基于距离分帧的Keystone变换并行实现方法

摘要

本发明属于雷达对微弱动目标探测技术领域，具体的说是一种基于距离分帧的Keystone变换并行实现方法。本发明包括以下步骤：先对系统探测范围进行距离分帧，按照分帧条件对回波信号进行处理；对处理后的每帧回波信号和参考信号进行频域脉冲压缩；利用CZT变换对距离徙动进行补偿；对数据进行多普勒模糊校正；利用CFAR技术对RD(Range‑Doppler)谱进行目标检测和估计。仿真结果表明本发明能够对低信噪比SNR＝‑37dB的动目标进行正确检测，对实际工程实现具有重要的参考价值。

说明书

技术领域

本发明属于雷达对微弱动目标探测技术领域，具体的说是一种基于距离分帧的改进Keystone变换的目标探测方法。

背景技术

在雷达信号处理中，通过增加观测时间并采用积累技术来增大接收回波信号的能量是一种行之有效的提高雷达探测威力的方法，该方法的基本思想是利用时间换取能量，能够极大地提高现有体制雷达的探测灵敏度。但随着积累时间的增加，目标的运动将跨越多个距离单元，导致能量分散、降低相参积累增益，对于较大带宽的信号，其较高的距离分辨率更容易收到距离徙动的影响。因此，研究微弱动目标相参积累徙动补偿发放成为提高微弱目标探测能力的关键问题。

目前常用的距离徙动补偿方法包括包络插值移位补偿算法、DPD算法、Hough变换法、Radon-Fourier变换法、Keystone变换法等。这些算法各有优缺点，如包络插值移位补偿算法，需要先估计目标的精确速度，这在低信噪比下很难实现。DPD算法是一种基于极大似然原理的目标定位算法，理论上具有最优定位性能，缺点是计算量很大。Hough变换、Radon-Fourier变换的基本原理是把雷达回波数据变换到距离-多普勒-时间空间，这样目标检测问题就转化为在图像空间检测直线是否存在的问题，但该算法比较复杂，而且是非相参积累，积累效率不如相参积累。Keystone算法的优点在于无需知道目标的运动速度即可实现目标回波的距离徙动矫正，且计算复杂度较低，缺点是对模糊数的依赖是应用Keystone算法一个限制条件，当模糊数较大情况下，模糊补偿后的积累增益仍然存在显著损失。

以双基雷达系统(图1)为例，传统的Keystone变换算法步骤如下：

(一)对监视天线接收到直达波信号混频到基带得到s_r(t)，对主天线接收到的回波信号混频到基带得到s_e(t)，并且有：

其中，τ₀为目标初始时延，a_τ为时延变化率，A为幅度常数，f_c为载频。

(二)同时对监视天线的接收直达波数据和主天线的接收回波数据进行分段处理：

m＝1,2,…,N_seg,

其中，s_r(n)为接收到的直达波基带数据，直达波数据被均分为N_seg段，每段数据长度为L_seg，对每段数据尾部添加长度为T_dmax的0，m表示慢时间，表示快时间。

m＝1,2,…,N_seg,

其中，s_e(n)为接收到的目标回波基带数据，回波数据被均分为N_seg段，每段数据长度为L_seg，对每段数据尾部添加长度为T_dmax的回波数据，令L_T＝L_seg+T_dmax为添加后的段长，m表示慢时间，表示快时间。需满足T_dmax>τ_maxf_s其中τ_max为系统最大探测距离对应的时延，f_s为采样率，B为信号带宽，c为光速，v_dmax为目标最大径向运动速度。

(三)通过计算将回波信号和直达波信号的快时间维变换到频域，其中F{·}表示快速傅里叶变换，f表示快时间维频域。

(四)通过计算得到回波信号和直达波信号的相关矩阵，我们将步骤(二)(三)(四)称作频域脉冲压缩，步骤如图2所示。

(五)进行Keystone变换：

得到变换后目标回波的距离徙动得到校正。

(六)当多普勒频率出现模糊时，根据模糊程度进行校正

其中，F为模糊数。

(七)沿快时间维做快速傅里叶逆变换，再沿慢时间维做快速傅里叶变换，即计算：

(八)对Ψ(f_d,τ)进行CFAR检测，若Ψ(i,j)>μ则判为该位置存在目标，否则判为该位置不存在目标，μ为该位置对应的CFAR门限。

在进行长时间积累时，传统Keystone变换算法需要对海量数据进行串行处理，给硬件实现带来了很大的困难。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种距离分帧的方法，实现长时间积累下Keystone变换的并行计算，基于改进的Keystone变换对微弱目标进行探测。

本发明所采用的技术方案为：

S1、设定雷达探测距离范围为[d_min,d_max]，对探测距离进行分帧，每帧长度为△d，帧数为L，则每帧的探测距离范围分别为：[d₀,d₁],[d₁,d₂],…,[d_L-1,d_L]；

S2、根据每帧的探测距离计算对应的时延范围：[τ₀,τ₁],[τ₁,τ₂],…,[τ_L-1,τ_L]；

S3、对监视天线接收到的直达波信号混频到基带得到s_r(t)，对主天线接收到的回波信号混频到基带得到s_e(t)；

S4、对监视天线接收的直达波数据进行分段处理：

m＝1,2,…,N_seg,

其中，s_r(n)为s_r(t)的离散表达形式，直达波数据被均分为N_seg段，每段数据长度为L_seg，对每段数据尾部添加长度为T_dmax的0，m表示慢时间，表示快时间，需满足其中f_s为采样率，B为信号带宽，c为光速，v_dmax为目标最大径向运动速度；

S5、按照步骤S2中第l帧的时延范围对回波进行截断处理：

S6、对截断处理后的回波数据进行分段处理，参数设置同步骤S4：

m＝1,2,…,N_seg,0≤l<L

其中，为的离散表达形式，回波数据被均分为N_seg段，每段数据长度为L_seg，对每段数据尾部添加长度为T_dmax的回波数据，令L_T＝L_seg+T_dmax为添加后的段长，m表示慢时间，表示快时间；

S7、沿快时间维对回波信号矩阵和直达波信号矩阵做快速傅里叶变换，即计算和F{·}表示快速傅里叶变换，f表示快时间频域；

S8、通过计算0≤l<L得到回波信号和直达波信号的相关矩阵；

S9、进行Keystone变换，将下式代入相关矩阵

得到此时目标的距离徙动得到了校正；

S10、当多普勒频率出现模糊时，根据模糊程度进行校正

其中，F为模糊数；

S11、沿快时间维做快速傅里叶逆变换，再沿慢时间维做快速傅里叶变换，即计算：

S12、对Ψ^l(f_d,τ)进行CFAR检测，若Ψ^l(i,j)>μ(1≤i≤N_seg,1≤j≤L_seg)则判为该位置存在目标，估计出该位置对应的多普勒频率和时延根据计算估计出的真实时延；否则判为该位置不存在目标，μ为该位置对应的CFAR门限。

进一步的，所述步骤S9具体采用CZT方法(图3)实现，具体步骤为：

S91、初始化：

W₀＝1

表示向上取整；

S92、通过以下公式获得：

G(k)＝F{g(n)}

H(k)＝F{h(n)}

V(k)＝G(k)H(k)

v(m)＝F^-1{V(k)}

S93、取v(m)的前N_seg点作为权值计算：

S94、获得：

完成距离徙动的校正。

本发明的有益效果为，通过用距离分帧的方法，实现了对Keystone变换的并行计算，每一帧对应单独的探测距离区间，有效地降低了单路数据量和计算量，有利于该算法的硬件实现。

附图说明

图1为双基雷达模型

图2为频域脉冲压缩原理图

图3为CZT原理图

图4为本发明流程图

图5为基于距离分帧的Keystone变换相参积累效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。

实施例

本实施例在接收目标信号信噪比SNR＝-37dB时对目标进行检测。

实施例的方法如附图4所示，雷达系统如附图1所示由一个主天线和一个监视天线组成，监视天线接收信号源直达波，主天线接收目标回波。

考虑信号源使用卫星电视信号(DVB-S信号)，符号率Rs＝27.5MHz，载频f_c＝12GHz，接收机采样率f_s＝110MHz，积累时间为T＝100ms。该系统探测距离[20km,80km]范围内的目标。

假设目标距离接收站约d_act＝35.2km，相应回波时延约为τ₀＝117.27μs，目标以v＝200m/s速度在距地面H＝5km高空中匀速水平向接收站飞行，时延变化率约为a_τ＝-1×10^-6，实际多普勒频率约为f_d＝-a_τf_c＝12kHz，主天线接收到目标回波信号信噪比SNR＝-37dB。

实施例的检测方法包括以下步骤：

(一)设定探测距离范围[20km,80km]，对探测距离进行分帧，每帧长度为△d＝10km，帧数为L＝6，每帧的探测距离范围分别为：[20km,30km],[30km,40km],…,[70km,80km]。

(二)根据每帧的探测距离计算对应的时延范围：[66.67μs,100μs],[100μs,133.33μs],…,[233.33μs,266.67μs]。

(三)对监视天线接收到直达波信号混频到基带得到s_r(t)，对主天线接收到的回波信号混频到基带得到s_e(t)。

(四)对监视天线的接收直达波数据进行分段处理：

m＝1,2,…,N_seg,

其中，s_r(n)为s_r(t)的离散表达形式，直达波数据被均分为N_seg＝2750段，每段数据长度为L_seg＝4000，对每段数据尾部添加长度为T_dmax＝4000的0，T_dmax下界条件满足条件

(五)按照步骤(二)中第l帧的时延范围对回波进行截断处理：

(六)对截断处理后的回波数据进行分段处理，参数设置同步骤(四)：

m＝1,2,…,N_seg,0≤l<6

其中，为的离散表达形式，回波数据被均分为N_seg＝2750段，每段数据长度为L_T＝L_seg+T_dmax＝8000。

(七)沿快时间维对回波信号矩阵和直达波信号矩阵做快速傅里叶变换，即计算和F{·}表示快速傅里叶变换，f为快时间频域。

(八)通过计算得到回波信号和直达波信号的相关矩阵。

(九)进行Keystone变换：

得到采用CZT方法实现该步骤：

1.初始化表示向上取整；

2.初始化

3.初始化W₀＝1，计算

4.计算：

5.计算：

G(k)＝F{g(n)}

H(k)＝F{h(n)}

V(k)＝G(k)H(k)

6.计算：

v(m)＝F^-1{V(k)}

并取v(m)的前N_seg点作为权值计算：

7.计算：

完成距离徙动的校正。

(十)当多普勒频率出现模糊时，根据模糊程度进行校正

其中，F为模糊数，根据多普勒探测范围计算F＝0,1。

(十一)沿快时间维做快速傅里叶逆变换，再沿慢时间维做快速傅里叶变换，即计算：

(十二)对Ψ^l(f_d,τ)进行CFAR检测，若Ψ^l(i,j)>μ(1≤i≤N_seg,1≤j≤L_seg)则判为该位置存在目标，估计出该位置对应的多普勒频率和时延根据计算估计出的真实时延；否则判为该位置不存在目标。μ为该位置对应的CFAR门限。

图5是对实施例的仿真结果，结果可以看出在第2帧RD谱(图5.(b))中能够检测出目标，估计出的多普勒频率时延与实际值吻合；在其它RD谱中没有检测出目标存在。本发明对动目标微弱信号有良好的检测性能。