基于相位分析的雷達目標多普勒譜估計方法
【專利摘要】本發明屬于雷達【技術領域】，公開了基于相位分析的雷達目標多普勒譜估計方法。本發明的具體步驟包括：對信號采樣，將采樣序列等分為兩個子序列；對采樣序列使用Capon方法做譜分析，得到粗測頻率；對子序列使用APES方法分別計算其在粗測頻率處的復幅度，經過取相位運算得到子序列頻譜在粗測頻率處的相位，并計算得相位差；對相位差進行修正，消除頻率測量的整周模糊，得到修正后的相位差；由計算信號真實頻率和粗測頻率的偏差，得到真實頻率的估計值；對序列使用APES方法計算真實頻率處的復幅度，得到信號的幅度和相位估計。本發明與傳統的CAPES法相比，信號參數估計精度更高，可用于正弦波信號的頻率、幅度和相位等參數的估計。
【專利說明】基于相位分析的雷達目標多普勒譜估計方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于雷達【技術領域】，具體地說是公開了一種高精度的雷達目標多普勒譜的 估計方法，可用于雷達動目標檢測中復正弦回波信號幅度、頻率和相位等參數的估計。
【背景技術】
[0002] 正弦波信號頻率的估計是通信、雷達、聲納以及電子對抗等領域信號處理的一個 重要問題。傳統的DFT(離散傅里葉變換）因為可以采用快速算法而被廣泛采用，但DFT的 頻率分辨力和頻率估計精度取決于信號的測量時間長度。
[0003] 為了提高DFT的參數估計精度，人們提出一種基于相位分析的傅里葉變換（FFT) 方法（FFT相位分析法），該方法利用分段傅里葉變換的相位差對首先粗略估計出的頻率進 行補差修正從而提高了頻率估計精度并且避免了相位測量模糊問題，但是FFT相位分析法 的頻率分辨率和DFT方法一樣受到相干積累時間的限制。
[0004] 為了克服FFT相位分析法頻率分辨率低的缺點，人們提出一種聯合Capon-APES， 即CAPES方法，這種聯合了 Capon法以及幅度與相位估計APES法的超分辨譜估計方法兼 有兩種方法各自的優點，在實現頻率超分辨的同時還能準確地估計出信號的幅度與相位信 息。但是CAPES方法的頻率估計精度受到離散頻率采樣點數的影響，當離散頻率采樣點數 較密集使得信號真實頻率位于某個頻率采樣點上時，估計精度較高，但是當信號真實頻率 和頻率采樣點有一定的偏差時，參數的估計精度都會下降。
【發明內容】
[0005] 本發明針對復正弦波信號參數估計中上述方法的不足，公開了一種基于相位分析 的雷達目標多普勒譜估計方法。本發明中，將FFT相位分析法利用分段數據的相位差補償 頻率差的思想應用于CAPES方法，解決了 CAPES方法在正弦波真實頻率和離散頻率采樣點 對不準時參數估計精度差的問題。改進后的方法頻率分辨率高，幅度相位參數估計準確并 且即使正弦波真實頻率和離散頻率采樣點有偏差時也能獲得很高的參數估計精度。
[0006] 為實現上述目的，本發明的技術方案包括如下步驟：
[0007] -種基于相位分析的雷達目標多普勒譜估計方法包括以下步驟：
[0008] 步驟1，雷達向目標發射信號，并接收經目標反射的回波數據；得到原始回波數據 矩陣
【權利要求】
1. 一種基于相位分析的雷達目標多普勒譜估計方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，雷達向目標發射信號，并接收經目標反射的回波數據；得到原始回波數據矩陣 W，W = [WpWhwz表示雷達接收的第z個距離單元的回波數據矢量，wz為N 維的列向量，z取1至Z，Z為雷達的一個脈沖重復周期的距離單元數，N為一個相干積累周 期中所包含的脈沖個數，N為偶數，[· ]τ表示轉置； 步驟2,令數據矢量X = wz，X = [χ^ χ2，…χη,…，χΝ]，χη表示數據矢量X的第η個元素， η取1至Ν ;將數據矢量X劃分為第一子序列&和第二子序列Χ2, & = [Xl，χ2，…，χΝ/2]，Χ2 -[ΧΝ/2+1，ΧΝ/2+2，...，ΧΝ]; 步驟3,對數據矢量X做譜分析，得到初始估計頻率/ ,所述初始估計頻率/為數據矢 量X的復幅度譜絕對值的最大值對應的離散頻率； 步驟4,得出第一子序列&在初始估計頻率/處的復幅度譜
、以及第二子序列 X2在初始估計頻率/處的復幅度譜
步驟5,提取第一子序列\的復幅度譜
的相位Λ、以及第二子序列X2的復幅度 譜
的相位爐2，得出初始相位差，
步驟6,對初始相位差Δ-進行修正，以解決可能出現的相位模糊問題，得到修正后相 ^[^差&擎免\ 步驟7,由修正后相位差Δ% ,計算信號真實頻率和初始頻率的偏差1，并得到目標多 普勒頻率/; 步驟8,計算數據矢量X在目標多普勒頻率/.處的多普勒譜復幅度
得到目標多 普勒譜的幅度估計值人和相位估計值#; 步驟9,令z依次取1至Z，并根據步驟2到步驟8,得出Z個距離單元的目標的多普勒 譜。
2. 如權利要求1所述的一種基于相位分析的雷達目標多普勒譜估計方法，其特征在 于，所述步驟3的具體子步驟為： (3. 1)得出數據矢量X的第t次快拍數據yt : y"t - [Xt，Xt+1，···，Xt+m] 其中，t表示快拍序號，t = 1，2,…，N-m，m為設定的小于N/2的整數，[· ]T表示轉置， xt至xt+m分別表示數據矢量X的第t個元素至第t+m個元素； (3. 2)計算數據矢量X的協方差矩陣R和第t次快拍數據yt的歸一化傅里葉變換數據 g(fl)：
其中，
=〇, 1，…，L-1，L是為設定的離散頻率總數；fs為雷達的脈沖重復頻 率，j為虛數符號，
上標Η表示矩陣的共軛轉置，t = 1，2, ···，Ν-ηι ; (3.3) 分別計算離散頻率對應的濾波器系數h(f\)和數據矢量X的復幅度譜#(/；):
其中，上標-1表示矩陣的逆，上標Η表示矩陣的共軛轉置；
(3.4) 令1依次取0，1，?，1^-1，并根據子步驟（3.2)到子步驟（3.3)，得到1^個數據矢 量X的復幅度譜，將L個數據矢量X的復幅度譜的絕對值的最大值對應的離散頻率作為初 始估計頻率/。
3.如權利要求1所述的一種基于相位分析的雷達目標多普勒譜估計方法，其特征在 于，所述步驟4的具體子步驟為： (4. 1)得出第一子序列&的第k次快拍數據ylk : Ylk - [Xlk，Xl(k+1)，···，Xl(k+s)] 其中，xlk至x1(k+s)分別表示第一子序列&的第k個元素至第k+s個元素；k表示快拍 序號，k = 1，2,…，N/2-s，N為一個相干積累周期中所包含的脈沖個數，s為設定的小于N/4 的整數，[·]τ表示轉置； 得出第二子序列Χ2的第k次快拍數據y2k : y2k 一 [X2k， X2(k+1), ··· , X2(k+s)] 其中，x2k至x2(k+s)分別表示第二子序列X2的第k個元素至第k+s個元素； (4. 2)計算第一子序列Xi的協方差矩陣Ri和第一子序列Xi的第k次快拍數據ylk的傅 里葉變換數據
其中，/為初始估計頻率，fs為雷達的脈沖重復頻率，[· ]H表示共軛轉置，j為虛數 符號，
k = 1，2,…，以〗^ ; 計算第二子序列X2的協方差矩陣R2和第二子序列X2的第k次快拍數據y 2k的傅里葉 變換數據;
(4. 3)計算初始估計頻率/對應的第一子序列\的復幅度譜
其中，fs為雷達的脈沖重復頻率，[· Γ1表示矩陣求逆運算，
，L-l，L是為設定的離散頻率總數； 計算初始估計頻率/對應的第二子序列\的復幅度謔
其中，
[·Γ表示矩陣求逆運算。
4.如權利要求1所述的一種基于相位分析的雷達目標多普勒譜估計方法，其特征在 于，在步驟6中，修正后相位差Δ魏為：
5. 如權利要求1所述的一種基于相位分析的雷達目標多普勒譜估計方法，其特征在 于，在步驟7中，信號真實頻率和初始頻率的偏差
其中，N-個相干積累 周期中所包含的脈沖個數，T為脈沖重復周期，目標多普勒頻率
6. 如權利要求1所述的一種基于相位分析的雷達目標多普勒譜估計方法，其特征在 于，所述步驟8的具體子步驟為： (8. 1)計算目標多普勒頻率/對應的數據矢量X的第t次快拍數據yt的歸一化傅里葉 變換數據h
其中，/為目標多普勒頻率，t' =1，2，···，Ν-πι'，πι'為設定的小于N/2的整數；fs為雷 達的脈沖重復頻率，j為虛數符號
(8. 2)得出目標多普勒譜3(/_)
=0，1^"汁-1，1^是為設定 的離散頻率總數，fs為雷達的脈沖重復頻率；[· Γ1表示矩陣求逆運算，[· ]H表示共軛轉
(8. 3)得到目標多普勒譜的幅度估計值i、以及目標多普勒譜的相位估計值0 :
其中，I · I為取絕對值運算，angle[ ·]為取相位運算。
【文檔編號】G01S7/41GK104297740SQ201410558775
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月20日 優先權日:2014年10月20日
【發明者】蘇洪濤, 李龍, 劉宏偉, 劉子威, 胡勤振 申請人:西安電子科技大學