一种基于积累等效三点法的旋翼目标微多普勒检测方法

摘要

本发明公开了一种基于积累等效三点法的旋翼目标微多普勒检测方法，能够提高高分辨率雷达对慢速转动旋翼目标的微多普勒特征的提取能力。具体包括如下步骤：根据探测背景结合先验参数估算并设置探测雷达的扫描速率参数。探测雷达对旋翼目标进行多轮次扫描，每个轮次连续Cs次扫描提取微多普勒特征数据和分段瞬时频率曲线。利用等效步长将同一轮次的Cs次扫描得到的Cs段微多普勒特征数据等效到同一叶片旋转周期。同一轮次中，依据分段瞬时频率曲线，利用三点法估算旋翼目标的微多普勒参数。以具有一致性的多个轮次估算得到的旋翼目标的微多普勒参数任意之一或者平均值作为旋翼目标的微多普勒参数检测结果。

权利要求

1.一种基于积累等效三点法的旋翼目标微多普勒检测方法，其特征在于，所述方法为探测雷达对旋翼目标进行探测，具体包括如下步骤：S1、根据探测背景结合先验参数估算并设置探测雷达的扫描速率参数；所述探测背景包括如下三个方面：

1)所述探测雷达的最大扫描周期不超过设定的扫描周期阈值；

2)所述探测雷达对所述旋翼目标的单次最长照射时间低于所述旋翼目标叶片旋转周期的1/4；

3)针对旋翼目标任意可能的叶片旋转周期，存在一个符合条件的探测雷达扫描周期，所述符合条件的雷达扫描周期除以任意可能的叶片旋转周期的余数不超过对应叶片旋转周期的1/3；

所述先验参数包括：

所述探测雷达的扫描速率档位或者扫描速率调整范围；

所述探测雷达对目标的照射时间范围；

所述旋翼目标的叶片旋转速率范围；

依据所述探测背景和所述先验参数采用试探法或者遍历法估算探测雷达的扫描速率参数，并采用估算的所述探测雷达的扫描速率参数对所述探测雷达进行设置；

S2、所述探测雷达对所述旋翼目标进行多轮次扫描，其中每个轮次对目标进行连续CS次扫描，每次扫描均提取一段微多普勒特征数据；

S3、设置等效步长；所述等效步长不超过所述旋翼目标任意可能的叶片旋转周期的1/

3；

利用等效步长将同一轮次的CS次扫描得到的Cs段微多普勒特征数据等效到同一叶片旋转周期；

S4、同一轮次中，对于同一叶片旋转周期内的Cs段等效微多普勒特征数据，提取分段瞬时频率曲线，依据所述分段瞬时频率曲线，利用三点法估算所述旋翼目标的微多普勒参数；

S5、针对不同轮次估算得到的所述旋翼目标的微多普勒参数进行一致性检验，以具有一致性的多个轮次估算得到的所述旋翼目标的微多普勒参数任意之一或者平均值作为所述旋翼目标的微多普勒参数检测结果。

2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述设定的扫描周期阈值为30s。

3.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述S1中，若依据所述探测背景和所述先验参数估算获得探测雷达的多个扫描速率参数，则依据所述多个扫描速率参数对所述探测雷达的扫描速率进行多次设置，每次设置均执行步骤S2～S4得到当前扫描速率参数下对应的所述旋翼目标的微多普勒参数检测结果，将多个扫描速率参数下对应的所述旋翼目标的微多普勒参数检测结果取均值作为所述旋翼目标最终的微多普勒参数检测结果。

4.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述探测雷达对所述旋翼目标进行2个轮次扫描，其中每个轮次对目标进行连续3次扫描。

5.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述提取分段瞬时频率曲线，具体包括：提取基于短时傅里叶变换STFT的分段量化时频图；

基于门限阀检测方法对所述分段量化时频图进行降噪处理；

采用分段极大值法从降噪处理后的所述分段量化时频图中提取分段瞬时曲线。

说明书

一种基于积累等效三点法的旋翼目标微多普勒检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及目标探测识别技术领域，具体涉及一种基于积累等效三点法的旋翼目标微多普勒检测方法。

背景技术

[0002] 微多普勒效应是对目标运动引起的回波信号变化的更为细致的探究，已知伴有振动、旋转等微运动的目标对回波信号产生的频率调制称为微多普勒效应，基于微多普勒效应所提取的目标特性，就是微多普勒特性。自微多普勒效应概念提出到现在，其应用领域已经涉及空间、空中以及地面目标的多维度探测和识别。

[0003] 现代战争已经发展为陆海空全方位的作战模式，所以空中战斗愈来愈受到各国家的重视。依据工作原理和用途可以将飞机目标主要分为直升机、螺旋桨飞机、喷气式飞机三种。除了在军事上的应用，在民用方面飞机作为一种交通工具，在人们日常出行、搜救和运送物资中也扮演着不可替代的角色。所以，研究对这三类飞机目标的分类问题，在军事战争和民用物资运输中均有不可轻视的研究意义。

[0004] 常规探测雷达对目标的单次扫描时间通常在20-100ms，而直升机的旋翼转速较慢，一般在5-6Hz，在波束宽度不是很大的情况下，雷达波束照射目标的时间小于目标的一个转动周期。对于扫描速率可灵活调整的高方位分辨率探测雷达而言，对目标的单次扫描时间通常在5-20ms，因此雷达波束照射目标的时间甚至不到目标转动周期的1/10。除此之外，一方面在无线电子雷达中采用电子扫描阵列，扫描速度相对于机械扫描可提高20倍以上，而且波束宽度变窄，通常在零点几到几度之间，这也会影响接收数据的质量，会造成微多普勒信号提取的极度不完整性。所以对于灵活扫描探测雷达来说，研究从部分周期数据甚至微小比例周期数据中提取微多普勒特征具有重要实际意义。

[0005] 目前绝大多数对微动目标的微动参数进行估计的方法都是基于观测时间至少大于一个目标转动周期的假设，但是在实际应用中，当雷达工作在扫描模式下时，天线要按指定角度扫描覆盖区域，此时波束驻留时间通常会小于一个目标转动周期。这会造成多普勒谱展宽，频域分辨率下降，从中无法直接提取微多普勒特征。针对这种情况，T.Thayaparan等人提出了基于部分周期数据的振动目标微多普勒参数估计方法——三点法，国内西电也在这方面做过应用研究，但这种方法总体上仍要求雷达波束照射目标的时间不低于旋翼目标叶片转动周期的1/4，在照射时间过短时，由于步长过低而造成参数估计误差过大问题。

[0006] 因此对于高分辨率雷达对慢速转动旋翼目标扫描获取的微小比例周期数据中提取目标微多普勒特征的相关方法目前未见相关研究，

发明内容

[0007] 有鉴于此，本发明提供了一种基于积累等效三点法的旋翼目标微多普勒检测方法，能够提高高分辨率雷达对慢速转动旋翼目标的微多普勒特征的提取能力。

[0008] 本发明的技术方案为：一种基于积累等效三点法的旋翼目标微多普勒检测方法为探测雷达对旋翼目标进行探测，具体包括如下步骤：

[0009] S1、根据探测背景结合先验参数估算并设置探测雷达的扫描速率参数。

[0010] S2、探测雷达对旋翼目标进行多轮次扫描，其中每个轮次对目标进行连续Ns次扫描，每次扫描均提取一段微多普勒特征数据。

[0011] S3、设置等效步长。等效步长不超过旋翼目标任意可能的叶片旋转周期的1/3。

[0012] 利用等效步长将同一轮次的Cs次扫描得到的Cs段微多普勒特征数据等效到同一叶片旋转周期。

[0013] S4、同一轮次中，对于同一叶片旋转周期内的Cs段等效微多普勒特征数据，计算分段瞬时频率曲线，依据分段瞬时频率曲线，利用三点法估算旋翼目标的微多普勒参数。

[0014] S5、针对不同轮次估算得到的旋翼目标的微多普勒参数进行一致性检验，以具有一致性的多个轮次估算得到的旋翼目标的微多普勒参数任意之一或者平均值作为旋翼目标的微多普勒参数检测结果。

[0015] 进一步地，根据探测背景结合先验参数估算并设置探测雷达的扫描速率参数，包括：

[0016] 探测背景包括如下三个方面：

[0017] 1)探测雷达的最大扫描周期不超过设定的扫描周期阈值。

[0018] 2)探测雷达对旋翼目标的单次最长照射时间低于旋翼目标叶片旋转周期的1/4。

[0019] 3)针对旋翼目标任意可能的叶片旋转周期，存在一个符合条件的探测雷达扫描周期，符合条件的雷达扫描周期除以任意可能的叶片旋转周期的余数不超过对应叶片旋转周期的1/3。

[0020] 先验参数包括：

[0021] 探测雷达的扫描速率档位或者扫描速率调整范围。

[0022] 探测雷达对目标的照射时间范围。

[0023] 旋翼目标的叶片旋转速率范围。

[0024] 依据探测背景和先验参数采用试探法或者遍历法估算探测雷达的扫描速率参数，并采用估算的探测雷达的扫描速率参数对探测雷达进行设置。

[0025] 进一步地，设定的扫描周期阈值为30s。

[0026] 进一步地，S1中，若依据探测背景和先验参数估算获得探测雷达的多个扫描速率参数，则依据多个扫描速率参数对探测雷达的扫描速率进行多次设置，每次设置均执行步骤S2～S4得到当前扫描速率参数下对应的旋翼目标的微多普勒参数检测结果，将多个扫描速率参数下对应的旋翼目标的微多普勒参数检测结果取均值作为旋翼目标最终的微多普勒参数检测结果。

[0027] 进一步地，探测雷达对旋翼目标进行2个轮次扫描，其中每个轮次对目标进行连续3次扫描。

[0028] 进一步地，提取分段瞬时频率曲线，具体包括：

[0029] 提取基于短时傅里叶变换STFT的分段量化时频图。

[0030] 基于门限阀检测方法对分段量化时频图进行降噪处理。

[0031] 采用分段极大值法从降噪处理后的分段量化时频图中提取分段瞬时曲线。

[0032] 有益效果：

[0033] 1、本发明所提供的检测方法，利用积累等效三点法对旋翼目标进行微多普勒检测，提升了高分辨率雷达的快速探测背景下对慢速转动旋翼目标的微多普勒特征提取能力，以及对旋翼目标的识别能力。

附图说明

[0034] 图1为本发明实施例所提供的基于积累等效三点法的旋翼目标微多普勒检测方法流程图；

[0035] 图2为本发明实施例所提供的获取微多普勒数据部分的流程图；

[0036] 图3为本发明实施例所提供的瞬时频率提取部分的流程图。

具体实施方式

[0037] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

[0038] 图1示出了本发明实施例所提供的基于积累等效三点法的旋翼目标微多普勒检测方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：

[0039] S1、根据探测背景结合先验参数估算并设置探测雷达的扫描速率参数。

[0040] 本发明实施例中探测背景是本发明方法所应用的探测背景，该探测背景包括如下三个方面：

[0041] 1)探测雷达的最大扫描周期不超过设定的扫描周期阈值。本实施例中，设定的扫描周期阈值为30s。

[0042] 2)探测雷达对旋翼目标的单次最长照射时间低于旋翼目标叶片旋转周期的1/4。

[0043] 3)针对旋翼目标任意可能的叶片旋转周期，存在一个符合条件的探测雷达扫描周期，符合条件的雷达扫描周期除以任意可能的叶片旋转周期的余数不超过对应叶片旋转周期的1/3。

[0044] 先验参数包括：①探测雷达的扫描速率档位或者扫描速率调整范围。②探测雷达对目标的照射时间范围。③旋翼目标的叶片旋转速率范围。

[0045] 依据探测背景和先验参数采用试探法或者遍历法估算探测雷达的扫描速率参数，并采用估算的探测雷达的扫描速率参数对探测雷达进行设置。

[0046] 针对上述先验参数，给出如下的实例：

[0047] ①探测雷达的扫描速率档位或者扫描速率调整范围。

[0048] 探测雷达可能的扫描速率档位包括{ω1,ω2,...,ωm}，单位为Hz，代表每秒的转数，m为扫描速率档位数；或探测雷达的扫描速率参数的灵活调整范围为[ωsmin,ωsmax]。由这些先验参数还可推导出如下参数：探测雷达可能的扫描周期档位(单位为s)或灵活调整周期范围

[0049] ②探测雷达对目标的照射时间范围。

[0050] 探测雷达对目标的照射时间范围[Tdmin,Tdmax](与目标外形尺寸、雷达扫描速率、探测距离和方位分辨率有关，单位为s)。

[0051] ③旋翼目标的叶片旋转速率范围。

[0052] 待探测旋翼目标可能的叶片旋转速率范围[ωgmin,ωgmax](单位为Hz)；由这些先验参数还可推导出如下参数：待探测旋翼目 标可能的叶片旋转 周期范围(单位为s)。

[0053] 根据上述1)～3)三个探测背景，给出满足该方法探测背景的推导公式方程组(1)：

[0054]

[0055] 方程组(1)中，前两式为前提条件对应1)和2)，第三式为核心条件对应3)，符号＞＞表示远远大于即至少大于10倍以上、 表示任给、∈表示属于、 表示存在、const表示恒定、 表示向下取整，满足条件的Ts0即为满足该方法探测背景的可行的探测雷达扫描周期参数，从而可获取到可行扫描速率参数ωs0＝1/Ts0。

[0056] 方程组(1)中，可行参数Ts0可通过试探法或遍历法估算。其中，试探法应用于雷达存在多个扫描周期档位情形，针对每个档位值验证第三式是否满足，若满足则将该档位值保存为可行结果；遍历法应用于雷达存在灵活扫描周期范围情形，依据扫描周期调整步长得到在整个扫描周期范围内的遍历值，对各遍历值采用试探法获取可行结果。获取的可行结果作为雷达扫描参数调整依据。

[0057] 方程组(1)中，最终的可行参数Ts0的估算结果有三种情形：一是仅存在一个可行结果；二是存在多个可行结果；三是不存在可行结果，即不满足该方法探测背景，对于这种情形，采用雷达最大扫描周期Tsmax作为输出结果。

[0058] S2、探测雷达对旋翼目标进行多轮次扫描，其中每个轮次对目标进行连续Cs次扫描，每次扫描均提取一段微多普勒特征数据。

[0059] 具体地，本步骤S2可以采用如图2所示的流程进行：

[0060] S200、设置扫描轮次L初始值为1；设置扫描轮次包括Ls轮，每轮次扫描次数为Cs。

[0061] S201、设置扫描次数C的初始值为1。

[0062] S202、获取当第C次扫描的旋翼目标复合运动差拍回波数据。

[0063] S203、基于杂波抑制处理的方法进行旋翼目标的距离、速度、方位信息的估计。

[0064] S204、提取旋翼目标的微多普勒特征数据。

[0065] S205、判断C是否等于所设置的Cs，若C不等于Cs，则C自增1，返回S202；若C等于Cs，则执行S206。

[0066] S206、判断L是否等于所设置的Ls，若L不等于Ls，则L自增1，返回S201；若L等于Ls，则本流程结束。

[0067] S3、设置等效步长；等效步长不超过旋翼目标任意可能的叶片旋转周期的1/3。本实施例中，等效步长设置为探测雷达的扫描周期除以旋翼目标任意可能的叶片旋转周期的余数，即等效步长

[0068] 本实施例中，Ls＝2，Cs＝3，即需要探测雷达对旋翼目标进行2个轮次的扫描，其中每个轮次对目标进行连续3次扫描。

[0069] 利用等效步长将同一轮次的Cs次扫描得到的Cs段微多普勒特征数据等效到同一叶片旋转周期。

[0070] S4、同一轮次中，对于同一叶片旋转周期内的Cs段等效微多普勒特征数据，计算分段瞬时频率曲线，依据所述分段瞬时频率曲线，利用三点法估算所述旋翼目标的微多普勒参数。

[0071] 本实施例中，提取分段瞬时频率曲线，具体可以采用如图3所示的步骤，包括：

[0072] 基于短时傅里叶变换STFT提取分段量化时频图。

[0073] 基于门限阀检测方法对分段量化时频图进行降噪处理。

[0074] 采用分段极大值法从降噪处理后的分段量化时频图中提取分段瞬时曲线。

[0075] 针对不同轮次估算得到的旋翼目标的微多普勒参数进行一致性检验，本实施例中，以两个轮次产生的微多普勒参数相对误差不超10％来衡量二者是否具有一致性，以具有一致性的多个轮次估算得到的旋翼目标的微多普勒参数任意之一或者平均值作为旋翼目标的微多普勒参数检测结果。

[0076] 本实施例中，根据方程组(1)得到的可行参数Ts0的估算结果存在具有等多个可行结果的情形，对于这种情形，本步骤中估算旋翼目标的微多普勒参数的过程为：

[0077] 依据估算获得探测雷达的多个扫描速率参数，则依据多个扫描速率参数对探测雷达的扫描速率进行多次设置，每次设置均执行步骤S2～S4得到当前扫描速率参数下对应的旋翼目标的微多普勒参数检测结果，将多个扫描速率参数下对应的旋翼目标的微多普勒参数检测结果取均值作为旋翼目标最终的微多普勒参数检测结果。

[0078] 本实施例中，根据方程组(1)得到的可行参数Ts0的估算结果具有不存在可行结果的情形，对于这种情形，即不满足该方法探测背景，对于这种情形，采用雷达最大扫描周期Tsmax作为输出结果。这种情形不满足本方法的探测背景，因此可以直接采用现有的三点法进行旋翼目标的微多普勒参数的估算。

[0079] 综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。