本發(fā)明屬于雷達信號處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種脈沖壓縮捷變頻雷達的動目標檢測方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境下電子對抗技術(shù)日新月異，尤其隨著干擾技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)體制雷達由于載頻固定很容易受到敵方大功率壓制，導(dǎo)致其應(yīng)用受到越來越大的制約。與傳統(tǒng)體制雷達不同的是，捷變頻雷達(Frequency-Agile Radar,FAR)發(fā)射的信號則可以讓相鄰脈沖或脈沖組間的載頻在一定范圍內(nèi)高速隨機跳變，是一種非平穩(wěn)信號。捷變頻雷達信號的頻率捷變特性決定了其具有提高抗干擾能力、增大探測距離和抑制海浪雜波等優(yōu)點。一般捷變頻雷達的發(fā)射信號大多采用頻率捷變聯(lián)合脈沖壓縮的形式，這樣既可以擁有捷變頻信號的優(yōu)點，又可以在保證雷達距離分辨率的同時兼顧速度分辨率，因此脈沖壓縮捷變頻雷達在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

捷變頻信號可以分為脈間捷變頻信號和脈組捷變頻信號。脈組捷變頻是一種脈沖內(nèi)的信號載頻保持不變，只是在不同的脈組跳變到不同的載頻上；而脈間捷變頻則是每個脈沖的載頻都不相同。對于脈組捷變頻信號可以通過對組內(nèi)的脈沖信號按照傳統(tǒng)的信號處理方法，如動目標檢測方法(Moving Target Detecting,MTD)實現(xiàn)對運動目標的檢測。但是對于脈間捷變頻信號，由于脈沖間的頻率發(fā)生捷變，回波信號的相參性受到影響，利用傳統(tǒng)的MTD已經(jīng)不能實現(xiàn)對運動目標的檢測了。

為了利用脈間捷變頻信號實現(xiàn)對運動目標的檢測，許多學(xué)者進行了相應(yīng)研究并提出了不同的方法。一些學(xué)者提出通過構(gòu)造補償項來實現(xiàn)積累并檢測出動目標，但是通過補償?shù)姆椒ㄐ枰獙\動目標的速度進行搜索或者預(yù)先估計，運算量較大；另一些學(xué)者提出通過設(shè)定特定的信號參數(shù)來保證信號的相參性從而利用MTD完成動目標檢測，但是通過改變發(fā)射信號的參數(shù)來消除頻率捷變對相參的影響會給雷達的設(shè)計帶來新的要求，提高了設(shè)計的復(fù)雜度；還有一些學(xué)者提出利用捷變頻信號幀與幀之間的同頻率脈沖進行MTD算法檢測動目標，但是這樣會帶來數(shù)據(jù)率低和速度模糊等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提出一種脈沖壓縮捷變頻雷達的動目標檢測方法，實現(xiàn)脈間捷變頻信號的相參積累，從而完成對動目標的檢測。本發(fā)明可以消除頻率捷變給脈沖信號相參性帶來的影響，不僅可以檢測出運動目標而且可以得到目標的運動速度。同時由于本發(fā)明能夠?qū)夭ㄐ盘栠M行相參積累，因此提高了對微弱目標的檢測概率。

本發(fā)明的脈沖壓縮捷變頻雷達為脈沖體制，發(fā)射信號形式采用頻率捷變聯(lián)合線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulated,LFM)，即信號載頻按照偽隨機跳頻碼序列進行跳變，脈沖調(diào)制形式為LFM。為分析方便，不考慮噪聲和信號幅度帶來的影響。假設(shè)脈沖壓縮捷變頻雷達在一個相關(guān)處理時間內(nèi)發(fā)射一串共N個脈沖信號，則發(fā)射信號可以表示為：

其中，u(t)＝rect(t/T_p)exp(jπγt²)是LFM信號的調(diào)制形式，T_p表示脈沖寬帶，γ表示調(diào)頻斜率，T_r表示信號的脈沖重復(fù)間隔(Pulse Repetition Interval,PRI)，N表示發(fā)射的脈沖個數(shù)。f_n＝f₀+b_nf_Δ表示發(fā)射的第n個脈沖的載頻，其中f₀表示信號的初始載頻，b_n表示偽隨機跳頻碼序列，f_Δ表示頻率跳變的最小間隔。

假設(shè)在距離雷達R處有一個點目標以恒定徑向速度v朝向雷達運動，忽略幅度的衰減則雷達接收到的經(jīng)目標反射的回波信號可以表示為：

其中，τ＝2(R-vnT_r)/c表示回波信號相對發(fā)射信號的時間延遲，c表示電磁波的傳播速度。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種脈沖壓縮捷變頻雷達的動目標檢測方法，該方法包含以下步驟：

S1.對脈沖壓縮捷變頻雷達接收到的回波信號進行帶通采樣，帶寬覆蓋頻率捷變范圍；

S2.對步驟S1中經(jīng)過帶通采樣后的回波信號進行去初始載頻處理，即消除回波信號中的初始載頻f₀而保留各個脈沖的捷變頻率b_nf_Δ；傳統(tǒng)的信號處理過程都是直接對回波信號進行去載頻處理，即把頻率f_n＝f₀+b_nf_Δ全部去除，將回波信號變成基帶信號，但是對于捷變頻信號來說，這樣會破壞回波信號間的相參性，導(dǎo)致MTD算法失效。因此，本發(fā)明只去除回波信號中的初始載頻f₀，而保留其捷變頻率b_nf_Δ，保證了回波信號間的相參性，得到的回波信號可以表示為：

S3.將步驟S2中去初始載頻后的N個回波脈沖依次存入二維數(shù)據(jù)矩陣的每一行，最后得到快-慢時間域回波矩陣；快-慢時間域回波矩陣中的快時間域(每一行)對應(yīng)一個回波脈沖的連續(xù)采樣，即連續(xù)的距離單元；快-慢時間域回波矩陣中的慢時間域(每一列)代表對同一距離單元的一連串脈沖測量；

S4.對步驟S3中快-慢時間域回波矩陣的快時間域內(nèi)的每一個向量，即每個回波脈沖進行匹配濾波；每個回波脈沖對應(yīng)不同的匹配濾波器，它是以步驟S2中去初始載頻處理后得到的每個脈沖的波形為參考信號的相關(guān)器；因此，每個回波脈沖對應(yīng)的匹配濾波器的沖擊響應(yīng)函數(shù)應(yīng)由兩個部分組成，一部分是與信號的脈沖壓縮調(diào)制形式u(t)相對應(yīng)，對各個沖擊響應(yīng)函數(shù)而言這個部分是相同的；另一部分則與信號的捷變頻率exp(-j2πb_nf_Δt)相對應(yīng)，這個部分對各個沖擊響應(yīng)函數(shù)而言是不同的；因此，第n個回波脈沖對應(yīng)的匹配濾波器的沖擊響應(yīng)函數(shù)可以表示為：

h_n(t)＝u^*(T_M-t)exp[j2πb_nf_Δ(T_M-t)],T_M≥T_p (4)

其中，T_M表示時延，u^*(t)表示對u(t)取共軛。對快-慢時間域回波矩陣中的每個回波脈沖均進行匹配濾波，得到的結(jié)果可以表示為：

其中，D＝γT_p²表示LFM信號的時寬帶寬積。

S5.對步驟S4中的快-慢時間域回波矩陣s(t)慢時間域內(nèi)的每一個向量，即同一個距離單元內(nèi)的脈沖數(shù)據(jù)列，進行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)，實現(xiàn)MTD算法，完成對運動目標回波脈沖的相參積累；經(jīng)過FFT變換后，快-慢時間域回波矩陣的坐標域變?yōu)榭鞎r間域和多普勒頻率，此時回波矩陣被稱為距離-多普勒平面。由于FFT變換實現(xiàn)了回波信號的相參積累，目標回波在距離-多普勒平面會形成一個能量峰值，峰值位置對應(yīng)目標的初始距離和速度；

S6.對步驟S5中的距離-多普勒平面采用恒虛警概率(Constant False Alarm Rate,CFAR)檢測，判斷距離-多普勒平面內(nèi)是否存在過門限的峰值，若存在過門限的峰值則說明有目標，反之則沒有目標，從而完成運動目標的檢測。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明所提出的脈沖壓縮捷變頻雷達的動目標檢測方法，能夠利用MTD算法實現(xiàn)對動目標的檢測，并得到其運動速度；

(2)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對回波信號的相參積累，提高了對微弱目標的檢測概率；

(3)本發(fā)明不需要對動目標進行速度估計和搜索，簡化了信號處理過程；

(4)本發(fā)明不需要對脈沖壓縮捷變頻雷達的信號參數(shù)進行設(shè)計和限制，只需改進信號處理的算法部分，具有較好的適用性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的實施流程圖；

圖2是本發(fā)明的一個具體實施例中快-慢時間域回波矩陣的示意圖；

圖3是本發(fā)明的一個具體實施例中快-慢時間域回波矩陣匹配濾波的示意圖；

圖4是本發(fā)明的一個具體實施例經(jīng)過匹配濾波后的快-慢時間域回波矩陣；

圖5是本發(fā)明的一個具體實施例中快-慢時間域回波矩陣進行FFT變換的示意圖；

圖6是本發(fā)明的一個具體實施例中經(jīng)過FFT變換處理后得到的距離-多普勒平面。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步闡述。

參照圖1中的實施流程圖，本發(fā)明的基于脈沖壓縮捷變頻雷達的動目標檢測方法具體包含以下步驟：

S1.對脈沖壓縮捷變頻雷達接收到的回波信號進行帶通采樣，帶寬覆蓋回波信號的頻率捷變范圍；為保證采樣信號不失真，采樣率應(yīng)該大于等于兩倍回波信號的頻率捷變范圍，即f_s≥2·max(b_nf_Δ)，其中f_s表示采樣率；

S2.對步驟S1中經(jīng)過帶通采樣后的回波信號r(t)進行去初始載頻處理，即消除回波信號中的初始載頻f₀而保留各個脈沖的捷變頻率b_nf_Δ。

傳統(tǒng)的信號處理過程都是將帶通采樣后的回波信號r(t)進行下變頻得到基帶信號，即把頻率f_n＝f₀+b_nf_Δ全部去除，那么得到的回波信號為：

從公式(6)中可以看出，包含信號多普勒信息的相位項為exp(j2πf_nτ)，但是由于脈沖載頻f_n是捷變的，破壞了回波信號間的相參性，因此不能夠利用MTD算法完成對運動目標的檢測。本發(fā)明只對回波信號進行去初始載頻f₀處理，而保留其捷變頻率b_nf_Δ，則得到的回波信號可以表示為

從公式(7)可知，包含運動目標多普勒信息的相位項變?yōu)閑xp(j2πf₀τ)，該相位項中的脈沖載頻變?yōu)榱斯潭ǖ膄₀，保證了各個回波脈沖間的相參性，這樣就為后面的動目標檢測提供了保障。

S3.將步驟S2中去除了初始載頻的N個回波脈沖依次存入二維數(shù)據(jù)矩陣，最后得到快-慢時間域回波矩陣?？?慢時間域回波矩陣中的快時間域(每一行)對應(yīng)一個回波脈沖的連續(xù)采樣，即連續(xù)的距離單元，且每個距離單元間隔為c/2f_s；快-慢時間域回波矩陣中的慢時間域(每一列)代表對同一距離單元的一連串脈沖測量。因此，快-慢時間域回波矩陣的快時間域也被稱為距離維，慢時間域也被稱為脈沖數(shù)維。圖2給出了存儲回波信號的快-慢時間域回波矩陣的示意圖。

S4.對步驟S3中快-慢時間域回波矩陣的快時間域內(nèi)的每一個向量，即每個回波脈沖進行匹配濾波；匹配濾波就是要對調(diào)制信號進行脈沖壓縮，提高距離分辨率；每個回波脈沖對應(yīng)不同的匹配濾波器，它可以看做是以步驟S2中去初始載頻處理后得到的每個脈沖波形為參考信號的相關(guān)器；由公式(7)可知，LFM信號還受到步驟S2中去初始載頻處理后保留下的捷變頻信號的調(diào)制，因此匹配濾波器的沖擊響應(yīng)函數(shù)應(yīng)由兩個部分組成，即LFM部分和捷變頻部分：其中LFM部分u(t)對于各個沖擊響應(yīng)函數(shù)來說是相同的，捷變頻部分exp(-j2πb_nf_Δt)則需要根據(jù)各個回波脈沖進行改變。第n個回波脈沖對應(yīng)的匹配濾波器的沖擊響應(yīng)函數(shù)用公式可以表示為：

h_n(t)＝u^*(T_M-t)exp[j2πb_nf_Δ(T_M-t)],T_M≥T_p (8)

h_n(t)表示第n個回波脈沖對應(yīng)的匹配濾波器的沖擊響應(yīng)函數(shù)，它是以步驟S2中去初始載頻處理后得到的第n個回波脈沖的波形為參考信號進行構(gòu)造的。對快-慢時間域回波矩陣中的每個回波脈沖均進行匹配濾波，得到的結(jié)果可以表示為：

其中，D＝γT_p²表示LFM信號的時寬帶寬積。由公式(9)可知，經(jīng)過匹配濾波后，回波信號的包絡(luò)為一個sinc函數(shù)且在回波時延處取得最大值。圖3給出了快-慢時間域回波矩陣匹配濾波的示意圖，圖4給出了快-慢時間域回波矩陣匹配濾波后的結(jié)果。

S5.對步驟S4中的快-慢時間域回波矩陣s(t)慢時間域內(nèi)的每一個向量，即同一個距離單元內(nèi)的脈沖數(shù)據(jù)列，進行FFT變換，實現(xiàn)MTD算法，從而完成對運動目標回波脈沖的相參積累。由于在相關(guān)處理時間內(nèi)可以忽略目標運動造成的距離走動即τ₀＝2R/c≈2(R-vnT_r)/c，因此由公式(9)可知，當(dāng)距離單元等于目標的距離R，即滿足條件t＝nT_r-τ₀時，對應(yīng)該距離單元的脈沖數(shù)據(jù)列可以表示為：

由公式(10)可知，信號E(n)可以看做是一個誤差相位序列和一個單載頻信號的乘積。誤差相位的增加會使得脈沖數(shù)據(jù)列E(n)經(jīng)FFT處理后的響應(yīng)函數(shù)的主瓣展寬且幅度減小，但是在相關(guān)處理時間內(nèi)通常可以將其忽略。在相關(guān)處理時間內(nèi)一般認為運動目標的距離走動小于1/2個距離單元，即速度滿足：

同時，由Nyquist采樣定律可以知道，信號的采樣率f_s滿足下式：

b_nf_Δ≤f_s/2 (12)

將公式(11)和(12)帶入誤差相位序列，得到：

此時相位誤差不超過π/2，誤差相位序列項可以忽略，因此公式(10)可以近似為：

其中，f_d＝2vf₀/c表示運動目標的多普勒頻率。對比公式(14)和公式(9)可知，公式(9)中的捷變頻部分被消除了，而sinc函數(shù)也取得了最大值1，此時脈沖數(shù)據(jù)列相位只由兩項構(gòu)成。一是與目標距離有關(guān)的常數(shù)項，另一個是目標運動導(dǎo)致的多普勒頻率項。對公式(14)進行FFT變換便可以得到目標的多普勒頻率，從而推算出運動目標的速度。經(jīng)過FFT變換后，快-慢時間域回波矩陣的坐標域變?yōu)榭鞎r間域和多普勒頻率，此時回波矩陣被稱為距離-多普勒平面。由于FFT變換實現(xiàn)了脈沖間的相參積累，目標回波在距離-多普勒平面會形成一個能量峰值，峰值坐標為(R,v)，分別對應(yīng)運動目標的初始距離和速度。圖5給出了步驟S4匹配濾波后的快-慢時間域回波矩陣進行FFT變換的示意圖，圖6給出了經(jīng)過FFT變換處理后得到的距離-多普勒平面。

S6.對步驟S5中經(jīng)過FFT變換得到的距離-多普勒平面采用CFAR檢測，判斷距離-多普勒平面內(nèi)是否存在過門限的峰值，若存在過門限的峰值則說明有目標，反之則沒有目標，從而完成運動目標的檢測。

從本實施例的結(jié)果可以看出，脈沖壓縮捷變頻雷達的回波信號直接經(jīng)過去載頻處理后，脈沖間的頻率捷變會破壞信號的相參性導(dǎo)致MTD算法失效，不能實現(xiàn)對動目標的檢測。本發(fā)明不直接對回波信號進行去載頻，而是先將回波信號的初始載頻去除，存儲得到快-慢時間域回波矩陣。然后根據(jù)每個回波脈沖的剩余波形構(gòu)造相應(yīng)的匹配濾波器，對快-慢時間域回波矩陣快時間域內(nèi)的每一個回波脈沖均進行匹配濾波。對匹配濾波后的快-慢時間域回波矩陣中慢時域內(nèi)的每一個脈沖數(shù)據(jù)列均進行FFT便能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖間的相參積累，完成對動目標的檢測，同時能夠得到目標的運動速度。由于該發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)回波信號的相參積累，因此還能提高對微弱動目標的檢測概率。