基于三阶时间尺度变换的雷达回波长相参积累方法及装置

本发明涉及信号处理，具体涉及一种基于三阶时间尺度变换的雷达回波长相参积累方法及装置。

背景技术：

1、长时间积累算法是雷达提升微弱目标检测中提升信噪比的有效方法，常用于信噪比较低情况下大幅提升积累增益以达到信噪比超越检测门限的目的。现有常用的短时间积累算法都有一个隐含的假设，即目标在运动时间内不存在跨距离单元走动和跨多普勒单元扩散现象。

2、但在实际应用中，随着观测期间的加长，目标运动导致存在跨距离单元走动和跨多普勒单元扩散现象几乎是不可避免的。跨距离单元走动和跨多普勒单元扩散使得能量被积累在多个不同的距离单元和多普勒单元，信噪比积累增益难以达到持续提升。

3、因此亟需发明一种更为稳健的积累算法，使得在长时间内目标回波能够相参积累到一个距离-多普勒单元，达到长积累时间提升积累增益的目的，从而为目标检测提供足够的信噪比。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种基于三阶时间尺度变换的雷达回波长相参积累方法及装置，通过三阶时间尺度变换，解决了在现有雷达长时间相参积累中，传统方法无法高效检测存在速度和加速度目标的问题，实现回波能量在距离-多普勒域的有效汇聚，提升信噪比以满足微弱目标检测需求。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于三阶时间尺度变换的雷达回波长相参积累方法，包括：

3、通过对雷达回波进行快时间域傅里叶变换，将雷达回波变换到距离频域；在所述距离频域内对雷达回波进行匹配滤波，且不进行距离向傅里叶逆变换，得到频域匹配滤波后的雷达回波基础数据；

4、基于观测目标的速度、加速度、急动度可能取值范围，设定加速比、急速比取值范围；

5、对所述加速比、急速比取值范围内的每个加速比、急速比，根据三阶时间尺度变换原理计算经过三阶时间尺度变换后的新慢时间范围；根据雷达的脉冲重复频率对所述新慢时间范围进行离散化处理，得到离散的新慢时间；

6、对每个所述新慢时间及所述加速比、急速比，通过三阶时间尺度变换公式进行反向求解计算，获得所述新慢时间对应的三阶时间尺度变换前的原慢时间；

7、基于所述原慢时间，结合所述频域匹配滤波后的雷达回波基础数据，通过设定插值算法进行插值计算，获得所述新慢时间下的雷达回波数据；

8、对所述新慢时间下的雷达回波数据进行距离向傅里叶逆变换，获得距离-新慢时间域的回波数据；基于所述距离-新慢时间域的回波数据，进行方位向傅里叶变换，获得距离-多普勒域的相参积累回波数据；

9、将所述加速比、急速比取值范围内的所有所述加速比、急速比进行重复计算，获得所有所述加速比、急速比分别对应的所述距离-多普勒域的相参积累回波数据。

10、作为基于三阶时间尺度变换的雷达回波长相参积累方法优选方案，所述频域匹配滤波后的雷达回波基础数据的表达式为：

11、

12、式中，s(f,ηm)为雷达回波基础数据；k为调频率；tp为时宽；fc为发射信号载频；a为回波的幅度；τ为目标的回波时间延迟；tm为总的相参积累时间；ηm为按照脉冲重复频率prf离散化后的慢时间变量，其值为m/prf，最小值为0，最大值为m/prf，m∈z，z为整数集合；f为距离频率；j为虚数单位；v为目标速度；a为目标加速度；k为目标急动度；c为电磁波传播速度；r0为目标在0时刻与雷达间的距离。

13、作为基于三阶时间尺度变换的雷达回波长相参积累方法优选方案，设定加速比、急速比取值范围，根据雷达参数和待搜索的加速比、急速比依据三阶时间尺度变换计算新慢时间的取值范围，即最小和最大值，并按照prf进行离散化，新慢时间的最小值为0，最大值表达式为：

14、

15、式中，rav为加速比，rkv为急速比；

16、在范围内按照prf进行离散化后新慢时间表达式为

17、

18、式中，为新慢时间；为离散化后新慢时间索引，

19、作为基于三阶时间尺度变换的雷达回波长相参积累方法优选方案，根据prf量化后的新慢时间计算得到原慢时间，所述原慢时间表达式为：

20、

21、其中，

22、

23、式中，y1、y2、a、b、c为计算的中间变量。

24、作为基于三阶时间尺度变换的雷达回波长相参积累方法优选方案，通过所述插值算法进行插值计算，获得所述新慢时间下的雷达回波数据的过程中，所述新慢时间下的雷达回波数据的表达式为：

25、

26、式中，s(f,ηm)为原慢时间下雷达回波数据，p为插值核长度，i为求和索引，为对进行四舍五入取整后的整数。

27、作为基于三阶时间尺度变换的雷达回波长相参积累方法优选方案，通过对距离频域-新慢时间域回波数据关于距离频率的傅里叶逆变换得到距离-新慢时间域回波数据，所述距离-新慢时间域的回波数据的表达式为：

28、

29、式中，为距离-新慢时间域的回波数据；

30、通过距离-新慢时间域回波数据关于新慢时间的傅里叶变换得到距离-多普勒域相参积累回波数据，所述距离-多普勒域的相参积累回波数据的表达式为：

31、

32、式中，为距离-多普勒域的相参积累回波数据。

33、本发明还提供一种基于三阶时间尺度变换的雷达回波长相参积累装置，采用上述的基于三阶时间尺度变换的雷达回波长相参积累方法，包括：

34、雷达回波基础数据获取模块，用于通过对雷达回波进行快时间域傅里叶变换，将雷达回波变换到距离频域；在所述距离频域内对雷达回波进行匹配滤波，且不进行距离向傅里叶逆变换，得到频域匹配滤波后的雷达回波基础数据；

35、加速比、急速比取值范围设定模块，用于基于观测目标的速度、加速度、急动度可能取值范围，设定加速比、急速比取值范围；

36、新慢时间获取模块，用于对所述加速比、急速比取值范围内的每个加速比、急速比，根据三阶时间尺度变换原理计算经过三阶时间尺度变换后的新慢时间范围；根据雷达的脉冲重复频率对所述新慢时间范围进行量化处理，得到离散的新慢时间；

37、原慢时间获取模块，用于对每个所述新慢时间及所述加速比，通过三阶时间尺度变换公式进行反向求解计算，获得所述新慢时间对应的三阶时间尺度变换前的原慢时间；

38、新慢时间下的雷达回波数据获取模块，用于基于所述原慢时间，结合所述频域匹配滤波后的雷达回波基础数据，通过设定插值算法进行插值计算，获得所述新慢时间下的雷达回波数据；

39、距离-多普勒域的相参积累回波数据获取模块，用于对所述新慢时间下的雷达回波数据进行距离向傅里叶逆变换，获得距离-新慢时间域的回波数据；基于所述距离-新慢时间域的回波数据，进行方位向傅里叶变换，获得距离-多普勒域的相参积累回波数据；

40、重复计算模块，用于将所述加速比、急速比取值范围内的所有所述加速比、急速比进行重复计算，获得所有所述加速比、急速比分别对应的所述距离-多普勒域的相参积累回波数据。

41、作为基于三阶时间尺度变换的雷达回波长相参积累装置优选方案，所述雷达回波基础数据获取模块中，所述频域匹配滤波后的雷达回波基础数据的表达式为：

42、

43、式中，s(f,ηm)为雷达回波基础数据；k为调频率；tp为时宽；fc为发射信号载频；a为回波的幅度；τ为目标的回波时间延迟；tm为总的相参积累时间；ηm为按照脉冲重复频率prf离散化后的慢时间变量，其值为m/prf，最小值为0，最大值为m/prf，m∈z，z为整数集合；f为距离频率；j为虚数单位；v为目标速度；a为目标加速度；k为目标急动度；c为电磁波传播速度；r0为目标在0时刻与雷达间的距离。

44、作为基于三阶时间尺度变换的雷达回波长相参积累装置优选方案，所述加速比、急速比取值范围设定模块中，设定加速比、急速比取值范围，根据雷达参数和待搜索的加速比、急速比依据三阶时间尺度变换计算新慢时间的取值范围，即最小和最大值，并按照prf进行离散化，新慢时间的最小值为0，最大值表达式为：

45、

46、式中，rav为加速比，rkv为急速比。

47、在范围内按照prf进行离散化后新慢时间表达式为

48、

49、式中，为新慢时间；为离散化后新慢时间索引，

50、作为基于三阶时间尺度变换的雷达回波长相参积累装置优选方案，所述原慢时间获取模块中，根据prf量化后的新慢时间通过三阶时间变换的逆过程计算得到原慢时间，所述原慢时间表达式为：

51、

52、其中，

53、

54、式中，y1、y2、a、b、c为计算的中间变量。

55、作为基于三阶时间尺度变换的雷达回波长相参积累装置优选方案，所述新慢时间下的雷达回波数据获取模块中，在通过所述设定插值算法进行插值计算，获得所述新慢时间下的雷达回波数据的过程中，所述新慢时间下的雷达回波数据的表达式为：

56、

57、式中，s(f,ηm)为原慢时间下雷达回波数据，p为插值核长度，i为求和索引，为对进行四舍五入取整后的整数。

58、作为基于三阶时间尺度变换的雷达回波长相参积累装置优选方案，所述距离-多普勒域的相参积累回波数据获取模块中，通过对距离频域-新慢时间域回波数据关于距离频率的傅里叶逆变换得到距离-新慢时间域回波数据，所述距离-新慢时间域的回波数据的表达式为：

59、

60、式中，为距离-新慢时间域的回波数据。

61、作为基于三阶时间尺度变换的雷达回波长相参积累装置优选方案，所述距离-多普勒域的相参积累回波数据获取模块中，通过距离-新慢时间域回波数据关于新慢时间的傅里叶变换得到距离-多普勒域相参积累回波数据，所述距离-多普勒域的相参积累回波数据的表达式为：

62、

63、式中，为距离-多普勒域的相参积累回波数据。

64、本发明具有如下优点：本发明通过对雷达回波进行快时间域傅里叶变换，将雷达回波变换到距离频域；在所述距离频域内对雷达回波进行匹配滤波，且不进行距离向傅里叶逆变换，得到频域匹配滤波后的雷达回波基础数据；基于观测目标的速度、加速度、急动度信息可能取值范围，设定加速比、急速比取值范围；对所述加速比、急速比取值范围内的每个加速比、急速比，根据三阶时间尺度变换原理计算经过三阶时间尺度变换后的新慢时间范围；根据雷达的脉冲重复频率对所述新慢时间范围进行离散化处理，得到离散的新慢时间；对每个所述新慢时间及所述加速比、急速比，通过三阶时间尺度变换公式进行反向求解计算，获得所述新慢时间对应的三阶时间尺度变换前的原慢时间；基于所述原慢时间，结合所述频域匹配滤波后的雷达回波基础数据，通过设定插值算法进行插值计算，获得所述新慢时间下的雷达回波数据；对所述新慢时间下的雷达回波数据进行距离向傅里叶逆变换，获得距离-新慢时间域的回波数据；基于所述距离-新慢时间域的回波数据，进行方位向傅里叶变换，获得距离-多普勒域的相参积累回波数据；将所述加速比、急速比取值范围内的所有所述加速比、急速比进行重复计算，获得所有所述加速比、急动比分别对应的所述距离-多普勒域的相参积累回波数据。本发明通过三阶时间尺度变换核心技术，同时校正目标运动引发的一阶、二阶和三阶距离走动，并消除二阶和三阶运动导致的多普勒扩散现象，避免传统方法因忽略二阶及三阶距离走动导致的能量分散问题，让雷达回波能量在距离-多普勒域高效汇聚，相比传统距离多普勒算法及楔石变换-分数阶傅里叶变换(keystonetransform-fractional fourier transform，kt-frft)相参积累方法，获得更高的相参积累增益，大幅提升信噪比，更利于微弱目标检测，且方法流程清晰、可操作性强，对应装置模块划分合理，便于工程实现，能广泛适配各类需探测含速度、加速度与急动度目标的雷达系统，实用价值与推广前景突出。