目标微小形变观测雷达系统的信号处理方法及雷达系统技术方案

本申请涉及一种目标微小形变观测雷达系统的信号处理方法及雷达系统。所述方法包括：通过对多发多收得到雷达回波数据依次进行临近多目标分离算法、临近目标精确相位提取和时间差分干涉处理，可以准确估计径向距离相同而横向位置不同的多目标的形变量，以实现对密集多目标微小形变量高精度、高频率、非接触式多点同时测量，在复杂桥梁、铁塔、楼宇等领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
目标微小形变观测雷达系统的信号处理方法及雷达系统
本申请涉及基础设施结构安全、精密测量
，特别是涉及一种目标微小形变观测雷达系统的信号处理方法及雷达系统。
技术介绍
桥梁、隧道、铁塔、楼宇、水坝、边坡等目标在自然外力（重力、风力、水力、温度应力等）和人为外力（交通、荷载、撞击等）作用下将出现形变，当形变超过设计容限时，可能造成不可逆转的结构损坏，进而造成生命财产损失，因此对这些重要目标的微小形变进行精密观测具有非常重要意义，桥梁、电力、矿山、水利等行业标准中也均对形变的高精度测量提出了明确要求。目前，形变测量技术主要分为接触式和非接触式形变测量两种。常规接触式测量传感器和系统包括：压/拉力计、加速度计、拾振器、应变计、倾斜仪、位移计、水准仪、北斗/GPS位移计；非接触式传感器和系统包括全站仪、测量机器人、高清视频仪、形变测量雷达等。从物理原理和工作模式来看，绝大多数测量设备均属于单点形变测量系统，是目前应用最为广泛的形变监测手段，但存在较明显的技术局限性：(1)测量耗时、成本高。检测大型桥梁、高塔等形变时，如果采用常规单点测量传感器，需要多点安装固定、长距离布设电缆、逐个调试优化，因此工作量大、建设成本高、系统稳健性差。在登高、野外作业时还存在较大安全风险，难以满足应急救援、交通抢修测量等业务的时限性需求；(2)智能化程度低。很多常规传感器需要人工校准、人工安装标靶、人工逐个读取数据，造成系统延迟大、可靠性低、信息化程度弱的问题，难以适应未来健康监测领域对传感器智能化的要求；(3)环境适应性差。一方面很多接触式形变传感器难以适应高温、雨雪等恶劣工作条件，另一方面很多非接触式形变传感器难以全天时全天候工作，例如全站仪、高清视频等光学形变测量设备，在光线昏暗、雨雪尘雾天不能使用，GPS形变测量仪要求场地开阔，难以在峡谷和高楼区域有效工作。形变测量雷达是一种非接触微小形变测量技术，这种传感器通过发射微波无线电波，接收物体散射的回波信号，通过时间差分干涉测量原理测量物体的形变位移量，具有测量精确、效率高、操作便捷、环境适应性优良等特点。形变测量雷达目前已经在桥梁、高楼、铁塔、边坡等领域得到了广泛应用，然而现有的形变测量雷达存在两个突出局限性：(1)一维形变测量雷达仅能够对径向距离不同的物体的形变进行测量，如果两个物体径向距离相同，而横向位置不同，那么这种雷达不能将两者区分，虽然也能够计算得到一组形变值，但是该组数据不能准确描述两个物体中任何一个的形变量；(2)二维形变雷达虽然可以解决径向距离相同横向位置不同的多目标分辨问题，但是付出的代价是形变测量刷新频率（每秒内测量物体形变的次数）显著降低，因此仅能够对极其缓慢的物体（如大坝、边坡等）进行测量，无法用于对桥梁、铁塔等快速形变的物体进行形变测量。
技术实现思路
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够区分径向距离相同而横向距离不同多个目标点形变值的目标微小形变观测雷达系统的信号处理方法及雷达系统。一种目标微小形变观测雷达系统的信号处理方法，所述信号处理方法包括：获取当前观测时刻的多个目标点的雷达回波矩阵，所述雷达回波矩阵由多个发射阵元和多个接收阵元中任一发射阵元发射和某一接收阵元接收得到的雷达回波数据组成；对所述雷达回波矩阵进行重新排列，将其中符合要求的雷达回波数据组成新的雷达回波矩阵；对所述新的雷达回波矩阵进行FFT处理以完成脉冲压缩，得到对应的观测向量矩阵，以及各所述目标点所在的径向距离；对所述观测向量矩阵针对各径向距离分别进行多重信号算法处理，得到处在同一径向距离上的各目标点的方位角度，以区分径向距离相同而横向距离不相同的目标点；根据幅度相位估计算法计算各所述目标点在对应方位角度上对应的复数散射估计值以及各所述目标点的精准相位；针对各所述目标点，利用连续多个历史观测时刻以及当前观测时刻计算得到的复数散射估计值进行时间差分干涉处理，得到各所述目标点当前观测时刻的形变量。在其中一个实施例中，所述对所述雷达回波矩阵进行重新排列，将其中符合要求的复数雷达回波数据组成新的雷达回波矩阵包括：在多个发射阵元和多个接收阵元中任一发射阵元和某一接收阵元均可构成一等效收发共用天线阵元；将所述雷达回波矩阵中的雷达回波数据按照对应的等效收发共用天线阵元位置从小到大依次排列，其中所述等效收发共用天线阵元位置为对应发射阵元与接收阵元之间的天线间距；将所述等效收发共用天线阵元位置不满足均匀直线排列条件的对应雷达回波数据去除，将留下的雷达回波数据组成新的雷达回波矩阵。在其中一个实施例中，所述等效收发共用天线阵元位置距离满足，其中为雷达的工作波长。在其中一个实施例中，所述观测向量矩阵包括对应各所述雷达回波数据的脉冲压缩处于波峰位置的值；且根据各所述脉冲压缩的波峰确定多个所述目标点的径向距离。本申请还提供了一种雷达系统，包括：发射天线阵，包括多个相连的发射阵元；接收天线阵，包括多个相连的接收阵元；宽带信号源，用于产生雷达的工作信号；信号调制单元，将所述工作信号根据发射要求进行调制；射频开关，与所述发射天线阵连接，将调制后的工作信号通过多个发射阵元依次向观测区域进行辐射；多通道接收机，包括多个分别与对应接收阵元连接的通道，以通过接收天线阵接收观测区域散射后的多个雷达回波数据，并对各所述雷达回波数据进行相应处理；AD采集单元，将处理后的各所述雷达回波数据转换为数字信号形式的雷达回波数据；信号处理单元，对数字信号形式的雷达回波数据根据上述的目标微小形变观测雷达系统的信号处理方法进行处理得到所述观测区域中多个目标点当前观测时刻的形变量。在其中一个实施例中，所述发射天线阵和接收天线阵的排列方向平行，或在同一条直线上。在其中一个实施例中，所述接收天线阵中的各接收阵元之间的间距为，其中为雷达的工作波长；所述发射天线阵中的各发射阵元之间的间距为各接收阵元之间的间距的N倍，其中N为接收阵元的数量。在其中一个实施例中，信号调制单元包括依次连接的上变频单元以及发射机；所述上变频单元，用于对工作信号的频率进行调制；所述发射机，用于对调制频率后的工作信号的功率进行放大，并向所述射频开关输出调制后的雷达工作信号。在其中一个实施例中，所述多通道接收机包括与各所述通道连接的子处理单元以及功分放大单元；所述子处理单元依次对所述雷达回波数据进行带通滤波处理、低噪声放大处理、接收混频处理、低通滤波和中频放大处理；所述发射机输出的调制后的雷达工作信号还通过功分放大单元进行放大处理后作为所述接收混频处理的参考信号。在其中一个实施例中，所述系统还包括频率综合单元、同步控制单元以及通信单元；所述频率综合单元分别与所述上变频单元连接以提供射频信号，与所述AD采集单元连接以提供采样时钟，所述射频信号与采样时钟均为同步信号；...

【技术保护点】
1.目标微小形变观测雷达系统的信号处理方法，其特征在于，所述信号处理方法包括：/n获取当前观测时刻的多个目标点的雷达回波矩阵，所述雷达回波矩阵由多个发射阵元和多个接收阵元中任一发射阵元发射和某一接收阵元接收得到的雷达回波数据组成；/n对所述雷达回波矩阵进行重新排列，将其中符合要求的雷达回波数据组成新的雷达回波矩阵；/n对所述新的雷达回波矩阵进行FFT处理以完成脉冲压缩，得到对应的观测向量矩阵，以及各所述目标点所在的径向距离；/n对所述观测向量矩阵针对各径向距离分别进行多重信号算法处理，得到处在同一径向距离上的各目标点的方位角度，以区分径向距离相同而横向距离不相同的目标点；/n根据幅度相位估计算法计算各所述目标点在对应方位角度上对应的复数散射估计值以及各所述目标点的精准相位；/n针对各所述目标点，利用连续多个历史观测时刻以及当前观测时刻计算得到的复数散射估计值进行时间差分干涉处理，得到各所述目标点当前观测时刻的形变量。/n

【技术特征摘要】
1.目标微小形变观测雷达系统的信号处理方法，其特征在于，所述信号处理方法包括：
获取当前观测时刻的多个目标点的雷达回波矩阵，所述雷达回波矩阵由多个发射阵元和多个接收阵元中任一发射阵元发射和某一接收阵元接收得到的雷达回波数据组成；
对所述雷达回波矩阵进行重新排列，将其中符合要求的雷达回波数据组成新的雷达回波矩阵；
对所述新的雷达回波矩阵进行FFT处理以完成脉冲压缩，得到对应的观测向量矩阵，以及各所述目标点所在的径向距离；
对所述观测向量矩阵针对各径向距离分别进行多重信号算法处理，得到处在同一径向距离上的各目标点的方位角度，以区分径向距离相同而横向距离不相同的目标点；
根据幅度相位估计算法计算各所述目标点在对应方位角度上对应的复数散射估计值以及各所述目标点的精准相位；
针对各所述目标点，利用连续多个历史观测时刻以及当前观测时刻计算得到的复数散射估计值进行时间差分干涉处理，得到各所述目标点当前观测时刻的形变量。


2.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述对所述雷达回波矩阵进行重新排列，将其中符合要求的复数雷达回波数据组成新的雷达回波矩阵包括：
在多个发射阵元和多个接收阵元中任一发射阵元和某一接收阵元均可构成一等效收发共用天线阵元；
将所述雷达回波矩阵中的雷达回波数据按照对应的等效收发共用天线阵元位置从小到大依次排列，其中所述等效收发共用天线阵元位置为对应发射阵元与接收阵元之间的天线间距；
将所述等效收发共用天线阵元位置不满足均匀直线排列条件的对应雷达回波数据去除，将留下的雷达回波数据组成新的雷达回波矩阵。


3.根据权利要求2所述的信号处理方法，其特征在于，所述等效收发共用天线阵元位置距离满足，其中为雷达的工作波长。


4.根据权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，
所述观测向量矩阵包括对应各所述雷达回波数据的脉冲压缩处于波峰位置的值；
且根据各所述脉冲压缩的波峰确定多个所述目标点的径向距离。


5.雷达系统，其特征在于，包括：
发射天线阵，包括多个相连的发射阵元；
接收天线阵，包括多个相连的接收阵元；
宽带信号源，用于产生雷达的工作信号；
信号调制单元，将所述工作信号根据发射要求进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建，周智敏，黄晓涛，李悦丽，范崇祎，陈乐平，冯东，金添，安道祥，辛勤，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43