一種多機動目標徑向初速度和徑向加速度的估計方法
【專利摘要】本發明屬于雷達運動目標檢測【技術領域】，公開了一種多機動目標徑向初速度和徑向加速度的估計方法，其具體步驟為：對雷達回波進行脈沖壓縮；對脈沖壓縮結果沿脈沖維進行相干積累；對相干積累結果進行二維恒虛警檢測，確定多機動目標信號所在的距離單元；提取多機動目標所在距離單元的回波信息；對目標所在距離單元信號估計噪聲功率和噪聲的檢測門限；目標所在距離單元相干積累后多普勒信息與噪聲檢測門限比較，確定目標最大限度徑向速度和徑向加速度的范圍；基于CS稀疏分解法對多機動目標進行參數粗略估計；基于CS理論對機動目標利用逐次逼近法進行參數的高精度估計；得到所有被檢測到的各個機動目標徑向初速度和加速度滿足高精度的估計值。
【專利說明】一種多機動目標徑向初速度和徑向加速度的估計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及雷達【技術領域】和雷達運動目標檢測技術，具體說是公開了一種高分辨 的多機動目標參數估計的方法，可用于多機動目標的檢測和跟蹤。
【背景技術】
[0002] 在雷達系統中，對于距離相近的多機動目標的雷達信號檢測和分辨能力的研究是 一個重要難題。雷達在信號處理階段獲取機動目標的徑向初速度和加速度信息對改善機 動目標檢測和跟蹤性能具有重要影響。機動目標的雷達回波不僅含有目標速度引起的多 普勒調制項，而且目標加速度引起的二次相位項也對回波信號產生時變調制，加速度的調 制會使雷達回波多普勒頻譜展寬，導致傅里葉譜分析方法信噪比下降，分辨率降低。對多 機動目標的徑向初速度和徑向加速度的估計即可轉化為對多線性調頻（Linear frequency modulation，LFM)信號的初始頻率和調頻斜率的提取問題。
[0003] 目前已有的對LFM信號的參數估計方法，本質上都可歸結為一個多變量的最優化 問題。其中基于最大似然思想的解線性調頻法（Dechirping)計算量稍小，工程實現簡單， 但是在處理多分量信號時存在虛假交叉項的干擾、強弱信號難以分離和抗噪能力比較弱的 問題。近年來，基于時頻分析工具的多分量LFM信號的參數估計技術主要有：拉冬-魏格 納變換（Radon Winger Transform，RWT)，拉冬-模糊變換（Radon Ambiguity Transform， RAT)和分數階傅里葉變換（Fractional Fourier Transform，FRFT)掃描法。以上方法各 有優劣，RWT法和RAT法是基于圖像的直線積分檢測，先將信號轉換到時頻圖或模糊圖上， 再進行直線搜索。RWT法是時頻面上的二維搜索，在單分量條件下能達到很好的效果，但計 算量較大，RAT法將RWT法的二維搜索簡化為一維搜索降低了計算量，但是它以拋棄初始頻 率信息為代價。由于WVD分布和Ambiguity函數的雙線性特性，在多分量條件下各分量之 間的交叉項將嚴重影響信號的檢測和參數估計性能，機動目標相距較遠時，雖然信號各分 量之間的交叉項和噪聲引起的干擾項也存在，但由其引起的振蕩幅度遠小于由單個信號 能量聚集所產生的尖峰，且易求出這些尖峰出現的坐標。但當兩機動目標相距很近時，弱 分量很容易被強分量的交叉項所掩蓋，發生漏警。分數階傅里葉變換FRFT法是信號到旋轉 頻率空間的線性投影，是一種廣義Fourier變換，屬于一維線性時頻變換，在多分量LFM信 號的處理時不受交叉項的影響，并且可以借助快速傅里葉FFT實現，降低了處理的復雜度， 但是對于相距很近的目標，強信號分量很容易淹沒弱信號分量，而發生漏警，陶然等人提出 了分數階Fourier域的信號分離技術，采用"CLEAN"思想有效抑制了強信號對弱信號的影 響，提高了對弱信號的檢測精度，但是這種方法只能解決強度相差較大的多分量LFM信號， 對于特殊的距離和方位上都很接近且強度相當的多機動目標，由于受限的時頻分辨率，而 不能將機動目標分開。所以時頻分析中多分量信號交叉項和時頻分辨率是一對矛盾體。
【發明內容】
[0004] 本發明針對上述現有技術處理多機動目標徑向初速度和徑向加速度估計存在的 不足，公開了一種高分辨的多機動目標徑向初速度和徑向加速度估計方法，實現多機動目 標的超分辨能力，且能以超高的精度精確估計多機動目標的徑向初速度和徑向加速度信 肩、。
[0005] 本發明的技術方案是這樣實現的：
[0006] 本發明通過對雷達接收到的多機動目標所在距離單元的回波數據進行相干積累， 通過噪聲門限檢測判斷目標所在的最大頻域范圍，進而得到多機動目標徑向初速度和徑向 加速度的最大范圍；然后基于壓縮感知（Compressive Sensing, CS)理論，根據機動目標回 波模型建立超完備原子庫，得到信號在超完備原子庫上的分解系數投影，通過^范數約束 條件下的最優化算法，得到機動目標的個數以及各機動目標徑向初速度和徑向加速度的一 次估計值；最后在每個機動目標附近采用逐次逼近法的頻率細化手段確定各個機動目標滿 足二次估計精度的徑向初速度和徑向加速度的二次估計值。
[0007] 本發明的技術方案包括如下步驟：
[0008] 步驟1，利用雷達向位于同一距離單元的多機動目標發射信號，并利用雷達接收經 所述多機動目標反射的原始回波數據；對原始回波數據進行脈沖壓縮，得到脈沖壓縮后的 回波數據矩陣X ;x = [Xp x2,...，Xi，...，XN]，Xi表示第i個距離單元的脈沖壓縮后的回波 數據，i = 1，2, . . .，N，N為每個脈沖對應的距離單元數；
[0009] 對脈沖壓縮后的回波數據矩陣X沿脈沖維做相干積累，得到相干積累數據矩陣Y ; 對相干積累數據矩陣Y進行二維恒虛警檢測，得出所述多機動目標所在的距離單元的序號 IV 1 < % < N ;從脈沖壓縮后的回波數據矩陣X中提取所述多機動目標所在距離單元的脈 沖壓縮后的回波數據
【權利要求】
1. 一種多機動目標徑向初速度和徑向加速度的估計方法，其特征在于，包括以下步 驟： 步驟1，利用雷達向位于同一距離單元的多機動目標發射信號，并利用雷達接收經所述 多機動目標反射的原始回波數據；對原始回波數據進行脈沖壓縮，得到脈沖壓縮后的回波 數據矩陣X ;x = [Xi，x2,...，Xi，...，XN]，Xi表示第i個距離單元的脈沖壓縮后的回波數據， i = 1，2,...，N，N為每個脈沖對應的距離單元數； 對脈沖壓縮后的回波數據矩陣X沿脈沖維做相干積累，得到相干積累數據矩陣Y ;對相 干積累數據矩陣Y進行二維恒虛警檢測，得出所述多機動目標所在的距離單元的序號rv 1 < % < N ;從脈沖壓縮后的回波數據矩陣X中提取所述多機動目標所在距離單元的脈沖 壓縮后的回波數據
步驟2,確定機動目標徑向初速度的最小值vmin、機動目標徑向初速度的最大值vmax、機 動目標徑向加速度的最大值a_、以及機動目標徑向加速度的最小值; 設置徑向初速度一次搜索步長為△ Vi和徑向加速度一次搜索步長為Aai，在徑向初速 度一次離散搜索區間[vmin，vmax]內，從vmin開始每隔A Vl獲取一個徑向初速度搜索值，得到 P個徑向初速度搜索值；在徑向加速度一次離散搜索區間[&_，&_]，從3_開始每隔Aai 獲取一個徑向加速度搜索值，得到Q個徑向加速度搜索值；PXQ>M，Μ為雷達發射的脈沖個 數； 步驟3,建立第一超完備原子庫Φ :
其中，
Ρ = 1，2，···，Ρ，q = 1，2，...，Q，Φ 為 MXL 維的矩陣，L = PXQ;
為：
表示第P個徑向初速度搜索 值；
表示第q個徑向加速度搜索值；η = 1，2, ...，Μ，?；為雷達發射信號的脈沖重復周期， 上標Τ表示矩陣或向量的轉置； 得出第一超完備原子庫Φ下的稀疏分解方程：
其中，α為LX1維的列向量，Ζ為已知的隨機噪聲殘余分量，Ζ為ΜΧ1維的矢量；然 后將符合第一超完備原子庫Φ下的稀疏分解方程的α的解輸入關于第一超完備原子庫Φ 下的稀疏分解的優化模型中，得出α的最優化一次稀疏解
所述關于第一超完備原子庫 Φ下的稀疏分解的優化模型為：
其中，Y表示設定的正則化參數，II · ||2表示求2范數，II · Mi表示求1范數；在得 出α的最優化一次稀疏解之后，將
中非零元素的個數Κ作為機動目標的個數；確定
中第g個非零元素的行序號dg，g = 1，2, . . .，Κ ;得出第g個機動目標徑向初速度的一次估 計值
和徑向加速度的一次估計值
當dg% Q尹0時，
；當dg% Q = 0時，
其中，dg% Q表示dg除以Q后所得余數，
表示第
個徑向初速度搜 索值，
表示第dg%Q個徑向加速度搜索值，
表示第
個徑向初速度搜索 值，
表示向下取整。
2.如權利要求1所述的一種多機動目標徑向初速度和徑向加速度的估計方法，其特征 在于，在步驟1中，第i個距離單元的脈沖壓縮后的回波數據Xi為：Xi = [Xi(l)，Xi(2)，... ，xi(j)，...，x i(M)]T，Xi維數為MX1，j = 1，2，···，Μ，Μ為雷達發射的脈沖個數，[·]τ表示 矩陣或向量的轉置； 在步驟1中，所述相干積累數據矩陣Υ為：Υ= [^2，...，1，...，￥1<]，其中，1表示第 i 個距離單元的多普勒數據，Yi = [yi(l), yi(2), · · ·，yjj), · · ·，yi(M)]T; 在步驟2中，首先，計算所述多機動目標所在距離單元的脈沖壓縮后的回波數據
的 噪聲功率
其中，nt e [1，2，...，N]且nt#rv
表示第nt個距離單元的脈沖壓縮后的回波數 據，
表示對
中的元素求均值； 然后，得出噪聲檢測門限G，·
Pfa表示設定的虛警概率值； 將第％個距離單元的多普勒數據
取模值，得到多普勒模值向量
確定多普勒模值向量
中超過噪聲檢測門限G的第一個元素所對應的多普勒通道序 號!^、以及多普勒模值向量
中超過噪聲檢測門限G的最后一個元素所對應的多普勒通 道序號m2 ; 得出最小多普勒通道序號mmin，mmin = π^-Δη ;得出最大多普勒通道序號mmax，mmax = m2+An ; Δη為設定的自然數；確定多普勒頻率的最小值fmin為
確定 多普勒頻率的最大值fmax為
?；為雷達發射信號的脈沖重復周期； 確定機動目標徑向初速度的最小值vmin為
表示向下取整，λ為 雷達發射信號的波長；確定機動目標徑向初速度的最大值
表 示向上取整； 計算出機動目標徑向加速度的最大值amax
其中，λ為雷達發射信號 的波長，Λ fsp表示機動目標在Μ個脈沖內機動目標多普勒展寬，T。= ΜΤ,;確定機動目標徑 向加速度的最小值amin為：amin= _amax。
3. 如權利要求1所述的一種多機動目標徑向初速度和徑向加速度的估計方法，其特征 在于，在步驟2中，將徑向初速度一次搜索步長和徑向加速度一次搜索步長分別 設置為：
其中，t為設定的正數。
4. 如權利要求1所述的一種多機動目標徑向初速度和徑向加速度的估計方法，其特征 在于，在步驟3之后，還設置有步驟4,所述步驟4的具體子步驟為： 4a)設定機動目標徑向初速度二次估計精度和機動目標徑向加速度二次估計精 度Δ ;令1 = 1，2,...，當1 = 1時，執行子步驟4b); 4b)將第g個機動目標處第1次逼近的徑向初速度二次搜索步長Λ Vg l和第g個機動 目標處第1次逼近的徑向加速度二次搜索步長Λ a&1分別設置為：
將第g個機動目標的徑向初速度二次離散搜索區間
和第g個機動目標的徑向加速 度二次離散搜索區間
分別設置為：
在第g個機動目標的徑向初速度二次離散搜索區間
內，從
的下界開始每隔Λν&ι 獲取一個徑向初速度二次搜索值，得到
<個徑向初速度二次搜索值；在第g個機動目標的 徑向加速度二次離散搜索區間
內，從
的下界開始每隔々ay獲取個徑向加速度二次搜 索值，得到
個徑向加速度二次搜索值，
然后構建第二超完備原子庫ng:
其中，％為
維的超完備矩陣，
上標T表示矩陣或向量的轉置，
為：
為第
個徑向初速度二次搜索值，
，為第
個徑向加速度二次搜 索值，
?；為雷達發射信號的脈沖重復周期； 4c)得出關于第二超完備原子庫ng下的稀疏分解的優化模型：
其中，Y表示設定的正則化參數，11 · 112表示求2范數，11 · I K表示求1范數，β為 為
維的列向量，通過求解所述關于第二超完備原子庫ng下的稀疏分解的優化模型， 得出β的最優化二次稀疏解
4d)確定
中最大的非零元素的行序號
；得出第g個機動目標處第 1次逼近的徑向初速度二次估計值
和第g個機動目標處第1次逼近的徑向加速度二次 估計值
當
時，
.當，
時，
其中，
表示，
除以
后所得余數，
表示第
個徑向初速度 二次搜索值，
表示第
個徑向加速度二次搜索值，
表示第
個 徑向初速度二次搜索值，
表示向下取整； 4e)將第g個機動目標處第1次逼近的徑向初速度二次搜索步長Λ Vg l與機動目標徑 向初速度二次估計精度Λ Vmin進行比較，將第g個機動目標處第1次逼近的徑向加速度二 次搜索步長Aagj與機動目標徑向加速度二次估計精度Aa min進行比較，若Λν&1< Avmin 且Aagil< Aamin，則得出第g個機動目標徑向初速度的二次估計值
和徑向加速度的二次 估計值
否則，令1的值自增1，返回至子步驟4b)。
【文檔編號】G01S13/58GK104215959SQ201410487916
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月22日 優先權日:2014年9月22日
【發明者】蘇洪濤, 劉麗嬌, 劉宏偉, 劉子威 申請人:西安電子科技大學