机的降落过程进行观测，录取信号参数设置如下：
[0114] 发射信号为64位差分映射m码的频率步进信号，码片宽度0.lus，脉宽6. 4ys， 脉冲重复周期64 ys，单个脉冲带宽10MHz，合成带宽320MHz，脉冲个数64,频率步进间隔 5MHz。一帧数据时间为4096 y s。
[0115] 由于飞机为复杂目标，其散射点占据多个距离单元，对回波进行距离徙动校正，校 正后的高分辨一维距离像序列如图11所示。由飞机ISAR成像结果，判断机头所在距离单 元，并提取机头所在距离单元的相位，其随时间变化曲线如图12中蓝线所示，对相位进行3 阶最小二乘拟合如图12中红线所示，并将该拟合结果视为飞机平动引起的相位变化曲线。 图13为拟合前后相位差结果，将其视为去除转动后的相位变化曲线，该曲线以正弦规律变 化，认为其包含目标的微动信息和噪声；将图13中相位变化曲线转化为距离变化曲线，即 得到目标的微动轨迹如图14所示，微动起伏均方根为I. 26mm ;图15为机头回波幅度和微 动轨迹频谱，由图可知机头微动频率为32Hz。
[0116] 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。
【主权项】
1. 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，其特征在于，包括如下 步骤： 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； 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： 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：其中，η表示回波信号的帧序列号，a。，ai··· aM表示平动模型的系数，R "为通过第η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，Φ为初相，ε "为 误差； 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： 5221、 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。，a。…，aM的值； 5222、 令误差en表达为：5223、 利用en估计A，f，Φ，优化目标函1，其中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： 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； S2232、令X = Acos Φ，y = Asin Φ，则目标函数写为：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 = Acos Φ 和y = Asin Φ分别算出A和Φ ; 52233、 计算目标函数对f的导数：将S2232计算得到的A和Φ代入到·等号右边，然后令，求出新的f值，作为下一次迭代的当前值，执行S2234 ; 52234、 判断f值是否收敛：如果是，执行S224 ; 如果否，返回S2232 ; 3224、将3223获得的€当前值^和巾值代入到6"=1^48丨11(2 31代"+(}))中，得到误差 en的值；然后再根据e? =旯-屮一'一，采用多项式拟合法重新估计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。2. 如权利要求1所述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，其 特征在于，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： 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η帧回波得到的最大峰值点距离为 Rn; 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： 用相位表示目标最大峰值点距离为，kS整数，ε为包络 测距误差，A为在模糊相位测量中计算得到的相位；ARn= Rn+1-Rn; 步骤103、根据第η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 Rn+1，得到ARJg，再解得k值，最后重新代入到Δ φ = 23ik+A+e并将ε近似为零，得到 A Φ，即为目标的运动距离。3. 如权利要求2所述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，其 特征在于，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。
【专利摘要】本发明公开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，采用了一种迭代的运动参数联合估计方法，可对目标毫米级的微动进行测量，能够精确提取目标运动参数；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PD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。
【IPC分类】G01S13/08, G01S7/41, G01S13/50
【公开号】CN105068058
【申请号】CN201510420051
【发明人】刘泉华, 任丽香, 姜元, 毛二可, 龙腾, 范花玉
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月16日