本發(fā)明屬于雷達目標檢測技術領域，特別涉及一種基于lfmsk波形的雷達目標檢測方法，即一種基于步進頻移鍵控的復合波形(lfmsk)的雷達目標檢測方法，是一種線性調(diào)頻連續(xù)波體制下的雷達目標檢測方法，可適用于復雜環(huán)境條件下的弱雷達目標檢測。

背景技術：

隨著社會經(jīng)濟的快速增長和人民生活水平的不斷提高，使得汽車擁有量迅速增加，交通安全也越來越受到人們的重視；采用技術手段(如雷達)獲取車輛的距離、速度等信息對于確保交通安全具有重要意義。

從上世紀七十年代開始，德國、法國、美國等已開始研發(fā)汽車測速雷達；經(jīng)過多年的發(fā)展和改進，在上個世紀末，測速雷達在公路上的應用已較為廣泛，其中德國在微型雷達的研發(fā)生產(chǎn)方面在世界上占據(jù)領先地位，由hermannrohling教授提出的組合線性調(diào)頻與步進頻移鍵控的復合波形(lfmsk)具有解算時間短、多目標情況下不需匹配等特性，但所用點數(shù)較少，其在低信噪比情況下，易丟失目標，且檢測相位差的誤差較大，最終造成解算出的目標距離與速度誤差較大；正是由于這些問題的存在，需要對lfmsk波形的目標解算算法進行改進與優(yōu)化。

線性調(diào)頻連續(xù)波雷達主要利用電磁波傳播的時延效應與多普效應來測量目標距離與相對于雷達的速度，但在線性調(diào)頻連續(xù)波體制下，目標的距離與速度均會影響差頻信號的頻率，需要使用特定的波形來解決目標距離與速度的耦合，常見的波形有對稱三角調(diào)頻波形、頻移鍵控波形、步進調(diào)頻連續(xù)波等方法，其中對稱三角調(diào)頻波形對單目標解算效果較好，多目標情況下存在目標匹配問題；頻移鍵控波形僅可檢測運動目標，無法檢測固定目標；步進調(diào)頻連續(xù)波可檢測多個靜止目標或單個運動目標，在同時存在靜止與運動目標情形下此波形無法準確檢測目標；lfmsk波形組合了線性調(diào)頻連續(xù)波(lfmcw)與頻移鍵控連續(xù)波(fskcw)，兼具兩種波形的優(yōu)點，整個周期包含兩個獨立頻率步進序列，通過解算此兩個序列中所包含的頻率與相位信息，可以同時解算目標的速度與距離信息。

雖然理論上lfmsk波形可以準確且同時解算出目標的距離與速度信息，但實際上受限于雷達發(fā)射功率、工作電磁環(huán)境、天氣條件、雷達天線波束寬度及多目標情況下臨近目標間的相互作用等因素的影響，回波信噪比較小，不易發(fā)現(xiàn)目標，且由此波形中兩序列分別解算出的相位信息并不精確，但相位信息對最終目標參數(shù)的解算影響較大，獲得較精確的真實相位信息對解算準確目標參數(shù)具有重要意義。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明的目的在于提出一種基于lfmsk波形的雷達目標檢測方法，該種基于lfmsk波形的雷達目標檢測方法以解決在低信噪比情況下，目標丟失及相位信息不準確地問題，并能夠提高目標參數(shù)信息的解算精度。

為達到上述技術目的，本發(fā)明采用如下技術方案予以實現(xiàn)。

一種基于lfmsk波形的雷達目標檢測方法，包括以下步驟：

步驟1，確定雷達，設定所述雷達的檢測范圍內(nèi)存在k個目標，雷達向其檢測范圍內(nèi)的k個目標發(fā)射lfmsk波形并接收目標回波信號，進而獲取目標數(shù)字差頻信號；

其中l(wèi)fmsk波形包含兩列線性步進調(diào)頻掃頻信號，分別記為線性步進調(diào)頻序列a和線性步進調(diào)頻序列b，線性步進調(diào)頻序列a包含n個步進段，線性步進調(diào)頻序列b包含n'個步進段，n、n'、k分別為大于0的正整數(shù)；

步驟2，分別計算得到線性步進調(diào)頻序列a的頻譜矩陣m2a和線性步進調(diào)頻序列b的頻譜矩陣m2b；

步驟3，分別計算得到線性步進調(diào)頻序列a的m×n維積累幅度譜矩陣m3a和線性步進調(diào)頻序列b的m×n'維積累幅度譜矩陣m3b；其中，m表示對線性步進調(diào)頻序列a和線性步進調(diào)頻序列b中每個步進段進行采樣的采樣點個數(shù)，且m為大于0的正整數(shù)；

步驟4，根據(jù)線性步進調(diào)頻序列a的m×n維積累幅度譜矩陣m3a和線性步進調(diào)頻序列b的m×n'維積累幅度譜矩陣m3b，計算得到個目標頻率，分別為其中fp表示第p個目標頻率；

初始化：p∈{1,2,…,k}，p的初始值為1，k為設定的雷達檢測范圍內(nèi)存在的目標總個數(shù)；

步驟5，計算第p個目標在線性步進調(diào)頻序列a的頻譜矩陣m2a和線性步進調(diào)頻序列b的頻譜矩陣m2b中的相位差

步驟6，計算第p個目標的距離估計值rp和第p個目標的速度估計值vp；

步驟7，令p的值加1，返回步驟5，直到得到第個目標的距離估計值和第個目標的速度估計值并將此時得到的第1個目標的距離估計值r1至第個目標的距離估計值以及第1個目標的速度估計值v1至第個目標的速度估計值作為基于lfmsk波形的雷達目標檢測結(jié)果。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明方法通過對多采樣點的能量進行相參積累，提高了信噪比，有利于檢出目標；并能夠通過多采樣點相位值做平均，減小噪聲對相位值的影響，有利于獲取準確的相位值，減小解算誤差。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明。

圖1為本發(fā)明的一種基于lfmsk波形的雷達目標檢測方法流程圖；

圖2為本發(fā)明方法所涉及的lemsk波形時間-頻率關系圖；

圖3為本發(fā)明所涉及的lfmsk波形的差頻信號的時間-頻率關系圖；

圖4為對仿真數(shù)據(jù)采用傳統(tǒng)lfmsk算法得到的目標距離誤差與速度誤差圖；

圖5為對仿真數(shù)據(jù)采用本發(fā)明方法得到的目標距離誤差與速度誤差圖。

具體實施方式

參照圖1，為本發(fā)明的一種基于lfmsk波形的雷達目標檢測方法流程圖；其中所述基于lfmsk波形的雷達目標檢測方法，思路為：將a/d采樣得到的數(shù)據(jù)按a、b序列步進抽取并加窗，存儲為矩陣，然后進行傅里葉變換，獲取幅度譜矩陣，通過比較幅度譜矩陣中各頻點幅值來獲取目標頻率信息，然后以頻率信息為索引計算目標對應的相位信息，最后由頻率及相位信息計算出目標的距離、速度信息，并輸出。

所述基于lfmsk波形的目標檢測方法，包括以下步驟：

步驟1，確定雷達，設定所述雷達的檢測范圍內(nèi)存在k個目標，雷達向其檢測范圍內(nèi)的k個目標發(fā)射lfmsk波形并接收目標回波信號，再將接收的目標回波信號與雷達發(fā)射的lfmsk波形進行混頻，得到目標混頻模擬信號，所述目標混頻模擬信號包括倍頻分量模擬信號和差頻分量模擬信號；然后目標混頻信號經(jīng)由低通濾波器處理，濾除倍頻分量模擬信號后，再經(jīng)由a/d轉(zhuǎn)換，進而得到目標數(shù)字差頻信號，所述目標數(shù)字差頻信號為包含有k個目標信息的數(shù)字差頻信號；k為設定的雷達檢測范圍內(nèi)存在的目標總個數(shù)，且k為大于0的正整數(shù)。

參照圖2，為本發(fā)明方法所涉及的lemsk波形時間-頻率關系圖；其中，雷達向其檢測范圍內(nèi)的k個目標發(fā)射lfmsk波形，所述lfmsk波形包含兩列線性步進調(diào)頻掃頻信號，分別記為線性步進調(diào)頻序列a和線性步進調(diào)頻序列b，線性步進調(diào)頻序列a包含n個步進段，線性步進調(diào)頻序列b包含n'個步進段，n、n'分別為大于0的正整數(shù)，且n和n'取值相等；且n個步進段和n'個步進段按照交疊的形式依次排列并進行發(fā)射，線性步進調(diào)頻序列a的起始頻率為ft,a，發(fā)射間隔為tstep，每次發(fā)射線性步進調(diào)頻序列a的步進頻率為fstep，每次發(fā)射線性步進調(diào)頻序列a的步進頻率持續(xù)時長為將線性步進調(diào)頻序列a作為參考信號，線性步進調(diào)頻序列b的起始頻率為ft,b，ft,b在時間上落后線性步進調(diào)頻序列發(fā)射間隔為t'step，tstep與t'step取值相等；線性步進調(diào)頻序列b中每個步進段與線性步進調(diào)頻序列a對應步進頻率的差值為fshift，fshift＝ft,b-ft,a。

線性步進調(diào)頻序列a包含k'個目標信息的數(shù)字差頻信號，線性步進調(diào)頻序列b包含k”個目標信息的數(shù)字差頻信號，分別記為線性步進調(diào)頻序列a對應的目標數(shù)字差頻信號和線性步進調(diào)頻序列b對應的目標數(shù)字差頻信號，k'＝k，k”＝k。

步驟2，分別計算得到線性步進調(diào)頻序列a的頻譜矩陣m2a和線性步進調(diào)頻序列b的頻譜矩陣m2b。

具體地，對線性步進調(diào)頻序列a對應的目標數(shù)字差頻信號和線性步進調(diào)頻序列b對應的目標數(shù)字差頻信號各自包含的每一個步進段分別抽取m個采樣點，且分別由每個步進段的最后一個采樣點向前抽取，則線性步進調(diào)頻序列a抽取的總采樣點為m×n個，記為m×n維矩陣，線性步進調(diào)頻序列b抽取的總采樣點為m×n'個，記為m×n'維矩陣，對m×n維矩陣的每一行分別做n點傅里葉變換，得到m×n維頻譜矩陣，記為線性步進調(diào)頻序列a的頻譜矩陣m2a；對m×n'維矩陣的每一行分別做n'點傅里葉變換，得到m×n'維頻譜矩陣，記為線性步進調(diào)頻序列b的頻譜矩陣m2b。

參照圖3，為本發(fā)明所涉及的lfmsk波形的差頻信號的時間-頻率關系圖，按照時間對應關系，將目標數(shù)字差頻信號分為線性步進調(diào)頻序列a對應的目標數(shù)字差頻信號和線性步進調(diào)頻序列b對應的目標數(shù)字差頻信號，線性步進調(diào)頻序列a中的n個步進段和線性步進調(diào)頻序列b中的n'個步進段各自對應的目標數(shù)字差頻信號交替出現(xiàn)。

線性步進調(diào)頻序列a和線性步進調(diào)頻序列b中每個步進段包含的采樣點數(shù)分別與采樣率有關，采樣率越高，每個步進段的采樣點數(shù)越多，每個步進段至少包含20個采樣點，線性步進調(diào)頻序列a每次發(fā)射步進段的步進頻率持續(xù)時長和采樣率fs滿足下式：

步驟3，對線性步進調(diào)頻序列a的頻譜矩陣m2a中的每一列分別進行m點傅里葉變換并求模，得到線性步進調(diào)頻序列a的m×n維積累幅度譜矩陣m3a；對線性步進調(diào)頻序列b的頻譜矩陣m2b中的每一列分別進行m點傅里葉變換并求模，得到線性步進調(diào)頻序列b的m×n'維積累幅度譜矩陣m3b；其中，m表示對線性步進調(diào)頻序列a和線性步進調(diào)頻序列b中每個步進段進行采樣的采樣點個數(shù)，且m為大于0的正整數(shù)。

步驟4，根據(jù)線性步進調(diào)頻序列a的m×n維積累幅度譜矩陣m3a和線性步進調(diào)頻序列b的m×n'維積累幅度譜矩陣m3b，計算得到個目標頻率，分別為其中fp表示第p個目標頻率。

具體地，對步驟3中得到的矩陣m3a與m3b，設p3aij為線性步進調(diào)頻序列a的m×n維積累幅度譜矩陣m3a中第i行、第j列元素，p3bi'j'為線性步進調(diào)頻序列b的m×n'維積累幅度譜矩陣m3b中第i'行、第j'列元素，i＝1,2,...,m，j＝1,2,...,n，i'＝1,2,...,m，j'＝1,2,...,n'。

采用有序統(tǒng)計量恒虛警檢測(os-cfar)算法比較的值，篩選出目標對應的幅度譜峰值，由該幅度譜峰值位置的列坐標j得出目標對應的頻率，設為fp(k為設定的雷達檢測范圍內(nèi)存在的目標總個數(shù))。

m3a與m3b是由步驟3得到，均為實數(shù)值，第i行第j列元素表示m3a中第i行第j列所代表的頻率成分能量大小，第i行所代表的頻率為：第j列所代表的頻率為：第i'行、第j'列元素表示m3b中第i'行第j'列所代表的頻率成分能量大小，第i'行所代表的頻率為：第j'列所代表的頻率為：

步驟4的子步驟為；

4.1確定線性步進調(diào)頻序列a的m×n維積累幅度譜矩陣m3a中包含m×n個元素，其中第m個元素為m∈{1,2,…,m×n}，m的初始值為1；設定窗長為r，r一般取值為24。

確定線性步進調(diào)頻序列b的m×n'維積累幅度譜矩陣m3b中包含m×n'個元素，其中第m'個元素為m'∈{1,2,…,m×n'}，m'的初始值為1。

4.2對m3a中第m個元素的前面12個和后面12個元素按值從小到大進行排序，排序后選出第r個元素xr，r＝round(0.75r)，round()表示四舍五入操作，r一般取0.75r，本實施例中取值為18；然后再乘以門限因子a，得到第m個元素對應的門限值axr。

其中，若前面無元素，則只取后面12個元素進行排序，此時r＝12，r＝0.75r＝9，窗長r為后面12個元素個數(shù)之和；若后面無元素，則只取前面12個元素進行排序，此時r＝12，r＝0.75r＝9，窗長r為前面12個元素個數(shù)之和。

若前面元素不足12個，則取前面所有元素與后面12個元素進行排序，r＝round(0.75r)，窗長r為前面元素個數(shù)與后面12個元素個數(shù)之和；若后面元素不足12個，則取后面所有元素與前面12個元素進行排序，r＝round(0.75r)，窗長r為前面12個元素個數(shù)與后面元素個數(shù)之和。

門限因子a取值與雷達的虛警概率pfa、窗長r，以及排序后選出的元素下標r有關，且滿足以下關系：

ln(pfa)＝f(a,r,r)-f(0,r,r)

其中，ln表示以e為底的對數(shù)操作，！表示階乘操作。

對m3b中第m'個元素的前面12個和后面12個元素按值從小到大進行排序，排序后選出第r'個元素xr'，r'一般取0.75r，即18；然后再乘以門限因子a'，得到第m'個元素對應的門限值a'xr'；其中，a與a'取值相等。

其中，若前面無元素，則只取后面12個元素進行排序，此時r＝12，r＝0.75r＝9，窗長r為后面12個元素個數(shù)之和；若后面無元素，則只取前面12個元素進行排序，此時r＝12，r＝0.75r＝9，窗長r為前面12個元素個數(shù)之和。

若前面元素不足12個，則取前面所有元素與后面12個元素進行排序，r＝round(0.75r)，窗長r為前面元素個數(shù)與后面12個元素個數(shù)之和；若后面元素不足12個，則取后面所有元素與前面12個元素進行排序，r＝round(0.75r)，窗長r為前面12個元素與后面元素個數(shù)之和。

4.3比較m3a中第m個元素的值與第m個元素對應的門限值大小，若m3a中第m個元素的值大于第m個元素對應的門限值，則記錄m3a中第m個元素的對應列坐標h，并由式計算m3a中第h列對應的頻率f，將f記為第個目標頻率的初始值為1，表示m3a中對應包含的目標頻率個數(shù)；否則令m的值加1，返回4.2計算第m個元素對應的門限值。

比較m3b中第m'個元素的值與第m'個元素對應的門限值大小，若m3b中第m'個元素的值大于第m'個元素對應的門限值，則記錄m3b中第m'個元素的對應列坐標h'，并由式計算m3b中第h'列對應的頻率f'，將f'記為第個目標頻率的初始值為1，表示m3b中對應包含的目標頻率個數(shù)；否則令m'的值加1，返回4.2計算第m'個元素對應的門限值。

直到得到第個目標頻率和第個目標頻率，令且所以記為個目標頻率，分別為其中fp表示第p個目標頻率，k≤n，n表示線性步進調(diào)頻序列a中包含的步進段個數(shù)。

初始化：p的初始值為1，k為設定的雷達檢測范圍內(nèi)存在的目標總個數(shù)。

步驟5，計算第p個目標在線性步進調(diào)頻序列a的頻譜矩陣m2a和線性步進調(diào)頻序列b的頻譜矩陣m2b中的相位差

具體地，根據(jù)第p個目標頻率，計算m2a中第p個目標對應第p'列、第i行的元素相位值和m2b中第p個目標對應第p”列、第i'行的元素相位值其計算過程為：

m2a與m2b中的元素均為復數(shù)，且與按以下方式進行計算：

設m2a中第p個目標對應第p'列、第i行的元素實部為a，虛部為b，則m2a中第p個目標對應第p'列、第i行的元素相位值為p'∈{1,2,…,n}。

m2b中第p個目標對應第p”列、第i'行的元素實部為a'，虛部為b'，則m2b中第p個目標對應第p”列、第i'行的元素相位值為arctan表示反正切操作，p”∈{1,2,…,n'}。

然后計算m2a中第p個目標對應第p'列m個元素相位值的平均值和m2b中第p個目標對應第p”列m個元素相位值的平均值其計算表達式分別為：

最后計算第p個目標在線性步進調(diào)頻序列a的功率譜矩陣m2a和線性步進調(diào)頻序列b的功率譜矩陣m2b中的相位差其計算表達式為：

步驟6，計算第p個目標的距離估計值rp和第p個目標的速度估計值vp。

具體地，所述第p個目標的距離估計值rp和第p個目標的速度估計值vp，其計算表達式分別為：

其中，rp表示第p個目標的距離估計值，vp表示第p個目標的速度估計值，tstep表示lfmsk波形中同一序列間步進時間間隔，fstep表示lfmsk波形中同一序列間步進頻率間隔，c為光速，λ為雷達發(fā)射lfmsk波形的載波波長。

步驟7，令p的值加1，返回步驟5，直到得到第個目標的距離估計值和第個目標的速度估計值并將此時得到的第1個目標的距離估計值r1至第個目標的距離估計值以及第1個目標的速度估計值v1至第個目標的速度估計值作為基于lfmsk波形的雷達目標檢測結(jié)果。

通過以下仿真數(shù)據(jù)對本發(fā)明效果作進一步驗證說明。

參照圖4，為對仿真數(shù)據(jù)采用傳統(tǒng)lfmsk算法得到的目標距離誤差與速度誤差圖；參照圖5，為對仿真數(shù)據(jù)采用本發(fā)明方法得到的目標距離誤差與速度誤差圖；圖4和圖5中，橫軸表示蒙特卡洛實驗次數(shù)，縱軸分別為距離絕對誤差與速度絕對誤差，單位分別為m、m/s。

比較圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過本發(fā)明提出的算法處理之后，目標的距離估計值誤差與速度估計值誤差的方差均明顯減小。因此本發(fā)明對lfmsk體制下目標距離與速度的估計穩(wěn)定，而且精度更高。

綜上，本發(fā)明充分考慮到lfmsk體制下雷達的實際應用問題，根據(jù)lfmsk波形特點，首先通過多采樣點數(shù)據(jù)進行相參積累，提高信噪比，在通過多采樣點平均減弱噪聲對目標相位信息的影響，最終得到目標的距離與速度的估計值。本發(fā)明估計誤差小，穩(wěn)定性好，實際運行情況良好。

顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。