低空目标探测雷达高速目标检测与跟踪技术研究与实现

摘要

低空目标检测与跟踪问题是目前雷达领域主要研究的课题之一，由于多径效应带来低空目标回波幅度的起伏，使得雷达目标检测性能降低，同时低空目标的强机动性会导致跟踪滤波产生发散现象。
　　本文针对低空目标检测与跟踪时存在的问题，采用了频率分集检测方法对低空目标进行检测，在此基础上，采用一阶扩展卡尔曼滤波（Extend Kalman Filter,EKF）方法对低空高速目标进行跟踪滤波，验证了这两种方法可以提升低空目标检测性能以及跟踪滤波效果。
　　本文针对低空目标探测雷达的低空高速目标检测与跟踪问题，主要分析了基于Keystone变换重新采样方法的频率分集检测方法对目标检测性能的提升，比较了不同跟踪滤波方法对低空高速目标的跟踪滤波性能，完成了基于低空目标探测雷达的信号处理系统FPGA实现，主要的工作包括：
　　1、通过建立低空目标多径效应下的回波模型，分析了多径效应对回波幅度以及雷达检测性能的影响。
　　2、采用了基于Keystone变换重新采样方法的频率分集检测方法对低空目标进行检测。该方法消除了多径效应带来的回波幅值起伏影响，利用不同通道进行目标信息积累，与单通道检测比较，该方法改善了回波信噪比，提升了检测性能。
　　3、分别采用了a-b滤波、基于匀速运动状态模型的卡尔曼（Kalman）滤波、基于匀加速运动状态模型的Kalman滤波、一阶EKF方法对低空高速目标进行跟踪滤波。仿真了这四种滤波方式下对目标距离、速度的滤波过程，分别获得了距离、速度滤波值与真实距离、速度的均方根误差，并比较了这四种方法的性能。理论分析和仿真结果表明，一阶EKF方法性能优于其他三种方法。
　　4、基于低空目标探测雷达项目研究背景，给出了工程上实现信号处理的具体方案，完成了包括脉冲压缩、动目标显示（Moving Target Indicator,MTI）、动目标检测（MovingTarget Detection,MTD）、恒虚警率处理（Constant False Alarm Rate，CFAR）、目标距离、多普勒凝聚、目标跟踪的FPGA算法设计与实现工作。系统通过功能仿真、与分系统级联调试验证了该系统FPGA实现的逻辑正确性与可实现性。通过外场测试，可检测实际目标并进行跟踪，验证了该系统的实用性。
　　本文通过对低空目标检测与跟踪方法的研究，总结了适用于低空目标探测雷达信号处理系统FPGA实现的目标检测与跟踪方法，并在实际工程中加以应用。

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第一章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究动态

1.3 本文主要工作

1.4 内容安排

第二章 低空目标检测与跟踪理论基础

2.1 低空目标检测理论基础

2.2 低空目标跟踪理论基础

2.3 本章小结

第三章 低空目标探测雷达目标检测方法

3.1 低空目标多径模型

3.2 基于低空目标多径模型的频率分集检测方法

3.3 仿真实验与检测性能分析

3.4 本章小结

第四章 低空目标探测雷达目标跟踪方法

4.1 低空目标探测雷达目标运动模型

4.2 低空目标探测雷达低空高速目标的跟踪滤波方法

4.3 仿真分析与性能比较

4.4 本章小结

第五章 低空目标探测雷达信号处理系统FPGA算法设计

5.1 信号处理系统构架

5.2 信号处理系统方案论证

5.3 本章小结

第六章 低空目标探测雷达信号处理系统FPGA实现

6.1 信号处理系统FPGA设计实现

6.2 信号处理系统FPGA实现结果验证

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 展望

致谢

参考文献