阅读说明：本技术 基于p/d波段雷达信号融合处理的高速目标检测方法 (High-speed target detection method based on P/D band radar signal fusion processing ) 是由 张仁李 张志嘉 盛卫星 马晓峰 韩玉兵 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于P/D波段雷达信号融合处理的高速目标检测方法,包括以下步骤：选取P波段工作雷达的发射波形形式为伪随机二进制相移键控脉冲信号,D波段工作雷达的发射波形形式为线性调频连续波信号；确定P波段雷达的伪随机二进制相移键控脉冲发射波形参数和D波段雷达的线性调频连续波发射波形参数；对P波段和D波段对应的工作波形进行协同发射和接收；对P波段和D波段雷达的发射信号回波进行处理,将两种波形的信号处理结果进行融合处理,得到目标的距离和速度信息。本发明解决了高速运动目标在D波段雷达下易发生测速模糊的问题,提高了目标测距与测速的精度。(The invention discloses a high-speed target detection method based on P/D band radar signal fusion processing, which comprises the following steps: selecting a transmitting waveform form of a P-band working radar as a pseudo-random binary phase shift keying pulse signal, and selecting a transmitting waveform form of a D-band working radar as a linear frequency modulation continuous wave signal; determining a pseudorandom binary phase shift keying pulse transmission waveform parameter of a P-band radar and a linear frequency modulation continuous wave transmission waveform parameter of a D-band radar; carrying out cooperative transmission and reception on working waveforms corresponding to the P wave band and the D wave band; and processing echoes of transmitting signals of the P-band radar and the D-band radar, and fusing the signal processing results of the two waveforms to obtain distance and speed information of the target. The invention solves the problem that the high-speed moving target is easy to generate speed measurement blur under the D-band radar, and improves the precision of target distance measurement and speed measurement.)

基于P/D波段雷达信号融合处理的高速目标检测方法

技术领域

本发明属于雷达信息技术领域，特别是一种基于P/D波段雷达信号融合处理的高速目标检测方法。

背景技术

近年来隐身技术的迅速发展对战略和战术防御系统提出了严峻挑战,迫使人们考虑如何摧毁隐身兵器并研究反隐身技术。现役隐身飞机效果最佳的频段在1～40GHz之间，如果雷达工作频率超出此范围，就可以显著提高雷达探测能力，从而使隐身飞机的隐身能力大大降低。

P波段频率范围为0.23～1GHz，D波段频率范围为110～170GHz，两者都处于隐身频段外，因此P波段与D波段雷达都具有出色的反隐身能力。P波段选用二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)工作波形，D波段选用线性调频连续波(LinearFrequency Modulated Continuous Wave,LFMCW)工作波形，两者都有较高的测距精度，但在测速性能方面，P波段雷达发射信号波长大，因此存在测速精度差的问题。D波段LFMCW雷达测速精度高，但其工作波形波长小，容易导致因多普勒模糊造成的测速模糊现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于P/D波段雷达信号融合处理的高速目标检测方法，以提高目标距离、速度测量精度，同时达到反隐身的效果。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于P/D波段雷达信号融合处理的高速目标检测方法，包括以下步骤：

步骤1，选取P波段雷达的发射波形形式为伪随机二进制相移键控脉冲信号，D波段雷达的发射波形形式为线性调频连续波波形；

步骤2，根据最大测距范围、最大测速范围以及测距精度确定P波段雷达的发射波形参数，包括码元宽度、脉冲宽度、脉冲重复周期；确定D波段雷达的发射波形参数，包括扫频带宽、扫频周期；

步骤3，对P波段和D波段雷达对应的工作波形进行协同发射和接收；

步骤4，对P波段雷达的BPSK发射信号回波进行处理：发射信号回波经AD采样和数字下变频后得到数字信号，对采样得到的数字信号数据进行相关处理，将结果保存至存储器RAM，在连续发射了N个脉冲完成相关处理后，将N个脉冲相关处理结果中同一个距离单元结果进行动目标检测处理，获得距离-多普勒二维平面，进行恒虚警检测得到目标峰值点，得到目标在P波段BPSK工作波形下的距离和速度信息；

步骤5，对D波段雷达的LFMCW发射信号回波进行处理：发射信号回波与本振信号进行混频得到差拍信号，对采样得到的差拍信号数据进行加窗快速傅里叶变换处理得到第一维FFT结果，经过一个相参积累时间，即N个脉冲重复周期后，进行第二维的FFT，MTD完成后形成距离-多普勒二维平面，对MTD处理结果进行CFAR检测处理，获得目标点迹的距离和多普勒信息，得到目标在D波段LFMCW工作波形下的距离和速度信息；

步骤6，对P波段和D波段雷达回波信号处理结果进行融合处理：将P波段和D波段探测结果在距离维进行匹配处理，得到同一目标在两种工作模式下的距离和速度测量结果；对同一目标，使用P波段速度测量结果判断目标在D波段多普勒频率测量模糊倍数，进行解模糊处理，得到目标距离和速度信息。

进一步的，步骤2确定P波段雷达的BPSK发射波形参数，根据最大测距范围、最大测速范围、测距精度确定BPSK发射波形参数，所述BPSK发射波形参数包括码元宽度、脉冲宽度、脉冲重复周期；确定D波段雷达的LFMCW发射波形参数，根据最大测距范围、测距精度确定LFMCW发射波形参数，所述LFMCW发射波形参数包括扫频带宽、扫频周期，具体如下：

首先设置P波段雷达BPSK发射波形参数如下：波形的脉冲宽度t_h,P，脉冲重复周期T_r,P，码元宽度τ_P；

码元宽度设置与天线带宽相匹配，对应发射信号3dB带宽为1/τ_P；

脉冲重复周期T_r,P对应雷达的最大作用距离R_max：

其中c为光速；

发射波形带宽为1/τ_P，对应雷达距离分辨力为：

目标最大相对运动速度为v_max，对应最长积累时间：

设置相干处理间隔T_CPI,P不能超过最长积累时间，对应多普勒分辨力为：

对应速度分辨力：

其中f₀为载波频率；

设置D波段雷达LFMCW发射波形参数如下：波形的扫频带宽B_D，波形的扫频周期T_r,D；

在LFMCW发射波的扫频段中，根据系统要求的测距分辨力和测距精度ΔR确定扫频带宽，即

波形扫频周期T_r,D对应雷达的最大作用距离R_max：

进一步的，步骤3对P波段和D波段雷达对应的工作波形进行协同发射和接收：两种工作波形在对应的相参积累时间内同时发射，P波段雷达在发射脉冲结束后接收目标回波，D波段雷达在LFMCW发射信号扫频周期的接收有效期间进行目标差拍回波的采样和处理。

进一步的，步骤4所述的对P波段雷达的BPSK发射信号回波进行相关处理，具体如下：

BPSK回波信号经AD采样和数字下变频后得到数字基带信号，数字基带信号是发射码字经过延迟调制到多普勒频率上的调幅信号，目标回波信号变成数字信号，然后将数字基带信号送入各个距离门，和参考码进行相乘累加，码字匹配的距离门上得到最大的输出；各个距离门上的参考码是由发射码字依次经过延迟一个码元时间得到的；每个距离门依次相差一个码元时间，故距离分辩力为cτ_P/2；这样经过一次相关积累处理，将长度为P的一组数据压缩成一个数据，完成一次积累，因此相关积累也叫脉冲压缩；

接着对下一组长度为P的数据进行压缩，依次反复，将相关处理结果送入存储器RAM，直到处理完所有数据；

最后，按距离门对脉压后的数据做FFT,获得距离-多普勒二维平面，然后进行恒虚警检测CFAR处理，获得在P波段BPSK波形下目标的距离和速度信息；

对相关器输出同一距离门下的数据Y_r(1:N,m)作N点FFT处理，得到对应的多普勒维数据F_r(n,m),即：

F_r(1:N,m)＝fft[Y_r(1:N,m)] (8)

其中F_r(n,m)表示回波通过MTD处理后第m个距离单元的第n个多普勒单元的结果。

进一步的，步骤5所述的对D波段雷达的LFMCW发射信号回波进行处理，具体如下：

LFMCW发射信号回波与本振信号进行混频得到差拍信号，对回波差拍信号进行AD采样；

目标最大距离为R_max，对应回波时延最大值为：

对一个扫频周期后τ_max～T_r期间的回波差拍信号进行采样，进行第一维FFT变换按距离门分别存入对应存储器RAM，经过一个相干处理间隔CPI后，对每个距离门存储数据作第二维FFT变换，即MTD处理后形成距离-多普勒二维平面，对MTD处理结果进行CFAR检测处理，获得目标在D波段LFMCW工作波形下的距离和多普勒信息；

通过第一维FFT处理测得目标差拍频率为：

其中R为目标距离，f_d为目标多普勒频率。

通过MTD处理测得目标模糊多普勒频率记为f_d,D，带入上式得到目标距离为：

其中μ＝B_D/T_r,D，μ为D波段LFMCW波形的调频斜率。

进一步的，步骤6所述对P波段和D波段雷达回波信号处理结果融合处理，具体如下：

将P波段与D波段探测结果在距离维上进行匹配，获得属于同一目标在两种工作模式下的距离和速度测量结果；

对于同一个目标，使用P波段速度测量结果v_P,判断目标在D波段雷达下多普勒频率测量模糊倍数N_D，如下式所示：

其中v_max,D为D波段LFMCW波形的最大不模糊探测速度，λ_D为D波段LFMCW波形的波长；

根据已求的D波段多普勒频率模糊倍数，进行解模糊处理，得到D波段下目标的不模糊多普勒频率f_d：

f_d＝f_d,D+N_D/T_r,D (14)

其中T_r,D为D波段LFMCW波形的扫频周期，由此得到目标精确的速度为：

将D波段LFMCW目标差拍频率f_B与不模糊多普勒频率f_d相结合，获得目标精确的距离为：

其中μ＝B_D/T_r,D，μ为D波段LFMCW波形的调频斜率。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)雷达工作波形处于隐身涂料工作频段外，可以达到频域反隐身的目的；(2)解决了高速目标在D波段LFMCW工作模式下易发生测速模糊的问题，以及高速目标回波的多普勒频移会降低P波段相位编码信号在雷达接收机的压缩效果的现象；(3)目标配对方式简单，运算量低且测距、测速精度高，原理简单，即使使用低成本的器件也能实现很好的实时性，在性能与成本方面具有竞争力。

附图说明

图1是本发明基于P/D波段雷达信号融合处理的高速目标检测方法流程图.

图2是本发明P波段和D波段工作波形协同发射示意图。

图3是本发明P波段回波信号相关处理的示意图。

图4是本发明P波段回波信号处理的流程图。

图5是本发明D波段LFMCW回波信号处理的流程图。

图6是本发明P波段和D波段雷达信号融合处理的流程图。

图7是本发明P波段信号处理、D波段信号处理与P波段和D波段雷达信号融合处理的检测精度对比图，其中图7(a)为测距误差对比示意图，图7(b)为测速误差对比示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于P/D波段雷达信号融合处理的高速目标检测方法，主要包括P/D波段波形结构设计、波形参数设计和信号处理设计三部分，如图1所示，该方法具体步骤为：

步骤一：设计P/D波段发射波形形式：选取P波段雷达的发射波形形式为伪随机二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)脉冲信号，D波段雷达的发射波形形式为线性调频连续波(LinearFrequency ModulatedContinuous Wave,LFMCW)波形；

步骤二：设计P/D波段雷达发射波形参数：确定P波段雷达的发射波形参数，根据最大测距范围、最大测速范围以及测距精度确定波形的参数，所述波形参数包括码元宽度、脉冲宽度、脉冲重复周期；确定D波段雷达的发射波形参数，根据最大测距范围、测距精度确定波形参数，所述波形参数包括扫频带宽、扫频周期；P/D波段雷达发射波形参数设置应保证在最大测距范围内不发生测距模糊，以便于融合处理过程中的目标匹配。

首先设置P波段雷达BPSK发射波形参数如下：波形的脉冲宽度t_h,P，脉冲重复周期T_r,P，码元宽度τ_P；

码元宽度设置与天线带宽相匹配，对应发射信号3dB带宽为1/τ_P；

脉冲重复周期T_r,P对应雷达的最大作用距离R_max：

其中c为光速；

发射波形带宽为1/τ_P，对应雷达距离分辨力为：

目标最大相对运动速度为v_max，对应最长积累时间：

设置相干处理间隔T_CPI,P不能超过最长积累时间，对应多普勒分辨力为：

对应速度分辨力：

其中c为光速，f₀为载波频率；

设置D波段雷达LFMCW发射波形参数如下：波形的扫频带宽B_D，波形的扫频周期T_r,D；

在LFMCW发射波的扫频段中，根据系统要求的测距分辨力与测距精度ΔR确定扫频带宽，即

其中c为光速；

波形扫频周期T_r,D对应雷达的最大作用距离R_max：

其中c为光速；

对P波段和D波段雷达对应的工作波形进行协同发射和接收，如图2所示，两种工作波形在对应的相参积累时间内同时发射，P波段雷达在发射脉冲结束后接收目标回波，D波段雷达在LFMCW发射信号扫频周期的接收有效期间进行目标差拍回波的采样和处理。

步骤三：设计P/D波段信号处理方式：如图3、图4所示，对P波段雷达的BPSK发射信号回波进行相关处理：BPSK回波信号经AD采样和数字下变频后得到数字基带信号，数字基带信号实际上就是发射码字经过延迟调制到多普勒频率上的调幅信号，目标回波信号变成数字信号，然后把数字基带信号送入各个距离门，和参考码进行相乘累加，码字匹配的距离门上就能得到最大的输出。各个距离门上的参考码是由发射码字依次经过延迟一个码元时间得到的。每个距离门依次相差一个码元时间，故距离分辩力为cτ_P/2。这样经过一次相关积累处理，就能把长度为P的一组数据压缩成一个数据,完成一次积累，因此相关积累也叫脉冲压缩。接着对下一组长度为P的数据进行压缩，依次反复，将相关处理结果送入存储器RAM，直到处理完所有数据。最后,按距离门对脉压后的数据做FFT,获得距离-多普勒二维平面，然后进行恒虚警检测CFAR处理，获得在P波段BPSK波形下目标的距离和速度信息。

对相关器输出同一距离门下的数据Y_r(1:N,m)作N点FFT处理，得到对应的多普勒维数据F_r(n,m),即：

F_r(1:N,m)＝fft[Y_r(1:N,m)] (8)

其中F_r(n,m)表示回波通过动目标检测(MovingTarget Detection,MTD)处理后第m个距离单元的第n个多普勒单元的结果。

对D波段雷达的LFMCW发射信号回波进行处理，如图5所示：

LFMCW发射信号回波与本振信号进行混频得到差拍信号，对回波差拍信号进行AD采样。

目标最大距离为R_max，对应回波时延最大值为：

为了使回波差拍信号在采样期间连续，对一个扫频周期后τ_max～T_r期间的回波差拍信号进行采样，进行第一维FFT变换按距离门分别存入对应存储器RAM,经过一个相干处理间隔CPI后，对每个距离门存储数据作第二维FFT变换，即MTD处理后形成距离-多普勒二维平面，对MTD处理结果进行CFAR检测处理，获得目标在D波段LFMCW工作波形下的距离和多普勒信息。

通过第一维FFT处理测得目标差拍频率为：

其中R为目标距离，f_d为目标多普勒频率。

通过MTD处理测得目标模糊多普勒频率记为f_d,D，带入上式得到目标距离为：

其中μ＝B_D/T_r,D，μ为D波段LFMCW波形的调频斜率。

对P波段和D波段雷达回波信号处理结果融合处理，如图6所示，具体如下：

第1步：将P波段与D波段探测结果在距离维上进行匹配，获得属于同一目标在两种工作模式下的距离和速度测量结果；

第2步：对于同一个目标，使用P波段速度测量结果v_P,判断在D波段多普勒频率测量模糊倍数N_D，如下式所示：

其中v_max,D为D波段LFMCW波形的最大不模糊探测速度，λ_D为D波段LFMCW波形的波长；

第3步：根据已求的D波段多普勒频率模糊倍数，进行解模糊处理，得到D波段不模糊多普勒频率f_d：

f_d＝f_d,D+N_D/T_r,D (14)

其中T_r,D为D波段LFMCW波形的扫频周期，由此得到目标精确的速度为：

其中λ_D为D波段雷达LFMCW工作波形的波长。

第4步：将D波段LFMCW目标差拍频率与不模糊多普勒频率相结合，获得目标精确的距离为：

其中μ＝B_D/T_r,D，μ为D波段LFMCW波形的调频斜率。

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明的效果可以通过以下仿真实验和外场测试进一步说明。

在仿真实验的指标设计中，测距范围为0到150m，测速范围为150m/s到3000m/s，雷达距离分辨力不大于1m，测距精度优于5m/s。根据具体实施的设计方法，P波段雷达BPSK发射波形参数设计如表1所示：

表1

D波段雷达LFMCW发射波形参数设计如表2所示：

表2

上述方案中，P波段雷达相干处理间隔CPI取512个脉冲，D波段雷达相干处理间隔CPI取256个调制周期。

为了评估本发明处理方法的性能，我们在相同指标的条件下比较P/D波段下信号处理和本发明融合处理的测距精度和测速精度性能。

图7(a)为Matlab仿真为P波段BPSK工作模式、D波段LFMCW工作模式与融合处理工作模式下的测距精度与目标距离关系曲线。在同一目标速度条件下，对目标距离从1m到150m，间隔1m的所有情况下进行仿真，将检测结果与实际情况相减计算误差，通过比较误差矩阵的标准差来确定两种体制的测量精度的好坏。

图7(b)为Matlab仿真为P波段BPSK工作模式、D波段LFMCW工作模式与融合处理工作模式下的测速精度与目标速度关系曲线。在同一目标距离条件下，对目标速度从0m/s到3000m/s，间隔10m/s的所有情况下进行仿真，将检测结果与实际情况相减计算误差，通过比较误差矩阵的标准差来确定两种体制的测量精度的好坏。

从图7(a)中可以看出，P波段BPSK工作模式与D波段LFMCW工作模式下都具有较好的测距精度，因此可以用于融合处理过程中的目标匹配。从图7(b)中可以看出，在速度小于D波段最大不模糊探测速度时，D波段LFMCW工作模式具有不错的测速精度，但目标速度超过最大不模糊探测速度时，D波段LFMCW工作模式的测速精度由于测速模糊而发生急剧恶化，P波段BPSK工作模式没有发生测速模糊现象，但具有较大测速误差。本发明通过融合处理，目标在整个动态范围内都具有很好的测速精度，测速精度优于5m/s。