阅读说明：本技术 一种基于图信号处理的雷达目标距离估计方法 (Radar target distance estimation method based on graph signal processing ) 是由 廖可非 余泽锐 蒋俊正 谢宁波 王海涛 欧阳缮 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于图信号处理的雷达目标距离估计方法,该方法对所有阵元进行图信号构建,使两两阵元之间的相位信息能够在图傅里叶变换中起更好的特征分解的作用从而获得更好的目标距离估计结果,并使用多个单频信号完成频率分集宽带信号的合成,完成了多目标距离估计,降低了系统复杂度。采用全连接的邻接矩阵As图信号的方式进行目标距离估计,时间和空间复杂度与稀疏连接图信号目标距离估计方法一样,得到的结果归一化结果更好,引入图信号处理的方法用于目标距离估计中,得到新的目标距离估计方法,通过加入阵元排列下阵元之间的位置差关系对方位向进行估计,达到联合估计的效果。(The invention discloses a radar target distance estimation method based on graph signal processing, which constructs graph signals for all array elements, enables phase information between every two array elements to play a better characteristic decomposition role in graph Fourier transform so as to obtain a better target distance estimation result, completes synthesis of frequency diversity broadband signals by using a plurality of single-frequency signals, completes multi-target distance estimation and reduces system complexity. The target distance estimation is carried out by adopting a fully-connected adjacent matrix As image signal mode, the time and space complexity is the same As that of a sparse connection image signal target distance estimation method, the obtained result normalization result is better, an image signal processing method is introduced to be used in the target distance estimation to obtain a new target distance estimation method, the azimuth is estimated by adding the position difference relation between array elements under array element arrangement, and the effect of joint estimation is achieved.)

一种基于图信号处理的雷达目标距离估计方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种基于图信号处理的雷达目标距离估计方法。

背景技术

波达方向估计是阵列信号处理领域近几十年最重要的任务之一，随着几十年算法技术的不断发展和应用，波达方向估计已经取得了重大的突破和发展，尤其是MUSIC、ESPRIT等以子空间分解类算法，它们突破了“瑞丽限”而达到了超分辨的性能要求，不仅大大提高了雷达搜索目标的能力，而且为DoA研究提供了一种子空间的新领域，是阵列信号处理史上的一个里程碑。雷达阵列信号的DoA估计可以对空间域中的目标进行参数估计，如距离、方位角、俯仰角等，无论在军事通信领域还是传统的民用通信领域都一种极其重要的目标估计方法。比如获取敌方目标的参数信息进行侦察或者获取用户的位置都离不开DoA估计，而DoA估计也成为空间谱估计，即信号的在空域总的能量分布表现，即通过分析接受信号的空间谱分布和结构得出信源的参数信息，而传统的MUSIC算法和ESPRIT算法在信噪比低环境下定位误差大，没有充分运用各个阵元接受信号的相位信息等问题，人们把目光更多地放在改进子空间算法和改进阵列结构这两个方向上去改进DoA算法性能。

发明内容

本发明的目的在于如何提高目标距离估计在低信噪比下的性能，以及如何增加频点相位信息的利用率的问题，而提供一种基于图信号处理的雷达目标距离估计方法。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于图信号处理的雷达目标距离估计方法，包括如下步骤：

1)雷达产生f_i步进频信号并向目标发射该信号，其中i＝1,2…I，I是频点个数，f_i＝f_c+i·Δf并时阵元同时发射，i为频点编号，f_c作为单频基带信号，Δf为固定频率增量；

2)雷达信号经目标反射后，接收天线接收目标的反射回波信号，并由数采卡采集，目标回波信号表示为：

其中δ_m为各目标的散射系数，m＝1,2…M，其中M为目标个数，noise(t-τ)表示经过时延之后的加性噪声，τ表示多目标中不同距离带来的回波相位差c表示光速，R_i表示第m个目标的距离；

3)将接收到的目标回波信号的不同频率的相位信息排列成矩阵，得到邻接矩阵A_s：

其中Δf_i,j表示第i个频点的阵元和第j个频点的阵元的步进频率差；

4)根据回波信号与噪声子空间的正交性，反求出邻接矩阵A_s的表达式：A_sx＝x，得到A_s图信号的每一行的元素

5)根据特征分解的定理，将邻接矩阵A_s进行子空间分解，得到图傅里叶算子

6)将图傅里叶算子对回波信号S_m(t)做图傅里叶变换，得到回波信号的图傅里叶形式

7)通过最小化图信号目标距离估计方法函数F_GSP(R)，去除M+1个最小值，取二范数的倒数，得到距离向估计最终结果为：

本发明提供的一种基于图信号处理的雷达目标距离估计方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)对所有阵元进行图信号构建，使两两阵元之间的相位信息能够在图傅里叶变换中起更好的特征分解的作用从而获得更好的目标距离估计结果，并使用多个单频信号完成频率分集宽带信号的合成，完成了多目标距离估计，降低了系统复杂度。

(2)采用全连接的邻接矩阵A_s图信号的方式进行目标距离估计，时间和空间复杂度与稀疏连接图信号目标距离估计方法一样，得到的结果归一化结果更好，相比稀疏连接图信号目标距离估计方法有更陡峭的尖峰和更大的-3dB衰减。

(3)引入图信号处理的方法用于目标距离估计中，得到新的目标距离估计方法，在低信噪比的情况下得到了相比MUSIC算法的估计结果，且更加充分利用了频点之间的频率差关系对距离向进行估计，可以通过加入阵元排列下阵元之间的位置差关系对方位向进行估计，达到联合估计的效果。

本发明相比于现有的稀疏连接图信号目标距离估计方法，在建立邻接矩阵图信号的时候采用全连接的方法，降低了目标距离估计结果的噪声影响，提高了目标距离估计分辨率。

附图说明

图1为雷达阵元与回波信号关系图；

图2为雷达频点阵列图信号图；

图3为本发明方法流程示意图；

图4为多目标原始距离示意图；

图5为多目标距离估计结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但不是对本发明的限定。

实施例：

雷达阵列与目标回波信号关系，如图1所示，由单个雷达收发单元和目标回波信号所构成，单个雷达发射接受M个频点的单频信号合成宽带单频信号，其中不同距离的目标会产生不一样的回波延时。

图2示出了距离估计算法单元中构建图信号模型的雷达频率阵列连接图模型，其中的M个阵元为雷达的单频信号，所有的阵元频点分别两两连接，其边上的值为两个阵元之间的频率差乘上估计距离带来的相位延时：其中nΔf为两个阵元之间相差的频率差，为信号双程路径带来的延时。

图3示出了本发明方法流程，一种基于图信号处理的目标距离估计方法，包括以下步骤：

(1)雷达产生f_i步进频信号其中i＝1,2…I，I是频点个数，f_i＝f_c+i·Δf并时阵元同时发射：i为频点编号，f_c作为单频基带信号，Δf为固定频率增量，雷达向目标发射该信号。

(2)经目标反射后，接收天线接收目标的反射回波信号，并由数采卡采集，目标回波信号可表示为：

其中δ_m为各目标的散射系数，m＝1,2…M，其中M为目标个数，noise(t-τ)表示经过时延之后的加性噪声，τ表示多目标中不同距离带来的回波相位差c表示光速，R_i表示第m个目标的距离；

(3)把接收的目标回波信号的不同频率的相位信息排列成矩阵，可以得到邻接矩阵A_s：

其中Δf_i,j表示第i个频点的阵元和第j个频点的阵元的步进频率差；

(4)根据回波信号与噪声子空间的正交性可以反求出邻接矩阵A_s的表达式：A_sx＝x，得到A_s图信号的每一行的元素

(5)根据特征分解的定理，将邻接矩阵A_s进行子空间分解，得到图傅里叶算子

(6)将图傅里叶算子对回波信号S_m(t)做图傅里叶变换，得到回波信号的图傅里叶形式

(7)通过最小化图信号目标距离估计方法函数F_GSP(R)，去除M+1个最小值，取二范数的倒数，得到距离向估计最终结果：

实验场景：

雷达信号距离向目标估计系统采用如图1所示的目标与雷达结构图，两个目标分别在9750m和10250m处，雷达快拍时间为128。雷达信号载频f_c＝10GHz，频率增量f_c＝100kHz，单频信号个数m＝10。

成像区域范围：距离向方位为9500m～10500m，在区域等间距划分一个100×1的搜索区域，其步进的距离长度为10m。现将2个点目标分别设置在(9500,0)，(10500,0)处，假设目标散射系数为1。

实验结果：

图5为采用本文方法的雷达目标距离向估计仿真结果，仿真结果精确地估计出了两个目标的距离向参数，也准确的重建了目标的相对散射系数。图4为多目标原始位置信息，从图5可以看出使用图信号的目标距离估计方法能有效地估计出多目标的距离信息。