一种外辐射源雷达的跨距离单元补偿方法与流程

1.本发明属于电子技术领域，具体涉及一种外辐射源雷达的跨距离单元补偿方法。


背景技术：

2.在基于地面调频广播、数字电视信号和卫星电视信号的外辐射源雷达系统中，通过接收直达波信号和目标散射信号，并进行长时间相关处理提高信号信噪比，得到信号的互模糊函数，从而检测目标。由于目标散射的回波信号功率比较小，必须经过长时间的相关积累提高信号的信噪比。长时间的相关积累时间，会带来目标距离单元走动问题。因为在长时间的相关时间内，空中飞机目标的运动距离会超过系统的单个距离单元和多普勒单元，使得信号在距离和多普勒域上出现散焦，目标信号的信噪比降低。因此，在外辐射源雷达的信号处理中必须要做跨距离单元补偿处理，提高信号的信噪比。可以会应用keystone变换，进行跨距离单元补偿。但是，keystone变换计算量巨大，很难进行工程应用。需要研究计算量下，能够进行工程应用的跨距离单元补偿方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于：
4.本发明提供一种外辐射源雷达的跨距离单元补偿方法，能够有效补偿目标运动对相关处理增益的影响，提升信噪比，提高系统的目标检测性能，同时便于工程快速实现。
5.本发明采用的技术方案：
6.一种外辐射源雷达的跨距离单元补偿方法，包括如下步骤：
7.步骤1、对回波信号和参考信号进行分段处理；步骤2、将分段的目标信号进行在频域进行脉冲压缩处理；步骤3、针对频域脉冲压缩数据进行keystone变换，消除目标运动的影响；步骤4、针对二维信号，在快时间上进行傅里叶逆变换，并在慢时间上进行傅里叶变换，得到目标回波信号的距离
‑
多普勒二维信号；步骤5、运动补偿处理仿真。
8.所述步骤1具体包括如下步骤：选定辐射源，通过对接收到的信号进行分段处理，进而实现对目标的检测以及对目标参数的估计。
9.所述信号包括直达波信号和回波信号，由于外辐射源雷达系统接收的卫星信号是连续波，需采取模拟主动雷达常用的脉冲方式进行处理，因此需要对连续信号进行分段，每段被称为等效脉冲，定义段内时间为快时间，段间时间为慢时间。
10.将信号均分成一段段的等效脉冲，在分段处理过程中，直达波信号和回波信号被均分为m段，每段直达波信号的长度为n，每段回波信号的长度为n t
d
，t
d
表示系统探测最大时延所对应的数据长度，即t
d
＝τ
max
·
f
s
，f
s
表示采样频率；τ
max
表示目标回波的最大时延。对于回波信号，段与段之间交叠的长度为t
d
。
11.所述分段处理的具体过程为：
12.设m表示积累数据长度内直达波信号的段数，分段后的直达波信号可以写成快时间
‑
慢时间二维矩阵形式，每个慢时间对应一个快时间向量：
[0013][0014]
其中，这里将m和n分别称为慢时间采样点和快时间采样点；
[0015]
类似的，分段后的每段回波信号表达式如下：
[0016][0017]
将数据分为两段来做能量积累。
[0018]
所述步骤2的具体过程为：
[0019]
将每段参考信号进行fft运算，并取该频域信号的共轭，同时把每段的回波信号进行fft运算；然后将获得的两个频域信号进行相乘，从而得到目标回波信号在频域的脉冲压缩信号；将获得多段频域脉冲压缩数据进行排列，从而得到目标回波信号在频域和慢时间的二维数据。
[0020]
所述步骤3的具体过程为：雷达接收通道接收回波通过频域脉压后可表示为：
[0021][0022]
第一个指数项表示目标回波在初始时刻的相位，第二个指数项可以拆解为和口两项。
[0023]
所述keystone变换式为：
[0024][0025]
经过keystone变换后可以得到：
[0026][0027]
其中：s
e
(f，τ
m
)的取值应当在s
e
(f，t
m
)平面通过插值得到。
[0028]
所述keystone通过插值进行变换，变换过程为，keystone变换前的数据在快时间频率
‑
慢时间域上呈矩形形式排列，此时对于任意的快时间频率f，对应的慢时间采样间隔都是一样的；插值变换后的数据点表现成一个倒梯形的形状，再将插值的数据点重排成矩形形式。
[0029]
所述步骤4的具体过程为：
[0030]
将经过keystone变换的结果在快时间维进行傅里叶逆变换，变换到快时间
‑
慢时间域，得到：
[0031][0032]
其中：f
d
＝
‑
a
τ
f
c
，在慢时间维进行傅里叶变换实现信号的相干积累得到距离
‑
多普勒两维数据矩阵，再对其进行信号检测。
[0033]
本发明的有益效果：
[0034]
本发明提供一种外辐射源雷达的跨距离单元补偿方法，补偿后目标能量聚集在一个距离单元内，信噪比得到了有效提高。在实测数据的处理过程中，通过将目标回波数据进
行分段处理，并利用keystone变换算法对目标的跨距离单元走动进行了补偿，并有效聚集了目标能量，提高了信噪比，提高了系统的目标检测性能。
附图说明
[0035]
图1为本发明提供的一种外辐射源雷达的跨距离单元补偿方法流程图；
[0036]
图2为连续信号分段示意图；
[0037]
图3为外辐射源雷达探测飞行目标示意图；
[0038]
图4为目标回波分段示意图；
[0039]
图5为跨距离单元走动频域示意图；
[0040]
图6为keystone变换过程。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种外辐射源雷达的跨距离单元补偿方法作进一步详细说明。
[0042]
如图1所示，本发明提供的一种外辐射源雷达的跨距离单元补偿方法，包括如下步骤：
[0043]
步骤1、对回波信号和参考信号进行分段处理
[0044]
本实施例中，外辐射源雷达系统采用调频广播、数字电视信号和卫星广播电视信号作为辐射源，通过对接收到的信号进行分段处理，进而实现对目标的检测以及对目标参数的估计。其中，信号包括直达波信号和回波信号，由于外辐射源雷达系统接收的卫星信号是连续波，需采取模拟主动雷达常用的脉冲方式进行处理，因此需要对连续信号进行分段，如图1所示，每段被称为等效脉冲，定义段内时间为快时间，段间时间为慢时间。
[0045]
将信号均分成一段段的等效脉冲，如图2所示，在分段处理过程中，直达波信号和回波信号被均分为m段，每段直达波信号的长度为n，每段回波信号的长度为n t
d
，t
d
表示系统探测最大时延所对应的数据长度，即t
d
＝τ
max
·
f
s
，f
s
表示采样频率；τ
max
表示目标回波的最大时延。对于回波信号，段与段之间交叠的长度为t
d
。
[0046]
如图3和图4所示，以卫星广播电视信号为信号源，民航飞机为目标，进行接收的外辐射源雷达系统接收的数据分段示意图。
[0047]
设m表示积累数据长度内直达波信号的段数，分段后的直达波信号可以写成快时间
‑
慢时间二维矩阵形式，每个慢时间对应一个快时间向量：
[0048][0049]
其中，这里将m和n分别称为慢时间采样点和快时间采样点。
[0050]
类似的，分段后的每段回波信号表达式如下：
[0051][0052]
而对于实测数据，由于本次数据为单波束数据，目标运动速度较快，因此目标在波束内驻留时间较短，数据长度较短，综合各个指标，考虑将数据分为两段来做能量积累。
[0053]
在外辐射源系统进行动目标检测的场景中，由于环境中的噪声杂波的影响，通常需要对参考信号与回波信号进行长时间的能量积累以达到较高信噪比。
[0054]
步骤2、将分段的目标信号进行在频域进行脉冲压缩处理
[0055]
将每段参考信号进行fft运算，并取该频域信号的共轭，同时把每段的回波信号进行fft运算。然后将获得的两个频域信号进行相乘，从而得到目标回波信号在频域的脉冲压缩信号。将获得多段频域脉冲压缩数据进行排列，从而得到目标回波信号在频域和慢时间的二维数据。
[0056]
步骤3、针对频域脉冲压缩数据进行keystone变换，消除目标运动的影响
[0057]
无源雷达接收通道接收回波通过频域脉压后可表示为：
[0058][0059]
第一个指数项表示目标回波在初始时刻的相位，第二个指数项可以拆解为和口两项。虚线表示由引起的相位变化，这种变化与快时间频率无关；实线表示由项引起的相位变化，可以看出随着快时间频率f的增加相位也随着慢时间t
m
变化。正是由于斜线的相位变化，使得相邻段信号包络发生了平移，这是距离单元走动在频域上的解释，如图5所示。
[0060]
keystone变换式为：
[0061][0062]
keystone变换即通过变量代换将τ
m
当作新的时间坐标，这样使得目标回波信号在频谱中的线性相位因子就不再出现，变换后将上图中实线校正为平行线的形式，使得波形包络不再发生移位。经过keystone变换后可以得到：
[0063][0064]
然而，项目中雷达是沿着慢时间的t
m
维进行采样的，而时刻τ
m
实际上没有采样值且τ
m
的取值还与f有关。因此s
e
(f，τ
m
)的取值应当在s
e
(f，t
m
)平面通过插值得到。
[0065]
keystone变换过程如图6所示，keystone变换前的数据格式如左图圆点所示，在快时间频率
‑
慢时间域上呈矩形形式排列，此时对于任意的快时间频率f，对应的慢时间采样间隔(等效脉冲重复间隔)都是一样的。插值后的数据格式如右图圆点所示。对于f大于0，f越大慢时间采样间隔越大；对于f小于0，f越小慢时间采样间隔越小。插值后的数据点表现成一个倒梯形的形状，再将插值的数据点重排成矩形形式，如右图的蓝色圆点所示，此时keystone变换完成。
[0066][0067]
式中为基带信号。
[0068]
步骤4、针对二维信号，在快时间上进行傅里叶逆变换，并在慢时间上进行傅里叶变换，得到目标回波信号的距离
‑
多普勒二维信号。
[0069]
将经过keystone变换的结果在快时间维进行傅里叶逆变换，变换到快时间
‑
慢时间域，得到：
[0070]
[0071]
其中：f
d
＝
‑
a
τ
f
c
，在慢时间维进行傅里叶变换实现信号的相干积累得到距离
‑
多普勒两维数据矩阵，再对其进行信号检测。
[0072]
步骤5、运动补偿处理仿真
[0073]
仿真参数如表1所示
[0074]
表1运动补偿处理仿真参数
[0075]
目标速度2马赫，目标航向：280
°
，匀速平飞照射源载波参数12.5ghz，调制方式qpsk，符号速率：27.7msps仿真时长2s相关积累时间0.67s相关积累带宽30mhz理论相关处理增益73db
[0076]
计算仿真时间段内，目标时频差变化，可以看出2s内目标的时频和频差都发生了明显的迁移，远远超出了系统时差和频差处理分辨率。
[0077]
得到结论
[0078]
(1)ku频段卫星照射源场景下，高速运动目标电磁扰动信号会产生明显的时差和多普勒频差迁移，直接处理会严重抑制相关处理增益；
[0079]
(2)本方法可有效补偿目标运动对相关处理增益的影响，同时便于工程快速实现。