专利名称：一种同时测量高速运动目标的速度和距离的方法
技术领域：
本发明涉及雷达测量技术领域，更具体地，本发明涉及一种用于同时测量高速运 动目标的速度和距离的方法。
背景技术：
目前，雷达系统通过测量发射信号的回波延迟来获得目标的距离信息，通过测量 回波的多普勒频率来获得目标相对于雷达的径向速度。对于远程雷达来说，需要长脉冲来 获得足够的能量，以检测远距离的小目标。然而，长脉冲在距离上分辨率较差，在此情况中 可以采用调频或调相来增大长脉冲的频谱宽度，从而获得如同短脉冲的分辨力，这被称为 “脉冲压缩”。雷达中也可以采用连续波波形，连续波雷达信号在发射时接收，进而利用由目标 引起的回波信号的多普勒频移，测出目标的径向速度。简单的连续波雷达不能测量距离。如 果雷达脉冲的宽度足够长，并且目标的多普勒频移足够大，在单个脉冲内以频率变化为基 础来检测目标的多普勒频移也是有可能的。为了在宽度为Tp的单个脉冲内检测多普勒频 移，通常要求一个脉冲内至少有一个周期的多普勒频移fd，或者说fdTp > 1。在许多其他的雷达系统中，速度的径向分量可以根据距离变化率获得。这种测量 径向速度的经典公式为vr = (R2-R1)Z(T2-T1)，即根据T1时的距离R1和T2时的距离R2来获 取。但是，使用多普勒频移是获得径向速度的基本方法，它可以在单次观测的基础上进行。 利用多普勒频移的经典表达式，径向速度、可表示为、=Xfd/2，其中，λ表示波长。在 距离变化率的方法中，假定两次测距之间的时间和多普勒频率测量持续时间相同，则根据 多普勒频移获得的径向速度的精度要远远好于根据距离变化率获得的径向速度的精度。多 普勒频率测量的精度与持续时间有关，测量时间越长，频率精度越好。另外，波长越短，实现 所要求的径向速度精度所需要的观测时间越短。或者说，在给定观测时间的情况下，波长越 短，速度精度越高。根据线性调频脉冲压缩波形的模糊图，在回波信号中，一个大的多普勒频移会导 致所显示的距离并非是真实距离，这称为距离多普勒耦合。许多情况下，多普勒频移产生的 距离误差比较小，这是可以忍受的。如果距离误差比较大，对上升调频和下降调频获得的两 个距离求平均，可以消除多普勒频移的影响。另外，目前存在很多采用长脉冲线性调频信号 的雷达系统，主要用于卫星或弹道导弹等高速运动目标的搜索和跟踪。如美国的“铺路爪”， 发射脉冲可长达16ms，信号带宽达^ΜΗζ。采用这样的长脉冲信号进行高速运动目标测距 时，必然带来很大的测距偏差。假设系统发射线性调频信号带宽为500kHz，时宽为ans，载 波频率2. 3GHz,目标的径向速度为4km/sec，则会产生36. 8km左右的测距偏差，同时脉压主 瓣会展宽11%，因此，应对上述多普勒耦合效应加以利用，并对其影响做出补偿。总之，现有的通过单脉冲同时测速和测距的方法对接收到的宽带线性调频信号解 调频脉冲压缩后，通过复杂的时频分析方法提取目标的速度和距离信息。这些方法实现复 杂，通常适用于大带宽和高载频的雷达系统。然而，用于长距离目标搜索和跟踪的雷达系统
4带宽较窄，现有的方法难以提供目标距离和速度的正确估计。

发明内容
为克服现有同时测速和测距方法中分析复杂、精度差的缺陷，在雷达系统采用长 脉冲线性调频信号时，本发明提出一种通过单脉冲回波来同时测量高速运动目标的距离和 速度的方法。本发明提出的一种同时测量高速运动目标的距离和速度的方法包括步骤10)、接收所述高速运动目标对于单脉冲发射信号产生的回波信号，构造扩展 匹配滤波函数，对所述回波信号进行脉冲压缩，获得所述高速运动目标的距离向分辨；步骤20)、根据所述高速运动目标的距离向分辨，在脉冲压缩后的所述回波信号中 检测目标，提取目标区域；步骤30)、将所提取的目标区域返回到信号谱空间，得到该目标的脉压谱，将该目 标的脉压谱与发射信号谱相关，获取目标的多普勒频移，得到目标相对于雷达的径向速度 估计；步骤40)、在信号谱空间对所述目标脉压谱解脉压，根据所述目标多普勒频移的估 计结果，对目标解脉压谱进行平移；并重新脉压，从而估计目标距离；其中，所述单脉冲发射信号是具有大的时宽带宽积的线性调频信号。其中，步骤10)中，所述单脉冲发射信号为s (t) =8(0^ (」2^。0，其中，8(0 为基带线性调频信号，f。为载波频率，g(t)对应的频谱为G(f)，则所述高速运动目标的回 波频谱为
权利要求
1.一种同时测量高速运动目标的距离和速度的方法包括步骤10)、接收所述高速运动目标对于单脉冲发射信号产生的回波信号，构造扩展匹配 滤波函数，对所述回波信号进行脉冲压缩，获得所述高速运动目标的距离向分辨；步骤20)、根据所述高速运动目标的距离向分辨，在脉冲压缩后的所述回波信号中检测 目标，提取目标区域；步骤30)、将所提取的目标区域返回到信号谱空间，根据该目标的脉压谱，将该目标 的脉压谱与发射信号谱相关，获取目标的多普勒频移，得到目标相对于雷达的径向速度估 计；步骤40)、在信号谱空间对所述目标脉压普解脉压，根据所述目标多普勒频移的估计结 果，对目标的解脉压谱进行平移，并重新脉压，估计目标距离；其中，所述单脉冲发射信号是具有大的时宽带宽积的线性调频信号。
2.权利要求1的方法，其中，步骤10)中，所述单脉冲发射信号为s(t)= g(t) exp (JjJifet)，其中，g(t)为基带线性调频信号，f。为载波频率，g(t)对应的频谱为G(f)， 则所述高速运动目标的回波频谱为
3.权利要求2的方法，其中，步骤10)中，构造和所述单脉冲发射信号相同调频率的扩 展参考频谱，所述扩展参考频谱的宽度为所述单脉冲发射信号的带宽加上所述目标可能的 最大多普勒偏移的两倍，所述扩展参考频谱对应的扩展匹配滤波函数为
4.权利要求3的方法，其中，步骤10)中，使用所述扩展参考频谱对目标回波信号频谱 Sr(f)做脉冲压缩，匹配滤波后的回波信号为
5.权利要求1的方法，其中，步骤20)还包括在脉冲压缩后的所述回波信号中检测目 标，对检测所得目标进行分割，得到所述目标的脉压谱，提取目标区域；其中，通过设定一定的距离门大小，将检测到的目标分割出来；对于空间目标观测，设 定距离门的宽度大于10公里。
6.权利要求3的方法，其中，步骤30)中，将目标回波返回到信号频谱域，并将目标回波 频谱同发射基带信号频谱相关，获取目标回波频谱的偏移，其偏移量为目标的多普勒频率， 得到所述目标径向速度
7.权利要求3的方法，其中，步骤40还包括根据所述目标回波频谱和扩展参考频谱 的共轭相乘，对该目标回波频谱解脉压了根据所估计的目标多普勒频移，对解脉压谱进行 平移，对经过平移的目标回波频谱重新脉压，估计目标距离。
8.权利要求7的方法，其中，步骤40)中，将所提取的目标回波变换到频率域，并对其分 别解脉压，得到目标回波频谱
9.权利要求7的方法，其中，步骤40)中，根据所述目标径向速度，将经过解脉压的目标 回波频谱平移，通过匹配滤波进行脉冲压缩，得到目标回波的脉压结果，通过峰值检测得到 目标的距离估计。
10.权利要求9的方法，其中，步骤40)中，对经过解脉压和平移之后的目标回波频谱重 新脉压，得到所述脉压结果为
全文摘要
本发明披露一种基于单脉冲回波信号来同时进行高速运动目标测距和测速的方法，首先构造扩展参考频谱，对接收回波进行脉冲压缩，并在脉压结果中检测目标。将所提的目标区域返回到频率域，通过目标脉压谱与发射基带信号谱相关，得到目标的多普勒偏移，测量目标的径向速度；同时，将目标脉压谱乘以扩展参考谱，对目标回波解脉压，结合对目标多普勒频移的估计，将解脉压之后的目标谱做相应的平移，进而根据扩展参考谱重新完成脉冲压缩，得到目标距离的估计。
文档编号G01S7/292GK102121989SQ20101020995
公开日2011年7月13日 申请日期2010年6月22日 优先权日2010年1月8日
发明者叶春茂, 宁夏, 山秀明, 彭应宁, 杨健 申请人:清华大学