一种提高线性调频连续波体制目标参数估计精度的方法技术

一种线性调频连续波（ＦＭＣＷ）体制运动目标参数估计方法，其特征在于建立准确的目标回波数学模型，通过对目标的距离ｒ和速度ｖ进行搜索，计算出多组理想目标回波谱，距离搜索的步长为５０－３００米；再将理想目标回波谱与实际目标回波谱进行比较，当两者最为匹配时的那组理想目标回波谱对应的ｒ、ｖ值即为目标距离和速度的估计＊、＊。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种线性调频连续波(FMCW)体制运动目标参数估计方法，特别是在高频地波雷达中，可以显著提高目标参数估计精度。
技术介绍
高频地波雷达是一种利用高频(3～30MHz)电磁波沿地球表面绕射来探测远距离目标(舰船、低空飞机、巡航导弹、海洋表面等)的新型雷达，具有探测距离远、反隐身、抗反辐射导弹、抗低空突防、能探测海洋表面状态等突出优点(与常规雷达相比)，具有很大的发展潜力。高频地波雷达一般采用FMCW体制，在收发共站的情况下，为解决收发隔离问题加以中断成为FMICW(线性调频中断连续波)体制。如何在FMCW体制下提取距离、速度等目标参数，Rafaat Khan等人发表的题为“高频地波雷达目标探测与跟踪”(Target Detection andTracking With a High Frequency Ground Wave Radar.IEEE Journal of Oceanic Engineering，1994，19(4)540～548)的论文中对此有详细描述，现介绍如下雷达信号发生器产生FMCW本振信号，可以表示为 fo为雷达信号载频，α为扫频速率，T是扫频周期，A和分别是信号幅度和初相。本振信号经门控脉冲中断后成为发射信号ST(t)＝S(t)g(t)(2)门控脉冲g(t)可以表示为g(t)=Σp=0P-1rect---(3)]]>P是扫频周期T内的门控脉冲个数，T0、q分别为脉冲宽度和周期。 代表宽度为T0，中心在原点的矩形脉冲。若目标在距离r处以径向速度v(远离雷达为正)运动，则雷达接收的目标反射信号的时间延迟为 τ=2(r+vt)c---(4)]]>其中c是光速。雷达接收信号为SR(t)＝KRST(t-τ) (5)KR为传播衰减因子。接收信号与本振信号混频后，经低通滤波解调得到基带信号为SI(t)=lowpass{S(t)·SR(t)}]]>=AIcos(2π(ατt-f0τ-ατ22))---(6)]]>AI是基带信号幅度。低通滤波去掉了脉冲调制而使基带信号成为连续波，因此(6)式中没有了门控脉冲g(t)这一项。将(4)式代入(6)式后展开，略去一些很小的相位量可得SI(t)≈AIcos(2π(2(αr-f0vc)t+2αvct2-2f0rc-2αr2c2))=AIcos(φτ)---(7)]]>基带信号瞬时频率为fτ(t)=12πdφτdt=2αrc-2f0vc+4αvtc---(8)]]>其中第一项由目标距离引起，第二、三项由目标径向速度引起。在高频雷达中|2αrc|>>|-2f0vc+4αvtc|,]]>因而有fτ(t)≈2αrc.]]>以上分析表明，对基带信号采样后进行FFT(快速傅立叶变换)可得到与距离对应的离散频谱，这次FFT称为距离变换，所得距离谱为RI=FFT{SI(t)}]]>=AI·FFT{cos(2π(ατt-f0τ-ατ22))}]]>=AI·R---(9)]]>将一个扫频周期内得到的距离谱作为一行，则连续lmax个扫频周期得到的距离谱可以构成一个lmax×mmax矩阵 mmax为最远距离元序数。现在分析R中每一行的相位随扫频周期序数(行序数)l的变化规律。第l个扫频周期时，目标距离为rl＝r+v(l-1)T (11)则第l个扫频周期基带信号相位为φlτ=2π(2(αr1-f0vc)t+2αvct2-2f0rlc-2αrl2c2)---(12)]]>在100个扫频周期内，即lmax≤100时，略去一些小的相位项，连续两个扫频周期基带信号相位差为Δφ≈2π(-2f0vc)T---(13)]]>根据这个近似，R中第l行与第1行仅仅相差一个相位因子 可以近似表示为 对(14)式的每一列再进行一次FFT就可以得到与速度对应的多普勒频谱，这次FFT称为多普勒变换。由此可见，对多个扫频周期基带信号采样后经过两次FFT处理可得离散二维回波谱P2D(m，n)＝FFT{FFT{S1(t)}}(15)其中m为距离维上的离散频率，n为速度(多普勒频率)维上的离散频率。目标回波在距离维出现峰值的频率为fτ＝2ar/c，在速度维出现峰值的频率为fv＝-2f0v/c，对二维回波谱进行峰值检测即可得到目标距离和速度。在FMCW体制中，采用两次FFT提取距离和速度参数，本身就是一种近似方法，会引起一定的系统误差；另外，FFT得到的是离散谱，根据谱峰提取目标参数又会产生量化误差，最大可达分辨率的一半。高频雷达工作在短波段，频率较低，干扰较多，调频带宽B不能太大，距离分辨率Δr=c2B]]>远不如常规雷达，一般为几公里甚至十几公里，测距量化误差很大，给目标检测和跟踪带来了严重困难。如何提高目标参数估计精度成为高频雷达目标探测要解决的一个关键问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提高FMCW体制目标参数估计精度，以利于运动目标的检测和跟踪。为了实现上述目的，本专利技术所采用的目标参数估计方法为建立准确的目标回波数学模型，通过对目标的距离r和速度v进行搜索，计算出多组理想目标回波谱(无噪声)，距离搜索的步长为50-300米；再将理想目标回波谱与实际目标回波谱进行比较，当两者最为匹配时的那组理想目标回波谱对应的r、v值即为目标距离和速度的估计 观察(4)、(6)式可知，雷达工作参数f0和α确定后，回波基带信号的函数形式已知，仅含有两个变量r和v，可以表示为SI(t)=AIcos(2π(ατt-f0τ-ατ22))=AI·f(r,v,t)---(16)]]>(15)式中的二维回波谱可以重新表示为P2D(m，n，r，v)＝FFT{FFT{SI(t)}}＝AI·FFT{FFT{f(r，v，t)}} (17)＝AI·P(m，n，r，v)其中P(m，n，r，v)是单位强度理想基带信号经过两次FFT处理所得二维回波谱，是r和v的函数，当r和v确定时能直接计算得到。将可直接计算出的理想回波谱与实际回波谱进行比较，当两者最为匹配时的理想目标回波谱对应本文档来自技高网...

【技术保护点】
线性调频连续波体制目标参数估计方法，其特征在于建立准确的目标回波数学模型，通过对目标的距离ｒ和速度ｖ进行搜索，计算出多组理想目标回波谱，距离搜索的步长为５０－３００米；再将理想目标回波谱与实际目标回波谱进行比较，当两者最为匹配时的那组理想目标回波谱对应的ｒ、ｖ值即为目标距离和速度的估计＊、＊；所述的目标回波数学模型为Ｓ↓［Ｉ］（ｔ）＝Ａ↓［Ｉ］ｃｏｓ（２π（ατｔ－ｆ↓［０］τ－ατ↑［２］／２））＝Ａ↓［Ｉ］.ｆ（ｒ，ｖ，ｔ）（１）Ｐ↓［２Ｄ］（ｍ，ｎ， ｒ，ｖ）＝ＦＦＴ｛ＦＦＴ｛Ｓ↓［Ｉ］（ｔ）｝｝＝Ａ↓［Ｉ］.ＦＦＴ｛ＦＦＴ｛ｆ（ｒ，ｖ，ｔ）｝｝＝Ａ↓［Ｉ］.Ｐ（ｍ，ｎ，ｒ，ｖ）（２）ｆ↓［ＳＥＡＲＣＨ］（ｒ，ｖ）＝｜β↓［１］（ｒ，ｖ）－β′↓［１］｜↑［２］＋｜β↓［２］ （ｒ，ｖ）－β′↓［２］｜↑［２］＋｜γ↓［１］（ｒ，ｖ）－γ′↓［１］｜↑［２］＋｜γ↓［２］（ｒ，ｖ）－γ′↓［２］｜↑［２］（３）其中，Ｓ↓［Ｉ］（ｔ）为回波基带信号；Ｐ↓［２Ｄ］（ｍ，ｎ，ｒ，ｖ）为二维回波谱；　 　ｆ↓［ＳＥＡＲＣＨ］（ｒ，ｖ）为用于估计距离和速度的搜索函数；ｆ↓［０］和α是雷达工作参数，Ｐ（ｍ，ｎ，ｒ，ｖ）是单位强度理想基带信号经过两次ＦＦＴ处理所得二维回波谱，是ｒ和ｖ的函数，当ｒ和ｖ确定时能直接计算得到。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：程丰，柯亨玉，杨子杰，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]