基于瞬時調(diào)頻率估計的進(jìn)動目標(biāo)的微多普勒提取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于瞬時調(diào)頻率估計的進(jìn)動目標(biāo)的微多普勒提取方法,其步驟為：步驟1，建立空間進(jìn)動錐體目標(biāo)的等效散射點模型；雷達(dá)接收錐體目標(biāo)的回波信號，利用等效散射點模型從回波信號中獲取回波序列；步驟2，用松弛解線調(diào)頻的方法估計回波序列的調(diào)頻率；步驟3，通過隨機(jī)抽樣一致性算法處理回波序列的調(diào)頻率，得到P條調(diào)頻率曲線；步驟4，對P條調(diào)頻率曲線分別做積分運算，得到P條瞬時微多普勒頻率的估計曲線。本發(fā)明實現(xiàn)在低信噪比的情況下也能得到比較高的估計精度。本發(fā)明可用于分析空間進(jìn)動錐體目標(biāo)的微多普勒頻率。
【專利說明】基于瞬時調(diào)頻率估計的進(jìn)動目標(biāo)的微多普勒提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及瞬時多普勒頻率的估計方法，尤其涉及一種基于瞬時調(diào)頻率估計的進(jìn)動目標(biāo)的微多普勒提取方法，用于估計空間進(jìn)動目標(biāo)的微多普勒頻率。
【背景技術(shù)】
[0002]表面光滑的目標(biāo)在大氣層外飛行時，為了保持姿態(tài)的穩(wěn)定性，需要做自旋運動，當(dāng)受到橫向干擾時，在做自旋運動的同時還會繞空間另一定向軸做錐旋運動，這種運動形式被稱為進(jìn)動。美國海軍實驗室的V.C.Chen將進(jìn)動定義為微運動的一種，并將微運動產(chǎn)生的雷達(dá)回波中的多普勒調(diào)制命名為微多普勒調(diào)制。由于目標(biāo)的微運動可以反映其結(jié)構(gòu)、尺寸、微動頻率等重要物理特性，因此微多普勒調(diào)制對空間目標(biāo)識別與參數(shù)估計有著重要的意義，而正確的從雷達(dá)回波中提取出微多普勒調(diào)制則是利用微動信息進(jìn)行目標(biāo)識別與參數(shù)估計的前提。
[0003]現(xiàn)有的瞬時多普勒頻率估計方法大致可以分為非參數(shù)化方法和參數(shù)化方法兩類。非參數(shù)化方法一般首先計算信號的時頻分布，然后通過跟蹤時頻分布圖中的峰值來得到頻率隨時間的變化。例如邵長宇等提出的基于多目標(biāo)跟蹤的空間錐體目標(biāo)微多普勒頻率提取方法，該方法首先應(yīng)用經(jīng)典的短時傅里葉變換得到回波的時頻分布圖，然后通過多目標(biāo)跟蹤技術(shù)跟蹤時頻分布圖上的時頻曲線，從而達(dá)到提取目標(biāo)各等效散射中心微多普勒頻率的目的，但這種方法中用到的時頻分析的方式存在著時間分辨率與頻率分辨率相矛盾的問題，難以得到較高的瞬時頻率估計精度；瞬時頻率估計的另一類方法是參數(shù)化方法，與非參數(shù)化方法的區(qū)別在于需要利用信號的先驗信息建立一個參數(shù)化的模型來描述信號，例如韓勛等提出的基于時變自回歸模型的瞬時頻率估計方法，該方法首先用P階時變自回歸模型來表示目標(biāo)的回波信號，求得模型的時變參數(shù)，然后通過求信號功率譜密度極點的相位來估計瞬時頻率，該方法雖然在高信噪比情況下可以得到較高的估計精度，但是在低信噪比情況下估計精度會有所下降，另外還存在模型階數(shù)選擇的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于瞬時調(diào)頻率估計的進(jìn)動目標(biāo)的微多普勒提取方法，實現(xiàn)在低信噪比的情況下也能得到比較高的估計精度。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
[0006]一種基于瞬時調(diào)頻率估計的進(jìn)動目標(biāo)的微多普勒提取方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0007]步驟1，建立空間進(jìn)動錐體目標(biāo)的等效散射點模型；根據(jù)等效散射點模型得到各等效散射點瞬時微多普勒頻率的導(dǎo)數(shù)公式；
[0008]步驟2，雷達(dá)接收錐體目標(biāo)的回波信號，再從回波信號中獲取回波序列SJtm)；
[0009]步驟3，對回波序列SJtm)做短時傅里葉變換，得到回波序列的時頻圖，通過回波序列的時頻圖得到可視等效散射點的個數(shù)G以及正弦曲線的周期數(shù)目M ;
[0010]步驟4，將回波序列分為4LM段的觀測時間的回波段，L為正整數(shù)；
[0011]步驟5，將每一觀測時間的回波段近似為T個線性調(diào)頻信號分量的疊加，設(shè)定T等于可視等效散射點的數(shù)目G，用松弛解線調(diào)頻的方法得到每個線性調(diào)頻信號分量的調(diào)頻率估計值，總共得到4LM*G個線性調(diào)頻信號分量的調(diào)頻率估計值；*表示乘號；
[0012]步驟6，根據(jù)各等效散射點瞬時微多普勒頻率的導(dǎo)數(shù)公式建立等效散射點瞬時微多普勒頻率導(dǎo)數(shù)模型，然后用隨機(jī)抽樣一致性算法處理4LM*G個線性調(diào)頻信號分量的調(diào)頻率估計值，得到G條調(diào)頻率曲線；
[0013]步驟7，對G條調(diào)頻率曲線分別做積分運算，得到G條瞬時微多普勒頻率的估計曲線。
[0014]上述技術(shù)方案的特點和進(jìn)一步改進(jìn)在于:
[0015](I)步驟I包括以下子步驟:
[0016]Ia)所述空間進(jìn)動錐體目標(biāo)為無尾翼的光滑錐體目標(biāo)，其等效散射點為點P1、點P2和點P3,設(shè)定點P1、點P2和點P3為無尾翼的光滑錐體目標(biāo)的等效散射點，點P1和點P2為錐體目標(biāo)的底部邊緣上的兩點，點P3為錐頂上的點，錐體目標(biāo)高度為H，旋轉(zhuǎn)中心距底面距離為h，底面半徑為r，雷達(dá)位于雷達(dá)坐標(biāo)系(U，V，W)的原點Q，錐體目標(biāo)位于雷達(dá)遠(yuǎn)場區(qū)域，方位角為α，俯仰角為β，(X, Y, Ζ)表示與雷達(dá)坐標(biāo)系平行的參考坐標(biāo)系，錐體目標(biāo)坐標(biāo)系(X，Y, ζ)，初始時刻錐體目標(biāo)坐標(biāo)系與雷達(dá)坐標(biāo)系平行，兩坐標(biāo)系原點之間的距離為R0,錐體目標(biāo)坐標(biāo)系的原點為錐體目標(biāo)的質(zhì)心，錐體目標(biāo)坐標(biāo)系的ζ軸為錐體目標(biāo)的對稱軸,錐旋軸OC在yOz平面內(nèi)，建立如下式所示的新坐標(biāo)系(Xn，Yn, Zn):
[0017]Zn = M(t).Z0
[0018]Xn = rLOS X Zn
[0019]Yn = ZnXXn
[0020]其中，M(t)表示錐體目標(biāo)的微動矩陣，Ztl表示初始時刻錐體目標(biāo)對稱軸的單位方向矢量，即Ztl = (O, O, 1)τ,上標(biāo)T是轉(zhuǎn)置符號，rLOS表示雷達(dá)視線在初始時刻錐體目標(biāo)坐標(biāo)系中的單位方向向量，即 rLOS = (cos a.sin β，sin a.sin β，-cos β )τ,設(shè)定 α =90。，則 rLOS = (O, sin β , -cos β )τ,符號 X 表示叉乘；
[0021]lb)設(shè)定錐體目標(biāo)只存在進(jìn)動或平動已經(jīng)被完全補(bǔ)償，即錐體目標(biāo)除繞其對稱軸Oz以角速度ω s做自旋運動外，還繞錐旋軸OC以角速度ω。做錐旋運動，軸OC和軸Oz之間的夾角為Θ，稱為進(jìn)動角；
[0022]微動矩陣M (t)公式具體形式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于瞬時調(diào)頻率估計的進(jìn)動目標(biāo)的微多普勒提取方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，建立空間進(jìn)動錐體目標(biāo)的等效散射點模型；根據(jù)等效散射點模型得到各等效散射點瞬時微多普勒頻率的導(dǎo)數(shù)公式； 步驟2，雷達(dá)接收錐體目標(biāo)的回波信號，再從回波信號中獲取回波序列SJtm)； 步驟3，對回波序列SJtm)做短時傅里葉變換，得到回波序列的時頻圖，通過回波序列的時頻圖得到可視等效散射點的個數(shù)G以及正弦曲線的周期數(shù)目M ； 步驟4，將回波序列分為4LM段的觀測時間的回波段，L為正整數(shù)； 步驟5，將每一觀測時間的回波段近似為T個線性調(diào)頻信號分量的疊加，設(shè)定T等于可視等效散射點的數(shù)目G，用松弛解線調(diào)頻的方法得到每個線性調(diào)頻信號分量的調(diào)頻率估計值，總共得到4LM*G個線性調(diào)頻信號分量的調(diào)頻率估計值；*表示乘號； 步驟6，根據(jù)各等效散射點瞬時微多普勒頻率的導(dǎo)數(shù)公式建立等效散射點瞬時微多普勒頻率導(dǎo)數(shù)模型，然后用隨機(jī)抽樣一致性算法處理4LM*G個線性調(diào)頻信號分量的調(diào)頻率估計值，得到G條調(diào)頻率曲線； 步驟7，對G條調(diào)頻率曲線分別做積分運算，得到G條瞬時微多普勒頻率的估計曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬時調(diào)頻率估計的進(jìn)動目標(biāo)的微多普勒提取方法，其特征在于，步驟I具體包括以下子步驟: Ia)所述空間進(jìn)動錐體目標(biāo)為無尾翼的光滑錐體目標(biāo)，其等效散射點為點P1、點P2和點P3,點P1、點P2和點P3為無尾翼的光滑錐體目標(biāo)的等效散射點，點P1和點P2為錐體目標(biāo)的底部邊緣上的兩點，點P3為錐頂上的點，錐體目標(biāo)高度為H,旋轉(zhuǎn)中心距底面距離為h,底面半徑為r，雷達(dá)位于雷達(dá)坐標(biāo)系(U，V，W)的原點Q，錐體目標(biāo)位于雷達(dá)遠(yuǎn)場區(qū)域，方位角為α，俯仰角為β，(X, Y, Ζ)表示與雷達(dá)坐標(biāo)系平行的參考坐標(biāo)系，錐體目標(biāo)坐標(biāo)系(x，y，z)，初始時刻錐體目標(biāo)坐標(biāo)系與雷達(dá)坐標(biāo)系平行，兩坐標(biāo)系原點之間的距離為Rtl,錐體目標(biāo)坐標(biāo)系的原點為錐體目標(biāo)的質(zhì)心，錐體目標(biāo)坐標(biāo)系的ζ軸為錐體目標(biāo)的對稱軸,錐旋軸OC在yOz平面內(nèi)，建立如下式所示的新坐標(biāo)系(Xn，Yn，Zn):
Zn = M(t).z0
Xn = rL0SXZn
Yn = ZnXXn 其中，M(t)表示錐體目標(biāo)的微動矩陣，Zci表示初始時刻錐體目標(biāo)對稱軸的單位方向矢量，即Ztl = (O, O, I)τ，上標(biāo)T是轉(zhuǎn)置符號，rLOS表示雷達(dá)視線在初始時刻錐體目標(biāo)坐標(biāo)系中的單位方向向量，即 rLOS = (cos α.sin β , sin α.sin β，-cos β )τ,設(shè)定 α =90。,則rLOS = (O, sin β , -cos β )τ,符號 X 表示叉乘； lb)設(shè)定錐體目標(biāo)只存在進(jìn)動或平動已經(jīng)被完全補(bǔ)償，即錐體目標(biāo)除繞其對稱軸Oz以角速度ω s做自旋運動外,還繞錐旋軸OC以角速度ω。做錐旋運動，軸OC和軸Oz之間的夾角為Θ，稱為進(jìn)動角； 微動矩陣M(t)公式具體形式如下:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于瞬時調(diào)頻率估計的進(jìn)動目標(biāo)的微多普勒提取方法，其特征在于，步驟2具體包括以下子步驟: 2a)雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射線性調(diào)頻信號，并接收到空間進(jìn)動錐體目標(biāo)的回波信號； 2al)雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號，線性調(diào)頻信號公式如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于瞬時調(diào)頻率估計的進(jìn)動目標(biāo)的微多普勒提取方法，其特征在于，步驟5具體包括以下子步驟； 5a)將每一觀測時間的回波段近似為T個線性調(diào)頻信號分量的疊加，T個線性調(diào)頻信號分量的疊加之后，疊加后每一觀測時間的回波段信號模型表示為:
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于瞬時調(diào)頻率估計的進(jìn)動目標(biāo)的微多普勒提取方法，其特征在于，步驟6具體包括以下子步驟: 6a)將各等效散射點瞬時微多普勒頻率的導(dǎo)數(shù)公式(3)簡化后得到等效散射點瞬時微多普勒頻率導(dǎo)數(shù)模型表達(dá)式a.cos (2 π.bx) = y ； 6b)用隨機(jī)抽樣一致性算法處理每一觀測時間的回波段的調(diào)頻率的估計值，把估計出來的調(diào)頻率區(qū)分為局內(nèi)點和局外點，然后由局內(nèi)點確定一條調(diào)頻率曲線； 6c)根據(jù)可視等效散射點的個數(shù)G，確定G條調(diào)頻率曲線； 若G = 1，根據(jù)6b)得到一條調(diào)頻率曲線； 若G = 2，則可視等效散射點的個數(shù)為兩個，由6b)中得到的局外點估計出模型a.cos (2 π.bx) = y中的另一組參數(shù)a和b,得到另一條調(diào)頻率曲線； 若G = 3，則可視等效散射點的個數(shù)為三個，由6b)中的局內(nèi)點確定一條調(diào)頻率曲線；對6b)中區(qū)分的局外點再用一次隨機(jī)抽樣一致性算法，把6b)中區(qū)分的局外點再區(qū)分為兩類不同的點，由這兩類不同的點估計出模型a ^cosO^1- bx) =y中的兩組不同的參數(shù)a和b,進(jìn)而確定另外兩條不同的調(diào)頻率曲線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于瞬時調(diào)頻率估計的進(jìn)動目標(biāo)的微多普勒提取方法，其特征在于，子步驟6b)具體包括以下子步驟: 6bl)隨機(jī)選取4LM*G個線性調(diào)頻信號分量的調(diào)頻率估計值中的兩個點，根據(jù)這兩個點以及建立的等效散射點瞬時微多普勒頻率導(dǎo)數(shù)模型a-bx) =y，估計模型中的未知參數(shù)a和b，選擇的兩個點被設(shè)定為局內(nèi)點，沒有選擇的點為局外點； 6b2)通過等效散射點瞬時微多普勒頻率導(dǎo)數(shù)模型測試4LM*G個線性調(diào)頻信號分量的調(diào)頻率估計值中的其他點；也就是將除6bl)隨機(jī)選擇的兩個點局內(nèi)點之外的局外點代入等效散射點瞬時微多普勒頻率導(dǎo)數(shù)模型，如果等式a ^cosO π *bx) =y+Ay中的錯誤Ay小于檢測閾值4，則將該點添加到局內(nèi)點集合； 6b3)用所有局內(nèi)點去重新估計模型的參數(shù)a和b，再統(tǒng)計局內(nèi)點的個數(shù)d，以及所有局內(nèi)點與模型之間的錯誤之和E ； 6b4)重復(fù)6bl)-6b3)，得到局內(nèi)點的個數(shù)記為d’，局內(nèi)點與模型之間的錯誤之和E’ ；6b5)如果迭代之后局內(nèi)點的個數(shù)d’大于迭代之前局內(nèi)點的個數(shù)d，并且迭代之后的錯誤之和E’小于迭代之前的錯誤之和E，則更新局內(nèi)點的個數(shù)d和局內(nèi)點與模型之間的錯誤E，并且更新模型的參數(shù)a和b以及局內(nèi)點的集合；否則，轉(zhuǎn)至6b6)； 6b6)以預(yù)定的次數(shù)重復(fù)執(zhí)行6b4)-6b5)； 6b7)運行預(yù)定的次數(shù)后，輸出該模型的參數(shù)a和b以及局內(nèi)點的集合，由參數(shù)a和b確定一條調(diào)頻率曲線。
【文檔編號】G01S7/41GK104007430SQ201410234025
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】杜蘭, 曹文杰, 張磊, 肖金國, 劉宏偉 申請人:西安電子科技大學(xué)