專利名稱：線性調(diào)頻連續(xù)波體制運(yùn)動(dòng)目標(biāo)參數(shù)估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種線性調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)體制運(yùn)動(dòng)目標(biāo)參數(shù)估計(jì)方法，特別是在高頻地波雷達(dá)中，可以顯著提高目標(biāo)參數(shù)估計(jì)精度。
背景技術(shù)：
高頻地波雷達(dá)是一種利用高頻(3～30MHz)電磁波沿地球表面繞射來探測遠(yuǎn)距離目標(biāo)(艦船、低空飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈、海洋表面等)的新型雷達(dá)，具有探測距離遠(yuǎn)、反隱身、抗反輻射導(dǎo)彈、抗低空突防、能探測海洋表面狀態(tài)等突出優(yōu)點(diǎn)(與常規(guī)雷達(dá)相比)，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?br> 高頻地波雷達(dá)一般采用FMCW體制，在收發(fā)共站的情況下，為解決收發(fā)隔離問題加以中斷成為FMICW(線性調(diào)頻中斷連續(xù)波)體制。如何在FMCW體制下提取距離、速度等目標(biāo)參數(shù)，Rafaat Khan等人發(fā)表的題為“高頻地波雷達(dá)目標(biāo)探測與跟蹤”(Target Detection andTracking With a High Frequency Ground Wave Radar.IEEE Journal of Oceanic Engineering，1994，19(4)540～548)的論文中對(duì)此有詳細(xì)描述，現(xiàn)介紹如下雷達(dá)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生FMCW本振信號(hào)，可以表示為 fo為雷達(dá)信號(hào)載頻，α為掃頻速率，T是掃頻周期，A和分別是信號(hào)幅度和初相。本振信號(hào)經(jīng)門控脈沖中斷后成為發(fā)射信號(hào)ST(t)＝S(t)g(t)(2)門控脈沖g(t)可以表示為g(t)=Σp=0P-1rect[t-pq-T02T0]---(3)]]>P是掃頻周期T內(nèi)的門控脈沖個(gè)數(shù)，T0、q分別為脈沖寬度和周期。 代表寬度為T0，中心在原點(diǎn)的矩形脈沖。
若目標(biāo)在距離r處以徑向速度v(遠(yuǎn)離雷達(dá)為正)運(yùn)動(dòng)，則雷達(dá)接收的目標(biāo)反射信號(hào)的時(shí)間延遲為
τ=2(r+vt)c---(4)]]>其中c是光速。雷達(dá)接收信號(hào)為SR(t)＝KRST(t-τ) (5)KR為傳播衰減因子。接收信號(hào)與本振信號(hào)混頻后，經(jīng)低通濾波解調(diào)得到基帶信號(hào)為SI(t)=lowpass{S(t)·SR(t)}]]>=AIcos(2π(ατt-f0τ-ατ22))---(6)]]>AI是基帶信號(hào)幅度。低通濾波去掉了脈沖調(diào)制而使基帶信號(hào)成為連續(xù)波，因此(6)式中沒有了門控脈沖g(t)這一項(xiàng)。將(4)式代入(6)式后展開，略去一些很小的相位量可得SI(t)≈AIcos(2π(2(αr-f0vc)t+2αvct2-2f0rc-2αr2c2))=AIcos(φτ)---(7)]]>基帶信號(hào)瞬時(shí)頻率為fτ(t)=12πdφτdt=2αrc-2f0vc+4αvtc---(8)]]>其中第一項(xiàng)由目標(biāo)距離引起，第二、三項(xiàng)由目標(biāo)徑向速度引起。在高頻雷達(dá)中|2αrc|>>|-2f0vc+4αvtc|,]]>因而有fτ(t)≈2αrc.]]>以上分析表明，對(duì)基帶信號(hào)采樣后進(jìn)行FFT(快速傅立葉變換)可得到與距離對(duì)應(yīng)的離散頻譜，這次FFT稱為距離變換，所得距離譜為RI[m]=FFT{SI(t)}]]>=AI·FFT{cos(2π(ατt-f0τ-ατ22))}]]>=AI·R[m]---(9)]]>將一個(gè)掃頻周期內(nèi)得到的距離譜作為一行，則連續(xù)lmax個(gè)掃頻周期得到的距離譜可以構(gòu)成一個(gè)lmax×mmax矩陣 mmax為最遠(yuǎn)距離元序數(shù)。
現(xiàn)在分析R中每一行的相位隨掃頻周期序數(shù)(行序數(shù))l的變化規(guī)律。第l個(gè)掃頻周期時(shí)，目標(biāo)距離為rl＝r+v(l-1)T (11)則第l個(gè)掃頻周期基帶信號(hào)相位為φlτ=2π(2(αr1-f0vc)t+2αvct2-2f0rlc-2αrl2c2)---(12)]]>在100個(gè)掃頻周期內(nèi)，即lmax≤100時(shí)，略去一些小的相位項(xiàng)，連續(xù)兩個(gè)掃頻周期基帶信號(hào)相位差為Δφ≈2π(-2f0vc)T---(13)]]>根據(jù)這個(gè)近似，R中第l行與第1行僅僅相差一個(gè)相位因子 可以近似表示為 對(duì)(14)式的每一列再進(jìn)行一次FFT就可以得到與速度對(duì)應(yīng)的多普勒頻譜，這次FFT稱為多普勒變換。由此可見，對(duì)多個(gè)掃頻周期基帶信號(hào)采樣后經(jīng)過兩次FFT處理可得離散二維回波譜P2D(m，n)＝FFT{FFT{S1(t)}}(15)其中m為距離維上的離散頻率，n為速度(多普勒頻率)維上的離散頻率。目標(biāo)回波在距離維出現(xiàn)峰值的頻率為fτ＝2ar/c，在速度維出現(xiàn)峰值的頻率為fv＝-2f0v/c，對(duì)二維回波譜進(jìn)行峰值檢測即可得到目標(biāo)距離和速度。
在FMCW體制中，采用兩次FFT提取距離和速度參數(shù)，本身就是一種近似方法，會(huì)引起一定的系統(tǒng)誤差；另外，F(xiàn)FT得到的是離散譜，根據(jù)譜峰提取目標(biāo)參數(shù)又會(huì)產(chǎn)生量化誤差，最大可達(dá)分辨率的一半。高頻雷達(dá)工作在短波段，頻率較低，干擾較多，調(diào)頻帶寬B不能太大，距離分辨率Δr=c2B]]>遠(yuǎn)不如常規(guī)雷達(dá)，一般為幾公里甚至十幾公里，測距量化誤差很大，給目標(biāo)檢測和跟蹤帶來了嚴(yán)重困難。如何提高目標(biāo)參數(shù)估計(jì)精度成為高頻雷達(dá)目標(biāo)探測要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提高FMCW體制目標(biāo)參數(shù)估計(jì)精度，以利于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測和跟蹤。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的目標(biāo)參數(shù)估計(jì)方法為建立準(zhǔn)確的目標(biāo)回波數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)目標(biāo)的距離r和速度v進(jìn)行搜索，計(jì)算出多組理想目標(biāo)回波譜(無噪聲)，距離搜索的步長為50-300米；再將理想目標(biāo)回波譜與實(shí)際目標(biāo)回波譜進(jìn)行比較，當(dāng)兩者最為匹配時(shí)的那組理想目標(biāo)回波譜對(duì)應(yīng)的r、v值即為目標(biāo)距離和速度的估計(jì) 觀察(4)、(6)式可知，雷達(dá)工作參數(shù)f0和α確定后，回波基帶信號(hào)的函數(shù)形式已知，僅含有兩個(gè)變量r和v，可以表示為SI(t)=AIcos(2π(ατt-f0τ-ατ22))=AI·f(r,v,t)---(16)]]>(15)式中的二維回波譜可以重新表示為P2D(m，n，r，v)＝FFT{FFT{SI(t)}}＝AI·FFT{FFT{f(r，v，t)}} (17)＝AI·P(m，n，r，v)其中P(m，n，r，v)是單位強(qiáng)度理想基帶信號(hào)經(jīng)過兩次FFT處理所得二維回波譜，是r和v的函數(shù)，當(dāng)r和v確定時(shí)能直接計(jì)算得到。
將可直接計(jì)算出的理想回波譜與實(shí)際回波譜進(jìn)行比較，當(dāng)兩者最為匹配時(shí)的理想目標(biāo)回波譜對(duì)應(yīng)的r、v值即為目標(biāo)距離和速度的估計(jì) 與傳統(tǒng)的兩次FFT方法相比，本發(fā)明采用了精確的目標(biāo)回波數(shù)學(xué)模型，消除了近似方法引起的系統(tǒng)誤差，小步長50-300米的搜索方法又消除了回波譜離散產(chǎn)生的量化誤差，參數(shù)估計(jì)精度大大提高，測距量化誤差僅為幾十至幾百米，比現(xiàn)有技術(shù)提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，有利于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測和跟蹤；另一方面，高精度的距離估計(jì)降低了通過增大調(diào)頻帶寬B提高距離分辨率的必要性，放寬了對(duì)波形設(shè)計(jì)的要求，有利于優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高雷達(dá)整體性能。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作更加詳細(xì)的說明。


圖1，是高頻地波雷達(dá)工作原理2，是距離-速度二維聯(lián)合估計(jì)實(shí)施方案示意3，是距離一維估計(jì)實(shí)施方案示意圖具體實(shí)施方式
根據(jù)(16)、(17)式可以直接計(jì)算出理想回波譜，關(guān)鍵是如何通過與實(shí)際回波譜的比較對(duì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。
實(shí)際二維回波譜可以表示為P′2D(m，n)＝A′I·P(m，n，r′，v′)+N(m，n)(18)A′I是回波基帶信號(hào)振幅，r′、v′分別是目標(biāo)的實(shí)際距離和徑向速度，N(m，n)是回波譜噪聲成分。對(duì)二維回波譜進(jìn)行目標(biāo)峰值檢測，譜峰對(duì)應(yīng)的離散頻率為mr和nv，則定義
β1=P(mr-1,nv,r,v)P(mr,nv,r,v)---(19)]]>β1′=P2D′(mr-1,nv)P2D′(mr,nv)=AI′·P(mr-1,nv,r′,v′)+N(mr-1,nv)AI′·P(mr,nv,r′,v′)+N(mr,nv)---(20)]]>β2=P(mr+1,nv,r,v)P(mr,nv,r,v)---(21)]]>β2′=P2D′(mr+1,nv)P2D′(mr,nv)=AI′·P(mr-1,nv,r′,v′)+N(mr+1,nv)AI′·P(mr,nv,r′,v′)+N(mr,nv)---(22)]]>γ1=P(mr,nv-1,r,v)P(mr,nv,r,v)---(23)]]>γ1′=P2D′(mr,nv-1)P2D′(mr,nv)=AI′·P(mr,nv-1,r′,v′)+N(mr,nv-1)AI′·P(mr,nv,r′,v′)+N(mr,nv)---(24)]]>γ2=P(mr,nv+1,r,v)P(mr,nv,r,v)---(25)]]>γ2′=P2D′(mr,nv+1)P2D′(mr,nv)=AI′·P(mr,nv+1,r′,v′)+N(mr,nv+1)AI′·P(mr,nv,r′,v′)+N(mr,nv)---(26)]]>P′2D(m，n)是已知的實(shí)際回波譜，因而β′1、β′2、γ′1、γ′2已知，β1、β2、γ1、γ2是r和v的函數(shù)，可以表示為β1(r，v)、β2(r，v)、γ1(r，v)、γ2(r，v)。
圖2說明了距離-速度二維聯(lián)合估計(jì)的一種實(shí)施方案。采用與實(shí)際系統(tǒng)相同的工作參數(shù)f0和α，以合適的步長對(duì)r、v值進(jìn)行搜索，仿真計(jì)算出多組理想目標(biāo)回波譜P(m，n，r，v)并保存。構(gòu)造一個(gè)二維搜索函數(shù)fSEARCH(r，v)＝|β1(r，v)-β′1|2+|β2(r，v)-β′2|2+|γ1(r，v)-γ′1|2+|γ2(r，v)-γ′2|2(27)由于P(m，n，r，v)已經(jīng)計(jì)算得到，因而β1(r，v)、β2(r，v)、γ1(r，v)、γ2(r，v)也已知。在理想情況下N(m，n)≡0，由(20)、(22)、(24)、(26)式顯然有β1′=P(mr-1,nv,r′,v′)P(mr,nv,r′,v′)---(28)]]>β2′=P(mr+1,nv,r′,v′)P(mr,nv,r′,v′)---(29)]]>γ1′=P(mr,nv-1,r′,v′)P(mr,nv,r′,v′)---(30)]]>γ2′=P(mr,nv+1,r′,v′)P(mr,nv,r′,v′)---(31)]]>
對(duì)r、v進(jìn)行二維搜索，當(dāng)r→r′、v→v′時(shí)，β1→β′1，β2→β′2，γ1→γ′1，γ2→γ′2，fSEARCH(r，v)→0，即理想回波譜與實(shí)際回波譜達(dá)到了最佳匹配。實(shí)際回波譜中噪聲不可避免，取fSEARCH(r，v)達(dá)到最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的r、v值作為目標(biāo)距離和速度的估值 這種方案對(duì)距離和速度的估計(jì)精度都比較高，但二維搜索計(jì)算量較大，在計(jì)算能力允許時(shí)可以采用。
圖3說明了距離一維估計(jì)的一種實(shí)施方案。對(duì)于高頻雷達(dá)，較高的測速精度可以通過加大信號(hào)處理相干積累時(shí)間獲得，關(guān)鍵是要提高測距精度，因此二維聯(lián)合估計(jì)的方法可以簡化為一維估計(jì)。根據(jù)檢測出的多普勒頻率nv可以得到較為精確的速度估計(jì) 采用與實(shí)際系統(tǒng)相同的工作參數(shù)f0和α，以合適的步長對(duì)r進(jìn)行搜索，仿真計(jì)算出多組理想目標(biāo)回波譜 并保存。重新構(gòu)造一個(gè)搜索函數(shù)fSEARCH(r)=|β1(r,v^)-β1′|2+|β2(r,v^)-β2′|2---(32)]]>此時(shí)搜索函數(shù)是一維的，達(dá)到最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的r為距離的估值 這種方案對(duì)距離的估計(jì)精度比聯(lián)合估計(jì)略差，但計(jì)算量小很多，比較實(shí)用。
當(dāng)雷達(dá)有多個(gè)接收通道時(shí)，根據(jù)每個(gè)通道回波都可以得到一組β′1、β′2、γ′1、γ′2，統(tǒng)計(jì)平均后代入(27)或(32)式，將會(huì)提高參數(shù)估計(jì)精度。
二維聯(lián)合估計(jì)和距離一維估計(jì)可以統(tǒng)稱為搜索匹配法，是針對(duì)點(diǎn)目標(biāo)模型提出的。由于高頻雷達(dá)的距離分辨率一般為幾公里甚至幾十公里，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于移動(dòng)目標(biāo)(艦船、飛機(jī)等)的尺寸，滿足點(diǎn)目標(biāo)模型，因此本發(fā)明很適合高頻雷達(dá)目標(biāo)參數(shù)估計(jì)。實(shí)際上，本發(fā)明可應(yīng)用于滿足點(diǎn)目標(biāo)模型的任何FMCW探測系統(tǒng)(包括雷達(dá)、聲納等)中。對(duì)于多目標(biāo)的情況，只要目標(biāo)間的距離、速度之差大于分辨率的兩倍，目標(biāo)回波譜副瓣對(duì)鄰近目標(biāo)的影響很小，搜索匹配法就能加以分辨并保持較高的估計(jì)精度。
權(quán)利要求
1.線性調(diào)頻連續(xù)波體制目標(biāo)參數(shù)估計(jì)方法，其特征在于建立準(zhǔn)確的目標(biāo)回波數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)目標(biāo)的距離r和速度v進(jìn)行搜索，計(jì)算出多組理想目標(biāo)回波譜，距離搜索的步長為50-300米；再將理想目標(biāo)回波譜與實(shí)際目標(biāo)回波譜進(jìn)行比較，當(dāng)兩者最為匹配時(shí)的那組理想目標(biāo)回波譜對(duì)應(yīng)的r、v值即為目標(biāo)距離和速度的估計(jì) 所述的目標(biāo)回波數(shù)學(xué)模型為SI(t)=AIcos(2π(ατt-f0τ-ατ22))=AI·f(r,v,t)--(1)]]>P2D(m，n，r，v)＝FFT{FFT{SI(t)}}＝AI·FFT{FFT{f(r，v，t)}}(2)＝AI·P(m，n，r，v)fSEARCH(r，v)＝|β1(r，v)-β′1|2+|β2(r，v)-β′2|2+|γ1(r，v)-γ′1|2+|γ2(r，v)-γ′2|2(3)其中，SI(t)為回波基帶信號(hào)；P2D(m，n，r，v)為二維回波譜；fSEARCH(r，v)為用于估計(jì)距離和速度的搜索函數(shù)；f0和α是雷達(dá)工作參數(shù)，P(m，n，r，v)是單位強(qiáng)度理想基帶信號(hào)經(jīng)過兩次FFT處理所得二維回波譜，是r和v的函數(shù)，當(dāng)r和v確定時(shí)能直接計(jì)算得到。
2.如權(quán)利要求1所述的目標(biāo)參數(shù)估計(jì)方法，其特征在于只對(duì)目標(biāo)的距離r進(jìn)行搜索，根據(jù)檢測出的多普勒頻率nv得到較為精確的速度估計(jì) 用以下公式估計(jì)目標(biāo)距離fSEARCH(r)=|β1(r,v^)-β1′|2+|β2(r,v^)-β2′|2--(4)]]>
全文摘要
一種線性調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)體制運(yùn)動(dòng)目標(biāo)參數(shù)估計(jì)方法，其特征在于建立準(zhǔn)確的目標(biāo)回波數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)目標(biāo)的距離r和速度v進(jìn)行搜索，計(jì)算出多組理想目標(biāo)回波譜，距離搜索的步長為50－300米；再將理想目標(biāo)回波譜與實(shí)際目標(biāo)回波譜進(jìn)行比較，當(dāng)兩者最為匹配時(shí)的那組理想目標(biāo)回波譜對(duì)應(yīng)的r、v值即為目標(biāo)距離和速度的估計(jì)、。
文檔編號(hào)G01S13/536GK1566985SQ03128239
公開日2005年1月19日 申請(qǐng)日期2003年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月30日
發(fā)明者程豐, 柯亨玉, 楊子杰 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)