寬帶變多通道窄帶信號檢測高速目標(biāo)算法

史小斌 顧紅 蘇衛(wèi)民

(1.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,南京 210094;2.西安電子工程研究所,西安 710100)

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寬帶變多通道窄帶信號檢測高速目標(biāo)算法

史小斌1,2顧紅1蘇衛(wèi)民1

(1.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,南京 210094;2.西安電子工程研究所,西安 710100)

高速目標(biāo)的寬帶信號回波產(chǎn)生的目標(biāo)距離走動會導(dǎo)致傳統(tǒng)動目標(biāo)檢測相參積累信噪比損失較大. Keystone變換以及相關(guān)改進(jìn)算法雖然能夠校正目標(biāo)距離走動,但該類算法需要預(yù)先估計目標(biāo)較為精確的多普勒速度,難于應(yīng)用到實際工程中. 文中采用一種寬帶線性調(diào)頻信號變多通道窄帶信號處理方法,在沒有目標(biāo)速度先驗知識的情況下,能夠?qū)Ω咚倌繕?biāo)回波信號能量進(jìn)行有效積累,從而提高目標(biāo)檢測性能.給出了算法框圖,經(jīng)仿真驗證該方法有效.

寬帶線性調(diào)頻雷達(dá);高速運動目標(biāo);距離走動;動目標(biāo)檢測

DOI 10.13443/j.cjors.2015091501

引 言

隨著現(xiàn)代軍事的發(fā)展,低空飛行的巡航導(dǎo)彈、超高音速導(dǎo)彈、突防直升機(jī)已經(jīng)成為地面戰(zhàn)場偵察雷達(dá)面對的主要目標(biāo),該類型目標(biāo)具有速度高、反射截面小的特點,因此對傳統(tǒng)地面?zhèn)刹炖走_(dá)的信號檢測能力提出了更高的要求. 增加相干處理時間[1-2]是提高雷達(dá)對微弱目標(biāo)檢測的一種手段.為解決該問題,Keystone變換方法[3]定義了一個虛擬的慢時間維采樣時間,進(jìn)而消除逐次目標(biāo)回波頻譜中使得波形平移的線性相位因子,然后利用相參積累來提高信噪比;但Keystone變換方法是假定目標(biāo)勻速運動且速度不模糊,文獻(xiàn)[4-9]提出在加速度影響可以忽略的情況下,在假定目標(biāo)速度可能范圍內(nèi)對目標(biāo)真實速度進(jìn)行搜索,然后補償目標(biāo)多普勒的影響后進(jìn)行相參積累檢測,但搜索多普勒的誤差會導(dǎo)致目標(biāo)信噪比損失過大.文獻(xiàn)[10]在具有加速度運動模型的基礎(chǔ)上,對目標(biāo)加速度、模糊多普勒頻率和多普勒模糊度采用估計的方法進(jìn)行補償,積累效果好但算法較為復(fù)雜;文獻(xiàn)[11-17]給出Radon-Fourier 變換檢測高速目標(biāo)的原理和性能比較,利用搜索目標(biāo)多普勒的方法實現(xiàn)速度和距離的解耦,從而達(dá)到信號的相參檢測,該方法同樣較為復(fù)雜.

在寬帶雷達(dá)探測高速目標(biāo)時回波帶寬擴(kuò)展或壓縮變化小于多普勒分辨單元的條件下,文中提出了寬帶線性調(diào)頻信號分割為多路窄帶信號的處理算法,利用窄帶處理降低了距離分辨力,使得運動目標(biāo)在距離分辨單元間不產(chǎn)生走動,從而在不估計目標(biāo)速度的情況下,對目標(biāo)回波信號能量進(jìn)行有效積累. 該算法使得寬帶雷達(dá)可通過長時間積累的方法提高對高速運動小目標(biāo)的檢測能力,且計算量小,工程上易于實現(xiàn).

1 回波信號模型

假設(shè)雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號[9]為

(1)

(2)

式中: A0為目標(biāo)回波信號幅度; fd為目標(biāo)多普勒頻率; R(tm)=Ro-vtm為tm時刻雷達(dá)與目標(biāo)間的距離,Ro是起始時刻目標(biāo)與雷達(dá)之間的徑向距離.

(3)

(4)

(5)

匹配濾波輸出的頻域信號SM(f,tm)為

(6)

(7)

2 寬帶變多通道窄帶信號算法

(8)

(9)

(10)

同理,將匹配參考信號通過濾波器組,可得到一組窄帶信號. 經(jīng)零中頻處理后表示如下:

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

綜上,寬帶線性調(diào)頻信號變多通道窄帶信號處理算法流程如下:

1) 根據(jù)信號和目標(biāo)參數(shù),形成N路帶通濾波器;

2) 寬帶目標(biāo)回波信號帶通濾波形成N通道窄帶回波信號;

3) 匹配參考信號和帶通濾波器組卷積后也形成一組N通道窄帶匹配參考信號;

4) 將2)、3)對應(yīng)信號分別進(jìn)行零中頻處理,然后進(jìn)行匹配濾波和MTD處理;

5) 對N路處理結(jié)果進(jìn)行非相參積累.

具體算法原理框架如圖1所示．

在完成超高速目標(biāo)檢測后,還可利用目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)速度估計以補償目標(biāo)回波的相移,從而實現(xiàn)線性調(diào)頻寬帶信號的匹配處理和目標(biāo)成像. 由于本文重點研究寬帶線性調(diào)頻信號分割為多通道窄帶信號對超高速目標(biāo)的檢測算法,對目標(biāo)檢測后進(jìn)一步的寬帶成像處理可作為后續(xù)研究問題.

圖1 算法實現(xiàn)原理框圖

3 數(shù)據(jù)仿真驗證與分析

為驗證本文算法的有效性,建立如下仿真場景:某寬帶地面雷達(dá)對超高速低空飛行目標(biāo)進(jìn)行實時監(jiān)控.雷達(dá)工作參數(shù)如表1所示．

分析不同反射模型對算法的影響,仿真中設(shè)定了單個和多個強散射點高速目標(biāo),目標(biāo)的輸入信噪比為0.8 dB.目標(biāo)參數(shù)如表2所示．

表1 雷達(dá)參數(shù)

表2 目標(biāo)參數(shù)

利用傳統(tǒng)方法的單散射點目標(biāo)信號處理結(jié)果如圖2所示．可以看到,采用傳統(tǒng)的相參積累處理方法不能對目標(biāo)進(jìn)行有效積累.

圖3為本文算法的信號處理結(jié)果.選擇數(shù)字帶通濾波器數(shù)目為10,子窄帶通道帶寬為30MHz,對應(yīng)距離分辨率為5 m,相干處理間隔(Coherent Process Interval,CPI)內(nèi)目標(biāo)的距離走動量為3.955 2 m,在每一子窄帶內(nèi),目標(biāo)距離走動可以忽略. 對比圖2和圖3可見,采用寬帶變多通道窄帶信號處理后,單目標(biāo)回波信號能量得到了有效積累.

(a) 三維圖

(b) 剖面圖圖2 寬帶脈沖串經(jīng)壓縮-MTD處理結(jié)果

(a) 三維圖

(b) 剖面圖圖3 單散射點寬帶信號變多通道窄帶信號處理結(jié)果

(a) 三維圖

(b) 剖面圖圖4 多散射點寬帶信號變多通道窄帶信號處理結(jié)果

對于多散射點目標(biāo)(3個散射點,各散射點距離相差并不超過1 m),由于各散射點間距離小于子窄帶距離分辨力,因此目標(biāo)逐次回波在進(jìn)行脈沖壓縮時以單散射點目標(biāo)處理. 圖4給出了多散射點寬帶信號變多通道窄帶信號處理結(jié)果. 圖4(b)比圖3(b)目標(biāo)回波信號能量強,這是由于多個散射點目標(biāo)能量部分累加的原因.

接下來,將本文算法與傳統(tǒng)方法的檢測性能進(jìn)行比較.雷達(dá)參數(shù)如表1所示,分隔帶通濾波器數(shù)目N為10,目標(biāo)速度v為3 090 m/s,初始時刻目標(biāo)與雷達(dá)的初始徑向距離為1 km. 采用蒙特卡洛仿真的方法得到虛警概率和檢測概率,繪制曲線如圖5所示. 從圖5中可看出,采用本文算法能夠明顯改善寬帶雷達(dá)對高速運動目標(biāo)的檢測性能.

圖5 兩種處理方法的目標(biāo)檢測性能比較

4 結(jié) 論

本文提出了線性調(diào)頻寬帶信號變多通道窄帶信號處理算法,通過將寬帶信號變?yōu)槎嗤ǖ勒瓗盘?以降低雷達(dá)距離分辨力,從而使得在相參積累處理時高速目標(biāo)距離走動不超出單個距離分辨單元,可提高雷達(dá)探測高速目標(biāo)的能力.寬帶雷達(dá)在利用本文算法實現(xiàn)超高速目標(biāo)檢測的基礎(chǔ)上,還可利用目標(biāo)跟蹤信息實現(xiàn)距離維成像.

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史小斌 (1977-),男,陜西人,西安電子研究所高級工程師,博士研究生,研究方向為地面雷達(dá)總體技術(shù).

顧紅 (1967-),男,江蘇人,博士生導(dǎo)師,研究方向為新體制雷達(dá)、現(xiàn)代數(shù)字信號處理算法研究與實現(xiàn).

蘇衛(wèi)民 (1959-),男,江蘇人,博士生導(dǎo)師,研究方向為雷達(dá)成像理論、自適應(yīng)陣列信號處理.

High speed targets detection algorithm based on multichannel narrow-band signal by wide-band signal decomposed

SHI Xiaobin1,2GU Hong1SU Weimin1

(1.NanjingUniversityofScienceandTechnologySchoolofElectronicandOpticalEngineering,Nanjing210094,China; 2.Xi’anElectronicEngineeringResearchInstitute,Xi’an710100,China)

The target range migration may decrease the performance of the conventional moving target detection(MTD) coherent integration, which means that the accumulation time is restrained by target motion. The Keystone transform can correct target range migration, but it need to accurately estimate the target velocity, which is difficult to satisfy. In this paper, an algorithm of the wide-band linear frequency modulation signal decomposed into narrow-band multichannel signal to detect high speed targets is present, which does not require prior knowledge of the speed of high-speed moving target and can improves the wideband radar performance of detection of high speed target. The simulation results demonstrate the availability of the proposed method.

wide-band LFM radar; high-speed moving target; rang migration; MTD

10.13443/j.cjors.2015091501

2015-09-15

國家自然科學(xué)基金(61471198)； 中國航天科技集團(tuán)公司航天科技創(chuàng)新基金(CASC04-02)

TN995+.2

A

1005-0388(2016)04-0647-07

史小斌, 顧紅, 蘇衛(wèi)民. 寬帶變多通道窄帶信號檢測高速目標(biāo)算法[J]. 電波科學(xué)學(xué)報,2016,31(4):647-653.

SHI X B, GU H, SU W M. High speed targets detection algorithm based on multichannel narrow-band signal by wide-band signal decomposed[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(4):647-653. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015091501

聯(lián)系人： 史小斌 E-mail: 57027236@qq.com