空中弱小目標(biāo)長時間相參積累檢測技術(shù)研究.pdf

1、隨著隱身技術(shù)和飛行器技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了大量以“遠(yuǎn)距離、低可觀測、高機(jī)動性”為代表的空中弱小目標(biāo)。這些目標(biāo)的共同點(diǎn)在于：目標(biāo)的信雜比/信噪比很低，使得傳統(tǒng)檢測算法失效。因此，如何對此類目標(biāo)進(jìn)行增強(qiáng)并實(shí)現(xiàn)有效檢測，已成為雷達(dá)信號處理領(lǐng)域中的一個研究熱點(diǎn)。長時間相參積累技術(shù)是一種有效的弱小目標(biāo)增強(qiáng)方法，即通過較長的積累時間，增加可接收的目標(biāo)回波能量，達(dá)到用時間換取能量的目的。然而在長時間積累過程中，由于目標(biāo)的高速運(yùn)動和機(jī)動飛行，目標(biāo)回波會發(fā)生

2、“跨多普勒、跨距離、跨波束走動”的三跨現(xiàn)象。如果不能將分散于不同距離/多普勒/波束單元的目標(biāo)回波能量較好地積累起來，就無法有效改善雷達(dá)對弱小目標(biāo)的檢測性能。本論文針對雷達(dá)弱小目標(biāo)的積累增強(qiáng)問題，開展了跨多普勒、跨距離、跨波束走動的補(bǔ)償算法研究。主要內(nèi)容包括：
　　1、提出了一種跨多普勒走動補(bǔ)償算法。當(dāng)雷達(dá)工作于高脈沖重復(fù)頻率模式下且在一定的觀測時間內(nèi)，勻加速目標(biāo)的回波經(jīng)過脈沖壓縮后集中于同一距離單元內(nèi)。將回波信號變換到距離-多普勒

3、二維頻率域，通過對加速度搜索并構(gòu)造多普勒域相位補(bǔ)償函數(shù)，對回波信號進(jìn)行跨多普勒走動補(bǔ)償，使多普勒補(bǔ)償后的積累輸出譜峰集中于同一個多普勒通道。仿真實(shí)驗(yàn)表明，在不同輸入信噪比情況下，相位補(bǔ)償相參積累算法的檢測性能優(yōu)于未補(bǔ)償?shù)姆e累算法；而在相同信噪比情況下，相位補(bǔ)償相參積累算法的接收機(jī)工作特性曲線也好于未補(bǔ)償?shù)姆e累算法。因此，該方法可以有效提高雷達(dá)對跨多普勒走動弱小目標(biāo)的檢測能力。
　　2、針對徑向勻速運(yùn)動目標(biāo)長時間積累過程中的跨距離走

4、動問題，提出了一種坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換（AR：Axis Rotation）的跨距離走動補(bǔ)償方法。在對勻速目標(biāo)回波分布特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，將目標(biāo)回波快時間-慢時間域的二維距離走動補(bǔ)償問題轉(zhuǎn)變?yōu)樽鴺?biāo)旋轉(zhuǎn)角度的一維搜索問題，即通過簡單的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換操作，以較低的計(jì)算復(fù)雜度將原坐標(biāo)系中分布于不同距離單元的目標(biāo)回波變換到新坐標(biāo)系下同一距離單元中，并在此基礎(chǔ)上通過運(yùn)動目標(biāo)檢測算法（MTD：Moving Target Detection）對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行檢測

5、和參數(shù)估計(jì)。隨后，針對AR-MTD算法中存在的坐標(biāo)變換誤差對回波相位的影響、新坐標(biāo)系下多普勒頻率及分辨率隨坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度變化等問題進(jìn)行了分析，并提出了基于改進(jìn)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換的MTD算法（IAR-MTD：Improved AR-MTD），有效地克服了上述問題。仿真實(shí)驗(yàn)表明，對于徑向勻速運(yùn)動弱小目標(biāo)，IAR-MTD能提高雷達(dá)威力、提高可檢測距離及改善對弱目標(biāo)的檢測性能；與MTD、Radon傅里葉變換和基于Keystone變換MTD算法相比，IA

6、R-MTD具有較好的積累性能及較低的計(jì)算復(fù)雜度。同時，IAR-MTD可以被視為一種MTD的改進(jìn)算法并可應(yīng)用于現(xiàn)有的MTD雷達(dá)系統(tǒng)。
　　3、針對徑向勻加速運(yùn)動目標(biāo)同時出現(xiàn)跨距離徙動、跨多普勒走動問題，將改進(jìn)的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換和分?jǐn)?shù)階傅立葉變換（FRFT：Fractional Fourier Transform）相結(jié)合，提出了IAR-FRFT算法。該方法采用改進(jìn)的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換消除了距離走動、減輕了距離彎曲的影響，并通過FRFT實(shí)現(xiàn)相參積

7、累。通過引入等效多普勒頻率的概念，增加了相參積累時間，提高了多目標(biāo)檢測的自由度。仿真實(shí)驗(yàn)表明，和二次二階Keystone變換相比，由于FRFT可以通過快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)且不需插值，因此IAR-FRFT具有更低的計(jì)算復(fù)雜度；和FRFT相比較，IAR-FRFT具有更長的相參積累時間和積累增益；而且IAR-FRFT可以通過距離、多普勒頻率和多普勒調(diào)頻率來分辨和檢測多個運(yùn)動目標(biāo)。針對變速運(yùn)動或轉(zhuǎn)彎機(jī)動目標(biāo)在積累過程中同時發(fā)生跨距離/多普勒徙動的

8、問題，將改進(jìn)的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換和離散chirp傅立葉變換（DCFT：Discrete chirp-Fourier Transform）相結(jié)合，提出了IAR-DCFT算法和多距離單元聯(lián)合的IAR-DCFT算法（MR-IAR-DCFT：Multi-Range-cell IAR-DCFT）。IAR-DCFT算法是針對經(jīng)過改進(jìn)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換后目標(biāo)回波處于同一距離單元的情況，是MR-IAR-DCFT算法的特例。而MR-IAR-DCFT算法是IAR-DC

9、FT算法的一般形式，即當(dāng)目標(biāo)回波經(jīng)改進(jìn)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換后，因距離彎曲使得回波仍然分布于相鄰幾個距離單元的情況，則在進(jìn)行DCFT變換后，通過滑窗操作將分散于不同距離單元的積累輸出再次積累起來。因此， MR-IAR-DCFT算法可以有效地消除長時間相參積累過程中的距離/多普勒徙動問題。仿真實(shí)驗(yàn)表明， IAR-DCFT是一種最優(yōu)的估計(jì)器和檢測器；而且IAR-DCFT和MR-IAR-DCFT能有效增加相參積累時間、提高相參積累增益，算法可以通過多個

10、自由度（初始位置、等效徑向速度、初始徑向速度、初始加速度和初始加加速度）實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)檢測和分辨。
　　4、針對相控陣?yán)走_(dá)體制高速運(yùn)動目標(biāo)容易發(fā)生跨波束走動問題，提出了兩種多波束聯(lián)合的相參積累算法。為了實(shí)現(xiàn)跨波束弱小目標(biāo)積累檢測問題，本論文首先提出了一種三維時間模型，即將時間劃分為快時間、慢時間和波束時間三個部分。隨后在三維時間模型的基礎(chǔ)上，提出了三維目標(biāo)回波信號模型。而且為了估計(jì)目標(biāo)的切向速度，在多普勒頻率基礎(chǔ)上，提出了切向多普勒頻

11、率這一新概念，為目標(biāo)切向速度估計(jì)提供了一種潛在的途徑。以此為基礎(chǔ)，考慮到相控陣?yán)走_(dá)的多波束工作模式包含時分多波束（TSMB：Time-Shared Multi-Beam）和空分多波束（SSMB：Space-Shared Multi-Beam）兩種模式,分別提出了基于時分多波束的多波束聯(lián)合相參積累算法（MBACIA-TSMB：Multi-Beam Associated Coherent Integration Algorithm base

12、d on TSMB）和基于空分多波束的多波束聯(lián)合相參積累算法（MBACIA-SSMB：Multi-Beam Associated Coherent Integration Algorithm based on SSMB）。這兩種算法都可以消除回波在波束間的走動，并對處于同一波束內(nèi)的目標(biāo)回波進(jìn)行相參積累及目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)估計(jì)。仿真實(shí)驗(yàn)表明，MBACIA-SSMB的檢測性能優(yōu)于MBACIA-TSMB，但這種優(yōu)勢是以增加系統(tǒng)復(fù)雜度為代價的。因此，