專利名稱：一種同時測量高速運動目標的速度和距離的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雷達測量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明涉及一種用于同時測量高速運 動目標的速度和距離的方法。
背景技術(shù)：
目前，雷達系統(tǒng)通過測量發(fā)射信號的回波延遲來獲得目標的距離信息，通過測量 回波的多普勒頻率來獲得目標相對于雷達的徑向速度。對于遠程雷達來說，需要長脈沖來 獲得足夠的能量，以檢測遠距離的小目標。然而，長脈沖在距離上分辨率較差，在此情況中 可以采用調(diào)頻或調(diào)相來增大長脈沖的頻譜寬度，從而獲得如同短脈沖的分辨力，這被稱為 “脈沖壓縮”。雷達中也可以采用連續(xù)波波形，連續(xù)波雷達信號在發(fā)射時接收，進而利用由目標 引起的回波信號的多普勒頻移，測出目標的徑向速度。簡單的連續(xù)波雷達不能測量距離。如 果雷達脈沖的寬度足夠長，并且目標的多普勒頻移足夠大，在單個脈沖內(nèi)以頻率變化為基 礎(chǔ)來檢測目標的多普勒頻移也是有可能的。為了在寬度為Tp的單個脈沖內(nèi)檢測多普勒頻 移，通常要求一個脈沖內(nèi)至少有一個周期的多普勒頻移fd，或者說fdTp > 1。在許多其他的雷達系統(tǒng)中，速度的徑向分量可以根據(jù)距離變化率獲得。這種測量 徑向速度的經(jīng)典公式為vr = (R2-R1)Z(T2-T1)，即根據(jù)T1時的距離R1和T2時的距離R2來獲 取。但是，使用多普勒頻移是獲得徑向速度的基本方法，它可以在單次觀測的基礎(chǔ)上進行。 利用多普勒頻移的經(jīng)典表達式，徑向速度、可表示為、=Xfd/2，其中，λ表示波長。在 距離變化率的方法中，假定兩次測距之間的時間和多普勒頻率測量持續(xù)時間相同，則根據(jù) 多普勒頻移獲得的徑向速度的精度要遠遠好于根據(jù)距離變化率獲得的徑向速度的精度。多 普勒頻率測量的精度與持續(xù)時間有關(guān)，測量時間越長，頻率精度越好。另外，波長越短，實現(xiàn) 所要求的徑向速度精度所需要的觀測時間越短?；蛘哒f，在給定觀測時間的情況下，波長越 短，速度精度越高。根據(jù)線性調(diào)頻脈沖壓縮波形的模糊圖，在回波信號中，一個大的多普勒頻移會導(dǎo) 致所顯示的距離并非是真實距離，這稱為距離多普勒耦合。許多情況下，多普勒頻移產(chǎn)生的 距離誤差比較小，這是可以忍受的。如果距離誤差比較大，對上升調(diào)頻和下降調(diào)頻獲得的兩 個距離求平均，可以消除多普勒頻移的影響。另外，目前存在很多采用長脈沖線性調(diào)頻信號 的雷達系統(tǒng)，主要用于衛(wèi)星或彈道導(dǎo)彈等高速運動目標的搜索和跟蹤。如美國的“鋪路爪”， 發(fā)射脈沖可長達16ms，信號帶寬達^ΜΗζ。采用這樣的長脈沖信號進行高速運動目標測距 時，必然帶來很大的測距偏差。假設(shè)系統(tǒng)發(fā)射線性調(diào)頻信號帶寬為500kHz，時寬為ans，載 波頻率2. 3GHz,目標的徑向速度為4km/sec，則會產(chǎn)生36. 8km左右的測距偏差，同時脈壓主 瓣會展寬11%，因此，應(yīng)對上述多普勒耦合效應(yīng)加以利用，并對其影響做出補償?？傊?，現(xiàn)有的通過單脈沖同時測速和測距的方法對接收到的寬帶線性調(diào)頻信號解 調(diào)頻脈沖壓縮后，通過復(fù)雜的時頻分析方法提取目標的速度和距離信息。這些方法實現(xiàn)復(fù) 雜，通常適用于大帶寬和高載頻的雷達系統(tǒng)。然而，用于長距離目標搜索和跟蹤的雷達系統(tǒng)
4帶寬較窄，現(xiàn)有的方法難以提供目標距離和速度的正確估計。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有同時測速和測距方法中分析復(fù)雜、精度差的缺陷，在雷達系統(tǒng)采用長 脈沖線性調(diào)頻信號時，本發(fā)明提出一種通過單脈沖回波來同時測量高速運動目標的距離和 速度的方法。本發(fā)明提出的一種同時測量高速運動目標的距離和速度的方法包括步驟10)、接收所述高速運動目標對于單脈沖發(fā)射信號產(chǎn)生的回波信號，構(gòu)造擴展 匹配濾波函數(shù)，對所述回波信號進行脈沖壓縮，獲得所述高速運動目標的距離向分辨；步驟20)、根據(jù)所述高速運動目標的距離向分辨，在脈沖壓縮后的所述回波信號中 檢測目標，提取目標區(qū)域；步驟30)、將所提取的目標區(qū)域返回到信號譜空間，得到該目標的脈壓譜，將該目 標的脈壓譜與發(fā)射信號譜相關(guān)，獲取目標的多普勒頻移，得到目標相對于雷達的徑向速度 估計；步驟40)、在信號譜空間對所述目標脈壓譜解脈壓，根據(jù)所述目標多普勒頻移的估 計結(jié)果，對目標解脈壓譜進行平移；并重新脈壓，從而估計目標距離；其中，所述單脈沖發(fā)射信號是具有大的時寬帶寬積的線性調(diào)頻信號。其中，步驟10)中，所述單脈沖發(fā)射信號為s (t) =8(0^ (」2^。0，其中，8(0 為基帶線性調(diào)頻信號，f。為載波頻率，g(t)對應(yīng)的頻譜為G(f)，則所述高速運動目標的回 波頻譜為
權(quán)利要求
1.一種同時測量高速運動目標的距離和速度的方法包括步驟10)、接收所述高速運動目標對于單脈沖發(fā)射信號產(chǎn)生的回波信號，構(gòu)造擴展匹配 濾波函數(shù)，對所述回波信號進行脈沖壓縮，獲得所述高速運動目標的距離向分辨；步驟20)、根據(jù)所述高速運動目標的距離向分辨，在脈沖壓縮后的所述回波信號中檢測 目標，提取目標區(qū)域；步驟30)、將所提取的目標區(qū)域返回到信號譜空間，根據(jù)該目標的脈壓譜，將該目標 的脈壓譜與發(fā)射信號譜相關(guān)，獲取目標的多普勒頻移，得到目標相對于雷達的徑向速度估 計；步驟40)、在信號譜空間對所述目標脈壓普解脈壓，根據(jù)所述目標多普勒頻移的估計結(jié) 果，對目標的解脈壓譜進行平移，并重新脈壓，估計目標距離；其中，所述單脈沖發(fā)射信號是具有大的時寬帶寬積的線性調(diào)頻信號。
2.權(quán)利要求1的方法，其中，步驟10)中，所述單脈沖發(fā)射信號為s(t)= g(t) exp (JjJifet)，其中，g(t)為基帶線性調(diào)頻信號，f。為載波頻率，g(t)對應(yīng)的頻譜為G(f)， 則所述高速運動目標的回波頻譜為
3.權(quán)利要求2的方法，其中，步驟10)中，構(gòu)造和所述單脈沖發(fā)射信號相同調(diào)頻率的擴 展參考頻譜，所述擴展參考頻譜的寬度為所述單脈沖發(fā)射信號的帶寬加上所述目標可能的 最大多普勒偏移的兩倍，所述擴展參考頻譜對應(yīng)的擴展匹配濾波函數(shù)為
4.權(quán)利要求3的方法，其中，步驟10)中，使用所述擴展參考頻譜對目標回波信號頻譜 Sr(f)做脈沖壓縮，匹配濾波后的回波信號為
5.權(quán)利要求1的方法，其中，步驟20)還包括在脈沖壓縮后的所述回波信號中檢測目 標，對檢測所得目標進行分割，得到所述目標的脈壓譜，提取目標區(qū)域；其中，通過設(shè)定一定的距離門大小，將檢測到的目標分割出來；對于空間目標觀測，設(shè) 定距離門的寬度大于10公里。
6.權(quán)利要求3的方法，其中，步驟30)中，將目標回波返回到信號頻譜域，并將目標回波 頻譜同發(fā)射基帶信號頻譜相關(guān)，獲取目標回波頻譜的偏移，其偏移量為目標的多普勒頻率， 得到所述目標徑向速度
7.權(quán)利要求3的方法，其中，步驟40還包括根據(jù)所述目標回波頻譜和擴展參考頻譜 的共軛相乘，對該目標回波頻譜解脈壓了根據(jù)所估計的目標多普勒頻移，對解脈壓譜進行 平移，對經(jīng)過平移的目標回波頻譜重新脈壓，估計目標距離。
8.權(quán)利要求7的方法，其中，步驟40)中，將所提取的目標回波變換到頻率域，并對其分 別解脈壓，得到目標回波頻譜
9.權(quán)利要求7的方法，其中，步驟40)中，根據(jù)所述目標徑向速度，將經(jīng)過解脈壓的目標 回波頻譜平移，通過匹配濾波進行脈沖壓縮，得到目標回波的脈壓結(jié)果，通過峰值檢測得到 目標的距離估計。
10.權(quán)利要求9的方法，其中，步驟40)中，對經(jīng)過解脈壓和平移之后的目標回波頻譜重 新脈壓，得到所述脈壓結(jié)果為
全文摘要
本發(fā)明披露一種基于單脈沖回波信號來同時進行高速運動目標測距和測速的方法，首先構(gòu)造擴展參考頻譜，對接收回波進行脈沖壓縮，并在脈壓結(jié)果中檢測目標。將所提的目標區(qū)域返回到頻率域，通過目標脈壓譜與發(fā)射基帶信號譜相關(guān)，得到目標的多普勒偏移，測量目標的徑向速度；同時，將目標脈壓譜乘以擴展參考譜，對目標回波解脈壓，結(jié)合對目標多普勒頻移的估計，將解脈壓之后的目標譜做相應(yīng)的平移，進而根據(jù)擴展參考譜重新完成脈沖壓縮，得到目標距離的估計。
文檔編號G01S7/292GK102121989SQ20101020995
公開日2011年7月13日 申請日期2010年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日
發(fā)明者葉春茂, 寧夏, 山秀明, 彭應(yīng)寧, 楊健 申請人:清華大學(xué)