本發(fā)明屬于無線電測量領(lǐng)域
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體的說是涉及一種用于動目標(biāo)雷達(dá)截面積測量的距離與多普勒匹配方法。
背景技術(shù)：
：雷達(dá)截面積(RCS)是指在平面波照射下目標(biāo)向給定方向散射電磁波能力的度量。RCS值越大意味著目標(biāo)越容易被探測。因此，RCS測量在雷達(dá)探測、隱身與反隱身、航空航天等領(lǐng)域具有重大的意義。高精度的RCS測量也成為研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。RCS的測量方法有兩種：第一種為理論計算方法，根據(jù)電磁理論，可以對若干典型的散射機(jī)理進(jìn)行分析。但對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料多樣的目標(biāo)，利用理論方法進(jìn)行計算十分困難；第二種方法為試驗(yàn)測量方法，在特定的測試場地對目標(biāo)的回波特性進(jìn)行測量，從而分析出目標(biāo)的RCS值。試驗(yàn)測量是一種直接、高效的方法。通過對目標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)的整理、分析，不僅僅可以獲得大量RCS值的特征數(shù)據(jù)，建立一個有效的目標(biāo)特征數(shù)據(jù)庫，而且可以與理論分析結(jié)果相結(jié)合，加強(qiáng)理論研究。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，人們并不完全依賴于理論計算，最終還是會對目標(biāo)的回波特性進(jìn)行測量。測量中可以使用全尺寸模型、也可以使用比例模型。通常情況下，小尺寸目標(biāo)在室內(nèi)中進(jìn)行，但為了滿足相位遠(yuǎn)場條件，大尺寸目標(biāo)則必須在室外測試場地進(jìn)行。在RCS測量中，背景雜波成為制約RCS測量精度的重要因素。室內(nèi)RCS測量中，為了降低對背景雜波的影響，測量通常在微波暗室中進(jìn)行。對于大尺寸的目標(biāo)，賈宏進(jìn)等人在《電大復(fù)雜目標(biāo)RSC縮比模型驗(yàn)證》中推導(dǎo)并驗(yàn)證了采用縮比模型在微波暗室中測量大型復(fù)雜目標(biāo)的方法，很好地解決了大型或超大型復(fù)雜目標(biāo)RCS難以測量的問題。但是，這種方法對縮比模型的要求很高，實(shí)際工程應(yīng)用存在一定的難度。考慮到微波暗室難以滿足遠(yuǎn)場測試條件。在微波暗室中測量RCS的方法并不適用。在室外測量可分為靜態(tài)測試與動態(tài)測試，由于靜態(tài)測試難以降低目標(biāo)上的雜波，為實(shí)現(xiàn)高精度的測量，常采用動態(tài)測試的方式。為了降低外場測試中背景雜波的影響，本專利采用基于動目標(biāo)檢測的RCS測量方法。傳統(tǒng)的動目標(biāo)檢測在距離域采用脈沖壓縮方法，在多普勒域采用多普勒濾波器組實(shí)現(xiàn)，但該方法的能量起伏較大，從而嚴(yán)重影響RCS測量的精度。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明提出了一種用于動目標(biāo)雷達(dá)截面積(RCS)測量的距離多普勒高精度匹配方法，通過帶時移的匹配濾波器域和頻域細(xì)分法實(shí)現(xiàn)距離和多普勒的高精度匹配，從而獲取高精度的RCS測量值。本發(fā)明的技術(shù)方案是：首先根據(jù)雷達(dá)的遠(yuǎn)場工作條件，即雷達(dá)與待測動目標(biāo)的距離r滿足r≥2D2/λ，其中D為待測動目標(biāo)的最大界面尺寸，λ為雷達(dá)的工作波長，將雷達(dá)和待測動目標(biāo)布置在一個中間無遮擋的外場環(huán)境，待測動目標(biāo)在雷達(dá)波束范圍內(nèi)正向或背向雷達(dá)運(yùn)動，則本發(fā)明包括以下步驟：a.雷達(dá)向待測動目標(biāo)發(fā)射脈沖重復(fù)周期為Tr的線性調(diào)頻脈沖信號s(t)，s(t)表示為如下公式1：其中p(t)為如下公式2：公式1和公式2中，Tp為脈沖寬度，K為調(diào)頻率，fc為載波頻率，m表示為第m個脈沖，為矩形窗函數(shù)，定義為如下公式3：b.雷達(dá)接收經(jīng)待測動目標(biāo)反射后的雷達(dá)回波信號，經(jīng)下變頻、濾波處理后，得到雷達(dá)基帶回波信號Sr(t)，Sr(t)表示為如下公式4：公式4中，Aσ為包含動目標(biāo)RCS的回波信號電平，c為光速，R為待測動目標(biāo)到雷達(dá)的瞬時距離；c.對雷達(dá)基帶回波信號Sr(t)進(jìn)行采樣，采樣率為fs≥1/B，其中B為發(fā)射信號帶寬，且B＝K·Tp，獲得N點(diǎn)雷達(dá)基帶回波信號序列s(n)，其中N為單個脈沖重復(fù)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，即其中，表示為向下取整；d.根據(jù)發(fā)射信號的脈沖寬度Tp，信號采樣率fs，計算出雷達(dá)發(fā)射脈沖信號的采樣點(diǎn)數(shù)e.連續(xù)采集M個重復(fù)周期的雷達(dá)回波信號，構(gòu)成M×N的雷達(dá)基帶回波信號矩陣S，對回波信號矩陣S通過帶時移的匹配濾波器進(jìn)行脈沖壓縮處理，具體方法包括以下步驟：e1.根據(jù)如下公式5設(shè)計匹配濾波器的參考函數(shù)，得到k組點(diǎn)數(shù)均為N1的參考函數(shù)hi(n)；其中k為時移組數(shù)；e2.對第一個雷達(dá)基帶回波信號序列s1(n)和k組參考函數(shù)hi(k,n)作nfft點(diǎn)的FFT變換，nfft≥N,nfft＝2l且l為使得N+N1和2l之間差值的最小值；信號FFT如下公式(6)所示：參考函數(shù)FFT如下公式(7)所示：e3.將S1(ω)分別與Hi(ω)相乘，得Yi(ω)＝S1(ω)Hi(ω),i＝1,2,…,k；e4.根據(jù)如下公式(8)求得Yi(ω)的nfft點(diǎn)IFFT，得s1(n)帶時移的脈沖壓縮結(jié)果；e5.利用冒泡法分別求得這k個序列幅度值中每列的最大值，再次比較這些最大值，選取最大值所在的序列作為第一個重復(fù)周期雷達(dá)回波信號的脈沖壓縮結(jié)果，賦給脈沖壓縮矩陣S1的第一行，同時記錄該結(jié)果所對應(yīng)的時移組kT；e6.根據(jù)最大值所對應(yīng)的距離單元nmax和時移組kT，由如下公式(9)計算出待測動目標(biāo)離雷達(dá)的精確距離Rr：e7.對第2至M個雷達(dá)基帶回波信號序列sw(n)，w∈[2,3,…,M]作nfft點(diǎn)的FFT變換，信號FFT如下公式(10)所示：e8.將Sw(ω)分別與第kT組參考函數(shù)的頻域響應(yīng)相乘，得w＝2,3,…,M；e9.根據(jù)如下公式(11)求得Y(w,ω)的nfft點(diǎn)IFFT，得sw(n)的脈沖壓縮結(jié)果：e10.將第2至M個重復(fù)周期雷達(dá)回波信號的脈沖壓縮結(jié)果，賦給脈沖壓縮矩陣S1的第2至M行，得到所有M個重復(fù)周期的脈沖壓縮結(jié)果；f.將矩陣S1的第1到N列分別做FFT得到一個新的M×N的矩陣MTD，用S1(m,n)表示矩陣S1的第m行第n列的元素，MTD(u,n)表示矩陣MTD的第u行第n列的元素，F(xiàn)FT如下公式(12)所示：g.對矩陣MTD的每一列按冒泡排序法求出最大幅值和最大幅值處的行數(shù)記為L，再比較這N個最大值得到一個最大值和這個最大值所在的列Row；h.由如下公式(13)求出回波中頻(f0)的粗略值：由如下公式(14)計算出Chirp_z變換的初始頻點(diǎn)f1：由如下公式(15)計算出Chirp_z變換的結(jié)束頻點(diǎn)f2：其中,fr為脈沖重復(fù)頻率，fr＝1/Tr；g.對S1的第nmax列做Chirp_z變換，得到一個M1的序列，其中M1為細(xì)化的點(diǎn)數(shù)；變換的方法包括以下步驟：g1.選擇一個最小的整數(shù)L1，使其滿足L1≥M+M1-1，同時滿足L1＝2m1，m1為任意正整數(shù)；g2.將長度為M的序列補(bǔ)0或者任意值，使序列長度變?yōu)長1，并利用FFT法求此序列的L1點(diǎn)離散傅里葉變換DFT，其中：A0表示起始取樣點(diǎn)的半徑長度，通常A0≤1；θ0表示起始取樣點(diǎn)Z0的相角，θ0＝2πf1/fs；表示兩相鄰點(diǎn)之間的等分角g3.根據(jù)如下公式(16)求h(n)：用FFT法求h(n)的L1點(diǎn)DFT,g4.將H(r)和G(r)相乘，得Q(r)＝H(r)G(r)，Q(r)為L1點(diǎn)頻域離散序列；g5.用FFT法求Q(r)的L1點(diǎn)IDFT，得h(n)和g(n)的圓周卷積q(n)，如下公式17所示：公式17中，前M1個值等于h(n)和g(n)的線性卷積結(jié)果[h(n)*g(n)]；g6.采用如下公式18求x(zk)：h.用冒泡排序法求x(zk)幅值的最大值Yr；l.在微波暗室中，依據(jù)步驟二至十一的方法測量標(biāo)準(zhǔn)的金屬圓球的接收機(jī)幅度值Y0以及標(biāo)準(zhǔn)金屬圓球與雷達(dá)的距離R0，此時標(biāo)準(zhǔn)金屬球的RCS值σ0已知。為降低雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)功率，該測試可在發(fā)射機(jī)上增加一個衰減器以降低雷達(dá)的輻射功率；j.根據(jù)公式(19)求得待測動目標(biāo)的一個RCS測量值。k.復(fù)步驟a至步驟jK次，得到待測動目標(biāo)的K個RCS測量值σk，k∈[1,2,…,K]，求取平均RCS測量值作為待測動目標(biāo)的RCS值。本發(fā)明的有益效果為：與傳統(tǒng)脈沖壓縮方法相比，該方法通過帶時移的匹配濾波器明顯減小了距離域能量起伏；與傳統(tǒng)多普勒濾波器組方法相比，頻域細(xì)分法明顯減小了多普勒域的能量起伏。本發(fā)明與傳統(tǒng)方案相比，利用信號處理方法，減小了距離域與多普勒域的匹配誤差，從而獲取高精度的RCS測量值。附圖說明圖1為本發(fā)明的總流程示意圖；圖2為本發(fā)明中時移脈沖壓縮的流程示意圖；圖3為本發(fā)明中Chirp_z變換的流程示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案：實(shí)施例：布置外場環(huán)境，設(shè)載波頻率fc＝35GHz，則雷達(dá)的工作波長λ＝c/fc＝8.57mm，其中c＝3×108m/s為光速，V＝20m/s為動目標(biāo)的速度。假設(shè)待測目標(biāo)的直徑D＝5m，將λ和D代入公式r≥2D2/λ可得滿足雷達(dá)遠(yuǎn)場工作條件的距離r≥5834m，本例待測動目標(biāo)的距離在7500m附近，且待測動目標(biāo)在雷達(dá)波束范圍內(nèi)背向雷達(dá)運(yùn)動，如圖1所示，則RCS測量包括以下步驟：1)脈沖重復(fù)周期Tr＝0.25ms，脈沖寬度Tp＝5μs，信號帶寬B＝2×107Hz，調(diào)頻率K＝B/Tp＝4×1012，將Tr、Tp、K、fc帶入公式(1)、(2)、(3)得到線性調(diào)頻脈沖s(t)的表達(dá)式，雷達(dá)通過發(fā)射機(jī)將該信號對準(zhǔn)待測動目標(biāo)輻射出去；2)雷達(dá)接收經(jīng)待測動目標(biāo)反射后的雷達(dá)回波信號，經(jīng)下變頻、濾波處理后，得到雷達(dá)基帶回波信號Sr(t)3)采樣率fs＝20MHz，對雷達(dá)基帶回波信號Sr(t)進(jìn)行采樣，獲得N＝5000點(diǎn)雷達(dá)基帶回波信號序列s(n)；4)根據(jù)Tp、fs算得雷達(dá)發(fā)射脈沖信號的采樣點(diǎn)數(shù)5)連續(xù)采集64個重復(fù)周期的雷達(dá)回波信號，構(gòu)成64×5000的雷達(dá)基帶回波信號矩陣S，對回波信號矩陣S通過帶時移的匹配濾波器進(jìn)行脈沖壓縮處理，其具體步驟如下：a.在本實(shí)例中令k＝4，將k帶入式(5)可得4組點(diǎn)數(shù)均為100的參考函數(shù)hi(n)，即b.按步驟六的第二步的要求求得nfft＝8192，根據(jù)式(6)(7)分別對s1(n)和4組hi(k,n)做8192點(diǎn)的FFT得到S1(ω)和Hi(ω)。c.將S1(ω)分別和Hi(ω)相乘，得到Y(jié)i(ω),i＝1,..,4。d.根據(jù)公式(8)求得Yi(ω)的8192點(diǎn)IFFT，得到s1(n)帶時移的脈沖壓縮結(jié)果。e.利用冒泡排序法分別求這4個序列幅度的最大值，再比較這4個最大值，得到最大值在第一列即kT＝1，和最大值所對應(yīng)的距離單元nmax＝1001，代入式(9)可得Rr＝7537.50(m)。f.對第2至64個雷達(dá)基帶回波信號序列sw(n)，w∈[2,3,…,64]按公式(10)作8192點(diǎn)的FFT變換。g.將Sw(ω)分別與第1組參考函數(shù)的頻域響應(yīng)H1(ω)相乘，得Y(w,ω),w＝2,3,…,64。h.根據(jù)公式(11)求得Y(w,ω)的8192點(diǎn)IFFT，得sw(n)的脈沖壓縮結(jié)果。i.將第2至64個重復(fù)周期雷達(dá)回波信號的脈沖壓縮結(jié)果，賦給脈沖壓縮矩陣S1的第2至64行，得到所有64個重復(fù)周期的脈沖壓縮結(jié)果。6)按公式(12)將矩陣S1的第1到5000列分別做FFT得到一個新的64×5000的矩陣MTD，用S1(m,n)表示矩陣S1的第m行第n列的元素，MTD(u,n)表示矩陣MTD的第u行第n列的元素。7)對矩陣MTD的每一列按冒泡排序法求出最大幅值，得到最大幅值處的行數(shù)L＝54。再比較這5000個最大值得到一個最大值和這個最大值所在的列Row＝41。8)將L、M、fr＝1/Tr＝4KHz代入公式(10)得f0＝3312.5Hz，再由公式(11)，(12)可得f1＝3250Hz，f2＝3375Hz。9)按照步驟七對S1的第1001列做Chirp_z變換，細(xì)化點(diǎn)數(shù)M1＝64，得到長度為64的序列X(zk)。10)按照冒泡排序法，得x(zk)的最大值Yr＝63.30。11)選擇直徑為20mm的金屬球，其RCS值σ0為1.32×10-3m2。在微波暗室中，將雷達(dá)的發(fā)射機(jī)與一個-60dB的功率衰減器連接對金屬球進(jìn)行測試，測得標(biāo)準(zhǔn)金屬圓球與雷達(dá)的距離5.15m，接收機(jī)電壓值Y0＝832.70。12)待測動目標(biāo)的一個RCS測量值為σ＝35.00m213)重復(fù)步驟一至步驟十二10次，得到待測動目標(biāo)的RCS測量值如下表1所示：表1待測動目標(biāo)的RCS測量值次數(shù)12345RCS值35.0035.0235.0034.9935.00次數(shù)678910RCS值34.9835.0035.0835.0035.01求得待測動目標(biāo)的RCS值為當(dāng)前第1頁1 2 3