本發(fā)明涉及雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于線性調(diào)頻連續(xù)波的雷達(dá)目標(biāo)長時(shí)間積累檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)是目前探測(cè)雷達(dá)采用的一種主流技術(shù)方法。它是通過對(duì)連續(xù)發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制，從獲得回波信號(hào)的相位差中提取距離及目標(biāo)物性等信息的雷達(dá)體制，將傳統(tǒng)脈沖時(shí)域反射雷達(dá)的寬帶時(shí)域觀測(cè)改變?yōu)檎瓗ьl域觀測(cè)，提供了豐富而穩(wěn)定的時(shí)間、幅度、頻率、相位、極化等信息，具備了超強(qiáng)的抗干擾能力；將瞬態(tài)大功率觀測(cè)變化為分頻點(diǎn)相對(duì)小功率發(fā)射，提高了雷達(dá)遠(yuǎn)距離高分辨探測(cè)的能力。調(diào)頻方法是其區(qū)別于脈沖時(shí)域雷達(dá)的關(guān)鍵，也是其技術(shù)方法進(jìn)步的基點(diǎn)。目前發(fā)展了多種調(diào)頻方式，主要有線性調(diào)制和正弦調(diào)制。其中線性調(diào)頻方式已經(jīng)衍生出多種方法，通過快速傅里葉變換(FFT)處理使得其能夠?qū)^大范圍的陣列掃描得到較準(zhǔn)確的距離信息和物性。因此，線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)雷達(dá)已成為調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的主流?？諝饨橘|(zhì)中的線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)雷達(dá)有著低發(fā)射功率、高接收靈敏度、高距離分辨率和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等突出技術(shù)特點(diǎn)，不存在距離盲區(qū)，具有比脈沖雷達(dá)更強(qiáng)的目標(biāo)辨別、抗背景雜波及抗干擾等能力，近年來在軍事和民用方面都得到了較快的發(fā)展。在實(shí)際應(yīng)用中的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于：(1)設(shè)備小型化。LFMCW最大優(yōu)點(diǎn)是其在一定作用距離內(nèi)的發(fā)射功率相對(duì)較小，且信號(hào)調(diào)制很容易在小型的固態(tài)發(fā)射機(jī)中實(shí)現(xiàn)；(2)成像快速。通過集成FFT的數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)頻率信息進(jìn)行處理，可實(shí)時(shí)完成從LFMCW系統(tǒng)中提取距離信息；(3)抗干擾強(qiáng)。LFMCW的信號(hào)頻帶較窄，可以通過變化工作頻帶防止被空間中其他的電磁波干擾。

然而，目前的LFMCW雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)算法均以單脈沖信號(hào)去調(diào)頻處理為基礎(chǔ)，通過單脈沖回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的頻率差來檢測(cè)目標(biāo)，進(jìn)而獲得目標(biāo)的距離和速度等信息。然而，上述方法的性能主要依賴于回波信號(hào)的信噪比。當(dāng)信噪比較低時(shí)，湮沒在噪聲中的信號(hào)經(jīng)過去調(diào)頻處理后將難以被檢測(cè)到，目標(biāo)信息的獲取更無從談起。因此，在低信噪比條件下，如何考慮目標(biāo)在多個(gè)脈沖之間的變化規(guī)律，將目標(biāo)在多脈沖間的能量有效的積累起來，提高目標(biāo)回波的信噪比，進(jìn)而提高目標(biāo)的檢測(cè)概率，獲得目標(biāo)的精確物理參數(shù)，是現(xiàn)在LFMCW雷達(dá)信號(hào)處理的一大難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于線性調(diào)頻連續(xù)波的雷達(dá)目標(biāo)長時(shí)間積累檢測(cè)方法，該方法通過長時(shí)間相參積累，能夠在發(fā)射機(jī)功率有限的條件下，有效提高目標(biāo)積累后的信噪比，進(jìn)而提高目標(biāo)的檢測(cè)性能。得益于相參積累的高信噪比和高分辨率，本發(fā)明能夠進(jìn)一步精確估計(jì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，提供目標(biāo)的實(shí)時(shí)距離和速度等信息。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種基于線性調(diào)頻連續(xù)波的雷達(dá)目標(biāo)長時(shí)間積累檢測(cè)方法，包括如下步驟：

步驟1、根據(jù)待搜索目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型確定待搜索空間；該待搜索空間包括L個(gè)待搜索的機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量α_i,i＝1,2,…,L；

步驟2、發(fā)射線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，對(duì)接收的雷達(dá)目標(biāo)回波進(jìn)行去調(diào)頻處理，獲得去調(diào)頻后的目標(biāo)回波；

步驟3、對(duì)去調(diào)頻后的目標(biāo)回波，沿快時(shí)間維度做FFT變換，得到慢時(shí)間-快時(shí)間頻域的回波信號(hào)；

步驟4、對(duì)于步驟3得到的慢時(shí)間-快時(shí)間頻域回波信號(hào)，針對(duì)每一個(gè)機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量α_i，進(jìn)行相參積累，獲得評(píng)估值G(α_i)；遍歷搜索步驟1所確定的待搜索空間中所有的機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量，獲得每一個(gè)機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量α_i的評(píng)估值G(α_i)，i＝1,2,…,L；

步驟5、利用步驟4獲得的機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量評(píng)估值G(α_i)進(jìn)行門限判決，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)。

優(yōu)選地，機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量由兩個(gè)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的參數(shù)組成，α_i＝[a_0,i,a_1,i]，其中a_0,i是目標(biāo)的距離，a_1,i是目標(biāo)的速度。

優(yōu)選地，步驟4所述的相參積累為：針對(duì)每一個(gè)待搜索的機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量α_i，以沿機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量α_i對(duì)應(yīng)的目標(biāo)回波運(yùn)動(dòng)軌跡C(f；α_i)作為積分路徑，對(duì)快時(shí)間頻域-慢時(shí)間頻域回波信號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償后積分，進(jìn)而獲得積累值G(α_i)；

相位補(bǔ)償函數(shù)為

目標(biāo)回波運(yùn)動(dòng)軌跡C(f；α_i)：

其中，f_c為發(fā)射信號(hào)載頻，r(t)為目標(biāo)在t時(shí)刻的瞬時(shí)距離，f是快時(shí)間對(duì)應(yīng)的頻域，t為慢時(shí)間，γ為調(diào)頻率，c為光速。

優(yōu)選地，所述步驟5為：

步驟51：根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)，確定待搜索的機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量空間分辨率Δα；

步驟52：針對(duì)每一個(gè)機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量α_i，以Δα為間隔，選取R個(gè)點(diǎn)，R為正整數(shù)；對(duì)這R個(gè)點(diǎn)利用相參積累函數(shù)計(jì)算G(α_r)，r＝1,2,…,R，然后取平均，將均值作為噪聲平均功率P_ave(α_i)；

步驟53：根據(jù)噪聲平均功率P_ave(α_i)得到機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量α_i的檢測(cè)門限κ(α_i)：κ(α_i)＝ξ·P_ave(α_i)，其中，ξ由虛警率和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性確定；

步驟54：將G(α_i)與檢測(cè)門限κ(α_i)進(jìn)行比較，得到目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果。

優(yōu)選地，機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量α_i周圍的R個(gè)點(diǎn)選取為α_i±kΔα,

優(yōu)選地，在步驟5之后，該方法進(jìn)一步包括根據(jù)目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果估計(jì)目標(biāo)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

優(yōu)選地，在步驟5之后，該方法進(jìn)一步包括記錄過門限的G(α_p)，p＝1,2,…,Q，Q為過門限的數(shù)據(jù)總量；則令G(α_p)最大的機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量即為目標(biāo)真實(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的估計(jì)值。

有益效果：

(1)本發(fā)明針對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的通用參數(shù)化模型，采用線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)信號(hào)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行長時(shí)間積累檢測(cè)，且長時(shí)間相參積累方法，不同于傳統(tǒng)的非相參積累策略，采用的是相參積累，即對(duì)目標(biāo)的包絡(luò)走動(dòng)和相位起伏進(jìn)行聯(lián)合補(bǔ)償，從而能夠在發(fā)射機(jī)功率有限的條件下，有效地將積累時(shí)間的增加轉(zhuǎn)化為目標(biāo)檢測(cè)概率的提高，大大提高了雷達(dá)的探測(cè)性能。

(2)同時(shí)，在相參積累提供的高信噪比和高分辨率條件下，本發(fā)明可以利用目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)一步精確估計(jì)目標(biāo)的各階運(yùn)動(dòng)參數(shù)，能夠?qū)崟r(shí)給出目標(biāo)的距離、方位等信息。

附圖說明

圖1為本發(fā)明流程圖。

圖2為本發(fā)明的長時(shí)間相參積累結(jié)果示意圖。

圖3為相參積累與非相參積累性能曲線對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

本發(fā)明提供的基于線性調(diào)頻連續(xù)波的雷達(dá)目標(biāo)長時(shí)間積累檢測(cè)方法，首先對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化建模，再對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行去調(diào)頻(Dechirp)變換。而后將回波信號(hào)變換到慢時(shí)間-快時(shí)間頻域維，對(duì)目標(biāo)回波的包絡(luò)走動(dòng)和相位起伏進(jìn)行聯(lián)合補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波的長時(shí)間相參積累。通過長時(shí)間相參積累，顯著的提高了目標(biāo)的信噪比，有效地將積累時(shí)間的增長轉(zhuǎn)化為檢測(cè)概率的提高，并可以進(jìn)一步精確估計(jì)出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路是：

由于在低信噪比條件下，Dechirp的性能會(huì)大大損失，故此時(shí)單脈沖Dechirp處理后將無法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，更不能進(jìn)一步估計(jì)目標(biāo)的相關(guān)物理參數(shù)。但是我們注意到，此時(shí)目標(biāo)的信息仍然存在，只是由于信噪比太低無法提取，故想到了多脈沖的相參積累。通過多脈沖的相參積累，目標(biāo)的信噪比會(huì)顯著提高，這樣就可以在積累后的高信噪比條件下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和估計(jì)。

但是多脈沖積累過程中，由于目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)且每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的時(shí)刻不同，故每個(gè)脈沖中和目標(biāo)參數(shù)有關(guān)的信息都在發(fā)生變化，如下文步驟3中的相位包含了目標(biāo)的參數(shù)信息a₀和a₁，但是由于是隨著時(shí)間t變化的，故每個(gè)脈沖中的相位值都不一樣。因此，本發(fā)明需要考慮目標(biāo)在多個(gè)脈沖之間的變化規(guī)律，將目標(biāo)在多脈沖間的能量有效的積累起來，為此設(shè)計(jì)了與參數(shù)信息a₀和a₁相關(guān)的相參積累函數(shù)，包絡(luò)走動(dòng)和相位的補(bǔ)償設(shè)定均與待補(bǔ)償?shù)男盘?hào)相關(guān)。

基于上述分析，本發(fā)明的基于線性調(diào)頻連續(xù)波的雷達(dá)目標(biāo)長時(shí)間積累檢測(cè)方法具體實(shí)現(xiàn)流程圖如圖1所示，具體方法如下：

步驟一、根據(jù)待搜索目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型確定雷達(dá)待搜索空間，即確定雷達(dá)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型中待搜索的機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量。

具體的，由機(jī)動(dòng)參數(shù)構(gòu)成的雷達(dá)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)化通用模型可表示為

其中，r(t)為目標(biāo)在t時(shí)刻的瞬時(shí)距離，目標(biāo)的機(jī)動(dòng)參數(shù)表示為a_j(j＝0,1)。a_j為與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)物理模型相關(guān)的參數(shù)。如a₀是目標(biāo)的起始距離，a₁是目標(biāo)的起始速度。

由于在實(shí)際應(yīng)用中，目標(biāo)的真實(shí)機(jī)動(dòng)參數(shù)a_j(j＝0,1)未知，故需要對(duì)機(jī)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行搜索，待搜索的機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量表示為α_i＝[a_0,i,a_1,i],i＝1,2,…,L。L為待搜索的機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量的總數(shù)，a_0,i是目標(biāo)的距離，a_1,i是目標(biāo)的速度。

根據(jù)待搜索目標(biāo)的機(jī)動(dòng)特性確定待搜索機(jī)動(dòng)參數(shù)的數(shù)值范圍。例如，待搜索目標(biāo)為汽車，平均速度為30m/s，那么a₁的搜索范圍可以定為[20,50]。

步驟二，發(fā)射線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)信號(hào)，對(duì)接收的雷達(dá)目標(biāo)回波進(jìn)行去調(diào)頻(Dechirp)處理，即將目標(biāo)回波與發(fā)射參考信號(hào)進(jìn)行混頻，獲得目標(biāo)回波Dechirp后的信號(hào)。

具體的，步驟二中所描述的目標(biāo)回波信號(hào)s_rm(t,τ)表示為：

s_rm(t,τ)＝A_rmexp{jπ(2f_c(τ-t_d(t))+γ(τ-t_d(t))²)}τ∈(0,T_p]

其中，A_rm為目標(biāo)回波信號(hào)的幅值常數(shù)，f_c為發(fā)射信號(hào)載頻，τ為快時(shí)間，t為慢時(shí)間，γ為調(diào)頻率，T_p為一個(gè)頻率調(diào)制周期。時(shí)延t_d(t)表示為：

其中，c為光速。

進(jìn)一步的，步驟2中所描述的發(fā)射參考信號(hào)s_ref(τ)表示為：

s_ref(τ)＝exp{jπ(2f_cτ+γτ²)}。

則Dechirp后的信號(hào)s₀(t,τ)表示為

其中Dechirp后信號(hào)的相位的表達(dá)為：

步驟三、對(duì)Dechirp后的目標(biāo)回波，沿快時(shí)間維度做FFT變換，得到慢時(shí)間-快時(shí)間頻域的回波信號(hào)。

本步驟的設(shè)計(jì)思路是：由步驟2可以看到，Dechirp后信號(hào)的相位隨著快時(shí)間τ變化，而的變化規(guī)律又是由目標(biāo)的機(jī)動(dòng)參數(shù)信息，即a_j(j＝0,1)決定。因此，通過沿快時(shí)間τ維的FFT變換，即可將相位的變化反映在快時(shí)間頻域f上，進(jìn)而可以通過后續(xù)步驟的相參積累在慢時(shí)間-快時(shí)間頻域提取目標(biāo)的機(jī)動(dòng)參數(shù)信息。

具體的，對(duì)Dechirp后的目標(biāo)回波s₀(t,τ)沿快時(shí)間維度做FFT變換可表示為：

其中，S(f,t)為獲得的慢時(shí)間-快時(shí)間頻域的回波信號(hào)，f是快時(shí)間對(duì)應(yīng)的頻域。

步驟四，對(duì)步驟三得到的慢時(shí)間-快時(shí)間頻域回波信號(hào)S(f,t)，采用相參積累函數(shù)G進(jìn)行積累。遍歷搜索步驟1所確定的雷達(dá)待搜索空間中所有的機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量，獲得每一個(gè)機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量α_i的評(píng)估值G(α_i)，i＝1,2,…,L。

具體的，相參積累函數(shù)G(α_i)指的是，針對(duì)某一個(gè)待搜索的機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量α_i，沿曲線C(f；α_i)所確定的積分路徑，對(duì)快時(shí)間頻域-慢時(shí)間頻域回波信號(hào)S(f,t；α_i)進(jìn)行相位補(bǔ)償后積分，進(jìn)而獲得積累值。

具體的，機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量α_i的相參積累函數(shù)為：

該公式中曲線C(f；α_i)體現(xiàn)了包絡(luò)走動(dòng)的補(bǔ)償，在積分的過程中，每一個(gè)值都需要乘以一個(gè)補(bǔ)償函數(shù)H(t,α_i)，該過程體現(xiàn)了相位補(bǔ)償。

其中，H(t,α_i)為相位補(bǔ)償函數(shù)，表示為

可以看出，相位補(bǔ)償函數(shù)H(t,α_i)與待補(bǔ)償?shù)男盘?hào)相關(guān)。

C(f；α_i)為機(jī)動(dòng)參量矢量α_i對(duì)應(yīng)的目標(biāo)回波運(yùn)動(dòng)軌跡，表示為

其中，a_0,i a_1,i為待搜索的機(jī)動(dòng)參數(shù)，組成了機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量α_i?？梢钥闯?，該積分曲線C(f；α_i)也與待補(bǔ)償?shù)男盘?hào)相關(guān)。

G(α_i)為沿著由C(f；α_i)所確定的積分路線進(jìn)行線積分的結(jié)果；dl為積分路線上的積分單元。

上面的式(1)分為兩部分，一是復(fù)相位二是目標(biāo)的實(shí)包絡(luò)

對(duì)于函數(shù)sinc(x)，其最大值出現(xiàn)在x＝0處，當(dāng)x不等于0，該函數(shù)的值會(huì)很小。因此對(duì)于上式的A(t)，目標(biāo)的最大值(也就是目標(biāo)的能量最大)出現(xiàn)在處。而相參積累就是想將目標(biāo)的能量積累起來，但是由于a₀和a₁未知，所以在處理的過程中只能以不同的搜索值代入去嘗試，因此就出現(xiàn)了這里的積分曲線C(f；α_i)：

另一方面，找到了目標(biāo)的峰值位置，還需要將目標(biāo)對(duì)應(yīng)的相位補(bǔ)償后再相加，這樣目標(biāo)的能量才能完全積累起來。同樣，由于a₀和a₁未知，所以補(bǔ)償函數(shù)寫為

步驟五，利用步驟四獲得的機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量評(píng)估值G(α_i)進(jìn)行門限判決，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)，并進(jìn)一步估計(jì)目標(biāo)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

具體的，根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)，確定待搜索的機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量空間分辨率為Δα＝[Δa₀,Δa₁]。針對(duì)每一個(gè)參數(shù)α_i，以Δα為間隔，選取R個(gè)點(diǎn)，對(duì)這R個(gè)點(diǎn)利用相參積累函數(shù)G計(jì)算G(α_r)，r＝1,2,…,R，然后取平均，將均值作為噪聲平均功率P_ave，通常選取的R個(gè)點(diǎn)為α_i±kΔα,然后根據(jù)噪聲平均功率P_ave(α_i)得到參數(shù)α_i的檢測(cè)門限κ(α_i)：κ(α_i)＝ξ·P_ave(α_i)，其中，ξ由虛警率和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性確定；最后將G(α_i)與檢測(cè)門限κ(α_i)進(jìn)行比較，得到目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果。

進(jìn)而，記錄過門限的相參積累函數(shù)G(α_p)，p＝1,2,…,Q，目標(biāo)真實(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的估計(jì)值表示為即為令G(α_p)最大的機(jī)動(dòng)參數(shù)矢量。從而進(jìn)一步得到了距離和速度的估計(jì)值。

圖2為本發(fā)明的長時(shí)間相參積累結(jié)果示意圖。圖3為相參積累與非相參積累性能曲線對(duì)比圖。由上述說明和附圖可以看到，本方法通過長時(shí)間相參積累，能夠有效的將目標(biāo)的回波能量投影在參數(shù)空間，聚焦成一個(gè)“尖峰”，顯著提高了目標(biāo)的檢測(cè)性能；同時(shí)相參積累還提高了目標(biāo)的分辨率，進(jìn)而能夠?qū)崟r(shí)的準(zhǔn)確估計(jì)目標(biāo)的距離、速度等物理信息。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。