频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法技术

本发明专利技术涉及频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法，属于雷达信号处理和检测技术领域。其步骤包括：频控阵雷达回波解调和匹配滤波，构建接收阵元信号距离‑方位二维矢量；基于空间谱估计算法实现距离‑方位联合估计；基于稀疏分数阶傅里叶变换实现高分辨稀疏域多普勒提取，完成动目标空距频聚焦处理；构建空距频域检测单元图，进行动目标检测。本发明专利技术充分利用频控阵雷达在空间、距离和多普勒的灵活自由度和能量聚集性，在多维空间实现相参投影和空距频聚焦，是常规雷达信号处理的脉冲压缩、角度估计和多普勒滤波等多个级联处理环节的整合，积累增益和参数估计精度高，能够提高复杂环境下雷达动目标检测能力。

【技术实现步骤摘要】
频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法
本专利技术属于雷达信号处理和检测
，更具体地，本专利技术涉及一种频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法，可用于复杂环境下雷达微弱动目标检测处理。
技术介绍
受复杂背景环境(陆地、城市、海洋等)及目标复杂运动特性的影响，目标雷达回波极其微弱、特性复杂，具有低可观测性，使得雷达对动目标的探测性能难以满足实际需求。复杂背景下低可观测动目标探测技术成为影响雷达性能的关键制约因素，也是世界性难题。因此，迫切需要研究新的雷达体制和雷达技术以适应复杂环境和目标带来的挑战，要求雷达能够提供灵活自由度、更高的参数估计能力以及自适应的工作模式。相控阵雷达天线波束指向灵活，能够延长目标观测时间，提高速度分辨力，从而有利于积累目标能量和抑制杂波，在每一扫描快拍内，波束指向在距离向是恒定的，也就是说波束指向与距离是无关的。但是在某些应用中，例如距离相关性干扰或杂波抑制应用，常常又期望阵列波束在同一快拍内能够以相同的角度指向不同的距离，这就需要波束的指向能够随距离的变化而变化，即相控阵雷达不能区分统一角度不同距离的目标，即难以实现距离和方位的联合估计。频率分集阵列(FrequencyDiverseArray,FDA)雷达是一种新体制雷达，中文译为频控阵。频控阵雷达在天线阵列的不同阵元上采用不同的发射频率，产生了与距离相关的波束方向图。频控阵雷达不仅具有相控阵和多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output,MIMO)雷达的全部优点，而且能弥补相控阵雷达和MIMO雷达波束指向不具有距离依赖性的缺点，能够对目标的距离和方位角进行二维联合估计，在参数估计以及射频隐身等方面具有较大的应用潜力。然而，频控阵雷达信号处理和目标检测方面的研究多针对静止目标，对于运动目标，其多普勒出现时变特性，使得能量发散，如何充分利用频控阵雷达的空间、时间和频率资源，实现空间(方位)-距离(快时间)-频率(慢时间)聚焦处理，提高复杂环境下雷达运动目标的检测和估计性能，亟需深入研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于实现空(方位)-距(距离)-频(多普勒)的联合聚焦处理，改善信杂比，提高复杂背景下雷达动目标检测性能，提出一种频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法。其中要解决的技术问题包括：(1)传统相控阵雷达信号处理维度有限，强杂波背景下的动目标检测性能差，时域中强杂波幅度高于动目标回波幅度，频域处理时杂波频谱位置与动目标频谱重叠，容易覆盖动目标，两者难以区分，导致检测性能下降；(2)传统阵列雷达，如相控阵和MIMO雷达，其波束指向与距离无关，难以实现距离和方位的联合估计；(3)对于非匀速运动目标，传统动目标检测(MovingTargetDetection,MTD)方法处理得到的多普勒谱发散，运动目标能量积累增益低，也不利于参数估计。本专利技术所述的频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法，包括以下步骤：步骤一、频控阵雷达回波解调和匹配滤波，构建接收阵元信号距离-方位二维矢量；步骤二、基于空间谱估计算法实现距离-方位联合估计；步骤三、基于稀疏分数阶傅里叶变换实现高分辨稀疏域多普勒提取，完成动目标空距频聚焦处理；步骤四、构建空距频域检测单元图，进行动目标检测。对比现有技术，本技术方案所述的频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法，有益效果在于：(1)该方法充分利用频控阵雷达在空间(方位)、距离和频率(多普勒)的灵活自由度和能量聚集性，提高复杂环境下雷达动目标检测能力；(2)动目标经过空距频聚焦处理，在多维空间(距离-方位-多普勒)实现了相参投影，改善信噪比或信杂比，提高了抗噪声和杂波的能力；(3)该方法采用高分辨稀疏时频表示方法，实现匀速和非匀速机动目标回波相参积累和高分辨多普勒提取，参数估计精度高。附图说明附图1是频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法的实施流程图。附图2是频控阵雷达的发射阵列示意图。具体实施方式以下结合说明书附图对本专利技术作进一步详细描述。参照附图1，本专利技术的处理流程分以下步骤：(1)对接收端信号解调和匹配滤波，构建接收阵元信号距离-方位二维矢量考虑M个发射阵元的均匀线阵，阵元间距为d，按照附图2所示的频控阵雷达的发射阵列示意图，则第m个阵元发射的信号为其中，fm＝f0+Δfm，Δfm＝(m-1)Δf，f0为载频，Δf为远小于雷达工作载频的频率增量，对于位于距离和方位(rs,θs)的一点目标，则在接收端，第n个阵元接收到的第m个阵元发射的信号表示为，ym,n(rs,θs)＝α(rs,θs)exp(-j4πΔfmrs/c0)exp(j2πmd/λsinθs)exp(j2πnd/λsinθs)其中，α(rs,θs)为目标散射系数，λ为信号波长，c0为光速，则经过匹配滤波，全部接收阵元的信号写成矢量形式表示为，式中，⊙和分别表示Hadamard积和Kronecker积运算，为发射阵列导向矢量，T为转置运算，为接收阵列导向矢量，为距离维阵列导向矢量，令则接收阵元信号距离-方位二维矢量表示为(2)距离-方位解耦，基于空间谱估计算法距离-方位联合估计考虑加性噪声n，独立同分布，并服从零均值方差为的高斯分布，则对于任意位置(ri,θi)，频控阵雷达接收阵元信号矢量y的协方差矩阵Ry表示为式中，H为共轭转置运算，目标与噪声相互独立，则协方差矩阵Ry改写为式中，Λ为目标信号矩阵特征值构成的对角矩阵，对应的特征向量构成信号子空间UT，对应的特征向量构成噪声子空间Un，由于噪声与信号子空间正交，构造频控阵雷达谱函数通过搜索谱峰值，确定目标的距离和方位(rs,θs)。(3)频控阵雷达动目标空距频聚焦处理●空距频聚焦信号处理将频控阵信号模型扩展至多普勒域，考虑发射L个脉冲，对于一运动目标，考虑目标多普勒，则频控阵雷达运动目标的信号模型表示为其中，为慢时间tm下的多普勒导向矢量，定义空距频聚焦矢量则ymov＝α(rs,θs,fd)kmov(rs,θs,fd)+n其中，fd为多普勒频率，当目标径向运动速度为匀速v0时，fd＝2v0/λ，当目标做机动，具有加速度as时，此时fd＝2(v0+astm)/λ。●高分辨稀疏域多普勒提取为了准确提取和估计多普勒信息，同时为了克服对非匀速运动目标多普勒发散的影响，采用稀疏分数阶傅里叶变换实现高分辨的多普勒特征提取和估计，采用chirp基构造稀疏分解字典，设定搜索精度和范围，假设中心频率fl的搜索范围为fl∈[0,F]，搜索个数为L1，中心频率分辨率为Δf＝F/L1，调频率μm的搜索范围为μm∈[0,K]，搜索个数为L2，调频率分辨率为Δμ＝K/L2，则构造的过完备chirp字典为L1×L2的矩阵式中，l＝1,2,...,L1；k＝1,2,...,L2，fl＝2vl/λ，vl为目标初速度分量，μk＝2ak/λ，ak为目标加速度分量。对于信号的稀疏表示，集合g＝{gj；j＝1,2,…,J}，其元素是张成整个Hilbert空间H＝RP的单位矢量，并且J≥P，称集合g为原子库(字典)，集合中的元素为原子。对于任意信号y∈H可以展开为一组原子的线性组合，即对信号y做逼近式中，j为原子个数，系数βj的大小表示信号与原子的相似程度。改写为慢时间-频率模型，在频控阵雷达回波信号的某个距离-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、频控阵雷达回波解调和匹配滤波，构建接收阵元信号距离‑方位二维矢量；步骤二、基于空间谱估计算法实现距离‑方位联合估计；步骤三、基于稀疏分数阶傅里叶变换实现高分辨稀疏域多普勒提取，完成动目标空距频聚焦处理；步骤四、构建空距频域检测单元图，进行动目标检测。

【技术特征摘要】
1.频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、频控阵雷达回波解调和匹配滤波，构建接收阵元信号距离-方位二维矢量；步骤二、基于空间谱估计算法实现距离-方位联合估计；步骤三、基于稀疏分数阶傅里叶变换实现高分辨稀疏域多普勒提取，完成动目标空距频聚焦处理；步骤四、构建空距频域检测单元图，进行动目标检测。2.根据权利要求1所述的频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法，其特征在于，步骤一具体为：考虑M个发射阵元的均匀线阵，阵元间距为d，则第m个阵元发射的信号为其中，fm＝f0+Δfm，Δfm＝(m-1)Δf，f0为载频，Δf为远小于雷达工作载频的频率增量，对于位于距离和方位(rs,θs)的一点目标，则在接收端，第n个阵元接收到的第m个阵元发射的信号表示为，ym,n(rs,θs)＝α(rs,θs)exp(-j4πΔfmrs/c0)exp(j2πmd/λsinθs)exp(j2πnd/λsinθs)其中，α(rs,θs)为目标散射系数，λ为信号波长，c0为光速，则经过匹配滤波，全部接收阵元的信号写成矢量形式表示为，式中，⊙和分别表示Hadamard积和Kronecker积运算，为发射阵列导向矢量，T为转置运算，为接收阵列导向矢量，为距离维阵列导向矢量，令则接收阵元信号距离-方位二维矢量表示为3.根据权利要求2所述的频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法，其特征在于，步骤二具体为：考虑加性噪声，独立同分布，并服从零均值方差为的高斯分布，则对于任意位置(ri,θi)，频控阵雷达接收阵元信号矢量y的协方差矩阵Ry表示为式中，H为共轭转置运算，目标与噪声相互独立，则协方差矩阵Ry改写为式中，Λ为目标信号矩阵特征值构成的对角矩阵，对应的特征向量构成信号子空间UT，对应的特征向量构成噪声子空间Un，由于噪声与信号子空间正交，构造频控阵雷达谱函数通过搜索谱峰值，确定目标的距离和方位(rs,θs)。4.根据权利要求3所述的频控阵雷达空距频聚焦动目标积累检测方法，其特征在于，步骤三所述的动目标空距频聚焦处理架构为：将频控阵信号模型扩展至多普勒域，考虑发射L个脉冲，对于一运动目标，考虑目标多普勒，则频控阵雷达运动目标的信号模型表示为其中，为慢时间tm下的多普勒导向矢量，n为高斯白噪声，定义空距频聚焦矢量则ymov＝α(rs...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈小龙，陈宝欣，黄勇，关键，薛永华，于晓涵，张林，何友，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军航空大学，
类型：发明
国别省市：山东,37