一种基于重排时频分析的角闪烁抑制方法

摘要

本发明涉及一种基于重排时频分析的角闪烁抑制方法，包括：S1：获取目标的若干路回波信号，若干路回波信号在三维空间上不同；S2：对若干路回波信号分别依次进行脉冲压缩、包络对齐、相位补偿、重排平滑伪Wigner‑Ville分布处理以及时频变换操作后，得到若干个时间‑距离‑多普勒三维图像；S3：在任一时刻对若干个时间‑距离‑多普勒三维图像分别进行采样，获取若干个距离‑多普勒图像；S4：对和路的单帧距离‑多普勒图像进行恒虚警率检测，得到目标的强散射中心点；S5：对强散射中心点进行单脉冲测角，计算得到强散射中心点的角误差；S6：对强散射中心点的角误差进行加权求和，得到目标的角误差。本发明方法可灵活应用于不同场景中。

说明书

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于重排时频分析的角闪烁抑制方法。

背景技术

随着精确制导技术的不断发展，导弹应具有直接瞄准目标并打击其要害部位能力，这就要求雷达不仅能对目标整体进行测量和跟踪，还需要从角度上分辨出目标的不同部位，因此雷达必须具有很高的测角精度，但当导引头接近目标时，由于此时目标不再是点目标，而是由几个强散射中心组成的分布式目标，回波信号由这些散射中心的回波矢量合成，随着目标的相对运动，其散射中心不断在变化，即产生测角误差，角闪烁成为雷达测角的主要误差来源。因此，角闪烁抑制是精确制导过程中的重要步骤，具有重要的研究意义与实用价值。

目前，角闪烁抑制方法主要分为基于雷达分集技术的方法、基于现代信号处理的方法和基于高分辨体制的方法。基于雷达分集技术的典型算法包括频率分集、空间分集和极化分集，该类算法大都需要改变雷达硬件结构和工作模式，会大大增加雷达系统复杂度；基于现代信号处理的方法的典型算法包括卡尔曼滤波方法和多模型交互算法，该类算法主要通过研究角闪烁统计模型，利用统计模型来描述角闪烁统计特性，但是对非线性噪声处理并不理想，且需要大量卷积运算，实用性并不显著；基于高分辨体制的方法，从角闪烁产生机理出发，也是角闪烁抑制的主要途径。典型算法包括基于高分辨距离像、基于频域高分辨像和基于高分辨距离-多普勒像算法，该类算法通过对回波信号进行一维距离像或者二维距离-多普勒像，将多个散射点在距离或者多普勒维分开，通常适用于低海情平稳情况，高海情下由于舰船等目标自身的横滚、俯仰和偏航影响，该类算法效果并不显著。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于重排时频分析的角闪烁抑制方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于重排时频分析的角闪烁抑制方法，包括：

S1：获取目标的若干路回波信号，若干路回波信号在三维空间上不同；

S2：对若干路回波信号分别依次进行脉冲压缩、包络对齐、相位补偿、重排平滑伪Wigner-Ville分布处理以及时频变换操作后，得到若干个时间-距离-多普勒三维图像；

S3：在任一时刻对若干个所述时间-距离-多普勒三维图像分别进行采样，获取若干个距离-多普勒图像；

S4：对和路的距离-多普勒图像进行恒虚警率检测，得到目标的强散射中心点；

S5：对所述强散射中心点进行单脉冲测角，计算得到所述强散射中心点的角误差；

S6：对所述强散射中心点的角误差进行加权求和，得到所述目标的角误差。

在本发明的一个实施例中，所述S1包括：

获取目标的三路回波信号，所述三路回波信号包括和路脉冲回波信号、方位差路脉冲回波信号和俯仰差路脉冲回波信号。

在本发明的一个实施例中，所述S2包括：

S21：对若干路回波信号分别进行脉冲压缩处理，得到若干路脉冲压缩回波信号；

S22：对若干路所述脉冲压缩回波信号分别进行包络对齐处理，得到若干路包络对齐回波信号；

S23：采用加权最小二乘法对相位梯度自聚焦进行相位误差估计，根据估计相位误差对若干路所述包络对齐回波信号分别进行相位补偿，得到若干路补偿回波信号；

S24：对若干路所述补偿回波信号分别进行重排平滑伪Wigner-Ville分布处理以及时频变换操作，得到若干时间-距离-多普勒三维图像。

在本发明的一个实施例中，所述S22包括：

S221：对若干路所述脉冲压缩回波信号分别进行插值处理，得到若干路插值回波信号；

S222：对和路插值回波信号进行傅里叶变换，得到其频域信号；

S223：根据所述频域信号，计算得到每一个距离像与第一个距离像的第一相关函数，得到所述第一相关函数幅度最大值对应的第一移位数；

S224：根据所述第一移位数，对若干路所述插值回波信号分别沿距离维进行一次移位，得到若干路一次对齐回波信号；

S225：将和路的一次对齐回波信号的平均距离像作为参考距离像，对所述和路的一次对齐回波信号进行傅里叶变换，计算得到其每一个距离像与所述参考距离像的第二相关函数，得到所述第二相关函数幅度最大值对应的第二移位数，并根据所述第二移位数，对若干所述一次对齐回波信号分别沿距离维进行二次移位，得到若干所述包络对齐回波信号。

在本发明的一个实施例中，所述S23包括：

S231：计算得到和路的包络对齐回波信号中各距离单元的能量值；

S232：根据预设的门限值，选取所述和路的若干距离单元的包络对齐回波信号；

S233：对选取的所述和路的若干距离单元的包络对齐回波信号进行傅里叶变换，得到方位维复图像，并搜索选取的每个距离单元的包络对齐回波信号幅度最大值对应的散射点作为强散射点；

S234：将所述强散射点的圆周移位到所述方位维复图像的中心，得到移位后的方位维复图像；

S235：根据所述移位后的方位维复图像构造窗函数，并根据所述窗函数，消除未处于移位后的方位维复图像中心的点对相位梯度估计的影响；

S236：对消除影响的移位后的方位维复图像进行逆傅里叶变换，得到与其对应的数据序列和自相关序列；

S237：根据步骤S236中得到数据序列和自相关序列，利用最小二乘法计算得到估计相位误差；

S238：根据所述估计相位误差对若干路所述包络对齐回波信号分别进行相位补偿，得到若干路补偿回波信号。

在本发明的一个实施例中，所述S24包括：

S241：对若干路所述补偿回波信号分别进行重排平滑伪Wigner-Ville分布处理，得到重排结果，其中，重排后分布在任意点处的值等于重排到这一点的所有重排平滑伪Wigner-Ville分布函数值和；

S242：根据所述重排结果在每个距离单元上沿着方位维进行时频变换操作，得到若干个时间-距离-多普勒三维图像。

在本发明的一个实施例中，所述S4包括：

S41：对所述和路的距离-多普勒图像进行归一化处理，得到归一化图像；

S42：采用两级CFAR检测方法对所述归一化图像进行检测，得到目标的强散射中心点。

在本发明的一个实施例中，所述S5包括：

对所述强散射中心点进行单脉冲测角，计算得到所述强散射中心点的方位角误差和俯仰角误差。

在本发明的一个实施例中，所述S6包括：

对所述强散射中心点的方位角误差和俯仰角误差分别进行加权求和，得到所述目标的方位角误差和俯仰角误差。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明的基于重排时频分析的角闪烁抑制方法，采用加权最小二乘法对相位梯度自聚焦进行相位误差估计，与普通自聚焦方法相比，本发明利用误差相位在一次方位回波上的冗余性，可以估计任意阶相位误差，且使得残余相位误差方差最小；而且并不要求杂波具有一定的模型，具有很强的鲁棒性，可以更广泛灵活地应用于不同场景之中；

2.本发明的基于重排时频分析的角闪烁抑制方法，通过重排时频分析得到时间-距离-多普勒三维成像，并在此基础上进行单脉冲测角，与现有技术通过距离高分辨测角和距离-多普勒单脉冲测角相比，重排时频分析可以更好地抑制交叉项，具有最优的时频聚集性；而且，对于非平稳目标，传统距离-多普勒方法会出现散焦，甚至恢复出的图像质量偏离真实图像质量，而本发明的方法可有效克服以上问题，有效地提高了角闪烁的抑制能力。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于重排时频分析的角闪烁抑制方法的示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于重排时频分析的角闪烁抑制方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的仿真实验采用的散射点模型图；

图4为本发明与现有技术距离-多普勒成像检测方法的仿真结果对比图；

图5为本发明与现有技术图像距离向和方位向剖面图的仿真结果对比图。

图6为本发明与现有技术角闪烁抑制结果对比图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于重排时频分析的角闪烁抑制方法进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于重排时频分析的角闪烁抑制方法的示意图，如图所示，本实施例的方法包括：

S1：获取目标的若干路回波信号，若干路回波信号在三维空间上不同；

S2：对若干路回波信号分别依次进行脉冲压缩、包络对齐、相位补偿、重排平滑伪Wigner-Ville分布处理以及时频变换操作后，得到若干个时间-距离-多普勒三维图像；

S3：在任一时刻对若干个时间-距离-多普勒三维图像分别进行采样，获取若干个距离-多普勒图像；

S4：对和路的单帧距离-多普勒图像进行恒虚警率检测，得到目标的强散射中心点；

S5：对强散射中心点进行单脉冲测角，计算得到强散射中心点的角误差；

S6：对强散射中心点的角误差进行加权求和，得到目标的角误差。

在本实施例中，S1包括：获取目标的三路回波信号，三路回波信号包括和路脉冲回波信号S

需要说明的是，在其他实施例中，在步骤S1中，还可以获取目标的两路回波信号，两路回波信号可以是和路脉冲回波信号S

进一步地，以获取目标的三路回波信号(即和路脉冲回波信号S

请结合参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于重排时频分析的角闪烁抑制方法的流程图。如图所示，在本实施例中，S2包括：

S21：对三路回波信号分别进行脉冲压缩处理，得到三路脉冲压缩回波信号；

具体地，对和路脉冲回波信号S

其中，脉冲压缩处理是雷达回波成像中常用的一种用于提高距离分辨率和信噪比的信号处理技术，具体说明在此不再赘述。

S22：对三路脉冲压缩回波信号分别进行包络对齐处理，得到三路包络对齐回波信号；

具体地，S22包括：

S221：对三路脉冲压缩回波信号分别进行插值处理，得到三路插值回波信号；

在本实施例中，对和路压缩回波信号S

S

S

S

其中，interpft为FFT插值函数，L＝n*interpn为插值长度；

S222：对和路插值回波信号进行傅里叶变换，得到其频域信号；

在本实施例中，对和路插值回波信号S

S223：根据频域信号，计算得到每一个距离像与第一个距离像的第一相关函数，得到第一相关函数幅度最大值对应的第一移位数；

在本实施例中，根据频域信号S

R

其中，S

将R

τ

S224：根据第一移位数，对三路插值回波信号分别沿距离维进行一次移位，得到三路一次对齐回波信号；

在本实施例中，分别对和路插值回波信号S

S225：将和路的一次对齐回波信号的平均距离像作为参考距离像，对和路的一次对齐回波信号进行傅里叶变换，计算得到其每一个距离像与参考距离像的第二相关函数，得到第二相关函数幅度最大值对应的第二移位数，并根据第二移位数，对三路一次对齐回波信号分别沿距离维进行二次移位，得到三路包络对齐回波信号。

在本实施例中，将和路一次对齐回波信号取平均后的距离像作为参考像，与步骤S222-S224类似地，完成二次对齐，得到和路包络对齐回波信号S

S23：采用加权最小二乘法对相位梯度自聚焦进行相位误差估计，根据估计相位误差对三路包络对齐回波信号分别进行相位补偿，得到三路补偿回波信号；

具体地，S23包括：

S231：计算得到和路包络对齐回波信号中各距离单元的能量值；

在本实施例中，按照下式计算得到和路包络对齐回波信号S

其中，*表示共轭转置。

S232：根据预设的门限值，选取和路的若干距离单元的包络对齐回波信号；

在本实施例中，按照下式选择和路包络对齐回波信号S

S(n,i)＝I(m)＞max(I(m))·th (7)，

其中，th为阀值门限，S(n,i)为选取的距离单元，i＝1,2…,I，I为选取的距离单元个数。

S233：对选取的和路的若干距离单元的包络对齐回波信号进行傅里叶变换，得到方位维复图像，并搜索选取的每个距离单元的包络对齐回波信号幅度最大值对应的散射点作为强散射点；

在本实施例中，对选取的若干距离单元的和路包络对齐回波信号S(n,i)i＝1,2…,I，进行傅里叶变换，得到方位维复图像，并搜索选取的每个距离单元的包络对齐回波信号幅度最大值对应的散射点作为强散射点；

S234：将强散射点的圆周移位到方位维复图像的中心，得到移位后的方位维复图像；

在本实施例中，通过圆周移位，一方面去掉了点目标的多普勒频移，只保留了相位误差量；另一方面，有利于下一步确定窗宽，改善信杂比。

具体地，假设回波相位为：

其中，

经过圆周移位后的回波相位为：

Φ

S235：根据移位后的方位维复图像构造窗函数，并根据窗函数，消除未处于移位后的方位维复图像中心的点对相位梯度估计的影响；

在本实施例中，在移位后的方位维复图像的中心点的两边寻找幅度小于中心点幅度10dB的点，以这两点的宽度构造窗函数，将移位后的方位维复图像乘以窗函数，消除未处于图像中心的点对相位梯度估计的影响：

S

其中，S

S236：对消除影响的移位后的方位维复图像进行逆傅里叶变换，得到与其对应的数据序列和自相关序列；

S237：根据步骤S236中得到数据序列和自相关序列，利用最小二乘法计算得到估计相位误差；

根据步骤S234可知，对选取的若干距离单元，经过圆周移位后的回波相位为：

Φ(i)＝Ηγ(i)+φ(i)，i＝1,2…,I (10)，

其中，

Φ(i)＝[Φ

φ(i)＝[φ

H＝[1,1,1,…,1]

其中，T表示转置。

利用最小二乘法计算得到的估计相位误差为：

其中，

S238：根据估计相位误差对三路包络对齐回波信号分别进行相位补偿，得到三路补偿回波信号。

在本实施例中，对和路包络对齐回波信号S

S

S

S

S24：对三路补偿回波信号分别进行重排平滑伪Wigner-Ville分布处理以及时频变换操作，得到三个时间-距离-多普勒三维图像。

具体地，S24包括：

S241：对三路补偿回波信号分别进行重排平滑伪Wigner-Ville分布处理，得到重排结果，其中，重排后分布在任意点处的值等于重排到这一点的所有重排平滑伪Wigner-Ville分布函数值和；

在本实施例中，对和路补偿回波信号S

具体地，重排平滑伪Wigner-Ville分布为：

其中，h是窗函数，W

将重排平滑伪Wigner-Ville分布在任意点(t,f)处计算的值转换到另一点

得到的重排后分布在任意点(t',f')处的值等于重排到这一点的所有重排平滑伪Wigner-Ville分布函数值和，即，

其中，δ为冲击函数。

S242：根据重排结果在每个距离单元上沿着方位维进行时频变换操作，得到三个时间-距离-多普勒三维图像。

在本实施例中，将得到的重排结果在每个距离单元上沿着方位维进行时频变换，得到NxN个随时间变化的多普勒频谱，然后通过在M个距离单元处对NxN随时间变化的多普勒频谱进行组合，形成时间-距离-多普勒三维图像，包括和路时间-距离-多普勒三维图像Z

Z

Z

Z

其中，TF表示关于n的时频运算；

进一步地，在S3中，在任一时刻t

进一步地，在S4中，对和路的距离-多普勒图像Z

具体地，S4包括：

S41：对和路的距离-多普勒图像进行归一化处理，得到归一化图像；

在本实施例中，通过Z

S42：采用两级CFAR检测方法对归一化图像进行检测，得到目标的强散射中心点。

需要说明的是，根据先验知识，保护窗口的尺寸一般设置为待检测目标尺寸的两倍，以免目标像素泄漏到杂波窗口中，影响杂波参数估计，造成计算得到的检测门限偏高，从而导致漏检。杂波窗口的尺寸大小设置原则是使进入背景窗内的杂波像素数量足够多，以保证对杂波分布模型参数做出准确的估计。

在本实施例中，以待检测单元为中心，取单元数为Q

在第一级检测中，设定较高的虚警概率P

在第二级检测中，设定较低的虚警概率P

进一步地，S5包括，对强散射中心点进行单脉冲测角，计算得到强散射中心点的方位角误差和俯仰角误差。

具体地，按照下式计算得到强散射中心点的方位角误差和俯仰角误差，

其中，J为目标的强散射中心点个数，Re(·)为取实部运算，*为共轭运算。

进一步地，S6包括，对强散射中心点的方位角误差和俯仰角误差分别进行加权求和，得到目标的方位角误差和俯仰角误差。

具体地，按照下式得到目标的方位角误差δ'

其中，a

均匀加权：W(a

幅度加权：W(a

最大幅度加权：

需要说明的是，获取目标的两路回波信号后的处理方法与三路回波信号的处理方法类似，在此不再赘述。

本实施例的基于重排时频分析的角闪烁抑制方法，采用加权最小二乘法对相位梯度自聚焦进行相位误差估计，与普通自聚焦方法相比，本发明利用误差相位在一次方位回波上的冗余性，可以估计任意阶相位误差，且使得残余相位误差方差最小；而且并不要求杂波具有一定的模型，具有很强的鲁棒性，可以更广泛灵活地应用于不同场景之中。

进一步地，本实施例的基于重排时频分析的角闪烁抑制方法，通过重排时频分析得到时间-距离-多普勒三维成像，并在此基础上进行单脉冲测角，与现有技术通过距离高分辨测角和距离-多普勒单脉冲测角相比，重排时频分析可以更好地抑制交叉项，具有最优的时频聚集性；而且，对于非平稳目标，传统距离-多普勒方法会出现散焦，甚至恢复出的图像质量偏离真实图像质量，而本实施例的方法可有效克服以上问题，有效地提高了角闪烁的抑制能力。

实施例二

本实施例对于实施例一提供的基于重排时频分析的角闪烁抑制方法，进行了仿真实验，对上述方法的效果进行了验证说明。

1、仿真条件和内容：

仿真的硬件平台为：MATLAB R2018b。

请参见图3，图3为本发明实施例提供的仿真实验采用的散射点模型图，其中，图3中(a)为舰船散射点三维图，(b)为舰船模型俯视图。该模型仿真实验的参数设置如下：雷达发射脉冲宽度τ＝5μs，带宽B＝100MHz，波长λ＝17.6mm，脉冲重复频率f

仿真1：对本发明和现有的基于距离-多普勒角闪烁抑制方法的成像和恒虚警检测结果分别进行对比仿真，仿真结果如图4、图5、表1和表2所示；

仿真2：对本发明和现有的基于距离-多普勒角闪烁抑制方法的角闪烁误差进行对比仿真，仿真结果如图6所示。

2、仿真结果分析：

请参见图4，图4为本发明与现有技术距离-多普勒成像检测方法的仿真结果对比图，其中，图4中(a)为基于距离-多普勒方法获得的结果图像，(b)为基于距离-多普勒方法获得的恒虚警检测结果，(c)为使用本发明方法获得的结果图像，(d)为使用本发明方法获得的恒虚警检测结果。从图中可以看出，基于距离-多普勒方法获得的图像由于受海浪颠簸等影响，舰船属于非平稳状态，有明显的散焦现象，而本发明的重排时频属于瞬时成像，聚焦性能优异。

为进一步对比图像质量，分别计算了两种方法的积分旁瓣比LSLR和峰值旁瓣比PSLR，请结合参见图5和表1，图5为本发明与现有技术图像距离向和方位向剖面图的仿真结果对比图，其中，图5中(a)为现有技术距离向剖面图，(b)为现有技术方位向剖面图，(c)为本发明距离向剖面图，(d)为本发明方位向剖面图；表1中分别计算了现有技术和本发明对图4方位向剖面图和距离向剖面图的积分旁瓣比LSLR、峰值旁瓣比PSLR和分辨率IRW的具体数值。

表1 LSLR、PSLR对比

从表1可以看出，本发明的积分旁瓣比LSLR和峰值旁瓣比PSLR绝对值最大，方位向IRW要低于现有技术，表明本发明的时聚性要强于现有技术，从而可以提高角闪烁的抑制能力。

本发明与现有技术得到的图像质量对比数据如表2所示，通过表2可以看出，本发明的图像具有最小熵值和最大对比度，表明本发明的图像质量要强于现有技术，从而可以提高角闪烁的抑制能力。

表2图像质量对比

进一步地，请参见图6，图6为本发明与现有技术角闪烁抑制结果对比图，其中，图6中(a)为多个脉冲周期测角结果，(b)为角误差随弹目距变化结果。从图中可以看出，基于本发明测角结果明显优于现有技术，说明本发明的基于重排时频分析的角闪烁抑制方法提高了角闪烁抑制能力。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。