一種自適應(yīng)提取雷達(dá)目標(biāo)微動(dòng)周期的新方法
【專利摘要】該發(fā)明公開了一種自適應(yīng)提取雷達(dá)目標(biāo)微動(dòng)周期的新方法，本發(fā)明屬于僅利用雷達(dá)接收目標(biāo)回波數(shù)據(jù)對(duì)所探測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的微動(dòng)周期進(jìn)行估計(jì)的技術(shù)范疇，涉及利用雷達(dá)目標(biāo)回波數(shù)據(jù)的時(shí)頻圖的輪廓提取和曲線擬合方法對(duì)目標(biāo)的微動(dòng)周期進(jìn)行較精確估計(jì)的技術(shù)。該方法利用雷達(dá)接收的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)先通過短時(shí)傅里葉變換得到信號(hào)的時(shí)頻分布，然后對(duì)得到的時(shí)頻分布曲線進(jìn)行輪廓提取，接著通過自適應(yīng)設(shè)置門限的方法提取時(shí)頻曲線變化的輪廓，之后采用多項(xiàng)式擬合的方法對(duì)得到的粗輪廓進(jìn)行細(xì)節(jié)平滑，最后通過對(duì)平滑后的波形圖檢測(cè)譜峰并給出目標(biāo)微動(dòng)周期的估計(jì)。一種低成本、自適應(yīng)、穩(wěn)健的高精度雷達(dá)目標(biāo)微動(dòng)周期估計(jì)新方法。
【專利說明】一種自適應(yīng)提取雷達(dá)目標(biāo)微動(dòng)周期的新方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于僅利用雷達(dá)接收目標(biāo)回波數(shù)據(jù)對(duì)所探測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的微動(dòng)周期進(jìn)行估 計(jì)的技術(shù)范疇，涉及利用雷達(dá)目標(biāo)回波數(shù)據(jù)的時(shí)頻圖的輪廓提取和曲線擬合方法對(duì)目標(biāo)的 微動(dòng)周期進(jìn)行較精確估計(jì)的技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別問題在雷達(dá)研究和應(yīng)用領(lǐng)域中具有重要的意義。雷達(dá)發(fā)射電磁波作 用到目標(biāo)物體上，再反射回來被雷達(dá)所接收，其回波信號(hào)將攜帶目標(biāo)的本身的特征信息。當(dāng) 目標(biāo)物體與雷達(dá)間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，回波的載波頻率就會(huì)發(fā)生偏移，這被稱為多普勒效應(yīng) (Doppler effect)。如果雷達(dá)目標(biāo)除了主體的平移運(yùn)動(dòng)外還存在整體或部分的震動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng) 等微運(yùn)動(dòng)，那么可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)額外的頻率調(diào)制，使得回波信號(hào)在多普勒頻移的基礎(chǔ)上產(chǎn) 生邊帶，這就是微多普勒效應(yīng)（micro-Doppler effect)。微多普勒效應(yīng)使得我們能夠通過 研究回波信號(hào)的時(shí)頻分布信息分析目標(biāo)物體的動(dòng)力學(xué)特性，并且提供了一種精細(xì)分析微動(dòng) 目標(biāo)的新方法。
[0003] 文獻(xiàn) Vi c tor C. Chen , Fay in Lin , Mi cr〇-Dopp I er effect in radar:phenomenon, model, and simulation study, IEEETransactions on aerospace and electronic systems, Vol. 42, No. I, pp. 1-21, 2006?對(duì)雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行各種微動(dòng)對(duì)回波的調(diào) 制情況進(jìn)行了理論推導(dǎo)和分析。研究結(jié)果表面，雷達(dá)目標(biāo)做不同的微動(dòng)運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)雷達(dá)回波 的相位進(jìn)行不同調(diào)制，該理論為利用雷達(dá)回波信號(hào)分析目標(biāo)的微動(dòng)特性提供了理論依據(jù)。 上述文獻(xiàn)僅給出了彈頭、人等雷達(dá)目標(biāo)的微多普勒運(yùn)動(dòng)模型和時(shí)頻分析結(jié)果，驗(yàn)證了短時(shí) 傅里葉變換在微多普勒分析中的有效性，但并沒有給出基于該時(shí)頻圖的微多普勒周期的有 效提取方法。針對(duì)微動(dòng)周期提取問題，國(guó)內(nèi)的國(guó)防科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、南京14所、西 安電子科技大學(xué)等高校也進(jìn)行了初步研究如文獻(xiàn)：金光虎，朱玉鵬，高勛章，黎湘，信號(hào)處理 [J]，第25卷，第5期，pp. 772-776, 2009.，并取得了一定的效果，但大部分算法當(dāng)時(shí)頻曲線 較為模糊、且存在毛刺時(shí)，算法的微動(dòng)周期提取效果較差。
[0004] 針對(duì)上述問題，本發(fā)明創(chuàng)造性的給出了利用雷達(dá)目標(biāo)回波數(shù)據(jù)的時(shí)頻圖輪廓的自 適應(yīng)提取和曲線擬合方法對(duì)目標(biāo)的微動(dòng)周期進(jìn)行估計(jì)的新方法，通過仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn) 證，驗(yàn)證了本發(fā)明所提算法的有效性和可行性。對(duì)較為模糊的時(shí)頻曲線，本發(fā)明提出的微動(dòng) 周期提取方法具有較好的穩(wěn)健性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 在對(duì)雷達(dá)目標(biāo)回波進(jìn)行時(shí)頻變換的基礎(chǔ)上，對(duì)得到的時(shí)頻圖運(yùn)用局部特征提取和 曲線擬合方法實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波信號(hào)的周期估計(jì)，本發(fā)明的目的是提供一種自適應(yīng)、低復(fù)雜度、 穩(wěn)健的雷達(dá)目標(biāo)微動(dòng)周期提取的新方法。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，將采用以下技術(shù)方案：一種適用于微動(dòng)目標(biāo)的雷達(dá)回波 信號(hào)周期估計(jì)方法，該方法利用雷達(dá)接收的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)先通過短時(shí)傅里葉變換（STFT) 得到信號(hào)的時(shí)頻分布，然后對(duì)得到的時(shí)頻分布曲線進(jìn)行輪廓（局部細(xì)節(jié)）提取，接著通過自 適應(yīng)設(shè)置門限的方法提取時(shí)頻曲線變化的輪廓，之后采用多項(xiàng)式擬合的方法對(duì)得到的粗輪 廓進(jìn)行細(xì)節(jié)平滑，最后通過對(duì)平滑后的波形圖檢測(cè)譜峰并給出目標(biāo)微動(dòng)周期的估計(jì)。因而 該方法包括以下步驟：
[0007] 步驟1，回波數(shù)據(jù)采集：雷達(dá)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，以一定的PRF發(fā)射窄脈沖，采集雷達(dá)目 標(biāo)回波信號(hào)數(shù)據(jù)；提取每次脈沖作用下目標(biāo)回波信號(hào)一維距離像幅值的最大值和該幅度最 大值出現(xiàn)的位置，形成一矢量數(shù)據(jù)X (n)，n = 1，2,…，N，其中N表示目標(biāo)回波的個(gè)數(shù)；
[0008] 步驟2,時(shí)頻分析：對(duì)該矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，獲得維數(shù)為mXn的時(shí)頻變 換矩陣X(m為頻率軸變量，n為時(shí)間軸變量）；記錄下時(shí)間軸的單位時(shí)間間距A t。
[0009] 步驟3,時(shí)頻曲線的提取，獲取包含微動(dòng)信息的局部時(shí)頻圖：對(duì)t = 1，2,…，n，保存 時(shí)頻變換矩陣X中每一列中數(shù)據(jù)模的最大值P(t)及該最大值在該列的位置序號(hào)Loc(t); 以位置序號(hào)Loc (t)中的最大值和最小值為上限和下限對(duì)原始時(shí)頻圖進(jìn)行裁剪，只保留 時(shí)頻曲線出現(xiàn)的局部時(shí)頻圖,得到包含時(shí)頻曲線信息的緊湊時(shí)頻圖X1，其維數(shù)為Hi1 X n, Hi1<< m ；
[0010] 步驟4,對(duì)時(shí)頻圖X1進(jìn)行去毛刺和細(xì)化：對(duì)X1的每一列數(shù)據(jù)計(jì)算其均值y t和標(biāo)準(zhǔn) 差〇t，并對(duì)每一列數(shù)據(jù)預(yù)設(shè)門限為Pt= 〇t，其中X e [0, 1/2]之間的數(shù)值，每一列 內(nèi)的各值與門限進(jìn)行比較后，保存所有大于該門限值的位置序號(hào)矢量…，，其 中Ft的第j個(gè)元素fj G N+為位置序號(hào)的值，是正整數(shù)；j = 1，--?，MyMt為第t列數(shù)據(jù)中大 于門限Pt的元素個(gè)數(shù)，并取所有序號(hào)的均值形成新的位置向量Y = [yi，…，yt]T，該矢量中

【權(quán)利要求】
1. 一種自適應(yīng)提取雷達(dá)目標(biāo)微動(dòng)周期的新方法，該方法包括： 步驟1，回波數(shù)據(jù)采集：雷達(dá)位于坐標(biāo)原點(diǎn)，以一定的PRF發(fā)射窄脈沖，采集雷達(dá)目標(biāo)回 波信號(hào)數(shù)據(jù)；提取每次脈沖作用下目標(biāo)回波信號(hào)一維距離像幅值的最大值和該幅度最大值 出現(xiàn)的位置，形成一矢量數(shù)據(jù)X (n)，n = 1，2,…，N，其中N表示目標(biāo)回波的個(gè)數(shù)； 步驟2,時(shí)頻分析：對(duì)該矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，獲得維數(shù)為mXn的時(shí)頻變換矩 陣X(m為頻率軸變量，n為時(shí)間軸變量）；記錄下時(shí)間軸的單位時(shí)間間距A t。 步驟3,時(shí)頻曲線的提取，獲取包含微動(dòng)信息的局部時(shí)頻圖：對(duì)t= 1，2,…，n，保存時(shí)頻 變換矩陣X中每一列中數(shù)據(jù)模的最大值P(t)及該最大值在該列的位置序號(hào)Loc(t);以位 置序號(hào)Loc(t)中的最大值和最小值為上限和下限對(duì)原始時(shí)頻圖進(jìn)行裁剪，只保留時(shí)頻曲 線出現(xiàn)的局部時(shí)頻圖，得到包含時(shí)頻曲線信息的緊湊時(shí)頻圖X1，其維數(shù)為Hi1Xr^m1 << m ; 步驟4,對(duì)時(shí)頻圖X1進(jìn)行去毛刺和細(xì)化：對(duì)X1的每一列數(shù)據(jù)計(jì)算其均值y t和標(biāo)準(zhǔn)差 〇t，并對(duì)每一列數(shù)據(jù)預(yù)設(shè)門限為Pt= ut+X 〇t，其中X e [〇, 1/2]之間的數(shù)值，每一列內(nèi) 的各值與門限進(jìn)行比較后，保存所有大于該門限值的位置序號(hào)矢量Fi= f，，其中 Ft的第j個(gè)元素fj e N+為位置序號(hào)的值，是正整數(shù)；j = 1，…，Mt，Mt為第t列數(shù)據(jù)中大于 門限Pt的元素個(gè)數(shù)，并取所有序號(hào)的均值形成新的位置向量Y= [yi，…，yt]T，該矢量中第t
時(shí)，找出時(shí)頻圖X1中所有元素模的最大值，對(duì)t = 1，2,…，n，把時(shí)頻圖X1中位置（t，yt)的 像素值用最大值替換原值，其他位置全部用1填補(bǔ)，形成處理后的時(shí)頻圖X2，該圖為時(shí)頻曲 線的大致輪廓； 步驟5,多項(xiàng)式平滑：利用多項(xiàng)式平滑算法對(duì)位置矢量Y進(jìn)行平滑，得到平滑后矢量Y1 ; 步驟6,搜索平滑后矢量Y1的譜峰； 步驟7,估計(jì)周期：微動(dòng)周期T的估計(jì)為兩個(gè)相鄰譜峰之間的間隔L乘以時(shí)頻圖時(shí)間軸 相鄰點(diǎn)的間距A t，即f =心X L ;當(dāng)時(shí)頻曲線只存一個(gè)譜峰及一個(gè)譜谷時(shí)，周期的估計(jì)為相 鄰譜峰和譜谷之間時(shí)間差的2倍。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種自適應(yīng)提取雷達(dá)目標(biāo)微動(dòng)周期的新方法，其特征在于所述 步驟2中的短時(shí)傅里葉變換，是一種線性的時(shí)頻變換，它的表達(dá)形式為：
其中，x(n)為短時(shí)傅里葉變換前的已知信號(hào)，w(n)為短時(shí)傅里葉變換的窗函數(shù)，可以 根據(jù)對(duì)估計(jì)的均值和方差的不同需要選擇Bartlett、Kaiser、Hamming、Blackman等窗函 數(shù)，X(n，《)為信號(hào)短時(shí)傅里葉變換后的時(shí)頻分布圖。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種自適應(yīng)提取雷達(dá)目標(biāo)微動(dòng)周期的新方法，其特征在于所述 步驟4中的門限選擇的原則是：方差〇i越大，則A選擇趨近于〇的值，反之，A則選擇趨 近與1/2的數(shù)值。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種自適應(yīng)提取雷達(dá)目標(biāo)微動(dòng)周期的新方法，其特征在于所述 步驟5中多項(xiàng)式擬合，表達(dá)式為 p (X) = P1X1Vp2Xlri+...+pnx+p n+1 其中n為擬合的多項(xiàng)式階數(shù)，P1到pn+1為擬合的多項(xiàng)式系數(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的一種自適應(yīng)提取雷達(dá)目標(biāo)微動(dòng)周期的新方法，其特征在于所述 步驟5中多項(xiàng)式擬合表達(dá)式的階數(shù)n = 10。
【文檔編號(hào)】G01S7/292GK104360336SQ201410682329
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】郭賢生, 沈曉峰, 況凌, 郭偉奇, 萬群 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)