基于雷達高分辨距離像的旋轉(zhuǎn)微多普勒頻率估計方法
【專利說明】基于雷達高分辨距離像的旋轉(zhuǎn)微多普勒頻率估計方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微波探測識別領(lǐng)域，具體涉及雷達目標微動參數(shù)估計技術(shù)，特別是一 種利用旋轉(zhuǎn)微動目標雷達高分辨距離像估計目標微多普勒頻率的方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 雷達探測領(lǐng)域中，目標及其部件常常存在諸如擺動、旋轉(zhuǎn)等相對于目標宏觀運動 的細微運動狀態(tài)，像行人雙臂和腿部的擺動、汽車發(fā)動時引擎蓋的震動以及直升機飛行時 旋翼的轉(zhuǎn)動等，這些運動一般被統(tǒng)稱為微動。微動會對雷達信號進行調(diào)制，形成的雷達目標 回波信號中包含有快速變化的周期性調(diào)制分量，這種現(xiàn)象被稱為雷達微多普勒頻率調(diào)制效 應(yīng)。寬帶雷達微動回波分量中包含了大量目標結(jié)構(gòu)及運動的細節(jié)特征，關(guān)于寬帶雷達目標 微動參數(shù)估計以及分類識別等方面的研究已經(jīng)有一系列成果報道，微動參數(shù)已被公認為是 一種有效的雷達目標識別指標。
[0003] 旋轉(zhuǎn)微動是一種常見的雷達目標微動形式，旋轉(zhuǎn)微多普勒頻率是估計目標旋轉(zhuǎn)運 動狀態(tài)、區(qū)分目標類型的重要指標之一。以往旋轉(zhuǎn)微多普勒頻率估計主要是利用時頻分析 方法，將旋轉(zhuǎn)微動目標寬帶雷達回波分量從時域變換到時頻二維圖像域，再結(jié)合Hough變 換、擴展Hough變換、有序統(tǒng)計量、chirplet分解等處理方法，完成對旋轉(zhuǎn)微多普勒頻率的估 計。這些方法存在如下問題:第一，雷達微動回波時頻分析通常需要選擇有較高分辨率的二 次型時頻變換算法，計算耗時較長;第二，雷達目標回波常常是多分量信號，二次型時頻變 換過程中常不可避免地存在交叉分量，削弱交叉分量通常又必須以損失時頻分辨率為代 價;第三，寬帶雷達信號中目標散射點常常存在越距離單元走動，導(dǎo)致微動參數(shù)曲線在時頻 圖像中不連續(xù)，可能導(dǎo)致傳統(tǒng)方法難以進行微動參數(shù)估計。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:采用雷達目標高分辨距離像完成對旋轉(zhuǎn)微動目標微 多普勒頻率的可靠估計，本方法不僅計算耗時較少而且估計結(jié)果精確。
[0005] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：
[0006] 第一步，目標高分辨距離像矩陣獲取
[0007] 利用頻率步進信號合成寬帶雷達發(fā)射信號8(!11，11)，1116[0，1-1]是第 111個頻率步進 信號，Μ是總的信號個數(shù)，ne[0，N-l]是單個頻率步進信號中第η個子脈沖，N是總的子脈沖 數(shù)。依次對第m次旋轉(zhuǎn)微動目標回波s A(m，n)進行針對η的傅里葉變換，得到目標高分辨距離 像矩陣HA(m，n)。
[0008] HA(m，n)=FFTn{sA(m，n)}(公式一）
[0009] 其中，F(xiàn)FTn{ · }表示是針對η進行傅里葉變換計算。
[0010]所述目標為直升機旋翼類型的目標。
[0011] 第二步，計算循環(huán)相關(guān)系數(shù)矩陣
[0012] 從目標高分辨距離像矩陣HA(m，n)中的第一行開始，按行計算所選取的行與矩陣Ha (m，n)中所有行的循環(huán)相關(guān)系數(shù)(等價于循環(huán)卷積計算），然后取各自最大值，存成一行;依 次進行上述計算，得到矩陣HA(m，n)對應(yīng)的循環(huán)相關(guān)系數(shù)矩陣此，矩陣大小為MXM。
[0013] 從HA(m，n)的m行中任意取出兩行i和j，記為HA(i，n)和HA(j，n)，計算兩者的循環(huán)相 關(guān)系數(shù)為
[0014]
[0015] 其中，| · |表不取申旲運算，qE[0，N-l]是時間變量，modN(n+q)表不n+q對N取t旲后 的余數(shù)，Ha( j，modN(n+q))表示Ha( j，n)中第modN(n+q)個元素。公式二同時也表明，循環(huán)相關(guān) 系數(shù)計算實際上等效于循環(huán)卷積運算。
[0016] 取循環(huán)相關(guān)系數(shù)最大值并進行歸一化
[0017]
[0018]其中，maxq(C(q;i，j))表示按q取C(q;i，j)中所有元素的最大值。
[0019]根據(jù)公式二和公式三順序，依次取出HA(m，n)中任意兩行并計算循環(huán)相關(guān)系數(shù)，可 得循環(huán)相關(guān)系數(shù)矩陣為
[0020]
[0021]其中，C(0,0)表示i=0，j = 0時對應(yīng)的循環(huán)相關(guān)系數(shù)最大值，C(0，1)表示i = 0，j = 1時對應(yīng)的循環(huán)相關(guān)系數(shù)最大值，依次類推，C(M-1，M-1)表示i =M-1，j =M-1時對應(yīng)的循環(huán) 相關(guān)系數(shù)最大值。
[0022]第三步，計算平均循環(huán)相關(guān)系數(shù)
[0023]從Me中第一個對角線開始，依次取出相應(yīng)對角線全部元素并計算均值，得到包含Μ 個元素的平均循環(huán)相關(guān)系數(shù)以？），？6[0，-1]是此中對角線序號。
[0024] 依次取循環(huán)相關(guān)系數(shù)矩陣Me中第ρ個對角線上的所有元素
[0025] diag(Mc，p) = {Mc(i，j)，i = j+p}，ρΕ[0，Μ_1](公式五）
[0026] 然后求均值可得平均循環(huán)相關(guān)系數(shù)為
[0027] C(p) =mean(diag(Mc,p))(公式六）
[0028] 其中，mean表示求均值函數(shù)。
[0029] 第四步，估計旋轉(zhuǎn)微多普勒頻率
[0030] 對C(p)的峰值位置進行搜索，然后對所有搜索到的峰值位置取平均值，最后取倒 數(shù)可得旋轉(zhuǎn)微多普勒頻率。
[0031] 對L個搜索到的峰值位置{m，n2，···，nd取平均值后取倒數(shù)，可得旋轉(zhuǎn)微多普勒頻 率估計{!
Ξ[ι，υ表示第1個峰值，tr是雷達脈沖重復(fù)周期。
[0032]本發(fā)明的有益效果主要包括：
[0033]第一，計算耗時大大減少。頻率步進雷達高分辨距離像獲取僅需Μ次傅氏變換處理 即可，不需要對雷達回波信號進行大量的時頻變換計算;此外，計算循環(huán)相關(guān)矩陣等價于循 環(huán)卷積計算，能夠減少大量循環(huán)運算，這些都可大幅度減少獲取循環(huán)相關(guān)矩陣的計算量。
[0034] 第二，減少了交叉干擾項。多分量雷達目標回波信號通過線性傅里葉變換獲取的 高分辨距離像，與二次型時頻變換處理得到的時頻二維圖像相比，不存在交叉項，因此減少 了微動參數(shù)估計時的干擾項。
[0035] 第三，提高了微動參數(shù)估計精度。平均循環(huán)相關(guān)系數(shù)對微動曲線不連續(xù)現(xiàn)象不敏 感，而且搜索峰值位置并取平均的計算方法十分簡單，降低了微多普勒頻率估計難度的同 時也提尚了估計的可靠性。 【【附圖說明】】
[0036] 圖1是基于雷達高分辨距離像的旋轉(zhuǎn)微多普勒頻率估計方法流程示意圖。
[0037]圖2是頻率步進雷達高分辨距離像矩陣圖。
[0038] 圖3是頻率步進雷達高分辨距離像對應(yīng)的循環(huán)相關(guān)系數(shù)矩陣計算結(jié)果圖。
[0039] 圖4是平均循環(huán)相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果圖。 【【具體實施方式】】
[0040] 圖1是本發(fā)明提出基于雷達高分辨距離像的旋轉(zhuǎn)微多普勒頻率估計方法流程示意 圖，本發(fā)明包括下述步驟:第一步，獲取雷達目標高分辨距離像，將各次回波對應(yīng)的高分辨 距離像按行排列構(gòu)建成二維矩陣;第二步，按行計算高分辨距離像矩陣對應(yīng)的循環(huán)相關(guān)系 數(shù)矩陣;第三步，計算平均循環(huán)相關(guān)系數(shù);第四步，搜索平均循環(huán)相關(guān)系數(shù)的峰值并求平均 值，對平均值取倒數(shù)可估計出旋轉(zhuǎn)微多普勒頻率。下面具體結(jié)合附圖2-4對本發(fā)明作進一步 的說明。
[0041 ]第一步，對旋轉(zhuǎn)微動目標回波進行傅里葉變換。設(shè)目標旋轉(zhuǎn)微多普勒頻率為fd，對 旋轉(zhuǎn)微動目標回波信號sA(m，n)進行傅里葉變換得到目標高分辨距離像矩陣HA(m，n)。
[0042] HA(m，n) =FFTn{sA(m，n)}(公式一)
[0043]其中FFTn{ · }表示是針對η進行傅里葉變換計算。
[0044]圖2是利用頻率步進信號合成的旋轉(zhuǎn)目標高分辨距離像。仿真目標對應(yīng)為類直升 機旋翼等類型目標，旋翼翼展2.8111，旋翼旋轉(zhuǎn)微多普勒頻率〇 = 7他，直線飛行速度801