一種面目標(biāo)回波波束中心速度測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種面目標(biāo)回波波束中心速度測量方法，首先對(duì)回波進(jìn)行加速度補(bǔ)償，然后判斷速度濾波值是處于近區(qū)測量模式還是遠(yuǎn)區(qū)測量模式，近區(qū)測量模式經(jīng)過FFT運(yùn)算得到回波的頻譜之后，利用Chirp-Z方法對(duì)多普勒速度附近的譜線進(jìn)行細(xì)化操作，得到回波頻譜，遠(yuǎn)區(qū)測量模式經(jīng)過FFT運(yùn)算得到回波頻譜，最后將回波頻譜進(jìn)行平滑處理和包絡(luò)截取以得到波束中心對(duì)應(yīng)的頻率值，從而計(jì)算得到速度值，最后采用Kalman濾波的方法對(duì)速度進(jìn)行跟蹤，并對(duì)下一時(shí)刻的速度，加速度等信息進(jìn)行預(yù)測。該方法兼顧了大動(dòng)態(tài)范圍和高精度的要求，提高了測量精度。
【專利說明】一種面目標(biāo)回波波束中心速度測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種回波波束中心速度測量方法，尤其涉及一種連續(xù)波多普勒雷達(dá)高精度面目標(biāo)回波波束中心速度測量方法，屬于空間微波遙感【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]連續(xù)波測速雷達(dá)是月球深空探測著陸工程中的關(guān)鍵單機(jī)，它為衛(wèi)星制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)提供精確的衛(wèi)星速度信息，從而保證著陸的安全。連續(xù)波測速雷達(dá)的測量精度較高，采用單一利用高精度面目標(biāo)回波多普勒波束中心求取方法，對(duì)面目標(biāo)多普勒頻譜計(jì)算出波束中心的多普勒頻率。另外，連續(xù)波測速雷達(dá)在導(dǎo)彈制導(dǎo)以及艦載飛機(jī)、無人機(jī)起降方面都有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]天線發(fā)射的電磁波是具有一定寬度的波束，波束內(nèi)各個(gè)分量方向上速度的徑向分量不同，也就對(duì)應(yīng)不同的多普勒頻移，因此天線收到的回波信號(hào)是由多個(gè)具有不同頻率的分量疊加而成，由于著陸器存在加速度，會(huì)導(dǎo)致多普勒帶寬展寬，同時(shí)由于散射等因素的影響，會(huì)使回波信號(hào)中峰值分量的位置發(fā)生偏移。
[0004]為了提高多普勒信號(hào)的測量精度，必須消除著陸器運(yùn)動(dòng)加速度引起的多普勒頻譜展寬的影響，所以需要進(jìn)行加速度的估計(jì)和補(bǔ)償，目前現(xiàn)有文獻(xiàn)都是對(duì)點(diǎn)目標(biāo)機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)條件下的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，可采用最大似然方法、時(shí)頻分析方法、基于加速度模板的解線性調(diào)頻方法估計(jì)目標(biāo)加速度，這些方法所需要的運(yùn)算量都過大，不利于實(shí)時(shí)處理；二階多項(xiàng)相位變換(DPT)是一種運(yùn)算量較小的估計(jì)加速度的方法，但對(duì)于面目標(biāo)的加速度估計(jì)，它的精度將大大降低。另外，對(duì)于面目標(biāo)多普勒頻率的檢測，現(xiàn)有的文獻(xiàn)中采用前沿檢測、能量重心法或幾何中心法，但是這些方法對(duì)于求取天線波束中心對(duì)應(yīng)的多普勒頻率，估計(jì)誤差較差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種面目標(biāo)回波波束中心速度測量方法，兼顧了大動(dòng)態(tài)范圍和高精度的要求，提高了測量精度。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種面目標(biāo)回波波束中心速度測量方法，步驟如下:
[0007](I)天線接收到的射頻回波信號(hào)經(jīng)過微波通道變頻解調(diào)后得到基帶模擬信號(hào)，該基帶模擬信號(hào)經(jīng)過AD采集模塊轉(zhuǎn)換為雷達(dá)數(shù)字回波信號(hào)s (η)；
[0008](2)利用卡爾曼濾波對(duì)前一個(gè)測量周期面目標(biāo)回波波束中心的速度進(jìn)行跟蹤濾波，并對(duì)本周期面目標(biāo)回波波束中心的加速度進(jìn)行估計(jì)，得到前一個(gè)周期面目標(biāo)回波波束中心的速度濾波值V和本周期面目標(biāo)回波波束中心的加速度估計(jì)值a ；
[0009](3)利用步驟(2)得到的本周期面目標(biāo)回波波束中心的加速度估計(jì)值a，對(duì)步驟
(I)得到的雷達(dá)數(shù)字回波信號(hào)s (η)進(jìn)行加速度補(bǔ)償；
[0010](4)判斷步驟(2)得到的前一個(gè)周期面目標(biāo)回波波束中心的速度濾波值V是處于近區(qū)測量模式還是遠(yuǎn)區(qū)測量模式，如果是處于近區(qū)測量模式，執(zhí)行步驟(5);否則執(zhí)行步驟
(6)；
[0011](5)對(duì)加速度補(bǔ)償后的雷達(dá)數(shù)字回波信號(hào)進(jìn)行FFT譜分析得到雷達(dá)數(shù)字回波多普勒頻譜，根據(jù)雷達(dá)數(shù)字回波多普勒頻譜對(duì)加速度補(bǔ)償后的雷達(dá)數(shù)字回波信號(hào)進(jìn)行Chirp-Z變換，得到頻譜細(xì)化后的雷達(dá)數(shù)字回波多普勒頻譜，執(zhí)行步驟(7)；
[0012](6)對(duì)加速度補(bǔ)償后的雷達(dá)數(shù)字回波信號(hào)進(jìn)行FFT譜分析，得到雷達(dá)數(shù)字回波多普勒頻譜，執(zhí)行步驟(7)；
[0013](7)對(duì)雷達(dá)數(shù)字回波多普勒頻譜進(jìn)行平滑處理，對(duì)平滑處理后的雷達(dá)數(shù)字回波多普勒頻譜進(jìn)行包絡(luò)截取，在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到面目標(biāo)回波波束中心速度值；
[0014](8)重復(fù)執(zhí)行步驟⑴一(7)，得到面目標(biāo)回波波束中心的實(shí)時(shí)速度值。
[0015]所述步驟(2)的實(shí)現(xiàn)方式為:
[0016]設(shè)速度濾波值的三階矩陣為xjilter []，速度估計(jì)值的三階矩陣為x_estimate []，速度測量值為 Vm，則 x—filter = x—estimate+K*z ；
[0017]其中
[0018]z = vm_H*x_estimate
[0019]

【權(quán)利要求】
1.一種面目標(biāo)回波波束中心速度測量方法，其特征在于步驟如下: (1)天線接收到的射頻回波信號(hào)經(jīng)過微波通道變頻解調(diào)后得到基帶模擬信號(hào)，該基帶模擬信號(hào)經(jīng)過AD采集模塊轉(zhuǎn)換為雷達(dá)數(shù)字回波信號(hào)S (η)； (2)利用卡爾曼濾波對(duì)前一個(gè)測量周期面目標(biāo)回波波束中心的速度進(jìn)行跟蹤濾波，并對(duì)本周期面目標(biāo)回波波束中心的加速度進(jìn)行估計(jì)，得到前一個(gè)周期面目標(biāo)回波波束中心的速度濾波值V和本周期面目標(biāo)回波波束中心的加速度估計(jì)值a ； (3)利用步驟(2)得到的本周期面目標(biāo)回波波束中心的加速度估計(jì)值a，對(duì)步驟(1)得到的雷達(dá)數(shù)字回波信號(hào)s (η)進(jìn)行加速度補(bǔ)償； (4)判斷步驟(2)得到的前一個(gè)周期面目標(biāo)回波波束中心的速度濾波值V是處于近區(qū)測量模式還是遠(yuǎn)區(qū)測量模式，如果是處于近區(qū)測量模式，執(zhí)行步驟(5);否則執(zhí)行步驟(6)； (5)對(duì)加速度補(bǔ)償后的雷達(dá)數(shù)字回波信號(hào)進(jìn)行FFT譜分析得到雷達(dá)數(shù)字回波多普勒頻譜，根據(jù)雷達(dá)數(shù)字回波多普勒頻譜對(duì)加速度補(bǔ)償后的雷達(dá)數(shù)字回波信號(hào)進(jìn)行Chirp-Z變換，得到頻譜細(xì)化后的雷達(dá)數(shù)字回波多普勒頻譜，執(zhí)行步驟(7)； (6)對(duì)加速度補(bǔ)償后的雷達(dá)數(shù)字回波信號(hào)進(jìn)行FFT譜分析，得到雷達(dá)數(shù)字回波多普勒頻譜，執(zhí)行步驟⑵； (7)對(duì)雷達(dá)數(shù)字回波多普勒頻譜進(jìn)行平滑處理，對(duì)平滑處理后的雷達(dá)數(shù)字回波多普勒頻譜進(jìn)行包絡(luò)截取，在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到面目標(biāo)回波波束中心速度值； (8)重復(fù)執(zhí)行步驟⑴一(7)，得到面目標(biāo)回波波束中心的實(shí)時(shí)速度值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面目標(biāo)回波波束中心速度測量方法，其特征在于:所述步驟(2)的實(shí)現(xiàn)方式為: 設(shè)速度濾波值的三階矩陣為xjilter□，速度估計(jì)值的三階矩陣為X_eStimate□，速度測量值為 ^則 x_filter = x_estimate+K*z ； 其中
z = vm-H*x_estimate K = (-l———)* P * Ht
為上一個(gè)周期更新后的誤差協(xié)方差矩陣； 每個(gè)周期計(jì)算完成后，按照下式更新誤差協(xié)方差矩陣: P = (Ι-Κ*Η)*Ρ，其中I為單位矩陣； 在上述基礎(chǔ)上，得到速度濾波值V = x_filter [O];加速度估計(jì)值a = x_estimate [I]；
其中，H為觀測矩陣
為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣
Q為動(dòng)態(tài)噪聲協(xié)方差矩陣，
P為誤差協(xié)方差矩陣，
為觀 測噪聲協(xié)方差矩陣初始值，= W; T為周期間隔，σ力目標(biāo)速度動(dòng)態(tài)噪聲方差，y力觀測速度方差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面目標(biāo)回波波束中心速度測量方法，其特征在于:所述步驟(3)的實(shí)現(xiàn)方式為: 加速度補(bǔ)償后的雷達(dá)數(shù)字回波信號(hào)為
其中As為數(shù)字回波信號(hào)幅度，λ為雷達(dá)發(fā)射連續(xù)波波長，η為離散數(shù)字采樣序列號(hào)，
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面目標(biāo)回波波束中心速度測量方法，其特征在于:所述步驟(4)的實(shí)現(xiàn)方式為: 當(dāng)前一個(gè)周期波束中心的速度濾波值V e [80m/s~500m/s]時(shí)，為遠(yuǎn)區(qū)測量模式，當(dāng)V e [-36m/s~80m/s]時(shí)，為近區(qū)測量模式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面目標(biāo)回波波束中心速度測量方法，其特征在于:所述步驟(5)中根據(jù)雷達(dá)數(shù)字回波多普勒頻譜對(duì)加速度補(bǔ)償后的雷達(dá)數(shù)字回波信號(hào)進(jìn)行Chirp-Z變換，得到頻譜細(xì)化后的雷達(dá)數(shù)字回波多普勒頻譜的實(shí)現(xiàn)方式為:設(shè)加速度補(bǔ)償后的雷達(dá)數(shù)字回波信號(hào)中的時(shí)域序列x(n)長度為N，則利用Chirp-Z變換算法得到Z平面上M點(diǎn)頻譜采樣值X(Zk)的方式為:
A和W為極坐標(biāo)下的參數(shù)，Aci和Wci為I ; Θ ^為頻譜序列X (η)起始取樣點(diǎn)的相角，通過從FFT譜分析得到的信息提取得到；％為取樣間隔，M為取樣點(diǎn)數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面目標(biāo)回波波束中心速度測量方法，其特征在于:所述步驟(7)的實(shí)現(xiàn)方式為: 對(duì)雷達(dá)數(shù)字回波多普勒頻譜進(jìn)行平滑處理的方式為:設(shè)頻譜序列f(n’)共N1個(gè)點(diǎn)，η’為頻譜序列號(hào)，平滑點(diǎn)數(shù)為2L+1，那么平滑處理后序列F(n’)表示為:
對(duì)平滑處理后的雷達(dá)數(shù)字回波多普勒頻譜進(jìn)行包絡(luò)截取的方式為:在平滑處理后的雷達(dá)數(shù)字回波多普勒頻譜上選擇該段頻譜幅度的峰值以及該幅度峰值對(duì)應(yīng)的頻率坐標(biāo)，并根據(jù)信噪比和天線波束的主瓣寬度確定幅度門限，在頻譜上從幅度峰值對(duì)應(yīng)的頻率坐標(biāo)處向兩邊進(jìn)行搜索，當(dāng)搜索到的頻譜幅度小于設(shè)定的門限時(shí)，得到兩個(gè)頻率坐標(biāo)值，分別為最小多普勒頻率fmin和最大多普勒頻率fmax ; 計(jì)算得到波束中心頻率估計(jì)值的方式為
，其中為多普勒中心頻



率，Θ表示天線波束主瓣寬度對(duì)應(yīng)角度；從而得到波束中心速度值為
其中λ為雷達(dá)發(fā)射連續(xù)波波長。
【文檔編號(hào)】G01S13/58GK104076353SQ201410307016
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】牛文博, 譚小敏, 黨紅杏, 王科, 張愛軍, 孫嘉, 劉瑞冬 申請(qǐng)人:西安空間無線電技術(shù)研究所