空间目标检测与实现方法研究

岳玫君，王启智

(1．解放军电子工程学院，合肥 230037；2．中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

空间目标检测与实现方法研究

岳玫君1，王启智2

(1．解放军电子工程学院，合肥 230037；2．中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

空间目标由于其高速高机动等特点在观察时间内通常跨越多个距离单元，使得为了目标检测进行能量相参积累变得很困难。通过对大时宽高速运动目标雷达回波信号的建模，分析了拉伸效应、脉冲间距离迁徙等因素对积累的影响。提出了一种基于欠采样下Keystone变换的高速目标检测方法。该方法能有效补偿距离走动，去除多普勒模糊，提高信噪比，改善雷达的检测性能。通过仿真和实际数据分析，验证了该算法的有效性，同时结合硬件平台给出了工程实现方法。

空间目标；Keystone变换；距离迁徙；工程实现

0 引 言

空间目标具有探测距离远、目标RCS小、高速高机动性等特点[1]，对其检测和跟踪是当今雷达技术领域的热点与难点问题之一。对于此类信号的检测通过增大天线孔径、增强发射功率能达到很好的效果，但这些通常会大大增加系统成本，不符合绿色设计理念。通常可以延长积累时间以增加实际应用的能量，达到降低系统信噪比的要求。对于高速的空间目标进行长时积累，不可避免地会发生目标包络跨距离单元走动问题[2-4]。这不仅造成目标的距离和速度信息失真，更使得目标能量分散而达不到检测门限，造成雷达作用距离缩短。Keystone变换[5]是在距离向脉冲压缩的频域对慢时间轴进行尺度变换，是回波距离校正的有效方法。

1 高速目标回波分析

在窄带情况下，由于分辨率的原因，目标都被认为是一个散射点，同时由于在一定的时间和空间内只是对某一个目标感兴趣，因此这里只对高速运动的单点目标回波进行分析。

假设雷达发射的基带信号为线性调频脉冲信号：

式中，T为信号时宽，B为带宽。

雷达在观测卫星、导弹之类的空间高速目标时，一般发射时宽较宽、目标速度较快。因此，回波信号存在拉伸效应，不能只看作发射信号的迟延，仅考虑多普勒影响，其时间尺度因子也必须考虑。但是，在|v|/c≪1(v是目标的径向速度，c是光速)的条件下，回波信号的基带信号可以写为[6]

式中，n为发射的脉冲个数，fc为载波频率，A0是散射点回波的幅度，τn为第n个脉冲的延迟时间，R0为0时刻的距离，Tr为脉冲重复时间。

为了减小运算量，一般利用快速傅里叶变换(FFT)替代时域卷积来进行脉冲压缩，脉压后的信号频谱为

对应的时域信号为

由上式可以看出，脉冲压缩时域信号的包络是一个sinc函数。由sinc函数的性质知，信号峰值的位置位于τn-Tfd/B。由于目标的高速运动，目标的包络会发生与多普勒频率成正比的偏移，其偏移的距离可以表示为cTfd/(2B)，若忽略相参积累时间里fd的变化，则这个偏移量对于每个脉冲回波相同，可以不予考虑。但是，脉压以后目标的包络τn分量随着每个脉冲数变化。这对于信号的能量积累不利，从而不利于对微弱目标的检测。后续处理若直接用FFT变换进行多普勒滤波，信号能量积累会有损失，不利于信噪比的提高；而且由于距离走动的影响，目标的主瓣明显展宽，其距离分辨力和多普勒分辨力也会有所降低。

2 欠采样下Keystone变换及计算仿真

2.1 欠采样下Keystone变换

所谓Keystone变换就是进行一种变量代换，将f-τn平面的矩形支撑域在f-τm平面变成倒梯形。它是对τn轴的伸缩变换，伸缩幅度与频率有关。

当fd≪fc时，经过Keystone变换后，可以写为[7]

由上式可以看出，经Keystone变换后脉冲压缩信号峰值位置只与初始时刻有关，存在一个固定的速度距离耦合偏差，与雷达各脉冲周期回波无关，脉冲间的距离走动得以消除。

当目标的速度较快或者雷达的脉冲重复频率较低时，常常会导致欠采样，这时多普勒频率是模糊的，可表示为

fd=fd0+nkPRF

式中，fd0是折叠以后的多普勒频率，nk是折叠因子，PRF是脉冲重复频率。

如果出现多普勒频率模糊，就需要对Y(f,m)进行相位补偿：

在处理时，模糊次数将是算法的一个限制条件。但是，通常雷达模糊数不会特别严重，或者通过对目标特性的解析或搜索雷达的引导，这一限制条件相对宽松。

2.2 计算机仿真

用大时宽LFM脉冲串信号来验证Keystone变换 在高速目标相参积累中校正包络徙动的作用，取雷达参数为：载频fc=3.2 GHz，目标速度v=5 km/s，信号带宽B=10 MHz， 信号时宽T=100 μs，采样率fs=12 MHz，脉冲个数N=128，脉冲重复频率PRF=2 kHz，假设回波信噪比为-10 dB。图1为仿真结果。可见，经过脉冲压缩后，由于目标的运动，在一个相参处理间隔内，目标跨越了几十个距离单元，如图1(a)所示。若如图1(c)直接方位FFT相参积累，目标能量将被分散至多个距离和多普勒单元，不利于目标的检测及测距、测速。对回波经Keystone变换后，目标回波包络被拉回至同一距离，如图1(b)，然后再进行滤波处理。比较图1(d)和图1(c)，不难发现，经过本文的方法处理后，检测信噪比得到显著提升。

(a)脉冲压缩 (b)Keystone变换包络校平

(c)直接方位FFT的检测结果 (d)欠采样Keystone变换检测结果

图1 计算机仿真结果

3 实测数据处理及工程实现

3.1 实测数据处理

为了进一步验证算法，利用实测数据也进行了处理。针对某S波段雷达回波，信号带宽5 MHz，回波脉冲数为64，处理结果如图2所示。可见，Keystone变化前后信噪比有3.7 dB改善，目标的测距、测速精度均有所提高，表明了方法的有效性。

(1)脉冲压缩

(2)Keystone变换包络校平

(3)直接方位FFT的检测结果

(4)欠采样Keystone变换检测结果

3.2 工程实现

ADSP-TS201是一款高性能的静态超标量处理器，主要结构特点包括并行运算、内部存储器、四指令执行、可升级性及多核处理器。运行在600 MHz时，ADSP-TS201内核的指令周期为1.67 ns，内部存储器大小为24 Mbit。ADSP-TS201静态超标量结构使DSP每周期能够执行多达4条指令，执行24个16位定点或者6个浮点运算。

通用信号处理板卡是一款自主研发的通用信号处理硬件平台。板卡以DSP(ADSP-TS201)为主处理器，FPGA提供时序、控制及数据输入输出接口，板卡上有8片TS201，并行工作峰值运算能力高达8×3.6GFLOPS。板卡采用的是4片/簇的并行处理结构，每片TS201均通过一路链路口与FPGA相连，簇内4片TS201彼此通过链路互连，单向数据率可达500Mb/s。处理结果通过链路口或总线输出至FPGA，再通过CPCI总线传送给主控计算机。板卡框图如图3～图4所示。

Keystone变换的步骤如下：

步骤1 对回波信号x(t,n)进行快时间频率维度的FFT变换得到快时间频域数据X(f,n)；

步骤2 频域脉压匹配处理，即Spc(f,n)=X(f,n)P*(f)，其中P*(f)为频域脉压匹配权系数；

步骤3 对信号Spc(f,n)进行脉冲维度的Keystone变换得到变换后信号Yk(f,m)；

图3 通用信号处理板卡框图

图4 通用信号处理板卡实物图

步骤4 对变换后信号进行快时间频域的IFFT处理，得到快时间时域信号yk(t,m)；

步骤5 对IFFT处理后的数据进行多普勒滤波。

在工程实际应用中，若知道目标大致位置，在步骤2后可采取脉压时域开窗，然后再转换至频域做后续计算，以降低运算量。

通常有3种方法实现Keystone变换：(1)DFT+FFT，(2)Chirp-z变换算法，(3)sinc内插算法。3种算法性能相当，主要是运算量的区别。假设快时间距离频率域采样点数为N，雷达在一个CPI内发射的脉冲数为M。根据以上介绍，3种实现方法需要的复数运算量如下[8]：

DFT+FFT算法：

Chirp-z算法：

Sinc内插算法：

M2×N

当N及M取值较大时，DFT+FFT方法的运算量很大，sinc内插方法次之，Chirp-z方法最小。经实际工程应用，基于Keystone变换进行空间目标处理，信噪比改善效果明显，计算量可接受，具有很强的工程运用价值。在某工程运用中，跟踪波门3 km，积累脉冲数为60，单板可实现同时对8个目标的连续跟踪，跟踪数据率可达10 Hz。

图5 实际工程处理效果图

4 结束语

本文研究了高速空间目标相参积累过程中出现跨距离和跨多普勒频道问题，给出了目标回波模型，分析了拉伸效应、脉冲间距离迁徙等因素对积累的影响；采用基于欠采样下Keystone变换的高速目标检测方法，有效补偿距离走动，去除多普勒模糊，提高信噪比，改善雷达的检测性能。通过仿真和实际数据分析，验证了该算法的有效性，同时结合硬件平台，给出了工程实现方法。

[1] 张月辉,朱玉鹏,游鹏,黎湘.高速动态空间目标宽带回波仿真方法研究[J].系统仿真学,2009(5):2721-2729.

[2] 保铮,邢孟道,王彤.雷达成像技术[M].北京:电子工业出版社,2005.

[3] Liu Yimin, Meng Huadong, Zhang Hao, et al. Motion Compensation of Moving Targets for High Range Resolution Stepped-Frequency Radar [ J ]. Sensor, 2008 (5) :3429-3437.

[4] Chen J J, Chen J, Wang S L. Detection of ultra-high speed moving target based on matched Fourier transform[C]//Proceedings of the CIE International Conference on Radar, 2006: 1-4.

[5] Zhang S S, Zeng T, Long T, et al. Dim Target Detection Based on Keystone Transform [C]//Proc. of IEEE Int. Radar Conf. Arlington, 2005: 889-894.

[6] 张顺生,曾涛. 基于Keystone变换的微弱目标检测[J]. 电子学报, 2005(9):1675-1678.

[7] 苏军海,李亚超,邢孟道. 窄带雷达高速多目标检测研究[J]. 西安电子科技大学学报(自然科学版), 2009(6):1003-1009.

[8] 王娟,赵永波. Keystone变换实现方法研究[J]. 火控雷达技术,2011(3):45-51.

Research on space target detection and realization

YUE Mei-jun1, WANG Qi-zhi2

(1. Electronic Engineering Institute of PLA, Hefei 230037;2. No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

Generally, high-speed and high maneuvering space targets go through several range cells in the observation period, which makes it difficult to perform coherent power accumulation for target detection. Through the modeling of radar echo signals of high-speed moving targets with large time-width, the influences of stretching effect, pulse-to-pulse range migration and other factors on accumulations are analyzed. A high-speed target detection method based on the Keystone transform in under-sampling is proposed, which can effectively compensate range migration, eliminate Doppler ambiguity, and improve the SNR and radar detection performance. It is verified that the algorithm is effective through the simulation and data analysis, and the engineering realization method is also given by combining hardware platform.

space target; Keystone transform; range migration; engineering realization

2014-07-20；

2014-08-01

岳玫君(1981-)，女，讲师，硕士，研究方向：目标识别及电大尺寸目标电磁特性；王启智(1981-)，男，高级工程师，研究方向：宽带阵列信号及高速目标检测。

TN957.51

A

1009-0401(2014)03-0001-05