專利名稱：一種多幀相參積累目標(biāo)檢測前跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達(dá)系統(tǒng)中目標(biāo)檢測和跟蹤的技術(shù)領(lǐng)域，它特別涉及到了低信噪比條 件下雷達(dá)檢測和跟蹤微弱目標(biāo)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著采用吸波材料，改變物體幾何外形等隱身技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，雷達(dá)探測 目標(biāo)(如飛機(jī)、導(dǎo)彈)的雷達(dá)目標(biāo)反射面積(RCS)的能力降低了幾個數(shù)量級。這對于雷達(dá) 檢測目標(biāo)和提高自身的生存能力提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此對微弱目標(biāo)的檢測和跟蹤成為雷 達(dá)的一個重要研究方向。在前人的研究中可知通過延長脈沖積累時間以提高信噪比來提高 雷達(dá)對微弱目標(biāo)的檢測能力?，F(xiàn)有預(yù)警雷達(dá)體系一般選用較低的脈沖重復(fù)頻率以防止距離 模糊的產(chǎn)生。在低重頻掃描雷達(dá)體制下，雷達(dá)在一個方位向上發(fā)射的脈沖數(shù)很少，這導(dǎo)致了 在一幀雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中目標(biāo)的回波脈沖數(shù)很少，這使得在單幀回波數(shù)據(jù)內(nèi)獲得長脈沖積累 時間變得很難實(shí)現(xiàn)。檢測前跟蹤算法是通過先存儲多幀未經(jīng)過門限處理的雷達(dá)回波原始數(shù)據(jù)，然后進(jìn) 行能量積累來對微弱目標(biāo)進(jìn)行檢測和跟蹤的技術(shù)，見文獻(xiàn)“孫立宏.雷達(dá)弱小目標(biāo)檢測前 跟蹤方法研究.[碩士學(xué)位論文]，西安西安電子科技大學(xué)，2007”。由于在低信噪比條件 下，單幀數(shù)據(jù)無法得出檢測結(jié)果，檢測前跟蹤方法通過對多幀回波數(shù)據(jù)的處理，利用目標(biāo) 的運(yùn)動特性，沿目標(biāo)軌跡進(jìn)行能量積累，提高信噪比，達(dá)到了檢測微弱目標(biāo)的目的。目前用 于微弱目標(biāo)檢測的檢測前跟蹤算法主要有基于Hough變換的檢測前跟蹤算法、基于改進(jìn) Hough變換的檢測前跟蹤算法、基于粒子濾波的檢測前跟蹤算法以及基于動態(tài)規(guī)劃的檢測 前跟蹤算法等等。在雷達(dá)信號處理中脈沖的能量積累包括相參積累和非相參積累，前者是 指對復(fù)數(shù)據(jù)(即包含幅度和相位的數(shù)據(jù))進(jìn)行積累，而后者指的是僅僅對數(shù)據(jù)的幅度(也 可能是幅度的平方或者幅度對數(shù))進(jìn)行積累。而上述幾種檢測前跟蹤算法都只是對單幀雷 達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行相參積累，多幀回波數(shù)據(jù)間采用非相參積累。由于這些算法在幀間積累時 都沒有有效利用目標(biāo)回波的相位信息，因此在低信噪比下積累效率比幀間相參積累時低。 傳統(tǒng)的非相參檢測前跟蹤算法為達(dá)到好的檢測性能需要比相參檢測前跟蹤算法更多幀的 回波數(shù)據(jù)進(jìn)行積累，因此數(shù)據(jù)處理量較大。

發(fā)明內(nèi)容
為了能在低信噪比條件下，使用較少幀數(shù)的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)就能得到較高的對微 弱目標(biāo)的檢測概率，本發(fā)明提出了基于Keystone變換的一種多幀相參積累目標(biāo)檢測前 跟蹤方法，其特點(diǎn)是利用Keystone變換校正多幀雷達(dá)數(shù)據(jù)中目標(biāo)回波的距離走動，利用 DCFT(離散調(diào)頻傅里葉變換)來對目標(biāo)回波相位的二次項(xiàng)進(jìn)行估計和補(bǔ)償以利用目標(biāo)回波 的相位信息，通過多幀回波相參積累來提高輸出信噪比，實(shí)現(xiàn)對微弱目標(biāo)的檢測。由此可 知該方法與傳統(tǒng)非相參檢測前跟蹤方法比，使用較少幀數(shù)回波數(shù)據(jù)就可以提高輸出信噪 比，從而提高了目標(biāo)檢測效率。
為了方便描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先作以下術(shù)語定義定義1、檢測前跟蹤在雷達(dá)系統(tǒng)中，檢測前跟蹤是指雷達(dá)在獲得一個掃描周期的回波數(shù)據(jù)后，先不進(jìn) 行處理，不設(shè)檢測門限和不宣布檢測結(jié)果，而是將接收到的每一個掃描時刻的回波數(shù)據(jù)數(shù) 字化后存儲起來，等達(dá)到設(shè)定的數(shù)據(jù)量時在各掃描時刻之間對假設(shè)路徑包含的點(diǎn)作幾乎沒 有信息損失的相關(guān)處理，從而估計出目標(biāo)的運(yùn)動軌跡，最后檢測結(jié)果和目標(biāo)軌跡同時宣布， 見文獻(xiàn)“孫立宏.雷達(dá)弱小目標(biāo)檢測前跟蹤方法研究.[碩士學(xué)位論文]，西安西安電子科 技大學(xué)，2007”。定義2、距離單元在雷達(dá)系統(tǒng)中，將雷達(dá)測距的范圍劃分成若干小的區(qū)域并將其編號，雷達(dá)根據(jù)目 標(biāo)回波信號落入的區(qū)域編號計算目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離。定義3、方位向?qū)⒗走_(dá)掃描空間均勻劃分為若干等分，每一等分為一個方位向。定義4、虛警門限雷達(dá)系統(tǒng)中的參數(shù)，當(dāng)統(tǒng)計值超過虛警門限時雷達(dá)報告發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，當(dāng)統(tǒng)計值未超 過虛警門限時雷達(dá)不報告發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。定義5、一幀回波數(shù)據(jù)在本發(fā)明中，一幀回波數(shù)據(jù)是指在一個雷達(dá)掃描周期內(nèi)，雷達(dá)接收機(jī)所接收、采樣 并存儲的在這一個雷達(dá)掃描周期內(nèi)所有發(fā)射脈沖的回波數(shù)據(jù)。定義6、慢時間雷達(dá)發(fā)射脈沖重復(fù)時間為T，記第一個脈沖的發(fā)射時刻為0，那么第m個脈沖的發(fā) 射時刻為tm = mT(m = 0，1，2，. . .)，tm即稱為慢時間。定義7、距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣本發(fā)明中距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣的行代表距離向，其行的數(shù)目為雷達(dá)對每個 回波采樣的點(diǎn)數(shù)；矩陣的列代表方位向，其列的數(shù)目為雷達(dá)在每個方位向發(fā)射脈沖的序號。 假設(shè)雷達(dá)掃描空間被分為N個方位向，每個方位向發(fā)射M個脈沖，雷達(dá)對每個發(fā)射脈沖的回 波采樣L次，則在一個雷達(dá)掃描周期內(nèi)雷達(dá)連續(xù)發(fā)射NXM個脈沖并按方位向編號將采樣數(shù) 據(jù)存儲為N個L行M列的二維矩陣S^m，M、N、L均為正整數(shù)，如圖1所示。定義8、FFT 禾口 IFFTFFT為快速傅里葉變換，是離散傅里葉變換的快速算法。IFFT為快速逆傅里葉變 換，是逆離散傅里葉變換的快速算法。FFT與IFFT互為逆運(yùn)算。定義9、按距離維做FFT按距離維做FFT是指將距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣的數(shù)據(jù)按列做FFT。定義 10、Keystone 變換Keystone變換是合成孔徑雷達(dá)領(lǐng)域一種常用的距離走動校正技術(shù)。它主要是通 過對雷達(dá)接收數(shù)據(jù)被處理到頻率-慢時間維后，對慢時間維做伸縮變換，伸縮幅度與頻率 有關(guān)，來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)距離走動的校正，詳見文獻(xiàn)“R P Perry, R CDipietro, R L Fante. SAR imaging of moving target [J], IEEE Trans on AES, 1999,35(1) :188-200.，，定義11、按頻率維做IFFT
按頻率維做IFFT是指將距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣的數(shù)據(jù)按距離維做FFT后得 到的頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣的數(shù)據(jù)按列做IFFT。定義12、信噪比信噪比是指信號的功率與環(huán)境噪聲功率的比值。定義13、距離走動距離走動是指由于目標(biāo)與雷達(dá)之間的相對運(yùn)動，導(dǎo)致目標(biāo)與雷達(dá)之間距離的改變 量超過了雷達(dá)接收機(jī)的一個距離分辨單元。定義14、距離走動補(bǔ)償距離走動補(bǔ)償是指根據(jù)雷達(dá)本身的參數(shù)及一定的方法估計出目標(biāo)與雷達(dá)之間的 距離走動值，并用該值對雷達(dá)接收、采樣并存儲的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，使得目標(biāo)在各發(fā)射脈 沖的回波數(shù)據(jù)中位于同一個距離單元。定義15、多普勒模糊數(shù)當(dāng)雷達(dá)發(fā)射脈沖重復(fù)頻率低時，高速目標(biāo)的多普勒頻移大于重復(fù)頻率，又會產(chǎn)生 測速多值性模糊。多普勒模糊數(shù)就是目標(biāo)實(shí)際的多普勒頻移除以雷達(dá)發(fā)射脈沖重復(fù)頻率所 得到商的整數(shù)部分的數(shù)值。定義16、二次相位二次相位是指雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的相位中關(guān)于慢時間的二次項(xiàng)。定義17、按慢時間維做FFT按慢時間維做FFT是指將距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣的數(shù)據(jù)按行做FFT。本發(fā)明提供了基于Keystone變換的用于檢測和跟蹤微弱目標(biāo)的一種多幀相參積 累目標(biāo)檢測前跟蹤方法，該方法的步驟如下步驟1、基于Keystone變換的多幀相參積累目標(biāo)檢測前跟蹤方法相關(guān)參數(shù)的初始 化。該方法需要進(jìn)行初始化的參數(shù)如下雷達(dá)發(fā)射脈沖的載頻fc ；雷達(dá)發(fā)射脈沖重復(fù) 時間T ；雷達(dá)發(fā)射脈沖的帶寬B ；雷達(dá)發(fā)射脈沖的調(diào)頻斜率b ；雷達(dá)發(fā)射脈沖的持續(xù)時間Tp ； 雷達(dá)的距離分辨率~ ；相參處理的雷達(dá)數(shù)據(jù)幀數(shù)K ；雷達(dá)掃描空間被劃分成的方位向個數(shù) N，記方位向序號為n，n= 1,2,…，N ；雷達(dá)在每個方位向發(fā)射的脈沖個數(shù)M ；雷達(dá)在距離向 上的采樣頻率fs;雷達(dá)在距離向上的采樣點(diǎn)數(shù)L ；雷達(dá)虛警門限值η ；對于雷達(dá)系統(tǒng)，上述 參數(shù)是已知的。多普勒模糊數(shù)最大值H;目標(biāo)回波相位二次項(xiàng)系數(shù)最小值Ymin和目標(biāo)回波 相位二次項(xiàng)系數(shù)最大值Ymax ；上述參數(shù)來自目標(biāo)的先驗(yàn)信息。步驟2、多幀雷達(dá)數(shù)據(jù)在慢時間維上的拼接取雷達(dá)接收機(jī)接收到的任意K幀連續(xù)的回波數(shù)據(jù)。將這K幀連續(xù)的回波數(shù)據(jù)按 照雷達(dá)接收機(jī)接收的先后次序拼接成一個L行KXMXN列的距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣 Xlx(kxmxn)0拼接的具體方法為K幀連續(xù)的回波數(shù)據(jù)中雷達(dá)最先接收到那一幀數(shù)據(jù)中第 一個方位向矩陣的第一列作為整個距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣(ΚΧΜΧΝ)的第一列，K幀 連續(xù)的回波數(shù)據(jù)中雷達(dá)最先接收到那一幀數(shù)據(jù)中第一個方位向矩陣的第二列作為整個距 離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣&Χ(ΚΧΜΧΝ)的第二列，以此類推，直到K幀連續(xù)的回波數(shù)據(jù)中雷達(dá) 最后接收到那一幀數(shù)據(jù)中第N個方位向矩陣的第M列作為整個距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣 XLx(kx xN)的最后一列，其中L是雷達(dá)在距離向上的采樣點(diǎn)數(shù)，K為相參處理的雷達(dá)數(shù)據(jù)幀數(shù)，N為雷達(dá)掃描空間被劃分成的方位向個數(shù)，M為雷達(dá)在每個方位向發(fā)射的脈沖個數(shù)。步驟3、目標(biāo)回波脈沖數(shù)據(jù)選取及其余數(shù)據(jù)的置零對步驟2得到的距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣‘ (KXMXN)進(jìn)行脈沖選取，具體方法是 在距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣&χΛχμχν)中的每一幀回波數(shù)據(jù)中選取某一個方位向上的M 列回波數(shù)據(jù)作為目標(biāo)回波數(shù)據(jù)，該幀回波數(shù)據(jù)中其余方位向上的回波數(shù)據(jù)均認(rèn)為是噪聲并 做置零處理，處理后的數(shù)據(jù)矩陣記為距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣Yu (ΚχΜχΝ)。記該次脈沖選 取為第α次，α = 1,2,…Νκ，其中K為相參處理的雷達(dá)數(shù)據(jù)幀數(shù)，N為雷達(dá)掃描空間被劃 分成的方位向個數(shù)。步驟4、將距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣\χΛχμχν)轉(zhuǎn)換到頻率-慢時間維對步驟3得到的經(jīng)過目標(biāo)回波脈沖數(shù)據(jù)選取和其余數(shù)據(jù)置零處理后的距離-慢時 間二維數(shù)據(jù)矩陣Ylx (κχμχν)，按距離維做FFT，得到頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣I (ΚΧΜΧΝ)。步驟5、用Keystone變換進(jìn)行插值利用Keystone變換對步驟4中得到的頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣Ζ Χ(ΚΧΜΧΝ)進(jìn)行 插值。具體方法如下首先建立一個新的頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣I^x (ΚΧΜΧΝ)，該矩陣的 所有元素初始值均為0，然后建立一個1行Κ*Μ*Ν列的向量1 = [1，2，L，K*M*N]。頻率-慢
時間二維數(shù)據(jù)矩陣&X(KXMXN)中第i行第j列的元素是由原頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣
f
ZLX(KXMXN)第 i 行與向量sin+ .*^]L、_fj2*J~Z)作點(diǎn)乘后求和得到，i = 1，2，L L，j
=1,2, L K*M*N，其中f。為雷達(dá)發(fā)射脈沖的載頻，fs為雷達(dá)在距離向上的采樣頻率，L為雷 達(dá)在距離向上的采樣點(diǎn)數(shù)，K為相參處理的雷達(dá)數(shù)據(jù)幀數(shù)，N為雷達(dá)掃描空間被劃分成的方 位向個數(shù)，M為雷達(dá)在每個方位向發(fā)射的脈沖個數(shù)。步驟6、估計多普勒模糊數(shù)取步驟1獲得的多普勒模糊數(shù)最大值H，在0到H的范圍內(nèi)以間距為1進(jìn)行采樣，
得到多普勒模糊數(shù)的參考值h2，...，hQ。利用得到的Q個多普勒模糊數(shù)的參考值
h2, . . . , hQ，分別對步驟5得到的經(jīng)過Keystone變換進(jìn)行插值后的頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)
矩陣(KXMXN)進(jìn)行多普勒模糊數(shù)的補(bǔ)償。具體方法如下分別根據(jù)第d(q= 1，2…Q，這里
Q多普勒模糊數(shù)參考值的個數(shù))個多普勒模糊數(shù)的參考值\，對于頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)
j2n*h*l* fc
矩陣&X(KXMXN)第i行，建立一個多普勒模糊補(bǔ)償向量exp(. //Γ、 ； = [1,2,
Jc +1 KjsIl)- JsI1
L，K*M*N]，i = 1,2,L L。然后頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣&X(KXMXN)第i行與多普勒模糊
jl7r*ha*l* fc
補(bǔ)償向量exp(f； 作點(diǎn)乘后得到的向量作為多普勒模糊補(bǔ)償后的頻率-慢
時間二維數(shù)據(jù)矩陣Aq(q= 1,2-Q)的第i行，i = 1,2, L L，其中f。為雷達(dá)發(fā)射脈沖的載 頻，fs為雷達(dá)在距離向上的采樣頻率，L為雷達(dá)在距離向上的采樣點(diǎn)數(shù)，K為相參處理的雷 達(dá)數(shù)據(jù)幀數(shù)，N為雷達(dá)掃描空間被劃分成的方位向個數(shù)，M為雷達(dá)在每個方位向發(fā)射的脈沖 個數(shù)。步驟6、將數(shù)據(jù)矩陣轉(zhuǎn)換到距離-慢時間維對步驟5中得到頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣\，q = 1，2…Q按頻率維做IFFT，得 到新的距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣B,，q = 1,2-Q0
步驟7、二次相位補(bǔ)償對步驟6中得到的距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣 (q= 1，2···Φ按慢時間維逐行進(jìn) 行二次相位補(bǔ)償。其具體做法是取步驟1獲得的目標(biāo)回波相位二次項(xiàng)系數(shù)的范圍，在該范 圍內(nèi)進(jìn)行等間隔采樣，得到G個二次項(xiàng)參考系數(shù)Yl，Y2，...，Ye。建立一個新的L行Κ*Μ*Ν 列的距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣DJq= 1，2…Q)。針對距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣Btl(q =1,2-Q)的第i行，建立一個1行，50列的信息存儲矩陣Ciixe，i = 1，2…L。分別根據(jù)第 g(g= 1,2-G)個二次項(xiàng)參考系數(shù)Yg，建立一個二次相位補(bǔ)償向量eXp(j2Ji yg(l*T)2),l =[1,2, L，K*M*N]。令距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣 (q= 1,2-Q)的第i行與二次相位 補(bǔ)償向量eXp(j2Ji Yg(I^T)2)點(diǎn)乘，得到一個二次相位補(bǔ)償后的向量Pqi，i = 1，2…L。對 P qi進(jìn)行FFT并取出FFT后得到的最大值存儲在信息存儲矩陣Ciixe第g列。找出信息存儲 矩陣Ciixe中的最大值并取得其對應(yīng)的二次項(xiàng)參考系數(shù)Y' 1后，將距離-慢時間二維數(shù)據(jù) 矩陣Bq(q= 1,2-Q)的第i行點(diǎn)乘一個向量eXp(j2Ji y' i(l*T)2)得到距離-慢時間二 維數(shù)據(jù)矩陣DJq= 1,2-Q)的第i行，i = 1，2…L，其中K為相參處理的雷達(dá)數(shù)據(jù)幀數(shù)，N 為雷達(dá)掃描空間被劃分成的方位向個數(shù)，M為雷達(dá)在每個方位向發(fā)射的脈沖個數(shù)。步驟8、相參積累分別對步驟7得到的補(bǔ)償后的距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣Dtl(q = 1，2…Q，這里Q 多普勒模糊數(shù)參考值的個數(shù))按慢時間維做FFT，得到積累矩陣Etl (q= 1，2…Q)。步驟9、峰值、方位信息，距離單元信息存儲建立K+3行，Nk列的信息存儲矩陣 κ+3)χΛ^，用于存儲目標(biāo)的方位、回波積累幅值， 所在距離單元及目標(biāo)多普勒頻率信息。方法是將步驟3中經(jīng)處理后得到得距離-慢時間二 維數(shù)據(jù)矩陣\Χ(ΚΧΜΧΝ)中未被置零的K個方位向數(shù)據(jù)矩陣在原各幀回波數(shù)據(jù)中的方位向序 號η分別存儲于信息存儲矩陣 κ+3)χΛ^的第α (α = 1,2,…Νκ)列的前K行。求取由步驟 8得到的積累矩陣Eq(q= 1，2···φ的最大值 &= 1，2…Q)。對Q個最大積累峰值 & =1，2…Q)進(jìn)行比較，求取這些最大積累峰值中的最大值，令其為P，將最大值P存儲于信 息存儲矩陣 κ+3)χΛ^的第α (α = 1,2,..., Nk)列的第K+1行，將該最大值P對應(yīng)的距離單 元存儲于信息存儲矩陣的第α (α = 1,2,..., Nk)列的第K+2行，并將該最大值P 對應(yīng)的多普勒頻率存儲于信息存儲矩陣的第α ( α = 1，2，. . .，Νκ)列的第K+3行， 其中K為相參處理的雷達(dá)數(shù)據(jù)幀數(shù)，N為雷達(dá)掃描空間被劃分成的方位向個數(shù)。步驟10、選取K幀回波的所有方位向組合重復(fù)步驟3 9，直到K (K為參加相參積累的總回波幀數(shù))幀回波的所有方位向組 合全部被選取。步驟11、判決目標(biāo)取經(jīng)步驟10處理得到的信息存儲矩陣 κ+3)χΛ^中第Κ+1行的最大值，令其為Q，將 該最大值Q與虛警門限Vs做比較，當(dāng)最大值Q大于虛警門限Vs時判為有目標(biāo)，當(dāng)最大值 Q小于虛警門限Vs時判為沒有目標(biāo)。若判為有目標(biāo)，輸出該最大值Q所在信息存儲矩陣 C(k+3)xa^中對應(yīng)列的前K行中存儲的目標(biāo)方位向信息值、第K+2行目標(biāo)所在距離單元及第 K+3行目標(biāo)多普勒頻率。這里K為參加相參積累的總回波幀數(shù)。本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于針對傳統(tǒng)非相參TBD方法在幀間積累時沒有利用目標(biāo)回波的相位信息，本發(fā)明提供一種新的基于Keystone變換的多幀相參積累TBD方法。該方法在 幀間積累時利用了回波信號的相位信息，對多幀回波進(jìn)行相參積累來提高輸出SNR進(jìn)而提 高了檢測效率。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明在多幀積累時利用了回波信號的相位信息，相對傳統(tǒng)非相 參TBD方法，本發(fā)明能夠在較少幀數(shù)的回波數(shù)據(jù)下有效實(shí)現(xiàn)微弱目標(biāo)的檢測，提高了檢測 效率且在檢測的同時提供了目標(biāo)的位置和運(yùn)動信息，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的跟蹤。


圖1為一幀回波數(shù)據(jù)的存儲格式橫坐標(biāo)代表距離-慢時間二維矩陣的慢時間向，慢時間單元代表雷達(dá)發(fā)射脈沖的 時刻?？v坐標(biāo)代表距離-慢時間二維矩陣的距離單元，距離單元代表目標(biāo)與雷達(dá)之間的距 離，其中N表示雷達(dá)每個掃描周期將掃描空間劃分的方位向個數(shù)，M為每個方位向發(fā)射的脈 沖數(shù)；L為雷達(dá)距離單元個數(shù)。圖2為本發(fā)明的流程圖
具體實(shí)施例方式本發(fā)明主要采用計算機(jī)仿真的方法進(jìn)行驗(yàn)證，所有步驟、結(jié)論都在MATLAB_R2009a 上驗(yàn)證正確。具體實(shí)施步驟如下步驟1、基于Keystone變換的多幀相參積累目標(biāo)檢測前跟蹤方法相關(guān)參數(shù)的初始 化。該方法需要進(jìn)行初始化的參數(shù)如下雷達(dá)發(fā)射脈沖的載頻f。= IGHz ；雷達(dá)發(fā)射脈 沖重復(fù)時間T = 125ms ；雷達(dá)發(fā)射脈沖的帶寬B = 7. 5MHz ；雷達(dá)發(fā)射脈沖的調(diào)頻斜率b = 1500GHz/s ；雷達(dá)發(fā)射脈沖的持續(xù)時間Tp = 0. 5μ s ；雷達(dá)的距離分辨率δ ^ = IOm ；相參處 理的雷達(dá)數(shù)據(jù)幀數(shù)K = 3 ；雷達(dá)掃描空間被劃分成的方位向個數(shù)N = 20 ；雷達(dá)在每個方位向 發(fā)射的脈沖個數(shù)M = 16 ；雷達(dá)在距離向上的采樣頻率fs = 15MHz ；雷達(dá)在距離向上的采樣 點(diǎn)數(shù)L = 200 ；多普勒模糊數(shù)最大值H = 10 ；目標(biāo)回波相位二次項(xiàng)系數(shù)最小值Ymin = 0 ；目 標(biāo)回波相位二次項(xiàng)系數(shù)最大值Ymax = 50。步驟2、多幀雷達(dá)數(shù)據(jù)在慢時間維上的拼接取用于本文方法所需要的雷達(dá)接收機(jī)接收到的任意3幀連續(xù)的回波數(shù)據(jù)。將這3 幀連續(xù)的回波數(shù)據(jù)按照雷達(dá)接收機(jī)接收的先后次序拼接成一個200行3X20X 16列的距 離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣)(2_(3><2(1><16)。拼接的具體方法為3幀連續(xù)的回波數(shù)據(jù)中雷達(dá)最 先接收到那一幀數(shù)據(jù)中第一個方位向矩陣的第一列作為整個距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣 X200X (3X20X16)的第一列，3幀連續(xù)的回波數(shù)據(jù)中雷達(dá)最先接收到那一幀數(shù)據(jù)中第一個方位向 矩陣的第二列作為整個距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣Aocix (3x2tixlf;)的第二列，以此類推，直到 3幀連續(xù)的回波數(shù)據(jù)中雷達(dá)最后接收到那一幀數(shù)據(jù)中第20個方位向矩陣的第16列作為整 個距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣&0。Χ(3Χ2(ΙΧ16)的最后一列。步驟3、目標(biāo)回波脈沖數(shù)據(jù)選取及其余數(shù)據(jù)的置零對步驟2得到的距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣)(2(1(1Χ (3χ20χ16)進(jìn)行脈沖選取，具體方法 是在距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣Acicix(3X2C1X16)中的每一幀回波數(shù)據(jù)中選取某一個方位向上
10的16列回波數(shù)據(jù)作為目標(biāo)回波數(shù)據(jù)，該幀回波數(shù)據(jù)中其余方位向上的回波數(shù)據(jù)均認(rèn)為是 噪聲并做置零處理，處理后的數(shù)據(jù)矩陣記為距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣Υ2(ι(ιχ(3χ2(ιχ ;)。記該 次脈沖選取為第α次，α = 1，2，"· 203。步驟4、將距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣Acicix (3x2(ixif;)轉(zhuǎn)換到頻率-慢時間維對步驟3得到的經(jīng)過目標(biāo)回波脈沖數(shù)據(jù)選取和其余數(shù)據(jù)置零處理后的距離-慢 時間二維數(shù)據(jù)矩陣(3χ20χ16)，按距離維做FFT，得到頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣
^200X (3X20X16) °步驟5、用Keystone變換進(jìn)行插值利用Keystone變換對步驟4中得到的頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣τ狐(3χ20χ16)進(jìn) 行插值。具體方法如下首先建立一個新的頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣Ι 2( Χ(3Χ2(ΙΧ16)，該矩 陣的所有元素初始值均為0，然后建立一個1行3*20*16列的向量1 = [1，2，L, 3*20*16] 0 頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣Icicixi3x2tixi6)中第i行第j列的元素rij是由原頻率-慢時間二
一IO9
維數(shù)據(jù)矩陣 Z2CKixi3x^ixi6)第 i 行與向量sinc(i09 +·.(15η06/200)_75η06 *·/+-θ作點(diǎn)乘后
求和得到，i = 1,2，L 200，j = 1,2, L 3*20*16。步驟6、估計多普勒模糊數(shù)取步驟1獲得的多普勒模糊數(shù)最大值H = 10，在0到H的范圍內(nèi)以間距為1進(jìn)行 采樣，得到多普勒模糊數(shù)的參考值h2, . . . , hn。利用得到的11個多普勒模糊數(shù)的參考 值h1; h2, . . . , hn，分別對步驟5得到的經(jīng)過Keystone變換進(jìn)行插值后的頻率-慢時間二 維數(shù)據(jù)矩陣Ι^0Χ(3Χ2(ΙΧ16)進(jìn)行多普勒模糊數(shù)的補(bǔ)償。具體方法如下分別根據(jù)第q(q = 1， 2-11)個多普勒模糊數(shù)的參考值Iv對于頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣Icicixi3x2tixifi)第i行，
建立一個1行3*20*16列的多普勒模糊補(bǔ)償向量eXP(io9+產(chǎn)(^^^々οορτρ^Ο,Ι =, i = 1，2，L 200。然后頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣 I 2QQX (3X2QX16)第 i 行
與多普勒模糊補(bǔ)償向量expC^+,^”1(；/2()())_75”作點(diǎn)乘后得到的向量作為多普
勒模糊補(bǔ)償后的頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣\(q= 1，2··· 11)的第i行，i = 1，2…200。步驟6、將數(shù)據(jù)矩陣轉(zhuǎn)換到距離-慢時間維對步驟5中得到頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣\，q= 1，2…11按頻率維做IFFT， 得到新的距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣B,，q = 1,2- 11。步驟7、二次相位補(bǔ)償對步驟6中得到的距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣 (q = 1,2-11)按慢時間維逐行 進(jìn)行二次相位補(bǔ)償。其具體做法是取步驟1獲得的目標(biāo)回波相位二次項(xiàng)系數(shù)的范圍，在該 范圍內(nèi)進(jìn)行等間隔采樣，得到50個二次項(xiàng)參考系數(shù)γ γ2，...，γ5(ι。建立一個新的200 行3*20*16列的距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣Dtl (q= 1,2-11).針對距離-慢時間二維數(shù) 據(jù)矩陣Bq(q= 1,2-11)的第i(i = 1，2…200)行，建立一個1行，50列的信息存儲矩陣 Ciix50, i = 1，2…200。分別根據(jù)第g(g= 1，2···50)個二次項(xiàng)參考系數(shù)Y g，建立一個二次 相位補(bǔ)償向量exp(j2Ji yg(l*0. 125)2), 1 = [1, 2, L, 3*20*16] 0令距離-慢時間二維數(shù)據(jù) 矩陣Bq(q= 1，2···11)的第i行與二次相位補(bǔ)償向量eXp(j2Ji Yg(1*0. 125)2)點(diǎn)乘，得到一個二次相位補(bǔ)償后的向量Ptli，i = 1，2…200。對Ptli進(jìn)行FFT并取出FFT后得到的最 大值存儲在信息存儲矩陣Ciix5tl第g列。找出信息存儲矩陣Ciix5tl中的最大值并取得其對 應(yīng)的二次項(xiàng)參考系數(shù)Y' i后，將距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣 (q= 1，2…11)的第i行 點(diǎn)乘一個向量eXp(j2Ji γ ‘ i (1*0. 125)2)得到距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣Dq (q = 1，2… 11)的第 i 行，i = 1，2…200。步驟8、相參積累分別對步驟7得到的補(bǔ)償后的距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣Dtl(q = 1,2-11)按慢 時間維做FFT，得到積累矩陣Etl (q = 1,2- 11)。步驟9、峰值、方位信息，距離單元信息存儲建立6行，203列的信息存儲矩陣C6x^，用于存儲目標(biāo)的方位、回波積累幅值，所在 距離單元及目標(biāo)多普勒頻率信息。將步驟3中經(jīng)處理后得到得距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣 Y200X (3X20X16)中未被置零的3個方位向數(shù)據(jù)矩陣在原各幀回波數(shù)據(jù)中的方位向序號Π分別 存儲于信息存儲矩陣C6x2q3的第α (α = 1,2,…203)列的前3行。求取由步驟8得到的積 累矩陣EJq= 1,2-11)的最大值UJq= 1，2··· 11)。對11個最大積累峰值Uq(q = 1，2… 11)進(jìn)行比較，求取這些最大積累峰值中的最大值，令其為P，將最大值P存儲于信息存儲矩 陣C6x2^的第α (α = 1,2,…203)列的第4行，將該最大值P對應(yīng)的距離單元存儲于信息 存儲矩陣C6x2q3的第α (α = 1,2,…203)列的第5行，并將該最大值P對應(yīng)的多普勒頻率 存儲于信息存儲矩陣C6x2q3的第α (α = 1,2,…203)列的第6行。步驟10、重復(fù)步驟3 9，直到3幀回波的所有方位向組合全部被選取。步驟11、判決目標(biāo)取經(jīng)步驟10處理得到的信息存儲矩陣C6x妨中第4行的最大值，令其為Q，將該最 大值Q與虛警門限Vs做比較，當(dāng)最大值Q大于虛警門限Vs時判為有目標(biāo)，當(dāng)最大值Q小于 虛警門限￥8時判為沒有目標(biāo)。若判為有目標(biāo)，輸出該最大值Q所在信息存儲矩陣中對 應(yīng)列的前3行中存儲的目標(biāo)方位向信息值，第5行目標(biāo)所在距離單元及第6行目標(biāo)多普勒頻率。通過本發(fā)明的具體實(shí)施可以看出，本發(fā)明在通過Keystone變換進(jìn)行距離走動補(bǔ) 償和利用DCFT進(jìn)行二次相位補(bǔ)償后在TBD下對多幀回波數(shù)據(jù)進(jìn)行相參積累，這種處理方法 在使用較少雷達(dá)回波數(shù)據(jù)幀數(shù)的情況下提高了輸出信噪比進(jìn)而提高了檢測概率。
1權(quán)利要求
1. 一種多幀相參積累目標(biāo)檢測前跟蹤方法，其特征是該方法包括如下步驟 步驟1、基于Keystone變換的多幀相參積累目標(biāo)檢測前跟蹤方法相關(guān)參數(shù)的初始化 需要進(jìn)行初始化的參數(shù)如下雷達(dá)發(fā)射脈沖的載頻fc ；雷達(dá)發(fā)射脈沖重復(fù)時間T ；雷達(dá) 發(fā)射脈沖的帶寬B ；雷達(dá)發(fā)射脈沖的調(diào)頻斜率b ；雷達(dá)發(fā)射脈沖的持續(xù)時間Tp ；雷達(dá)的距離 分辨率~ ；相參處理的雷達(dá)數(shù)據(jù)幀數(shù)K ；雷達(dá)掃描空間被劃分成的方位向個數(shù)N，記方位向 序號為n，n = 1，2，…，N;雷達(dá)在每個方位向發(fā)射的脈沖個數(shù)M ；雷達(dá)在距離向上的采樣頻 率fs;雷達(dá)在距離向上的采樣點(diǎn)數(shù)L ；雷達(dá)虛警門限值η ；對于雷達(dá)系統(tǒng)，上述參數(shù)是已知 的；多普勒模糊數(shù)最大值H;目標(biāo)回波相位二次項(xiàng)系數(shù)最小值Ymin和目標(biāo)回波相位二次項(xiàng) 系數(shù)最大值Ymax ；上述參數(shù)來自目標(biāo)的先驗(yàn)信息； 步驟2、多幀雷達(dá)數(shù)據(jù)在慢時間維上的拼接取雷達(dá)接收機(jī)接收到的任意K幀連續(xù)的回波數(shù)據(jù)；將這K幀連續(xù)的回波數(shù)據(jù)按照 雷達(dá)接收機(jī)接收的先后次序拼接成一個L行KXMXN列的距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣 XLX (KXMXN)；拼接的具體方法為K幀連續(xù)的回波數(shù)據(jù)中雷達(dá)最先接收到那一幀數(shù)據(jù)中第一 個方位向矩陣的第一列作為整個距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣&Χ(ΚΧΜΧΝ)的第一列，K幀連 續(xù)的回波數(shù)據(jù)中雷達(dá)最先接收到那一幀數(shù)據(jù)中第一個方位向矩陣的第二列作為整個距 離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣Xl拿ΜΧΝ)的第二列，以此類推，直到K幀連續(xù)的回波數(shù)據(jù)中雷達(dá) 最后接收到那一幀數(shù)據(jù)中第N個方位向矩陣的第M列作為整個距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣 XLX(KX XN)的最后一列，其中L是雷達(dá)在距離向上的采樣點(diǎn)數(shù)，K為相參處理的雷達(dá)數(shù)據(jù)幀 數(shù)，N為雷達(dá)掃描空間被劃分成的方位向個數(shù)，M為雷達(dá)在每個方位向發(fā)射的脈沖個數(shù)； 步驟3、目標(biāo)回波脈沖數(shù)據(jù)選取及其余數(shù)據(jù)的置零對步驟2得到的距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣(KXMXN)進(jìn)行脈沖選取，具體方法是在距 離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣&X(KXMXN)中的每一幀回波數(shù)據(jù)中選取某一個方位向上的M列回 波數(shù)據(jù)作為目標(biāo)回波數(shù)據(jù)，該幀回波數(shù)據(jù)中其余方位向上的回波數(shù)據(jù)均認(rèn)為是噪聲并做置 零處理，處理后的數(shù)據(jù)矩陣記為距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣\X(KXMXN)；記該次脈沖選取為 第α次，α = 1,2,…Νκ，其中K為相參處理的雷達(dá)數(shù)據(jù)幀數(shù)，N為雷達(dá)掃描空間被劃分成 的方位向個數(shù)；步驟4、將距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣\Χ(ΚΧΜΧΝ)轉(zhuǎn)換到頻率-慢時間維 對步驟3得到的經(jīng)過目標(biāo)回波脈沖數(shù)據(jù)選取和其余數(shù)據(jù)置零處理后的距離-慢時間二 維數(shù)據(jù)矩陣\Χ(ΚΧΜΧΝ)，按距離維做FFT，得到頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣ZLX(KXMXN)； 步驟5、用Keystone變換進(jìn)行插值利用Keystone變換對步驟4中得到的頻率_慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣&χΛχμχν)進(jìn)行插 值；具體方法如下首先建立一個新的頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣&Χ(ΚΧΜΧΝ)，該矩陣的所 有元素初始值均為0，然后建立一個1行Κ*Μ*Ν列的向量1 = [1，2，L，K*M*N]；頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣&X(KXMXN)中第i行第j列的元素是由原頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣fZLX(KXMXN)第 i 行與向量sin+ .*^]L、_fj2*J~Z)作點(diǎn)乘后求和得到，i = 1，2，L L，j=1,2, L K*M*N，其中f。為雷達(dá)發(fā)射脈沖的載頻，fs為雷達(dá)在距離向上的采樣頻率，L為雷 達(dá)在距離向上的采樣點(diǎn)數(shù)，K為相參處理的雷達(dá)數(shù)據(jù)幀數(shù)，N為雷達(dá)掃描空間被劃分成的方 位向個數(shù)，M為雷達(dá)在每個方位向發(fā)射的脈沖個數(shù)；步驟6、估計多普勒模糊數(shù)取步驟1獲得的多普勒模糊數(shù)最大值H，在0到H的范圍內(nèi)以間距為1進(jìn)行采樣，得到 多普勒模糊數(shù)的參考值h2，. . .，hQ ；利用得到的Q個多普勒模糊數(shù)的參考值h2,..., hQ，分別對步驟5得到的經(jīng)過Keystone變換進(jìn)行插值后的頻率_慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣 RlX(KXMXN)進(jìn)行多普勒模糊數(shù)的補(bǔ)償；具體方法如下分別根據(jù)第q個多普勒模糊數(shù)的參 考值tv Q= 1，2…Q，這里Q多普勒模糊數(shù)參考值的個數(shù)，對于頻率-慢時間二維數(shù)據(jù)矩 陣第i行，建立一個多普勒模糊補(bǔ)償向量
全文摘要
本發(fā)明公開了基于Keystone變換的一種多幀相參積累目標(biāo)檢測前跟蹤方法，它是利用Keystone變換校正多幀雷達(dá)數(shù)據(jù)中目標(biāo)回波的距離走動，利用DCFT來對目標(biāo)回波相位的二次項(xiàng)進(jìn)行估計和補(bǔ)償以利用目標(biāo)回波的相位信息，通過多幀回波相參積累來提高輸出信噪比，實(shí)現(xiàn)對微弱目標(biāo)的檢測。本發(fā)明方法與傳統(tǒng)非相參檢測前跟蹤方法相比，能夠在較少幀數(shù)的回波數(shù)據(jù)下有效實(shí)現(xiàn)微弱目標(biāo)的檢測，提高了檢測效率且在檢測的同時提供了目標(biāo)的位置和運(yùn)動信息，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的跟蹤。
文檔編號G01S7/41GK102073043SQ201010531948
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月4日
發(fā)明者張曉玲, 王昆 申請人:電子科技大學(xué)