[發(fā)明專利]一種基于中頻相鄰回波相位差的精確測速方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410169161.3
• 申請日: 2014-04-24
• 公開（公告）號(hào): CN104007435A
• 公開（公告）日: 2014-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黨津津;袁運(yùn)能;黃增樹
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S13/58
• 分類號(hào): G01S13/58
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明;顧煒

1.一種基于中頻相鄰回波相位差的精確測速方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)考慮M個(gè)脈沖相干積累的情況，理想雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為：

其中f_c為信號(hào)中心頻率，T_p為脈沖寬度，μ為線性調(diào)頻斜率，為快時(shí)間，即脈內(nèi)時(shí)間，t_m＝mT_r為慢時(shí)間，即脈間時(shí)間，T_r為脈沖重復(fù)周期，m表示發(fā)射脈沖序號(hào)，為信號(hào)的初始相位；

目標(biāo)反射后的雷達(dá)回波經(jīng)過LFM解調(diào)頻處理后得到的中頻輸出點(diǎn)目標(biāo)信號(hào)為：

Sifv(tm,t‾)=σ·rect(α(t‾-Δτm)Tp)exp{-j2π[μ2(1-α2)t2‾]}exp{-j2π(1-α)fct‾}exp{-j2π[μα2Δτmt‾+fcαΔτm-μ2(αΔτm)2]}---(2)]]>

其中Δτ_m＝τ_m-τ_mr，τ_m＝2R(t_m,0)/c，τ_mr＝2R_ref(t_m)/c，R(t_m,0)為第m個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)目標(biāo)到雷達(dá)的徑向初始距離，R_ref(t_m)為參考距離，c為光速，v為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度，σ為目標(biāo)散射參數(shù)；

(2)速度初始估計(jì)v₀的補(bǔ)償信號(hào)為：

Scv0(tm,t‾)=exp{-j2π[μ2(1-α02)t2‾]}exp{-j2π(1-α0)fct‾}exp{-j2π[μα022RΔ0(tm,0)ct‾+fcα02RΔ0(tm,0)c-μ2(α02RΔ0(tm,0)c)2]}---(3)]]>

其中α0=c-v0c+v0,]]>c為光速，參考距離和距離增量分別為RΔ0(tm,0)=Rref0(tm,0)-Rref(tm),]]>采用此補(bǔ)償信號(hào)來補(bǔ)償脈內(nèi)和脈間的影響，得到補(bǔ)償后的點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)為：

Sifvv0(tm,t‾)=Sifv(tm,t‾)*Scv0(tm,t‾)‾=σ·rect(α(t‾-2RΔ(tm,0)/c)Tp)exp{-j2π[μ2(α02-α2)t2‾]}exp{-j2π(α0-α)fct‾}exp{-j2π[μα22RΔ1(tm,0)ct‾+fcα2RΔ1(tm,0)c-μ2(α2RΔ1(tm,0)c)2]}---(4)]]>

其中補(bǔ)償后新的τmr=2Rref0(tm,0)/c]]>且RΔ1(tm,0)=R(tm,0)-Rref0(tm,0),]]>能夠看出補(bǔ)償后的相位項(xiàng)第一項(xiàng)調(diào)頻斜率極大減小，影響可以忽略不計(jì)，第二項(xiàng)引起回波譜中心的偏移也能夠忽略不計(jì)；

(3)將上述補(bǔ)償后的信號(hào)進(jìn)行去除剩余視頻相位項(xiàng)的信號(hào)處理后，能夠去除信號(hào)相位項(xiàng)中的第五項(xiàng)，即剩余視頻相位項(xiàng)這樣回波相位只剩第三項(xiàng)和第四項(xiàng)；

(4)設(shè)Rc(t_m)表示目標(biāo)質(zhì)心與雷達(dá)的距離，R(t_m,0)用R_k(t_m,0)表示第k個(gè)散射點(diǎn)與雷達(dá)的距離，有：

RΔ1k(tm,0)=Rk(tm,0)-Rref0(tm,0)=Rk(tm,0)-Rc(tm)+Rc(tm)-Rref0(tm,0)=ΔRk(tm)+ΔR(tm),]]>

這樣第k個(gè)散射點(diǎn)的回波相位為：

φk(tm,t‾)=-4παc(αμt‾+fc)RΔ1k(tm,0)=-4παc(αμt‾+fc)(ΔRk(tm)+ΔR(tm))=-4παc(αμt‾+fc)ΔRk(tm)-4παc(αμt‾+fc)ΔR(tm)=-4παc(αμt‾+fc)(Rk(tm,0)-Rc(m))-4παc(αμt‾+fc)(Rc(m)-Rref0(tm,0))---(5)]]>

上式中第一項(xiàng)與第k個(gè)散射點(diǎn)有關(guān)，第二項(xiàng)僅與目標(biāo)的質(zhì)心到雷達(dá)的距離和參考距離有關(guān)，因此第m個(gè)回波信號(hào)能夠?qū)憺椋?/p>

s(tm,t‾)=exp{-j4παc(αμt‾+fc)ΔR(tm)}Σkγkexp{-j4παc(αμt‾+fc)ΔRk(tm)}=Aexp{-j4παc(αμt‾+fc)ΔR(tm)}---(6)]]>

其中，A=Σkγkexp{-j4παc(αμt‾+fc)ΔRk(tm);]]>

(5)對相鄰回波進(jìn)行共軛相乘并考慮接收噪聲，得：

z(tm,t‾)=s(tm,t‾)s*(tm+1,t‾)+u(tm,t‾)=Aexp{j4παc(αμt‾+fc)(ΔR(tm+1)-ΔR(tm))}+u(tm,t‾)---(7)]]>

(6)如果目標(biāo)在處理時(shí)段是勻速的，那么目標(biāo)質(zhì)心與雷達(dá)的之間的距離能夠表示為：

Rc(t_m)＝Rc(0)+vt_m，

此距離與新的參考距離之間的距離差為：

ΔR(tm)=Rc(tm)-Rref0(tm,0)=Rc(0)+vtm-Rref(0)-v0tm=Rc(0)-Rref(0)+Δvtm]]>

其中，Δv＝v-v₀；

這樣ΔR_m,m+1＝ΔR(t_m+1)-ΔR(t_m)＝Δv(t_m+1-t_m)＝ΔvT_r

假設(shè)脈內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)為N，f_s為采樣率，Δt＝1/f_s，考慮接收距離窗，有：

t‾=t^-2Rref(m)/c=(n-1)Δt-Tp/2-TD/2,n=1,2...N]]>

將Δf＝μΔt代入(7)式得：

z(m,n)=Aexp{j4παc(fc-αμ(Tp+TD2))ΔvTr}exp{j4παc(αμ(n-1)Δt)ΔvTr}+u(m,n)=A1ejωn+u(m,n)---(8)]]>

其中這樣就得到信號(hào)的離散化表示形式z(m,n)；

(7)根據(jù)譜估計(jì)的子空間譜估計(jì)算法，能夠較好地進(jìn)行信號(hào)子空間與噪聲子空間分解，根據(jù)(8)式中信號(hào)的特點(diǎn)，采用相關(guān)矩陣奇異值分解方法，估計(jì)對應(yīng)特征值和特征向量，通過特征向量的相應(yīng)分量相角與ω的關(guān)系估計(jì)得出ω。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于中頻相鄰回波相位差的精確測速方法，其特征在于：所述步驟(7)的具體實(shí)現(xiàn)過程是：

a)對于固定的m，相鄰回波共軛相乘后得回波信號(hào)z(m,n)的n₀階相關(guān)矩陣為：

Rz=Ez(m,k)z(m,k+1)...z(m,k+n0-1)z*(m,k)z*(m,k+1)...z*(m,k+n0-1)=|A1|2a(ω)a*(ω)+σ2I---(9)]]>

其中a(ω)=1ejω...ej(n0-1)ωT,]]>σ²是噪聲方差；

根據(jù)矩陣?yán)碚摽梢宰C明R_z有n₀個(gè)特征值a(ω)為矩陣R_z的特征向量，且對應(yīng)于特征值λ₁＝n₀|A₁|²+σ²，其他特征值對應(yīng)的特征向量與a(ω)正交；這樣總體的相關(guān)矩陣為：

Rz^=1N-n0+1Σk=1N-n0+1z(m,k)z(m,k+1)...z(m,k+n0-1)z*(m,k)z*(m,k+1)...z*(m,k+n0-1)---(10)]]>

b)對上述相關(guān)矩陣進(jìn)行奇異值分解，找出最大特征值所對應(yīng)的特征向量b，根據(jù)特征向量各分量的相角增量有再應(yīng)用最小二乘法可以得到ω的估計(jì)

c)在得到ω的估算值后，根據(jù)ω與v之間的關(guān)系得到速度的估計(jì)為：

v^=c8(1+4v0c-1-4ω^πΔfTr-(1-2v0c)8v0c)---(11)]]>

從此式中能夠看出目標(biāo)徑向速度的估計(jì)精度取決于雷達(dá)系統(tǒng)對目標(biāo)回波相位的測量精度，也與由系統(tǒng)采樣率和系統(tǒng)調(diào)頻率確定的Δf、脈沖重復(fù)頻率等有關(guān)。