線性調頻連續波體制運動目標參數估計方法

專利名稱：線性調頻連續波體制運動目標參數估計方法
技術領域：
本發明涉及一種線性調頻連續波(FMCW)體制運動目標參數估計方法，特別是在高頻地波雷達中，可以顯著提高目標參數估計精度。
背景技術：
高頻地波雷達是一種利用高頻(3～30MHz)電磁波沿地球表面繞射來探測遠距離目標(艦船、低空飛機、巡航導彈、海洋表面等)的新型雷達，具有探測距離遠、反隱身、抗反輻射導彈、抗低空突防、能探測海洋表面狀態等突出優點(與常規雷達相比)，具有很大的發展潛力。
高頻地波雷達一般采用FMCW體制，在收發共站的情況下，為解決收發隔離問題加以中斷成為FMICW(線性調頻中斷連續波)體制。如何在FMCW體制下提取距離、速度等目標參數，Rafaat Khan等人發表的題為“高頻地波雷達目標探測與跟蹤”(Target Detection andTracking With a High Frequency Ground Wave Radar.IEEE Journal of Oceanic Engineering，1994，19(4)540～548)的論文中對此有詳細描述，現介紹如下雷達信號發生器產生FMCW本振信號，可以表示為 fo為雷達信號載頻，α為掃頻速率，T是掃頻周期，A和分別是信號幅度和初相。本振信號經門控脈沖中斷后成為發射信號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內的門控脈沖個數，T0、q分別為脈沖寬度和周期。 代表寬度為T0，中心在原點的矩形脈沖。
若目標在距離r處以徑向速度v(遠離雷達為正)運動，則雷達接收的目標反射信號的時間延遲為
τ=2(r+vt)c---(4)]]>其中c是光速。雷達接收信號為SR(t)＝KRST(t-τ) (5)KR為傳播衰減因子。接收信號與本振信號混頻后，經低通濾波解調得到基帶信號為SI(t)=lowpass{S(t)·SR(t)}]]>=AIcos(2π(ατt-f0τ-ατ22))---(6)]]>AI是基帶信號幅度。低通濾波去掉了脈沖調制而使基帶信號成為連續波，因此(6)式中沒有了門控脈沖g(t)這一項。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)]]>基帶信號瞬時頻率為fτ(t)=12πdφτdt=2αrc-2f0vc+4αvtc---(8)]]>其中第一項由目標距離引起，第二、三項由目標徑向速度引起。在高頻雷達中|2αrc|>>|-2f0vc+4αvtc|,]]>因而有fτ(t)≈2αrc.]]>以上分析表明，對基帶信號采樣后進行FFT(快速傅立葉變換)可得到與距離對應的離散頻譜，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)]]>將一個掃頻周期內得到的距離譜作為一行，則連續lmax個掃頻周期得到的距離譜可以構成一個lmax×mmax矩陣 mmax為最遠距離元序數。
現在分析R中每一行的相位隨掃頻周期序數(行序數)l的變化規律。第l個掃頻周期時，目標距離為rl＝r+v(l-1)T (11)則第l個掃頻周期基帶信號相位為φlτ=2π(2(αr1-f0vc)t+2αvct2-2f0rlc-2αrl2c2)---(12)]]>在100個掃頻周期內，即lmax≤100時，略去一些小的相位項，連續兩個掃頻周期基帶信號相位差為Δφ≈2π(-2f0vc)T---(13)]]>根據這個近似，R中第l行與第1行僅僅相差一個相位因子 可以近似表示為 對(14)式的每一列再進行一次FFT就可以得到與速度對應的多普勒頻譜，這次FFT稱為多普勒變換。由此可見，對多個掃頻周期基帶信號采樣后經過兩次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。目標回波在距離維出現峰值的頻率為fτ＝2ar/c，在速度維出現峰值的頻率為fv＝-2f0v/c，對二維回波譜進行峰值檢測即可得到目標距離和速度。
在FMCW體制中，采用兩次FFT提取距離和速度參數，本身就是一種近似方法，會引起一定的系統誤差；另外，FFT得到的是離散譜，根據譜峰提取目標參數又會產生量化誤差，最大可達分辨率的一半。高頻雷達工作在短波段，頻率較低，干擾較多，調頻帶寬B不能太大，距離分辨率Δr=c2B]]>遠不如常規雷達，一般為幾公里甚至十幾公里，測距量化誤差很大，給目標檢測和跟蹤帶來了嚴重困難。如何提高目標參數估計精度成為高頻雷達目標探測要解決的一個關鍵問題。

發明內容
本發明的目的在于提高FMCW體制目標參數估計精度，以利于運動目標的檢測和跟蹤。
為了實現上述目的，本發明所采用的目標參數估計方法為建立準確的目標回波數學模型，通過對目標的距離r和速度v進行搜索，計算出多組理想目標回波譜(無噪聲)，距離搜索的步長為50-300米；再將理想目標回波譜與實際目標回波譜進行比較，當兩者最為匹配時的那組理想目標回波譜對應的r、v值即為目標距離和速度的估計 觀察(4)、(6)式可知，雷達工作參數f0和α確定后，回波基帶信號的函數形式已知，僅含有兩個變量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)是單位強度理想基帶信號經過兩次FFT處理所得二維回波譜，是r和v的函數，當r和v確定時能直接計算得到。
將可直接計算出的理想回波譜與實際回波譜進行比較，當兩者最為匹配時的理想目標回波譜對應的r、v值即為目標距離和速度的估計 與傳統的兩次FFT方法相比，本發明采用了精確的目標回波數學模型，消除了近似方法引起的系統誤差，小步長50-300米的搜索方法又消除了回波譜離散產生的量化誤差，參數估計精度大大提高，測距量化誤差僅為幾十至幾百米，比現有技術提高一個數量級，有利于運動目標的檢測和跟蹤；另一方面，高精度的距離估計降低了通過增大調頻帶寬B提高距離分辨率的必要性，放寬了對波形設計的要求，有利于優化系統設計，提高雷達整體性能。
下面結合附圖和實施例，對本發明作更加詳細的說明。


圖1，是高頻地波雷達工作原理2，是距離-速度二維聯合估計實施方案示意3，是距離一維估計實施方案示意圖具體實施方式
根據(16)、(17)式可以直接計算出理想回波譜，關鍵是如何通過與實際回波譜的比較對目標參數進行估計。
實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是回波基帶信號振幅，r′、v′分別是目標的實際距離和徑向速度，N(m，n)是回波譜噪聲成分。對二維回波譜進行目標峰值檢測，譜峰對應的離散頻率為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，可以表示為β1(r，v)、β2(r，v)、γ1(r，v)、γ2(r，v)。
圖2說明了距離-速度二維聯合估計的一種實施方案。采用與實際系統相同的工作參數f0和α，以合適的步長對r、v值進行搜索，仿真計算出多組理想目標回波譜P(m，n，r，v)并保存。構造一個二維搜索函數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)已經計算得到，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r、v進行二維搜索，當r→r′、v→v′時，β1→β′1，β2→β′2，γ1→γ′1，γ2→γ′2，fSEARCH(r，v)→0，即理想回波譜與實際回波譜達到了最佳匹配。實際回波譜中噪聲不可避免，取fSEARCH(r，v)達到最小值時對應的r、v值作為目標距離和速度的估值 這種方案對距離和速度的估計精度都比較高，但二維搜索計算量較大，在計算能力允許時可以采用。
圖3說明了距離一維估計的一種實施方案。對于高頻雷達，較高的測速精度可以通過加大信號處理相干積累時間獲得，關鍵是要提高測距精度，因此二維聯合估計的方法可以簡化為一維估計。根據檢測出的多普勒頻率nv可以得到較為精確的速度估計 采用與實際系統相同的工作參數f0和α，以合適的步長對r進行搜索，仿真計算出多組理想目標回波譜 并保存。重新構造一個搜索函數fSEARCH(r)=|β1(r,v^)-β1′|2+|β2(r,v^)-β2′|2---(32)]]>此時搜索函數是一維的，達到最小值時對應的r為距離的估值 這種方案對距離的估計精度比聯合估計略差，但計算量小很多，比較實用。
當雷達有多個接收通道時，根據每個通道回波都可以得到一組β′1、β′2、γ′1、γ′2，統計平均后代入(27)或(32)式，將會提高參數估計精度。
二維聯合估計和距離一維估計可以統稱為搜索匹配法，是針對點目標模型提出的。由于高頻雷達的距離分辨率一般為幾公里甚至幾十公里，遠遠大于移動目標(艦船、飛機等)的尺寸，滿足點目標模型，因此本發明很適合高頻雷達目標參數估計。實際上，本發明可應用于滿足點目標模型的任何FMCW探測系統(包括雷達、聲納等)中。對于多目標的情況，只要目標間的距離、速度之差大于分辨率的兩倍，目標回波譜副瓣對鄰近目標的影響很小，搜索匹配法就能加以分辨并保持較高的估計精度。
權利要求
1.線性調頻連續波體制目標參數估計方法，其特征在于建立準確的目標回波數學模型，通過對目標的距離r和速度v進行搜索，計算出多組理想目標回波譜，距離搜索的步長為50-300米；再將理想目標回波譜與實際目標回波譜進行比較，當兩者最為匹配時的那組理想目標回波譜對應的r、v值即為目標距離和速度的估計 所述的目標回波數學模型為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；P2D(m，n，r，v)為二維回波譜；fSEARCH(r，v)為用于估計距離和速度的搜索函數；f0和α是雷達工作參數，P(m，n，r，v)是單位強度理想基帶信號經過兩次FFT處理所得二維回波譜，是r和v的函數，當r和v確定時能直接計算得到。
2.如權利要求1所述的目標參數估計方法，其特征在于只對目標的距離r進行搜索，根據檢測出的多普勒頻率nv得到較為精確的速度估計 用以下公式估計目標距離fSEARCH(r)=|β1(r,v^)-β1′|2+|β2(r,v^)-β2′|2--(4)]]>
全文摘要
一種線性調頻連續波(FMCW)體制運動目標參數估計方法，其特征在于建立準確的目標回波數學模型，通過對目標的距離r和速度v進行搜索，計算出多組理想目標回波譜，距離搜索的步長為50－300米；再將理想目標回波譜與實際目標回波譜進行比較，當兩者最為匹配時的那組理想目標回波譜對應的r、v值即為目標距離和速度的估計、。
文檔編號G01S13/536GK1566985SQ03128239
公開日2005年1月19日 申請日期2003年6月30日 優先權日2003年6月30日
發明者程豐, 柯亨玉, 楊子杰 申請人:武漢大學