本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域的機(jī)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)，具體涉及一種基于keystone和匹配濾波的目標(biāo)檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是航天航空技術(shù)不斷發(fā)展和現(xiàn)代隱身技術(shù)的日益成熟，如何準(zhǔn)確而有效地實(shí)現(xiàn)微弱目標(biāo)的檢測(cè)成為了雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域的難題。傳統(tǒng)的解決方法是采用優(yōu)選的雷達(dá)發(fā)射頻率、提高發(fā)射機(jī)發(fā)射功率、降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)、增大天線孔徑等改變雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)的措施。然而，這些方法往往會(huì)受到工程實(shí)現(xiàn)的限制，顯著地增加系統(tǒng)研制成本。為了在不改變雷達(dá)系統(tǒng)基本參數(shù)的前提下提高雷達(dá)檢測(cè)微弱目標(biāo)的能力，增加觀測(cè)和積累時(shí)間成為了行之有效的方法之一。

目前，雷達(dá)目標(biāo)回波長(zhǎng)時(shí)間積累方法主要可以分為兩種：非相參積累和相參積累。非相參積累通常不考慮回波的相位信息，只是簡(jiǎn)單地將回波包絡(luò)進(jìn)行幅度上的疊加，在低信噪比環(huán)境中非相參積累的增益會(huì)大大降低。相參積累本質(zhì)上是對(duì)均勻脈沖串的匹配濾波，同時(shí)利用目標(biāo)的幅度和相位信息進(jìn)行積累，能夠有效提高目標(biāo)信號(hào)的能量和雷達(dá)的檢測(cè)性能。由于勻加速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)存在速度和加速度，會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)跨多個(gè)距離單元和跨多個(gè)多普勒分辨單元的問題，分別被稱作距離徙動(dòng)和多普勒走動(dòng)。其中，距離徙動(dòng)會(huì)使各個(gè)回波脈沖的包絡(luò)無法對(duì)齊，造成主瓣的展寬和積累峰值的下降；多普勒走動(dòng)會(huì)導(dǎo)致積累時(shí)能量在頻域的分散。距離徙動(dòng)又分為一階距離走動(dòng)和二階距離彎曲，具體來說，目標(biāo)的速度會(huì)造成一階距離走動(dòng)，目標(biāo)的加速度則會(huì)引起二階距離彎曲和多普勒走動(dòng)。

為解決距離徙動(dòng)和多普勒走動(dòng)，多種方法被提出。其中keystone變換(楔形變換)一般采用插值運(yùn)算實(shí)現(xiàn)對(duì)二維數(shù)據(jù)平面的尺度變換，而radon傅里葉變換則通過距離和速度的二維聯(lián)合搜索對(duì)目標(biāo)能量進(jìn)行相參積累。這兩種典型的方法僅能校正一階距離走動(dòng)，當(dāng)目標(biāo)做勻加速運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)二階距離走動(dòng)和多普勒走動(dòng)時(shí)，能量的積累效果會(huì)明顯變差。廣義radon傅里葉變換能夠消除二階距離走動(dòng)和多普勒走動(dòng)，它是radon傅里葉變換的一種廣義定義，能夠通過距離、速度和加速度的三維聯(lián)合搜索對(duì)目標(biāo)能量進(jìn)行相參積累。不過，廣義radon傅里葉變換的計(jì)算非常復(fù)雜，影響雷達(dá)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是消除機(jī)動(dòng)目標(biāo)的距離徙動(dòng)和多普勒走動(dòng)效應(yīng)并估計(jì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在低信噪比情況下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)能量的相參積累。

本發(fā)明的基于keystone和匹配濾波的目標(biāo)檢測(cè)方法，包括如下步驟：

步驟1：回波脈沖壓縮：

1-1)使用雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)記為其中是快時(shí)間；tm＝mt(m＝0,1,...,m-1)是慢時(shí)間，即第m個(gè)脈沖所需時(shí)間；t是脈沖重復(fù)間隔，m表示總脈沖數(shù)目。設(shè)定目標(biāo)與雷達(dá)在tm時(shí)刻的距離為：其中r0為雷達(dá)到目標(biāo)的初始距離；a2是目標(biāo)加速度；v＝nkva+v0是目標(biāo)速度，nk是模糊速度倍數(shù)，v0是無模糊速度，模糊速度其中λ表示雷達(dá)發(fā)射波的波長(zhǎng)；prf表示脈沖重復(fù)頻率。由于λ和prf都是常數(shù)，因此模糊速度也為常數(shù)。另外，無模糊速度滿足|·|表示取模操作。

1-2)將雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波信號(hào)記為隨后對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮(簡(jiǎn)稱脈壓)處理，得到脈壓回波信號(hào)

1-3)以快時(shí)間為變量對(duì)脈壓回波信號(hào)做快速傅里葉變換(fft)，得到回波數(shù)據(jù)sc(f,tm)，其中，f為與快時(shí)間相對(duì)應(yīng)的距離頻率。

步驟2：keystone變換：將回波數(shù)據(jù)sc(f,tm)在距離頻率域進(jìn)行keystone變換得到回波距離頻率域數(shù)據(jù)skt(f,tn)，具體方法是進(jìn)行變量代換：其中，tn為變量代換后新的慢時(shí)間變量，fc為信號(hào)載頻，即基于進(jìn)行變量代換得到回波距離頻率域數(shù)據(jù)skt(f,tn)。

步驟3：匹配濾波處理：

3-1)設(shè)定模糊速度倍數(shù)與加速度組合的搜索范圍并進(jìn)行二維搜索，待搜索的模糊速度倍數(shù)和加速度分別記為n′k和a′2。模糊速度倍數(shù)n′k的搜索范圍設(shè)置為加速度a′2的搜索范圍設(shè)置為其中分別為兩個(gè)搜索范圍的下限，分別為兩個(gè)搜索范圍的上限。隨后，設(shè)定待搜索模糊速度倍數(shù)n′k和加速度a′2的搜索步長(zhǎng)分別為δnk和δa2。在搜索范圍內(nèi)以搜索步長(zhǎng)為間隔遍歷每一個(gè)模糊速度倍數(shù)與加速度的組合。用匹配濾波方程對(duì)回波距離頻率域數(shù)據(jù)skt(f,tn)進(jìn)行快時(shí)間維速度和加速度的補(bǔ)償，得到補(bǔ)償后的回波數(shù)據(jù)。補(bǔ)償方法具體為：用匹配濾波方程hm(f,tn；n′k,a′2)與回波距離頻率域數(shù)據(jù)skt(f,tn)相乘，得到補(bǔ)償后的回波數(shù)據(jù)skt(f,tn；n′k,a′2)。匹配濾波方程具體表達(dá)式如下：

其中，表示單位虛數(shù)；c是光速；是雷達(dá)發(fā)射波的波長(zhǎng)；fc是雷達(dá)載頻；exp(·)表示以自然對(duì)數(shù)e為底指數(shù)函數(shù)。

3-2)將利用模糊速度倍數(shù)與加速度組合匹配補(bǔ)償后的各回波數(shù)據(jù)skt(f,tn；n′k,a′2)先以距離頻域f做逆快速傅里葉變換(ifft)操作，再以慢時(shí)間tn為變量進(jìn)行fft操作，以實(shí)現(xiàn)相參積累。

然后在所有相參積累結(jié)果中取積累峰值最大的結(jié)果，該結(jié)果對(duì)應(yīng)的模糊速度倍數(shù)與加速度組合即為匹配的搜索數(shù)值組合，也就是估計(jì)得到的模糊速度倍數(shù)和加速度。將估計(jì)得到的目標(biāo)模糊速度倍數(shù)與加速度分別記為和則估計(jì)的模糊速度倍數(shù)與加速度組合為的獲取方式用公式表示如下：

其中,表示取最大值所對(duì)應(yīng)的(n′k,a′2)；表示以tn為變量做快速傅里葉變換；表示以f為變量做逆快速傅里葉變換。

3-3)利用估計(jì)得到的目標(biāo)的模糊速度倍數(shù)和加速度的估計(jì)值對(duì)回波距離頻率域數(shù)據(jù)skt(f,tn)進(jìn)行快時(shí)間維聯(lián)合補(bǔ)償，即利用由和組合建立的匹配濾波方程與skt(f,tn)相乘，得到完成全部補(bǔ)償?shù)幕夭〝?shù)據(jù)記為smatch(f,tn)。

步驟4：目標(biāo)檢測(cè)：將完成全部補(bǔ)償?shù)幕夭〝?shù)據(jù)smatch(f,tn)先以距離頻率f為變量做ifft得到然后將以慢時(shí)間tn為變量做fft即可得到相參積累結(jié)果，記為其中，是tn對(duì)應(yīng)的頻域變量；相參積累結(jié)果中的峰值大于門限值則認(rèn)為檢測(cè)到目標(biāo)。

進(jìn)而，可以根據(jù)積累峰值對(duì)應(yīng)的慢時(shí)間頻率變量(記為)和無模糊速度估計(jì)值之間的關(guān)系：即可得到無模糊速度的估計(jì)值從而可以得到目標(biāo)的速度估計(jì)值為實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的積累和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的估計(jì)。

本發(fā)明首先利用keystone變換校正目標(biāo)的由無模糊速度引起的一階距離走動(dòng)。之后，利用匹配濾波處理在距離頻域聯(lián)合搜索并估計(jì)目標(biāo)的模糊速度倍數(shù)和加速度，并補(bǔ)償目標(biāo)的由模糊速度引起的一階距離走動(dòng)、二階距離彎曲和多普勒走動(dòng)。最后通過fft實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)能量的有效積累，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)，進(jìn)而估計(jì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是，同時(shí)利用目標(biāo)回波中的幅度與相位信息進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間相參積累，能夠有效的提升雷達(dá)回波信噪比，從而提高雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)性能。另外，本發(fā)明的所有操作都利用快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)，有利于工程實(shí)現(xiàn)，具有推廣和應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供方法的流程框圖；

圖2表示雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波脈沖壓縮后的結(jié)果；

圖3表示本發(fā)明的模糊速度倍數(shù)和加速度聯(lián)合搜索結(jié)果；

圖4表示使用本發(fā)明匹配濾波處理后距離徙動(dòng)校正結(jié)果；

圖5表示使用本發(fā)明的相參積累結(jié)果。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合實(shí)施方式和附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

本發(fā)明主要采用仿真實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證，所有步驟、結(jié)論都是在科學(xué)計(jì)算軟件matlabr2014a上驗(yàn)證其正確性。下面結(jié)合圖1給出本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)方式:

步驟1：回波脈沖壓縮：

1-1)利用matlabr2014a仿真雷達(dá)向單個(gè)目標(biāo)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)并獲得回波信號(hào)其中是快時(shí)間；tm＝mt(m＝0,1,...,m-1)是慢時(shí)間，即第m個(gè)脈沖所需時(shí)間；t是脈沖重復(fù)間隔，m表示總脈沖數(shù)目。目標(biāo)與雷達(dá)在tm時(shí)刻的距離為如下：

其中，r0＝300km是目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的初始距離為200km，v＝120m/s是表示目標(biāo)飛行速度為120m/s，a2＝21m/s²表示目標(biāo)的加速度為20m/s²。雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的載頻為2.4ghz，信號(hào)帶寬為40mhz，采樣頻率為60mhz，雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率為1500hz，一個(gè)相參積累時(shí)間內(nèi)包含的脈沖數(shù)為900，信噪比為-10db。

1-2)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮處理，得到脈壓后的回波信號(hào)圖2表示雷達(dá)接收到的回波脈沖壓縮后的結(jié)果，可見，回波包絡(luò)發(fā)生了距離徙動(dòng)。

1-3)以快時(shí)間為變量對(duì)脈壓回波信號(hào)做快速傅里葉變換(fft)，得到回波數(shù)據(jù)sc(f,tm)，其中，f為與快時(shí)間相對(duì)應(yīng)的距離頻率。

步驟2：keystone變換：將脈沖壓縮后的回波數(shù)據(jù)sc(f,tm)在距離頻率域進(jìn)行keystone變換，具體是對(duì)脈沖壓縮后的慢時(shí)間tm進(jìn)行變量代換：其中，tn為變量代換后新的慢時(shí)間變量。將變換后新的回波數(shù)據(jù)記為skt(f,tn)。

步驟3：匹配濾波處理：

3-1)設(shè)定模糊速度倍數(shù)與加速度組合的搜索范圍并進(jìn)行二維搜索，待搜索的模糊速度倍數(shù)和加速度分別記為n′k和a′2。模糊速度倍數(shù)n′k的搜索范圍設(shè)置為加速度a′2的搜索范圍設(shè)置為隨后，設(shè)定待搜索模糊速度倍數(shù)n′k和加速度a′2的搜索步長(zhǎng)分別為δnk和δa2。在搜索范圍內(nèi)以搜索步長(zhǎng)為間隔遍歷每一個(gè)模糊速度倍數(shù)與加速度的組合。用匹配濾波方程對(duì)回波距離頻率域數(shù)據(jù)skt(f,tn)進(jìn)行快時(shí)間維速度和加速度的補(bǔ)償，得到補(bǔ)償后的回波數(shù)據(jù)。補(bǔ)償方法具體為用匹配濾波方程hm(f,tn；n′k,a′2)與回波距離頻率域數(shù)據(jù)skt(f,tn)相乘，得到補(bǔ)償后的回波數(shù)據(jù)skt(f,tn；n′k,a′2)。匹配濾波方程具體表達(dá)式如下

其中，表示單位虛數(shù)；c是光速；exp(·)表示以自然對(duì)數(shù)e為底指數(shù)函數(shù)。

3-2)將利用模糊速度倍數(shù)與加速度組合匹配補(bǔ)償后的各回波數(shù)據(jù)skt(f,tn；n′k,a′2)先以距離頻域f做逆快速傅里葉變換(ifft)操作，再以慢時(shí)間tn為變量進(jìn)行fft操作，以實(shí)現(xiàn)相參積累。然后對(duì)所有相參積累結(jié)果中取積累峰值最大的結(jié)果，該結(jié)果對(duì)應(yīng)的模糊速度倍數(shù)與加速度組合即為匹配的搜索數(shù)值組合，也就是估計(jì)得到的模糊速度倍數(shù)和加速度，如圖3所示。將估計(jì)得到的目標(biāo)模糊速度倍數(shù)與加速度分別記為和則估計(jì)模糊速度倍數(shù)與加速度組合的具體表達(dá)式為：

其中，(n′k,a′2)是待搜索的模糊速度倍數(shù)和加速度組合；表示取最大值所對(duì)應(yīng)的(n′k,a′2)；表示以tn為變量做快速傅里葉變換；表示以f為變量做逆快速傅里葉變換。

3-3)利用估計(jì)得到的目標(biāo)的模糊速度倍數(shù)和加速度的估計(jì)值對(duì)回波距離頻率域數(shù)據(jù)skt(f,tn)進(jìn)行快時(shí)間維聯(lián)合補(bǔ)償，即利用由和組合建立的匹配濾波方程與skt(f,tn)相乘，得到完成全部補(bǔ)償?shù)幕夭〝?shù)據(jù)記為smatch(f,tn)。圖4表明，距離走動(dòng)已經(jīng)被校正補(bǔ)償。

步驟4：目標(biāo)檢測(cè)：將完成全部補(bǔ)償?shù)幕夭〝?shù)據(jù)smatch(f,tn)先以距離頻率f為變量做ifft得到然后將以慢時(shí)間tn為變量做fft即可得到相參積累結(jié)果，如圖5所示，記為其中，是tn對(duì)應(yīng)的頻域變量；相參積累結(jié)果中的峰值大于門限值則認(rèn)為檢測(cè)到的目標(biāo)。根據(jù)積累峰值對(duì)應(yīng)的慢時(shí)間頻率變量和無模糊速度估計(jì)值之間的關(guān)系即可得到無模糊速度的估計(jì)值進(jìn)而可以得到目標(biāo)的速度估計(jì)值從而實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的積累和目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的估計(jì)。

綜上所述，本方法同時(shí)利用目標(biāo)回波中的幅度與相位信息進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間相參積累，能夠有效的提升雷達(dá)回波信噪比，從而提高雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)性能。另外，本發(fā)明的所有操作都利用快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)，有利于工程實(shí)現(xiàn)，具有推廣和應(yīng)用價(jià)值。