技术领域
[0001] 本
发明涉及雷达测量技术领域，更具体地，本发明涉及一种用于同时测量高速运动目标的速度和距离的方法。
背景技术
[0002] 目前，雷达系统通过测量发射
信号的回波延迟来获得目标的距离信息，通过测量回波的多普勒
频率来获得目标相对于雷达的径向速度。对于远程雷达来说，需要长脉冲来获得足够的
能量，以检测远距离的小目标。然而，长脉冲在距离上
分辨率较差，在此情况中可以采用调频或调相来增大长脉冲的
频谱宽度，从而获得如同短脉冲的分辨
力，这被称为“
脉冲压缩”。
[0003] 雷达中也可以采用连续波
波形，连续波雷达信号在发射时接收，进而利用由目标引起的回波信号的多普勒频移，测出目标的径向速度。简单的连续波雷达不能测量距离。如果雷达脉冲的宽度足够长，并且目标的多普勒频移足够大，在单个脉冲内以频率变化为
基础来检测目标的多普勒频移也是有可能的。为了在宽度为Tp的单个脉冲内检测多普勒频移，通常要求一个脉冲内至少有一个周期的多普勒频移fd，或者说fdTp＞1。
[0004] 在许多其他的雷达系统中，速度的径向分量可以根据距离变化率获得。这种测量径向速度的经典公式为vr＝(R2-R1)/(T2-T1)，即根据T1时的距离R1和T2时的距离R2来获取。但是，使用多普勒频移是获得径向速度的基本方法，它可以在单次观测的基础上进行。利用多普勒频移的经典表达式，径向速度vr可表示为vr＝λfd/2，其中，λ表示
波长。在距离变化率的方法中，假定两次测距之间的时间和多普勒频率测量持续时间相同，则根据多普勒频移获得的径向速度的
精度要远远好于根据距离变化率获得的径向速度的精度。多普勒频率测量的精度与持续时间有关，测量时间越长，频率精度越好。另外，波长越短，实现所要求的径向速度精度所需要的观测时间越短。或者说，在给定观测时间的情况下，波长越短，速度精度越高。
[0005] 根据线性调频脉冲压缩波形的模糊图，在回波信号中，一个大的多普勒频移会导致所显示的距离并非是真实距离，这称为距离多普勒耦合。许多情况下，多普勒频移产生的距离误差比较小，这是可以忍受的。如果距离误差比较大，对上升调频和下降调频获得的两个距离求平均，可以消除多普勒频移的影响。另外，目前存在很多采用长脉冲线性调频信号的雷达系统，主要用于卫星或弹道导弹等高速运动目标的搜索和
跟踪。如美国的“铺路爪”，发射脉冲可长达16ms，信号带宽达26MHz。采用这样的长脉冲信号进行高速运动目标测距时，必然带来很大的测距偏差。假设系统发射线性调频信号带宽为500kHz，时宽为2ms，
载波频率2.3GHz，目标的径向速度为4km/sec，则会产生36.8km左右的测距偏差，同时脉压主瓣会展宽11％，因此，应对上述多普勒耦合效应加以利用，并对其影响做出补偿。
[0006] 总之，现有的通过单脉冲同时测速和测距的方法对接收到的宽带线性调频信号解调频脉冲压缩后，通过复杂的时频分析方法提取目标的速度和距离信息。这些方法实现复杂，通常适用于大带宽和高载频的雷达系统。然而，用于长距离目标搜索和跟踪的雷达系统带宽较窄，现有的方法难以提供目标距离和速度的正确估计。
发明内容
[0007] 为克服现有同时测速和测距方法中分析复杂、精度差的
缺陷，在雷达系统采用长脉冲线性调频信号时，本发明提出一种通过单脉冲回波来同时测量高速运动目标的距离和速度的方法。
[0008] 本发明提出的一种同时测量高速运动目标的距离和速度的方法包括：
[0009] 步骤10)、接收所述高速运动目标对于单脉冲发射信号产生的回波信号，构造扩展匹配滤波函数，对所述回波信号进行脉冲压缩，获得所述高速运动目标的距离向分辨；
[0010] 步骤20)、根据所述高速运动目标的距离向分辨，在脉冲压缩后的所述回波信号中检测目标，提取目标区域；
[0011] 步骤30)、将所提取的目标区域返回到信号谱空间，得到该目标的脉压谱，将该目标的脉压谱与发射信号谱相关，获取目标的多普勒频移，得到目标相对于雷达的径向速度估计；
[0012] 步骤40)、在信号谱空间对所述目标脉压谱解脉压，根据所述目标多普勒频移的估计结果，对目标解脉压谱进行平移；并重新脉压，从而估计目标距离；
[0013] 其中，所述单脉冲发射信号是具有大的时宽带宽积的线性调频信号。
[0014] 其中，步骤10)中，所述单脉冲发射信号为s(t)＝g(t)exp(j2πfct)，其中，g(t)为基带线性调频信号，fc为载波频率，g(t)对应的频谱为G(f)，则所述高速运动目标的回波频谱为：
[0015]
[0016] 其中，σn为目标的幅度，rect( )为单位
门信号，Tp为脉冲宽度，γ为信号调频率，B＝γTp为信号带宽，vn为某目标相对于雷达的径向速度，τn为目标真实距离对应的延迟，δcm_n＝1-2vn/c为某目标的尺度因子，c为
电磁波传播速度，fdop_n＝2vnfc/c为某目标对应的多普勒频率。
[0017] 其中，步骤10)中，构造和所述单脉冲发射信号相同调频率的扩展参考频谱，所述扩展参考频谱的宽度为所述单脉冲发射信号的带宽加上所述目标可能的最大多普勒偏移的两倍，所述扩展参考频谱对应的扩展匹配滤波函数为：
[0018]
[0019] 其中，Bext为所述扩展参考频谱的带宽。
[0020] 其中，步骤10)中，使用所述扩展参考频谱对目标回波信号频谱Sr(f)做脉冲压缩，匹配滤波后的回波信号为
[0021]
[0022]
[0023]
[0024] 其中，步骤20)还包括：在脉冲压缩后的所述回波信号中检测目标，对检测所得目标进行分割，得到所述目标的脉压谱，提取目标区域；
[0025] 其中，通过设定一定的
距离门大小，将检测到的目标分割出来；对于空间目标观测，设定距离门的宽度大于10公里。
[0026] 其中，步骤30)中，将目标回波返回到信号频谱域，并将目标回波频谱同发射信号频谱相关，获取目标回波频谱的偏移，其偏移量为目标的多普勒频率，得到所述目标径向速度：
[0027]
[0028] 其中， 为目标回波多普勒的估计值，λ为载波波长。
[0029] 其中，步骤40还包括：根据所述目标回波频谱与扩展参考频谱的共轭相乘，对该目标回波频谱解脉压；根据所估计的目标多普勒频移，对解脉压谱进行平移，对经过平移的目标回波频谱重新脉压，估计目标距离。
[0030] 其中，步骤40)中，将所提取的目标回波变换到频率域，并对其分别解脉压，得到目标回波频谱
[0031]
[0032] 根据所述目标径向速度，对所述解脉压的目标回波频谱进行平移，得到[0033]
[0034] 其中，步骤40)中，根据所述目标径向速度，将经过解脉压的目标回波频谱平移，通过匹配滤波进行脉冲压缩，得到目标回波的脉压结果，通过峰值检测得到目标的距离估计。
[0035] 其中，步骤40)中，对经过解脉压和平移之后的目标回波频谱重新脉压，得到所述脉压结果为：
[0036] srem_n(t)＝∫Srem_n(f)exp(j2πft)df
[0037] ≈σn B sinc(B(t-τn))exp(-j2πfcδcm_nτn)。
[0038] 通过应用本发明，可以直接根据单脉冲的线性调频信号回波来同时测量高速运动目标的径向速度和距离。本发明的方法简单易行，适合采用长脉冲信号形式的远程高速目标搜索和跟踪雷达。
附图说明
[0039] 图1是某卫星相对于雷达站的径向
速度曲线；
[0040] 图2是雷达系统对高速运动目标观测示意图；
[0041] 图3是根据本发明的
实施例的同时测量速度和距离的方法的
流程图；
[0042] 图4示出回波频谱；
[0043] 图5示出扩展参考谱；
[0044] 图6示出扩展滤波与传统滤波结果对比；
[0045] 图7示出未经
运动补偿和经过运动补偿后的测距对比；
[0046] 图8示出目标谱提取结果；和
[0047] 图9示出忽略
多普勒效应的测距结果与经过运动补偿后的测距对比。
具体实施方式
[0048] 下面结合附图和具体实施例，对本发明提供的一种基于单脉冲信号同时测量高速运动目标的速度和距离的方法作进一步说明。
[0049] 本发明的方法一般适用于高速运动目标，例如卫星、导弹等目标。图1示出某卫星目标在不同观测时间相对于地面雷达观测站的径向速度，可见，此类目标具有高速运动的特征，相对地面雷达观测站的径向速度通常能达到6～7km/s。对于图1中所示的地面雷达观测站，在一个实施例中，雷达系统发射的线性调频信号带宽为500kHz，脉冲长度2ms，载波频率为3.0GHz。该雷达系统对目标回波进行同相/
正交(I/Q)双通道
采样，采样率为4MHz。
[0050] 图2示出该雷达系统的观测目标示意图，其中，设某次回波中含有三个目标，三个目标的距离分别为52km，106km和145km，目标对应的径向速度分别为-5km/s，2km/s和750m/s，各目标的相对幅度分别为1.5、1.2和0.78。假设回波含有高斯白噪声，整体
信噪比为6dB。在以下对本发明的方法的描述中，同时使用本发明的方法对该三个目标进行测量，以说明本发明的方法的测量精度。
[0051] 总的来说，本发明披露一种基于单脉冲信号来同时进行高速运动目标测距和测速的方法，其中，该单脉冲发射信号一般是具有大的时宽带宽积的线性调频信号。由于多普勒效应，高速运动目标的回波谱相对于发射基带信号谱具有一定的平移，该平移得量即为目标的多普勒频率。
[0052] 在一个实施例中，对于单脉冲发射信号s(t)的雷达系统，目标的回波信号表示为：
[0053]
[0054] 式中，σn为各目标的幅度，n＝1，2，3……n，τn＝2rn/c为各目标初始距离对应的时延，δrm_n＝2vn/c为各目标的相对速度因子，rn和vn分别为各目标的初始距离和径向速度，c为电磁波传播速度，通常近似为30000000m/s，δcm_n＝1-δrm_n为各回波的尺度因子。
[0055] 雷达系统的单脉冲发射信号表示为：
[0056] s(t)＝g(t)exp(j2πfct) (2)
[0057] 式中，fc为载波频率，g(t)＝rect(t/Tp)exp(jπγt2)为基带线性调频信号，rect( )为单位门信号，Tp为脉冲宽度，γ为信号调频率。
[0058] 当线性调频信号时，宽带宽积较大，忽略幅度项和恒定
相位项，基带信号频谱函数近似为：
[0059]
[0060] 接收的目标回波信号进一步表示为：
[0061]
[0062] 经相干解调之后的目标回波信号为：
[0063]
[0064] 式中，fdop_n＝fcδrm_n为各目标的多普勒频率。
[0065] 忽略幅度项和恒定相位项，进一步得到目标回波频谱为：
[0066]
[0067]
[0068] 其中，雷达系统的相对带宽为B/fc＝1/6000，δcm_n≈1，则目标回波频谱进一步近似为：
[0069]
[0070] 可以看到，目标回波频谱包络相对于参考信号的谱包络存在一个偏移，其偏移量为目标的多普勒频率fdop_n。
[0071] 图3示出根据本发明的实施例的基于单脉冲回波的高速运动目标的测速和测距的方法的流程图。如图3所示，该方法总的包括：接收所述高速运动目标对于单脉冲发射信号产生的回波信号，构造扩展匹配滤波函数，对接收回波信号进行脉冲压缩，对其匹配滤波，获得对目标的距离向分辨(步骤10)；根据所述高速运动目标的距离向分辨，在脉冲压缩的回波信号结果中检测目标，对检测得到的目标进行分割，分别得到各个目标的脉压谱，并将目标区域提取出来(步骤20)；将所提取的目标区域返回到信号谱空间，得到该目标的脉压谱，将该目标脉压谱与发射信号谱相关，获取目标的多普勒频移，得到目标相对于雷达的径向速度估计(步骤30)；在谱空间对该目标脉压谱解脉压，根据目标多普勒频移的估计结果，对该目标解脉压谱进行平移，并重新脉压，根据重新脉压的结果得到目标距离的正确估计(步骤40)。
[0072] 继续参考图3，进一步详细描述本发明的方法的具体步骤。在步骤10中，接收所述高速运动目标对于单脉冲发射信号产生的回波信号，对接收的回波信号匹配滤波，接收的回波信号频谱Sr(f)如图4所示。假设目标最大径向速度为20km/s，对应的最大多普勒偏移为400kHz。因此，构造扩展参考频谱的带宽Bext为1.3MHz，如图5所示，可以
覆盖所有可能的目标回波频谱的范围。则扩展参考频谱(对应于扩展匹配滤波函数)表示为：
[0073]
[0074] 根据扩展参考频谱对目标回波信号Sr(f)做脉冲压缩，匹配滤波后目标回波频谱为
[0075]
[0076]
[0077]
[0078] 容易看出，上述二次相位项的影响可忽略不计，则经过匹配滤波之后的目标回波频谱的脉压结果为
[0079]
[0080]
[0081]
[0082] 显然，经过扩展匹配滤波，目标回波的脉压幅度并没有因为多普勒效应而下降，从而不会对目标检测造成影响。而如果直接采用发射信号的谱对目标回波进行匹配滤波，则脉压幅度会下降，而且回波主瓣会展宽，如图6所示。目标的高速运动对目标的测距会产生较大影响，通过扩展滤波并不能校正；如果不做校正，则测距偏差为
[0083]
[0084] 当未进行
运动估计与补偿时，得到三个目标的测距结果如图7所示，分别为112.01km，82.01km和136.01km，对应的距离偏差分别为-60km，24km和9km。
[0085] 在步骤20中，采用目前已有的各种成熟的目标检测
算法来检测目标，并将检测到的目标逐个分割出来。在一个实施例中，通过设定一定的距离门大小，将检测到的目标分割出来；其中，对于空间目标观测，设定距离门宽度大于10公里。
[0086] 在步骤30中，将分割出来的目标回波信号转化到频率域，如图8所示。逐个将分割出来的目标回波频谱和发射信号谱相关，得到目标回波频谱相对于扩展参考频谱的偏移，该偏移量即为目标的多普勒频率，从而得到目标的径向速度估计：
[0087]
[0088] 其中， 为目标的多普勒频率，λ为载波波长。
[0089] 其中，所得目标的径向速度估计分别为-5029.3m/s，2026.4m/s和781.3m/s。
[0090] 在步骤40中，将所提取的脉压后的各个目标回波信号变换到频率域，并对其分别解脉压，得到：
[0091]
[0092] 根据目标速度估计结果，对上述经过解脉压的频谱进行平移，得到[0093]
[0094] 在步骤50中，对经过解脉压和平移之后的目标回波频谱重新脉压，得到[0095]
[0096]
[0097] 上述表达式(14)中，二次相位项的影响可以忽略，从而得到脉压结果为[0098] srem_n(t)＝∫Srem_n(f)exp(j2πft)df
[0099] ≈σn B sinc(B(t-τn))exp(-j2πfcδcm_nτn) (15)[0100] 根据上述脉压结果的包络，可以得到正确的目标
位置信息。在本实施例中，所测量的三个目标距离分别为51.6km，106.275km和145.35km，如图9所示。由于本案例中所采用的信号带来的理论分辨率为300米，本发明提供的目标位置测量方法具有良好的精度。
[0101] 可见，本发明已经提供了一种基于单脉冲回波的高速运动目标同时测距和测速的实现方案，得到了较为精确的目标速度和距离测量，通过扩展滤波方法，对三个目标的测距分辨率分别为300米，300米和337.5米。
[0102] 最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，并且在应用上可以延伸到其他的
修改、变化、应用和实施例，同时认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和范围内。
