一种基于高分辨距离像的宽带雷达运动目标跟踪方法

摘要

本发明公开了一种基于高分辨距离像的宽带雷达运动目标跟踪方法，包括：分别获得雷达和通道、方位差通道和俯仰差通道的高分辨距离像序列；利用估计目标速度对和通道的高分辨距离像序列进行运动补偿；对各次运动补偿后的和通道高分辨距离像序列分别进行相干积累；利用积累后的和通道高分辨距离像获取目标速度与目标距离；利用目标速度对方位差通道和俯仰差通道的高分辨距离像序列进行运动补偿与相干积累；利用从和通道、方位差通道和俯仰差通道积累后的高分辨距离像中选取的复信号计算获得目标的方位角误差和俯仰角误差。本发明根据速度估计值设置一组速度候选值对回波信号序列进行运动补偿，减少了距离徙动校正的耗时，更加适用于目标实时跟踪。

说明书

技术领域

本发明属于雷达目标识别技术领域，具体涉及一种基于高分辨距离像的宽带雷达运动目标跟踪方法，可以对空中和地面运动目标进行实时跟踪。

背景技术

高分辨距离像是用宽带雷达信号获取的目标散射点回波在雷达视线上投影的向量和，它提供了目标散射点沿距离方向的分布情况，包含了目标重要的结构特征，对于目标识别具有极高价值。常规雷达通常采用“宽窄交替”的工作模式，通过发射窄带信号实现目标跟踪，通过发射宽带信号获取目标的高分辨距离像。对于目标识别任务来说，这种工作模式极大地浪费了雷达的能量资源，也显著降低了高分辨距离像的数据率。解决该问题的一种思路是直接利用宽带信号进行目标跟踪。与窄带信号相比，宽带信号信噪比较低，为了实现对远距离目标的宽带跟踪，需要对目标的高分辨距离像进行长时间相干积累。但是，宽带雷达距离分辨率较高，目标的运动使得高分辨距离像序列存在距离徙动现象，直接进行相干积累得到的信号会发生变形失真，导致无法跟踪目标。因此，实现宽带跟踪的关键在于对目标进行运动补偿。

申请号为201710730423.2的中国发明专利“基于宽带回波的逆合成孔径雷达成像目标连续跟踪方法”中提出了一种基于宽带信号的跟踪方法，该方法主要针对舰船这类慢速目标，忽略了目标运动对跟踪的影响，不适用于飞机、车辆等高速目标的跟踪任务；论文《雷达微弱目标的长时间积累技术研究》中提出使用Keystone变换对高分辨距离像序列进行插值等处理，以实现对目标的运动补偿。该方法能够校正目标运动引起的距离徙动。但是在实际工程应用中，采用Keystone变换进行运动补偿存在计算量大的问题，难以满足宽带跟踪的实时性要求，给后续目标跟踪带来困难。

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高分辨距离像的宽带雷达运动目标跟踪方法，用于解决现有技术中存在的距离徙动校正计算量大，无法满足宽带目标实时跟踪的问题。

实现本发明目的的思路是，跨距离单元徙动产生的原因是在长时间积累过程中，目标的运动产生了相位延迟。在获得目标速度粗估计的前提下，设定一组速度候选值，利用每一次速度候选值得到运动补偿项，补偿和通道高分辨距离像序列，通过相干积累得到高分辨距离像。峰值最大的高分辨距离像对应目标的真实速度。利用目标的真实速度补偿方位差通道和俯仰差通道信号，获得方位差通道和俯仰差通道高分辨距离像，通过单脉冲测角的方法求得目标的方位误差和俯仰误差，基于雷达数据处理中心提供的目标方位角先验值和俯仰角先验值调整天线角度，再结合目标的速度和距离实现对目标的跟踪。

本发明的目的具体通过以下技术方案实现：

本发明的一个方面提供了一种基于高分辨距离像的宽带雷达运动目标跟踪方法，包括：

分别获得雷达和通道、方位差通道和俯仰差通道的高分辨距离像序列；

利用估计目标速度对和通道的高分辨距离像序列进行运动补偿，获得运动补偿后和通道的高分辨距离像序列；

对各次运动补偿后的和通道高分辨距离像序列分别进行相干积累，获得多个积累后的和通道高分辨距离像；

利用积累后的和通道高分辨距离像获取目标速度与目标距离；

利用所述目标速度对方位差通道和俯仰差通道的高分辨距离像序列进行运动补偿与相干积累；

利用从和通道、方位差通道和俯仰差通道积累后的高分辨距离像中选取的复信号计算获得目标的方位角和俯仰角；

利用目标速度、目标距离、方位角和俯仰角，实现对目标的跟踪。

在本发明的一个实施例中，分别获得雷达和通道、方位差通道和俯仰差通道的高分辨距离像序列包括：

分别获得和通道、方位差通道和俯仰差通道一个相参处理时间内的宽带回波信号序列，对三个通道的宽带回波信号序列进行脉冲压缩处理，获得三个通道的高分辨距离像序列，其中，所述宽带回波信号序列的形式为M个宽带脉冲×N个距离单元。

在本发明的一个实施例中，利用估计目标速度对和通道的高分辨距离像序列进行运动补偿，包括：

利用雷达数据处理中心获取估计目标速度ν

计算各速度候选值相应的运动补偿项，并利用各运动补偿项对和通道的高分辨距离像序列进行运动补偿。

在本发明的一个实施例中，计算各速度候选值相应的运动补偿项，并利用各运动补偿项对和通道的高分辨距离像序列进行运动补偿，包括：

根据速度候选值ν

其中，m表示宽带脉冲的序号，l表示宽带距离单元的序号，

对和通道的高分辨距离像序列沿距离维进行傅里叶变换，得到高分辨距离像序列的频谱；

将高分辨距离像序列的频谱中各频点与所述运动补偿项点乘以进行运动补偿，再对运动补偿后的频谱沿距离维进行逆傅里叶变换，得到运动补偿后的和通道高分辨距离像序列；

利用2*n+1个速度候选值，获得2*n+1个运动补偿后的和通道高分辨距离像序列。

在本发明的一个实施例中，利用积累后的和通道高分辨距离像获取目标速度与目标距离，包括：

从每个积累后的高和通道分辨距离像中寻找其所有距离单元中的复信号峰值A

获取所有积累后的和通道高分辨距离像中的峰值A

获取所述复信号A

在本发明的一个实施例中，利用从和通道、方位差通道和俯仰差通道积累后的高分辨距离像中选取的复信号计算获得目标的方位角误差和俯仰角误差，包括：

从方位差通道积累后的高分辨距离像中取出第L个距离单元的复信号A

计算目标的方位角误差和俯仰角误差：

Δθ＝K*Re(A

Δφ＝K*Re(A

其中，Δθ表示估计的目标方位角误差，Δφ表示估计的目标俯仰角误差，常数K表示鉴角斜率，Re表示取实部；

基于目标方位角先验值θ

在本发明的一个实施例中，利用目标速度、目标距离、方位角和俯仰角，实现对目标的跟踪，包括：

根据获得的目标距离R、目标速度ν、目标当前方位角θ和俯仰角φ，调整天线指向并对准目标所在空域位置，同时利用α-β滤波器预测目标的速度和距离，实现对目标的跟踪。

本发明的另一方面提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行上述实施例中任一项所述基于高分辨距离像的宽带雷达运动目标跟踪方法的步骤。

本发明的另一方面提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现如上述实施例中任一项所述基于高分辨距离像的宽带雷达运动目标跟踪方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、由于本发明的方法根据速度估计值设置一组速度候选值，对宽带回波信号序列进行运动补偿，克服了Keystone变换计算量大的问题，减少了距离徙动校正的耗时，更加适用于目标实时跟踪。

2、由于本发明的方法将高分辨距离像与测角相结合，可以得到目标运动的更多信息，提升了目标跟踪精度和雷达探测性能。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于高分辨距离像的宽带雷达运动目标跟踪方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的速度候选值与高分辨距离像最大幅值关系图；

图3是利用本发明的方法补偿积累后的和通道高分辨距离像；

图4是利用现有Keystone补偿积累后的和通道高分辨距离像。

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高分辨距离像的宽带雷达运动目标跟踪方法进行详细说明。

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。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

雷达利用目标的运动和方位参数跟踪目标，为了获得目标速度、方位、距离等信息，需要长时间的积累，宽带的距离分辨率高，在积累过程中会出现跨距离单元徙动，导致相干积累的结果出现失真和展宽，为了校正距离徙动，有学者提出Keystone算法补偿，虽然能获得性能的提升，但是耗时长，并不能满足跟踪需求。为了解决这个问题，本发明提出了一种基于高分辨距离像的宽带雷达运动目标跟踪方法。请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于高分辨距离像的宽带雷达运动目标跟踪方法的流程图。本实施例的宽带雷达运动目标跟踪方法包括以下步骤：

S1：分别获得雷达和通道、方位差通道和俯仰差通道的高分辨距离像序列。

具体地，分别获得和通道、方位差通道和俯仰差通道一个相参处理时间(CPI)内的宽带回波信号序列，对三个通道的宽带回波信号序列进行脉冲压缩处理，获得三个通道的高分辨距离像序列，其中，所述宽带回波信号序列的形式为M个宽带脉冲×N个宽带距离单元。

S2:利用估计目标速度对和通道的高分辨距离像序列进行运动补偿，获得运动补偿后和通道的高分辨距离像序列。

在本实施例中，步骤S2包括：

S21：利用雷达数据处理中心获取估计目标速度ν

已知从雷达数据处理中心获取的估计目标速度为ν

S22：计算各速度候选值相应的运动补偿项，并利用各运动补偿项对和通道的高分辨距离像序列进行运动补偿。

具体的，所述步骤S22包括：

S221：根据速度候选值ν

其中，m表示宽带脉冲序号，m＝[1,2,...,M]，M表示脉冲数，l表示宽带距离单元序号，l＝0,1,...,N-1，

S222：对和通道的高分辨距离像序列沿距离维进行傅里叶变换，得到高分辨距离像序列的频谱；

S223：将高分辨距离像序列的频谱中各频点与所述运动补偿项点乘以进行运动补偿，再对运动补偿后的频谱沿距离维进行逆傅里叶变换，得到运动补偿后的和通道高分辨距离像序列。

S224：按照步骤S221-S223，分别根据2*n+1个速度候选值，获得2*n+1个运动补偿后的和通道高分辨距离像序列。

S3：对各次运动补偿后的和通道高分辨距离像序列分别进行相干积累，获得多个相干积累后的和通道高分辨距离像。

具体地，对利用上述2*n+1个速度候选值进行的各次运动补偿后的和通道高分辨距离像序列分别进行相干积累，可以得到2*n+1个积累后的高分辨距离像。

S4：利用积累后的和通道高分辨距离像获取目标速度与目标距离。

具体地，步骤S4包括：

S41：从每个积累后的和通道高分辨距离像中寻找其所有距离单元中的峰值以及该峰值所在的距离单元序号，分别记为A

由于得到了2*n+1个积累后的和通道高分辨距离像，因此在此2*n+1个积累后的高分辨距离像中共获得2n+1个对应的峰值Ai。

S42：获取所有积累后的高和通道分辨距离像中的峰值A

S43：获取所述复信号A

S5：利用所述目标速度对方位差通道和俯仰差通道的高分辨距离像序列进行运动补偿与相干积累。

具体地，计算获得所述目标速度ν对应的运动补偿项，使用该运动补偿项分别对方位差通道和俯仰差通道的高分辨距离像序列进行运动补偿和相干积累，得到方位差通道和俯仰差通道积累后的高分辨距离像。

S6：利用从和通道、方位差通道和俯仰差通道积累后的高分辨距离像中选取的复信号计算获得目标的方位角和俯仰角。

在本实施例中，所述S6包括：

S61：从方位差通道积累后的高分辨距离像中取出第L个距离单元的复信号A

S62：利用下列公式估计目标的方位角误差和俯仰角误差：

Δθ＝K*Re(A

Δφ＝K*Re(A

其中，Δθ表示估计的目标方位角误差，Δφ表示估计的目标俯仰角误差，常数K表示鉴角斜率，Re表示取实部。

S63：基于雷达数据处理中心提供的目标方位角先验值θ

θ＝θ

φ＝φ

其中，θ表示目标当前方位角的估计值，φ表示目标当前俯仰角的估计值。

S7：利用获得的目标距离R、目标速度ν、目标当前方位角θ和俯仰角φ进行目标跟踪。

具体地，将获得的目标距离R、目标速度ν、目标当前方位角θ和俯仰角φ发送至雷达伺服，调整天线指向并对准目标所在空域位置，同时利用α-β滤波器预测目标的速度和距离，实现对目标的跟踪。

以下通过仿真实验对本发明实施例的基于高分辨距离像的宽带雷达运动目标跟踪方法的效果进行进一步阐述。

1、仿真条件：

信号带宽B＝200MHz，脉冲重复周期Tr＝1ms，一个CPI内的脉冲数为64，1个PRI(Pulse Repetition Interval)内采样点数为8000，目标的数目为1，目标速度估计值为100m/s，方位角误差为1°，俯仰角误差为1°。

2、实验步骤与结果分析：

(1)获得和通道、方位差通道、俯仰差通道的一个相参处理时间(CPI)内的宽带回波信号序列。

(2)对宽带回波信号序列进行脉压处理。

(3)根据速度估计值设定n＝5，目标速度候选值为：90m/s,92m/s,94m/s,96m/s，98m/s,100m/s,102m/s,104m/s,106m/s,108m/s,110m/s。计算各个速度候选值对应的运动补偿项。

对和通道的高分辨距离像序列沿距离维进行傅里叶变换，得到高分辨距离像序列的频谱；将高分辨距离像序列的频谱中各频点与所述运动补偿项点乘以进行运动补偿，再对运动补偿后的频谱沿距离维进行逆傅里叶变换，得到运动补偿后的和通道高分辨距离像序列。

(4)补偿后的和通道数据做相干积累得到高分辨距离像，记录模值最大的复信号以及该复信号所在的距离单元序号。

重复第(3)步和第(4)步操作，直到完成速度搜索，得到图1搜索结果。

请参见图2，图2是本发明实施例提供的速度候选值与高分辨距离像最大幅值关系图，由图2可知，当速度搜索值为100m/s时，高分辨距离像的最大模值最大，即目标的真实速度最接近100m/s，根据最大模值所在距离单元求得目标与雷达的距离。

(5)利用目标的真实速度校正方位差通道和俯仰差通道的相位，相干积累得到方位差和俯仰差通道的高分辨距离像，从与和通道相同距离单元取出方位差通道和俯仰差通道复信号，进行目标测角。经过测算，目标的方位角误差估计值为0.98°，俯仰角误差估计值为0.99°。

(6)基于雷达数据处理中心提供的目标方位角先验值和俯仰角先验值，得到目标的方位角、俯仰角，结合目标的速度、距离信息可实现目标跟踪。

对比图3和图4补偿积累后的效果，可以看出使用两种方法积累得到的高分辨距离像非常相近，但是基于本发明速度搜索的补偿方法比基于Keystone补偿方法的计算量小很多，根据MATLAB仿真结果可知：基于Keystone补偿方法耗时为1.54s，而基于速度搜索的补偿方法耗时为0.14s，因此基于速度搜索的补偿方法得到的高分辨距离像更能满足目标跟踪的实时性要求。

综上，由于本发明实施例的方法根据速度估计值设置一组速度候选值，对宽带回波信号序列进行运动补偿，克服了Keystone变换计算量大的问题，减少了距离徙动校正的耗时，更加适用于目标实时跟踪。另外，由于本发明实施例的方法将高分辨距离像与测角相结合，可以得到目标运动的更多信息，提升了目标跟踪精度和雷达探测性能。

本发明的又一实施例提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行上述实施例中所述基于高分辨距离像的宽带雷达运动目标跟踪方法的步骤。本发明的再一方面提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现如上述实施例所述基于高分辨距离像的宽带雷达运动目标跟踪方法的步骤。具体地，上述以软件功能模块的形式实现的集成的模块，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能模块存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

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。