专利名称：线性调频连续波体制运动目标参数估计方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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[t-pq-T02T0]---(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[m]=FFT{SI(t)}]]>=AI·FFT{cos(2π(ατt-f0τ-ατ22))}]]>=AI·R[m]---(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。

发明内容
本发明的目的在于提高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，本发明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的r、v值即为目标距离和速度的估计 与传统的两次FFT方法相比，本发明采用了精确的目标回波数学模型，消除了近似方法引起的系统误差，小步长50-300米的搜索方法又消除了回波谱离散产生的量化误差，参数估计精度大大提高，测距量化误差仅为几十至几百米，比现有技术提高一个数量级，有利于运动目标的检测和跟踪；另一方面，高精度的距离估计降低了通过增大调频带宽B提高距离分辨率的必要性，放宽了对波形设计的要求，有利于优化系统设计，提高雷达整体性能。
下面结合附图和实施例，对本发明作更加详细的说明。


图1，是高频地波雷达工作原理2，是距离-速度二维联合估计实施方案示意3，是距离一维估计实施方案示意图具体实施方式
根据(16)、(17)式可以直接计算出理想回波谱，关键是如何通过与实际回波谱的比较对目标参数进行估计。
实际二维回波谱可以表示为P′2D(m，n)＝A′I·P(m，n，r′，v′)+N(m，n)(18)A′I是回波基带信号振幅，r′、v′分别是目标的实际距离和径向速度，N(m，n)是回波谱噪声成分。对二维回波谱进行目标峰值检测，谱峰对应的离散频率为mr和nv，则定义
β1=P(mr-1,nv,r,v)P(mr,nv,r,v)---(19)]]>β1′=P2D′(mr-1,nv)P2D′(mr,nv)=AI′·P(mr-1,nv,r′,v′)+N(mr-1,nv)AI′·P(mr,nv,r′,v′)+N(mr,nv)---(20)]]>β2=P(mr+1,nv,r,v)P(mr,nv,r,v)---(21)]]>β2′=P2D′(mr+1,nv)P2D′(mr,nv)=AI′·P(mr-1,nv,r′,v′)+N(mr+1,nv)AI′·P(mr,nv,r′,v′)+N(mr,nv)---(22)]]>γ1=P(mr,nv-1,r,v)P(mr,nv,r,v)---(23)]]>γ1′=P2D′(mr,nv-1)P2D′(mr,nv)=AI′·P(mr,nv-1,r′,v′)+N(mr,nv-1)AI′·P(mr,nv,r′,v′)+N(mr,nv)---(24)]]>γ2=P(mr,nv+1,r,v)P(mr,nv,r,v)---(25)]]>γ2′=P2D′(mr,nv+1)P2D′(mr,nv)=AI′·P(mr,nv+1,r′,v′)+N(mr,nv+1)AI′·P(mr,nv,r′,v′)+N(mr,nv)---(26)]]>P′2D(m，n)是已知的实际回波谱，因而β′1、β′2、γ′1、γ′2已知，β1、β2、γ1、γ2是r和v的函数，可以表示为β1(r，v)、β2(r，v)、γ1(r，v)、γ2(r，v)。
图2说明了距离-速度二维联合估计的一种实施方案。采用与实际系统相同的工作参数f0和α，以合适的步长对r、v值进行搜索，仿真计算出多组理想目标回波谱P(m，n，r，v)并保存。构造一个二维搜索函数fSEARCH(r，v)＝|β1(r，v)-β′1|2+|β2(r，v)-β′2|2+|γ1(r，v)-γ′1|2+|γ2(r，v)-γ′2|2(27)由于P(m，n，r，v)已经计算得到，因而β1(r，v)、β2(r，v)、γ1(r，v)、γ2(r，v)也已知。在理想情况下N(m，n)≡0，由(20)、(22)、(24)、(26)式显然有β1′=P(mr-1,nv,r′,v′)P(mr,nv,r′,v′)---(28)]]>β2′=P(mr+1,nv,r′,v′)P(mr,nv,r′,v′)---(29)]]>γ1′=P(mr,nv-1,r′,v′)P(mr,nv,r′,v′)---(30)]]>γ2′=P(mr,nv+1,r′,v′)P(mr,nv,r′,v′)---(31)]]>
对r、v进行二维搜索，当r→r′、v→v′时，β1→β′1，β2→β′2，γ1→γ′1，γ2→γ′2，fSEARCH(r，v)→0，即理想回波谱与实际回波谱达到了最佳匹配。实际回波谱中噪声不可避免，取fSEARCH(r，v)达到最小值时对应的r、v值作为目标距离和速度的估值 这种方案对距离和速度的估计精度都比较高，但二维搜索计算量较大，在计算能力允许时可以采用。
图3说明了距离一维估计的一种实施方案。对于高频雷达，较高的测速精度可以通过加大信号处理相干积累时间获得，关键是要提高测距精度，因此二维联合估计的方法可以简化为一维估计。根据检测出的多普勒频率nv可以得到较为精确的速度估计 采用与实际系统相同的工作参数f0和α，以合适的步长对r进行搜索，仿真计算出多组理想目标回波谱 并保存。重新构造一个搜索函数fSEARCH(r)=|β1(r,v^)-β1′|2+|β2(r,v^)-β2′|2---(32)]]>此时搜索函数是一维的，达到最小值时对应的r为距离的估值 这种方案对距离的估计精度比联合估计略差，但计算量小很多，比较实用。
当雷达有多个接收通道时，根据每个通道回波都可以得到一组β′1、β′2、γ′1、γ′2，统计平均后代入(27)或(32)式，将会提高参数估计精度。
二维联合估计和距离一维估计可以统称为搜索匹配法，是针对点目标模型提出的。由于高频雷达的距离分辨率一般为几公里甚至几十公里，远远大于移动目标(舰船、飞机等)的尺寸，满足点目标模型，因此本发明很适合高频雷达目标参数估计。实际上，本发明可应用于满足点目标模型的任何FMCW探测系统(包括雷达、声纳等)中。对于多目标的情况，只要目标间的距离、速度之差大于分辨率的两倍，目标回波谱副瓣对邻近目标的影响很小，搜索匹配法就能加以分辨并保持较高的估计精度。
权利要求
1.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SI(t)=AIcos(2π(ατt-f0τ-ατ22))=AI·f(r,v,t)--(1)]]>P2D(m，n，r，v)＝FFT{FFT{SI(t)}}＝AI·FFT{FFT{f(r，v，t)}}(2)＝AI·P(m，n，r，v)fSEARCH(r，v)＝|β1(r，v)-β′1|2+|β2(r，v)-β′2|2+|γ1(r，v)-γ′1|2+|γ2(r，v)-γ′2|2(3)其中，SI(t)为回波基带信号；P2D(m，n，r，v)为二维回波谱；fSEARCH(r，v)为用于估计距离和速度的搜索函数；f0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。
2.如权利要求1所述的目标参数估计方法，其特征在于只对目标的距离r进行搜索，根据检测出的多普勒频率nv得到较为精确的速度估计 用以下公式估计目标距离fSEARCH(r)=|β1(r,v^)-β1′|2+|β2(r,v^)-β2′|2--(4)]]>
全文摘要
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、。
文档编号G01S13/536GK1566985SQ03128239
公开日2005年1月19日 申请日期2003年6月30日 优先权日2003年6月30日
发明者程丰, 柯亨玉, 杨子杰 申请人:武汉大学