技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
步进频率脉冲雷达信号微动检测的解模糊方法，属于雷达信号检测技术领域。
背景技术
[0002] 缩略语和关键术语定义
[0003]
[0004]
桥梁微动监测是桥梁健康检测的重要指标对桥梁安全具有重要意义[1]，近年来基于雷达的远程无损位移测量技术在桥梁的微动测量应用中得到重视，该技术的基本原理是利用两次不同时间由目标反射的回波，提取出目标物的
相位信息，比较它们的差异，计算出微小的形变量[2]。实施技术上步进频率信号应用最多，技术方法上是通过发射一段频率以一定频差跳变的雷达脉冲，对雷达回波进行IFFT变换，获得高
分辨率的一维距离像。但在实际应用中步进频率参数的选取和信道干扰会导致距离像模糊，需要通过一定的
算法来解模糊，通常的距离像解模糊算法有目标
抽取算法[3]和相位补偿解模糊算法[4]。本发明提出一种改进的步进频率脉冲雷达信号微动检测的解模糊方法。
[0005] 雷达位移测量技术的基本原理
[0006] 步进频率脉冲信号，是一串载频线性跳变的脉冲信号，设每组脉冲个数为N，频率步进量为Δf，中心频率为f0，脉冲宽度为τ，脉冲重复周期为Tr。其表达式为：
[0007]
[0008] θi为每个频率段的相位。
[0009] 步进频率雷达的关键性能有：
[0010] 1、雷达的最大作用距离
[0011] Rmax＝cTr/2 (2)
[0012] 2、每个
采样点所能代表的最大距离范围是
[0013] Rτ＝cτ/2 (3)
[0014] 3、IFFT细化以后最大不模糊距离
[0015] Ru＝c/(2Δf) (4)
[0016] 4、最小距离分辨率
[0017] Δr＝c/(2NΔf) (5)
[0018] 5、每个采样点的距离新息为
[0019] Rs＝cTs/2 (6)
[0020] 雷达发射信号为：
[0021]
[0022] 设目标距离为R回波信号即时刻一回波为：
[0023]
[0025]
[0026] （flo＝f0+fIF为本振起始频率）进行混频处理，通过带通
滤波器后，得到回波中频信号：
[0027]
[0028] 只考虑一个采样点得
[0029]
[0030] 对上式进行IFFT变换可得
[0031]
[0032] 当 时（p为任意整数），上式包络可达其峰值，即得目标距离为
[0033]
[0034] 取出（12）式的相位
[0035]
[0036] 当目标产生微动，其距离将变为R+d，产生时刻二回波，对其进行IFFT变换，提取其峰值相位
[0037]
[0038] 由式（14）和式（15）可以看出回波信号的相位含有点目标距离
位置的信息。式（14）减去式（15），并通过简单变换便可得出目标的微动距离为
[0039]
[0040] 现有目标抽取法分析
[0041] 常用的目标抽取算法有：同距离舍弃法，同距离选大法，同距离累加法[3]，局部距离取大法[5]和最大可信度算法[6]。
[0042] 设Ru＝4Rs，Rτ＝3Rs，图2为目标模型，图3为各采样点一维距离像细化结果示意图，图中给出6个连续采样点，每一行代表一个采样点所成的像，每行中的每个小方
块代表长度为Rs的细化距离，以N代表无效区。
[0043] 由图可见对于每个采样点的IFFT细化结果，其包含的距离信息的长度为Rs，所以只要在每组IFFT结果中取出长度为Rs的信息续接起来并舍弃其他点，就能得到真实的目标距离，即为同距离舍弃法。以图3为例对于第一个采样点取第一个方块，舍弃其它，第二个采样点取第二个方块，舍弃其他，同理对第三个采样点取第三个小方块，直到取完所有点的长为Rs段的细化距离，再将提取结果直接拼接。
[0044] 选大法对每个采样点只取出长为Rτ的细化距离，并与相邻采样点的细化结果进行同距离比较，取出幅度较大的点作为提取结果。设第m个采样点的IFFT结果为Xm，前m-1个采样点的抽取结果为Z，将Xm与Z进行同距离比较，用大值替换掉Z中的数据，并将Xm中的其他数据补充到Z中，以图3为例，第一次采样后所得到的细化结果即第一行数据存入Z中，第二次采样后，将其细化结果中即图中第二行中的小方块2至小方块4与Z中的方块2至方块4比较，以二者中的较大值替换小方块2和小方块3，并将第二行中的小方块5补充到Z中，以次类推得到最后结果。累加法的数据抽取原则同选大法，但对于相邻采样点的同距离数据不是采用选大而是进行累加取平均。
[0045] 局部距离取大法是按采样点的次序，依次取出一个长为Rs的细化距离，并与其后的两个采样点所成的像进行比较，取出较大的部分作为抽取结果，然后把各段抽取结果依次拼接，得到完成的一维距离像结果，以图3采样点2为例，取出第二行中的小方块2，与第三行中的null和第四行中的null比较，取大结果即为第二行中的小方块2。
[0046] 最大可信度算法是在所有采样点的细化结果中找出最大值并与
门限做比较，如果超过门限则确定该最大值为目标散射点尖峰，再根据其所在采样点代表的真实距离解算该尖峰的真实距离，将此尖峰放入距离像中对应的距离上，忽略掉其他细化结果中与该尖峰位置相同的所有数据，依次找出第二，第三最大值......放入对应位置上，知道所取最值低于门限或抽取出的尖峰数目等于预设的目标数时，结束抽取。
[0048] 1、同距离舍弃法只用了距离信息，直接舍弃冗余部分，降低了提取后的
信噪比，对于抽取起始点的选择不够灵活。
[0049] 2、同距离选大法对相邻采样点的细化结果中的每个值都进行比较选大来决定抽取点，对于结果的噪声，同样被选大进入最终结果的计算，累加法的计算量偏大，局部距离取大法依次取长度为距离信息的细化结果进行多次比较选择抽取点，计算量很大，而且对于某些点的比较是多余的。
[0050] 3、最大可信度算法，由于忽略掉其他采样点的细化结果中与所抽取峰值位置相同的点，会导致真实距离相差不模糊距离整数的目标被忽略。
[0051] 4、对于nrs＜rτ的情况未做具体分析；
[0052] 5、传统的微动测量方案，需要分别对时刻一回波和时刻二回波做IFFT变换，计算量较大，不利于
硬件实现；
[0053] 6、传统的干涉测量法用于对桥梁微动的测量会带来 的微动模糊。
[0054] 参考文献
[0055] 1吉伯海，傅中秋。近年来国内桥梁倒塌事故原因分析[J].
土木工程学报。2010；43；495-498.
[0056] 2Massimiliano Pieraccini MF,Filippo Parrini,and Carlo Atzeni.Dynamic Monitoring of Bridges Using a High-Speed Coherent Radar[J].IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING,.2006;44(11):3284-3288.
[0057] 3李耽.龙腾.步进频率雷达目标去冗余算法[J].
电子学报.2000;28(6):60-65.[0058] 4周剑雄.赵宏钟.付强.
频率步进雷达距离像解模糊算法[J].系统工程与电子技术.2003;25(9):1061-1064.
[0059] 5张娟,刘峥,孙慧霞.一种步进频率雷达目标高分辨距离像拼接算法[J].火控雷达技术.2011;(4):42-46.
[0060] 6王飞,龙腾.一种新的步进频率雷达信号目标抽取算法[J].弹箭与制导学报.2006;26(2):135-137.
发明内容
[0061] 发明目的：主要对基于雷达位移测量技术中产生的测距模糊和测微动模糊，本发明提供一种步进频率脉冲雷达信号微动检测的解模糊方法，实现20至300米范围内对桥梁的微动的进行实时监测。
[0062] 技术方案：一种步进频率脉冲雷达信号微动检测的解模糊方法，包括如下步骤：
[0063] 步骤1，雷达在时刻一发射第一发射信号，在时刻二发射第二发射信号，第一发射信号和第二发射信号有相同的发射频率及振幅；
[0064] 步骤2，第一发射信号和第二发射信号到达远距离多目标物体；
[0065] 步骤3，多目标物体反射时刻一回波信号和时刻二回波信号；
[0066] 步骤4，雷达接收到时刻一回波信号和时刻二回波信号；时刻一回波信号和时刻二回波信号分别包括多目标物体的距离信息和多目标物体的距离位移信息；
[0067] 步骤5，解调时刻一回波信号和时刻二回波信号；
[0068] 步骤6，提取一维距离像；
[0069] 步骤7，计算远目标的位移变化量。
[0070] 其中，步骤6中提取一维距离像的具体步骤如下：
[0071] 对时刻一解调信号和时刻二解调信号进行时域采样，
采样频率为1/τ的整数倍，设为k；
[0072] 设采样时间为Ts（，Ts＝τ/k，k为正整数）时刻一解调信号采样以后为[0073]
[0074] 由式上式可知，目标距离R必须满足(nTs-2R/c)∈[0,τ]，才能被采样时刻nTs采中，
[0075] 即0≤nTs-2R/c≤τ，则 即nRs-Rτ≤R≤nRs
[0076] 当 时，第n个采样点的能代表的距离范围为
[0077] 0≤R≤nRs (18)
[0078] 当 时，第n个采样点的能代表的距离范围为
[0079] nRs-Rτ≤R≤nRs (19)
[0080] 综上，每个采样点所代表的距离范围可表示为max(0,nRs-Rτ)≤R≤nRs；
[0081] 又因为Ts＝τ/k，所以最大不模糊距离Rτ为距离信息Rs的整数倍，即Rs＝kRτ；
[0082] 由(18)和(19)式可知，当采样点m为k的1,2,3......M倍时，
[0083] M＝ceil(Rmax/Rτ),ceil(x)为大于x的最小整数，每个采样点所代表的距离依次[0,Rτ],[Rτ,2Rτ],[2Rτ,3Rτ]......[(M-1)Rτ,MRτ]，这M个采样点所代表的距离依次拼接就可得到完整的一维距离像。
[0084] 若采用取大法，判断采样点n所代表最大距离nRs与Ru的关系，若小于Ru，则直接取其细化距离范围为[0,Ru]，若大于则继续判断该采样点所代表的最小距离与Ru的关系，若小于Ru，将其IFFT结果周期延拓一次，取[(nRs-Rτ)/Δr,(nRs-Rτ+Ru)/Δr-1]范围内的点，相应的细化距离范围为[(nRs-Rτ),(nRs-Rτ+Ru)]，若该采样点所代表的最小距离大于Ru，直接取其IFFT结果，细化距离范围为[Ru,2Ru]。对于满足nRs＜Ru的采样点的细化结果直接比较，取大作为抽取点，其余采样点的细化结果进行同距离比大，取较大值作为抽取点，将所有抽取点拼接即得完整一维距离像。
[0085] 特别地，位移变化量提取过程包含分析及步骤如下：
[0086] 由于实际输出的相位在[-π,π]之间，且微动距离d可正可负，设式(12)的输出相位为 目标微动的输出相位为 按式(16)计算所得微动距离为
[0087]
[0088] 下面分析d′和d的关系
[0089] ①当-π＜φ1-j4πf0d/c＜π时，φ2＝φ1-j4πf0d/c，此时
[0090]
[0091] ②当φ1-j4πf0d/c＜-π时，φ2＝φ1-j4πf0d/c+2π，此时
[0092]
[0093] ③当π＜φ1-j4πf0d/c时，φ2＝φ1-j4πf0d/c-2π，此时
[0094]
[0095] 由以上推断可知
[0096] (m＝-1,0或1） (21)
[0097] 所以如果直接提取φ1，φ2，并根据式(16)计算微动距离，将会产生一个 的距离模糊。主要是因为分别提取时刻一和时刻二的相位造成相位模糊二带来微动模糊。可以将时刻一和时刻二所得的回波信号进行共轭相乘
[0098] z(k)＝y(k)*conj(y'(k)) (22)
[0099] conj(y'(k))表示取y'(k)的共轭，取z(k)相位θ
[0100]
[0101] 因为桥梁微动距离比较小[4]一般小于 所以不会产生相位模糊问题，θ即为实际取出的相位，可得
[0102]
[0103] 又因为桥梁微动距离d比较小，远小于最小距离分辨率Δr＝c/(2NΔf)，所以对时刻二回波解调信号进行IFFT变换(参考式(12))得最大索引值
[0104]
[0105] 与时刻一回波解调信号进行IFFT变换的最大索引值相等，因此只需对时刻一回波解调信号进行IFFT变换的求得时刻一回波解调信号的最大索引值，对回波二解调信号只需在时刻一回波解调信号的最大索引值处计算相应的IFFT值即可。
[0106] 所述位移变化量提取过程步骤如下：
[0107] 701．通过时刻一回波信号的细化结果确定对应目标点的距离信息，及目标点所对应变换后的索引；
[0108] 702．计算时刻二回波信号在步骤701所确定索引处的IFFT结果；
[0109] 703．将时刻一回波在目标点处的IFFT结果与时刻二回波在相应索引处的共轭值相乘；
[0110] 704．提取步骤703中结果的相位；
[0111] 705．根据式（23），便可得微动距离。
[0112] 有益效果：与现有技术相比，本发明首先针对现有步进频率雷达一维距离像解模糊方案的不足，即目标抽取起点不够灵活，未考虑采样点所代表的最大距离小于单脉冲不模糊距离的情况，提出了一种步进频率脉冲雷达信号微动检测的解模糊方法，若采用舍弃法，直接取相应采样点的细化距离拼接便可得完整一维距离像，若采用取大法，则通过判断采样点所代表距离与最大不模糊距离的关系，来选择相应的细化距离范围，物理意义明确，简单易行。同
时针对
微波干涉测量微动时，须分别取出时刻一和时刻二回波峰值的相位，再计算微动所带来微动测量的模糊，本发明提出了一种共轭相乘测微动，有效解决了原来方案中测微动模糊问题。原测量方案中须计算时刻二回波中的所有点的IFFT结果，计算量较大，本方案从时刻一回波信号的IFFT变换结果中找出目标所在点的索引，对时刻二回波，只对目标相应索引值进行IFFT变换，大大减少了计算量。
附图说明
[0113] 图1为步进频率脉冲雷达雷达场测量场景图；
[0114] 图2为目标模型图；
[0115] 图3为各采样点一维距离像结果示意图；
[0117] 图5为舍去法测量一维距离像流程图；
[0118] 图6为细化距离选取流程图；
[0119] 图7为微动测量流程图；
[0120] 图8为舍弃法和取大法所得一维距离像仿真图；
[0121] 图9为共轭相乘法所得微动距离仿真图。
具体实施方式
[0122] 下面结合具体
实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的
修改均落于本
申请所附
权利要求所限定的范围。
[0123] 如图4所示，步进频率脉冲雷达信号微动检测的解模糊方法，包含以下步骤：
[0124] 1．雷达在时刻一发射第一发射信号，在时刻二发射第二发射信号，第一发射信号和第二发射信号有相同的发射频率及振幅；
[0125] 2．第一发射信号和第二发射信号到达远距离多目标物体；
[0126] 3．多目标物体反射时刻一回波信号和时刻二回波信号；
[0127] 4．雷达接收到时刻一回波信号和时刻二回波信号；时刻一回波信号和时刻二回波信号分别包括多目标物体的距离信息和多目标物体的距离位移信息；
[0128] 5．解调时刻一回波信号和时刻二回波信号；
[0129] 6．提取一维距离像；
[0130] 7．计算远目标的位移变化量。
[0131] 其中，步骤6中提取一维距离像的分析如下：
[0132] 对时刻一解调信号和时刻二解调信号进行时域采样，采样频率为1/τ的整数倍，设为k；
[0133] 设采样时间为Ts（，Ts＝τ/k，k为正整数）时刻一解调信号采样以后为[0134]
[0135] 由式上式可知，目标距离R必须满足(nTs-2R/c)∈[0,τ]，才能被采样时刻nTs采中，
[0136] 即0≤nTs-2R/c≤τ，则 即nRs-Rτ≤R≤nRs
[0137] 当 时，第n个采样点的能代表的距离范围为
[0138] 0≤R≤nRs (18)
[0139] 当 时，第n个采样点的能代表的距离范围为
[0140] nRs-Rτ≤R≤nRs (19)
[0141] 综上，每个采样点所代表的距离范围可表示为max(0,nRs-Rτ)≤R≤nRs。
[0142] 又因为Ts＝τ/k，所以最大不模糊距离Rτ为距离信息Rs的整数倍，即Rs＝kRτ。
[0143] 由(18)和(19)式可知，当采样点m为k的1,2,3......M倍时
[0144] （M＝ceil(Rmax/Rτ),ceil(x)为大于x的最小整数），每个采样点所代表的距离依次[0,Rτ],[Rτ,2Rτ],[2Rτ,3Rτ]......[(M-1)Rτ,MRτ]，这M个采样点所代表的距离依次拼接就可得到完整的一维距离像。
[0145] 由此可得到新的舍去法处理流程：
[0146] 步骤1初始化：将采样数据根据采样点k＝1,2,3...kmax,(kmax＝ceil(Tr/Ts))）进行排列，以变量i记录采样点数，i的初始值为0；
[0147] 步骤2i加1；
[0148] 步骤3判断i是否为等于kma（x 即是否为最后一个采样点），若不是最后一个采样点，进行步骤4，否则进行步骤6；
[0149] 步骤4判断i是否为k的倍数，若是则进行步骤5，否则继续步骤2；
[0150] 步骤5对采样点i的采样数据进行IFFT变换，并存储，继续步骤2；
[0151] 步骤6将步骤5所得到的所有变换结果进行直接拼接，便得到完整的一维距离像。
[0152] 具体流程图如图5所示。
[0153] 若采用取大法，判断采样点n所代表最大距离nRs与Ru的关系，若小于Ru，则直接取其细化距离范围为[0,Ru]，若大于则继续判断该采样点所代表的最小距离与Ru的关系，若小于Ru，将其IFFT结果周期延拓一次，取[(nRs-Rτ)/Δr,(nRs-Rτ+Ru)/Δr-1]范围内的点，相应的细化距离范围为[(nRs-Rτ),(nRs-Rτ+Ru)]，若该采样点所代表的最小距离大于Ru，直接取其IFFT结果，细化距离范围为[Ru,2Ru]。对于满足nRs＜Ru的采样点的细化结果直接比较，取大作为抽取点，其余采样点的细化结果进行同距离比大，取较大值作为抽取点，将所有抽取点拼接即得完整一维距离像；图6为其具体的操作流程图。
[0154] 取仿真参数为f0＝12GHZ，Δf＝1MHZ，Tr＝2us，τ＝1us，N＝256，Ts＝τ/3，R分别为20、60和190米，仿真图如图8所示。
[0155] 特别地，位移变化量提取过程包含分析及步骤如下：
[0156] 由于实际输出的相位在[-π,π]之间，且微动距离d可正可负，设式(12)的输出相位为φ1，目标微动的输出相位为φ2，按式(16)计算所得微动距离为
[0157]
[0158] 下面分析d′和d的关系
[0159] ①当-π＜φ1-j4πf0d/c＜π时，φ2＝φ1-j4πf0d/c，此时
[0160]
[0161] ②当φ1-j4πf0d/c＜-π时，φ2＝φ1-j4πf0d/c+2π，此时
[0162]
[0163] ③当π＜φ1-j4πf0d/c时，φ2＝φ1-j4πf0d/c-2π，此时
[0164]
[0165] 由以上推断可知
[0166] (m＝-1,0或1） (21)
[0167] 所以如果直接提取φ1，φ2，并根据式(16)计算微动距离，将会产生一个 的距离模糊。主要是因为分别提取时刻一和时刻二的相位造成相位模糊二带来微动模糊。可以将时刻一和时刻二所得的回波信号进行共轭相乘
[0168] z(k)＝y(k)*conj(y'(k)) (22)
[0169] conj(y'(k))表示取y'(k)的共轭，取z(k)相位θ
[0170]
[0171] 因为桥梁微动距离比较小[4]一般小于 所以不会产生相位模糊问题，θ即为实际取出的相位，可得
[0172]
[0173] 又因为桥梁微动距离d比较小，远小于最小距离分辨率Δr＝c/(2NΔf)，所以对时刻二回波解调信号进行IFFT变换(参考式(12))得最大索引值
[0174]
[0175] 与时刻一回波解调信号进行IFFT变换的最大索引值相等，因此只需对时刻一回波解调信号进行IFFT变换的求得时刻一回波解调信号的最大索引值，对回波二解调信号只需在时刻一回波解调信号的最大索引值处计算相应的IFFT值即可。
[0176] 所以位移变化量提取过程步骤如下
[0177] 701．通过时刻一回波信号的细化结果确定对应目标点的距离信息，及目标点所对应变换后的索引；
[0178] 702．计算时刻二回波信号在步骤701所确定索引处的IFFT结果；
[0179] 703．将时刻一回波在目标点处的IFFT结果与时刻二回波在相应索引处的共轭值相乘；
[0180] 704．提取步骤703中结果的相位；
[0181] 705．根据式（23），便可得微动距离；
[0182] 具体流程如图7所示。
[0183] 取仿真参数为f0＝12GHZ，Δf＝1MHZ，Tr＝2us，τ＝1us，N＝256，Ts＝τ/3，目标距离R为220米，目标按振幅为5mm，频率为6HZ的正弦规律进行微动，仿真图如图9所示。
