CN101825707B - 基于Keystone变换和相参积累的单脉冲测角方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Keystone变换和相参积累的单脉冲测角方法，包括以下几个步骤：(1)对目标回波的视频信号进行脉冲压缩；(2)对脉压后信号进行Keystone变换以校正跨距离单元走动；(3)对校正后脉冲串的相参积累处理；(4)基于CFAR的目标检测；(5)目标角度信息的提取和计算。本发明能够有效改善对目标位置和运动信息的测量精度，且具有较为广泛的适用性。

Description

基于Keystone变换和相参积累的单脉冲测角方法

技术领域

本发明涉及一种基于Keystone变换和相参积累的单脉冲测角方法，尤其涉及到基于LFM-PD体制的单脉冲雷达系统上目标角度测量的实现方法，属于信号处理技术领域。

背景技术

随着电子技术的发展和作战环境的复杂化，为了适应现代战争中低空超低空突防目标作战要求，需要进一步提高雷达的抗杂波能力和各项检测性能。基于线性调频-脉冲多普勒(LFM-PD)体制的单脉冲雷达系统综合了LFM、PD雷达和单脉冲技术的全部优势，能够有效应对上述需求。

PD雷达是上世纪60年代为解决机载下视雷达强地杂波的干扰而研制的，目前已成为国土防空情报网中获得广泛应用的雷达体制。PD雷达发射并接收脉冲串信号，利用多普勒滤波器组得到回波的距离-多普勒图像，由恒虚警检测提取目标与雷达之间的相对距离和速度信息。它能够区分不同距离、不同径向速度的目标，可以有效地实现运动目标和背景杂波的分离与检测。而线性调频(LFM)信号较容易产生和处理，是目前在工程应用上技术最成熟的一种脉冲压缩信号。LFM-PD雷达结合了LFM波形可脉冲压缩的特点和PD体制的优点，能够同时获得较高的距离和速度分辨率，并且提高雷达作用距离。

单脉冲技术开始于上世纪40年代后期，它的提出最早是用于解决雷达的高精度跟踪，又称为同时波瓣测角。这种技术只需比较多个波束接收的同一个回波脉冲就可获得目标位置的全部信息，相对于早期圆锥扫描体制，获得角误差信息的时间短，因而测角快速性好、数据率高；对回波幅度的起伏不敏感，具有较高的测角精度和抗干扰能力。

采用传统单脉冲测角算法的雷达系统可依据组成结构划分类别。一般的单脉冲系统在结构上可归纳为三部分：角度传感器，角信息变换器和角度鉴别器。角度传感器有三种基本类型：比幅、比相、幅相综合；角度鉴别器有三种方法：幅度法、相位法、和差法。因此，单脉冲系统可划分为九大类。然而实际应用的经典方法仅有四种：幅度比较(直接比幅)、幅度和差(和差比幅)、相位比较(直接比相)、相位和差。其中，幅度和差单脉冲测角因其硬件较易实现而得到了最为广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Keystone变换和相参积累的单脉冲测角方法，在目标高速运动的情况下，能够有效补偿跨距离单元走动，避免运动对距离-多普勒图像的影响，从而提高雷达系统对目标位置和运动信息的测量精度。

本发明提出的测角方法是在基于LFM-PD体制的单脉冲雷达系统上实现的，该雷达系统发射相参的LFM脉冲串，并接收目标回波信号，通过PD处理得到回波的距离-多普勒图像，从中提取目标位置和运动信息。

本发明提出一种基于Keystone变换和相参积累的单脉冲测角方法，其具体包括以下几个步骤：

(1)回波信号脉冲压缩：针对本发明中采用的LFM信号，通过匹配滤波实现这一过程：首先对系统参考信号做FFT，取其频谱共轭获得匹配滤波器的频域响应；然后对目标视频回波信号同样做FFT变换到频域；将该回波频谱与匹配滤波器的频域响应相乘，得到匹配滤波后的信号频域波形；最后将滤波后的信号频谱进行IFFT，得到脉冲压缩结果的时域波形；

(2)Keystone变换校正跨距离单元走动：首先，将脉压后的回波脉冲串进行FFT变换到频域；然后对整个回波脉冲串的频谱进行慢时间的伸缩变换，其伸缩幅度与频率有关，用以消除由于目标运动引起的频谱成分和分布的改变；由于慢时间轴上的变量取值为离散形式，接下来采用sinc函数内插技术实现上述伸缩变换；最后对插值后的各回波脉冲做IFFT，得到跨距离单元走动校正后的回波脉冲串；

(3)校正后脉冲串的相参积累：由于DFT的滤波特性，即DFT处理可等效为一组窄带多普勒滤波器，该处理过程可通过对相参的脉冲串沿慢时间域做DFT实现；

(4)基于CFAR的目标检测：由于CFAR处理是在经相参积累后得到的多普勒域进行检测，因此首先要对各距离门对应的信号多普勒谱取模；为了判断待检单元中是否存在目标，先要采用滑窗处理的方法选定处理窗中的组成单元；然后，对所有参考单元进行平均，同时乘以参数K以获得检测门限值；最后，将待检单元的数据采样同检测门限进行比较：如果大于门限则认为发现目标，否则认为目标不存在；

(5)目标角度信息提取和计算：本发明采用幅度和差式单脉冲测角算法提取和计算目标的角度信息：首先，系统接收天线形成两个3dB交叉的天线波束，同时对目标回波信号进行接收；两波束接收到的回波信号通过单脉冲比较器形成和波束与差波束；然后，和、差接收通道的输出信号分别经过下变频及信号幅度的放大和归一化；两路归一化信号分别经过前面所述步骤中脉冲压缩和校正积累等信号处理过程；最后送至相位检波器获得误差电压，由误差电压计算得到目标偏离天线波束指向的角度。

本发明提出了一种基于Keystone变换和相参积累的单脉冲测角方法，其优点和功效主要在于：

(1)本发明应用Keystone变换技术，在目标高速运动的情况下，能够有效补偿跨距离单元走动，避免目标运动造成的多普勒谱展宽甚至严重变形，从而提高了雷达系统对目标位置和运动信息的测量精度。

(2)本发明在校正目标跨距离单元走动的同时，沿用常规PD雷达的脉冲压缩和相参积累处理，能够有效地提高回波信号信噪比，从而进一步改善雷达的检测能力。

(3)本发明提出的测角方法基于常规的LFM-PD体制的单脉冲雷达系统，仅需要进行信号处理部分的软件开发，不必改装或升级硬件配置及结构，从而降低了该方法对雷达系统的硬件要求，具备更广泛地适用性。

(4)本发明具有系统软件开发成本低、周期短、便于维护和功能升级等特点。

附图说明

图1是基于Keystone变换和相参积累的单脉冲测角方法处理流程图。

图2是脉冲压缩处理流程图。

图3是Keystone变换处理流程图。

图4是相参积累处理流程图。

图5是目标检测处理流程图。

图6是CFAR处理窗结构图。

图7是幅度和差单脉冲系统结构图。

图8是两波束接收天线方向图。

图9是角度测量处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对发明的具体技术方案做进一步的说明。

本发明提出的单脉冲测角方法是在基于LFM-PD体制的单脉冲雷达系统上实现的。LFM-PD雷达系统发射相参的LFM脉冲串，并接收目标回波信号，通过PD处理得到回波的距离-多普勒图像(R-D图)，从中提取出目标位置和运动信息。

如图1所示，本发明一种基于Keystone变换和相参积累处理的单脉冲测角方法，其具体包括以下几个步骤：

(1)回波信号脉冲压缩：雷达系统对目标回波的视频信号进行脉冲压缩处理，以获得距离上的高分辨并提高回波信噪比。早期的单频信号存在雷达作用距离与距离分辨率之间的矛盾，本发明中采用目前在工程上应用最广泛的LFM信号，它通过频率调制来实现非线性相位调制，可同时获得大的信号时宽和带宽，从而解决了这一问题。针对LFM信号，可通过匹配滤波来实现这一脉冲压缩过程。如图2所示，在实际的数字系统中，匹配滤波一般是在频域实现。

首先，对与发射信号同步的雷达系统参考信号做快速傅立叶变换(FFT)，得到其频域采样。对该频域采样值取共轭，从而获得匹配滤波器的频域响应。然后，对已经过下变频处理到视频的目标回波信号，同样做FFT变换到频域。将目标回波的频域信号与匹配滤波器的频域响应相乘，得到匹配滤波后的信号频域波形。最后，将滤波后的信号频域波形进行逆快速傅立叶变换(IFFT)，即可得到回波信号的脉冲压缩结果。

LFM信号经过脉冲压缩处理，能够将原来具有矩形包络的宽脉冲信号压缩为具有Sa函数形包络的窄脉冲信号，且压缩后脉冲峰值的位置与目标的回波延迟时间相对应，即可由峰值位置提取目标相对雷达的距离信息。对带宽为B、脉宽为τ的LFM信号，其距离分辨率可达到c/2B，其中c为光速；处理后获得的幅度增益为(Bτ即信号的时宽带宽积)，从而提高了回波的信噪比。

(2)Keystone变换校正跨距离单元走动：根据传统PD雷达的设计原则，在进行脉冲串相参积累期间，要求目标运动引起的距离走动不超过半个距离分辨单元。这在窄带雷达或目标低速运动时比较容易满足，但对宽带雷达和目标高速运动时，由于距离分辨率较高，目标在脉冲串内跨距离分辨单元走动将十分严重，使得PD处理后回波的多普勒谱发生展宽甚至严重变形，进而影响后续处理中目标信息提取部分的测量精度。为解决这一问题，本发明采用Keystone变换校正目标距离走动。它最初是一种在合成孔径雷达(SAR)成像中校正目标距离弯曲的算法，应用于逆合成孔径雷达(ISAR)中校正目标距离徙动和微弱目标检测时也能获得很好的效果。

如图3所示，将经过步骤(1)脉冲压缩处理后的多个回波脉冲称为回波脉冲串，首先对回波脉冲串内的各脉冲分别进行FFT变换到频域。然后，对回波脉冲串内所有脉冲的频谱进行慢时间的伸缩变换，这种变换的伸缩幅度与频率有关。这里提到的慢时间，是指脉冲串内多个回波脉冲各自的起始时刻相对于整个脉冲串起始时刻的时间变量，记为t_n＝nT_r，n＝0，1，…，N-1。其中，T_r为脉冲重复周期，N为积累的脉冲个数。设虚拟慢时间变量t_m＝mT′_r，m＝0，1，…，N-1，则对慢时间轴的伸缩变换可以表达为：

$t_n=\frac{f_c}{f+f_c}{t}_m---\left(1\right)$

其中f_c为信号载频。可以看出，这种伸缩变换的实质就是对各回波脉冲频谱在慢时间轴的位置进行重排。重新排列的原则是尽量消除由于目标运动引起的频谱成分和分布的改变。

由于慢时间轴上的变量取值为离散形式，接下来需要借助数据插值的方法实现上述伸缩变换。信号的数据插值技术中比较典型的有线性内插技术、一阶全通内插技术、拉格朗日内插技术和sinc函数内插技术等。综合考虑计算量和插值精度，在本发明中采用sinc函数内插技术，这里给出计算式：

$S_{\mathrm{pc}}(f,m)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\{S_{\mathrm{pc}}(f,n)\·\sin c[\frac{f_c}{f+f_c}m-n\left]\right\}---\left(2\right)$

式中，S_pc(f，n)和S_pc(f，m)分别为Keystone变换前、后第n或m个回波脉冲经过脉压处理后的频谱。最后，对插值后的各回波脉冲做IFFT，即可得到跨距离单元走动校正后的回波脉冲串。

(3)校正后脉冲串的相参积累：相参积累实现的是雷达系统的PD处理，它是建立在对多回波脉冲进行观测的基础上。在脉冲积累时间内，目标运动引起的多普勒频移f_d保持不变，对不同回波脉冲在同一距离单元上的采样点来说，多普勒频移只引起相位的变化，即这些采样点序列组成了一个载频为f_d的单频信号，因而相参积累相当于对该单频信号进行频谱分析。在数字信号处理技术中，由于离散傅立叶变换(DFT)的滤波特性，即DFT处理可等效为一组窄带多普勒滤波器，则上述过程可通过对相参的脉冲串沿慢时间域做DFT实现，如图4所示。

通过相参积累，位于同一距离单元的N个回波脉冲的慢时间域采样变换为多普勒域的窄脉冲信号，且脉冲峰值位于多普勒频移f_d处，即可由相参积累后多普勒域信号的幅度包络获得目标的速度相关信息。相参积累后能够达到的多普勒分辨率为1/NT_r；能够测得的最大多普勒频移为(N-1)/NT_r，若大于这一值则需进行速度解模糊处理。

通过相参积累同样能够有效地提高信噪比。由于多个脉冲的积累增强了接收的回波能量，在对应目标所在位置的脉冲峰值处其处理增益可达到积累脉冲个数N，从而可以进一步改善雷达的检测能力。

(4)基于CFAR的目标检测：为了在复杂的杂波环境中检测出所关心的运动目标，PD雷达通常采用恒定虚警率(CFAR)处理技术。CFAR是一种提供检测门限的数字信号处理算法，当噪声背景杂波和干扰变化时，可以在保证一定检测概率的前提下，使目标检测具有恒定的虚警概率。

如图5所示，CFAR处理是在经过步骤(3)的相参积累处理后得到的多普勒域进行检测，因此先要对各距离门对应的信号多普勒谱取模。在实际的数字系统中，由于不知道运动目标位于哪一个多普勒分辨单元，所以CFAR时采用滑窗处理的方法。图6给出了一种CFAR处理窗的组成结构：待检单元位于处理窗的中心；待检单元两边相邻的单元称为保护单元，其对应的数据采样不用于噪声参数的估计，以减轻因目标跨相邻多普勒单元而形成的自身干扰；保护单元两侧为参考单元，其对应的数据采样用来估计噪声参数。待检单元、保护单元与参考单元合在一起共同组成CFAR处理窗。在一次CFAR检测中，为了判断待检单元中是否存在目标，先要选定处理窗中的组成单元，然后对所有参考单元进行平均，同时乘以参数K以获得检测门限值。这里参数K的取值由环境噪声分布规律以及系统所要达到的检测概率和虚警概率共同决定。最后，将待检单元的数据采样同检测门限进行比较：如果大于检测门限，则认为发现目标，可以进行后续的数据处理；否则认为目标不存在。

(5)目标角度信息提取和计算：本发明采用幅度和差式单脉冲测角算法提取和计算目标的角度信息，该算法基于的单脉冲系统结构如图7所示。首先，雷达系统接收天线的初级馈源形成图8中示意的两个3dB交叉的天线波束，同时对目标回波信号进行接收。如图7和图9所示，两波束接收到的回波信号通过单脉冲比较器形成和波束与差波束。然后，和、差接收通道的输出信号分别经过下变频，并由放大器及自动增益控制(AGC)电路实现信号幅度的放大和归一化。两路归一化信号分别经过前面所述步骤(1)至(4)中脉冲压缩和校正积累等信号处理过程，最后送至相位检波器。相位检波器的输出电压Δu称为误差电压，包含了目标角度信息，这里给出其表达式：

式中，F_∑(θ)与F_Δ(θ)分别为和、差通道的输出电压，

或π，由目标位置偏离和波束最大值的方向决定。用高斯函数对两天线波束进行拟合，从而可由和、差信号比值计算得到目标偏离天线波束指向的角度Δθ：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{1}{2\mathrm{\α\Δ}{\mathrm{\θ}}_{0.5}}\ln \left(\frac{1-\mathrm{\Δu}}{1+\mathrm{\Δu}}\right)---\left(4\right)$

其中，参数参数Δθ_0.5为天线波束的半功率点宽度。由此可见，这种单脉冲测角方法的角度测量精度受误差电压测量精度及天线波束宽度影响。

Claims (1)

1.一种基于Keystone变换和相参积累的单脉冲测角方法，其特征在于：该方法具体包括以下几个步骤：

(1)回波信号脉冲压缩：针对本发明中采用的LFM信号，通过匹配滤波实现这一过程：首先对与发射信号同步的雷达系统参考信号做FFT，得到频域采样值，并对该频域采样值取共轭，获得匹配滤波器的频域响应；然后对目标视频回波信号同样做FFT变换到频域；将目标回波的视频信号与匹配滤波器的频域响应相乘，得到匹配滤波后的信号频域波形；最后将滤波后的信号频域波形进行IFFT，得到回波信号的脉冲压缩结果；

(2)Keystone变换校正跨距离单元走动：将经过步骤(1)脉冲压缩处理后的多个回波脉冲称为回波脉冲串；首先，对回波脉冲串内的各脉冲进行FFT变换到频域；然后对回波脉冲串内所有脉冲的频谱进行慢时间的伸缩变换，其伸缩幅度与频率有关，用以消除由于目标运动引起的频谱成分和分布的改变；由于慢时间轴上的变量取值为离散形式，接下来采用sinc函数内插技术实现上述伸缩变换；最后对插值后的各回波脉冲做IFFT，得到跨距离单元走动校正后的回波脉冲串；

(3)校正后脉冲串的相参积累：由于DFT的滤波特性，即DFT处理可等效为一组窄带多普勒滤波器，该校正后脉冲串的相参积累过程可通过对相参的脉冲串沿慢时间域做DFT实现；

(4)基于CFAR的目标检测：由于CFAR处理是在经过步骤(3)的相参积累后得到的多普勒域进行检测，因此首先要对各距离门对应的信号多普勒谱取模；为了判断待检单元中是否存在目标，先要采用滑窗处理的方法选定处理窗中的组成单元；然后，对所有参考单元进行平均，同时乘以参数K以获得检测门限值；最后，将待检单元的数据采样同检测门限进行比较：如果大于门限则认为发现目标，否则认为目标不存在；

其中，参数K的取值由环境噪声分布规律以及系统所要达到的检测概率和虚警概率共同决定；

(5)目标角度信息提取和计算：本发明采用幅度和差式单脉冲测角算法提取和计算目标的角度信息：首先，雷达系统接收天线形成两个3dB交叉的天线波束，同时对目标回波信号进行接收；两波束接收到的回波信号通过单脉冲比较器形成和波束与差波束；然后，和、差接收通道的输出信号分别经过下变频及信号幅度的放大和归一化；两路归一化信号分别经过前面所述步骤中脉冲压缩和校正积累信号处理过程；最后送至相位检波器获得误差电压，由误差电压计算得到目标偏离天线波束指向的角度。

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