基于相位展开的速度估计方法

本发明属于高速交会目标脱靶量测量系统的雷达信号处理领域，具体涉及基于相位展开的速度估计方法。

背景技术：

1、矢量脱靶量测量雷达因其主动探测的方式，可用于近程高速交会目标的运动参数估计。现有技术中的矢量脱靶量测量系统首先从测量雷达回波中估计出各时刻目标回波信号的多普勒频率和不同天线接收到的目标回波信号的相位差，再对这些多普勒频率和相位差序列进行非线性最优拟合获得矢量脱靶量，目前已取得广泛应用。然而，由于高速交会过程中弹靶遭遇时间极短，目标回波信号呈现高度非平稳特性，分帧近似处理估计得到的多普勒频率和相位差的精度受限，在此基础上难以获得高精度的速度测量结果。因此亟需一种针对非平稳信号且测量精度高的速度估计方法来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出基于相位展开的速度估计方法，能够有效提高对非平稳信号的估计精度。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、基于相位展开的速度估计方法，包括如下步骤：

4、步骤s1、在基于脉冲多普勒雷达的高速交会运动目标矢量脱靶量测量场景中，脉冲多普勒雷达通过发射天线向空间辐射电磁波信号，各接收天线收到待测目标反射的电磁波信号，经接收处理后获得各通道目标所在波门的基带回波信号；

5、步骤s2、将基带回波信号划分为近距离段数据和远距离段数据，分别计算各帧基带回波信号的信噪比，分别利用第一信噪比门限和第二信噪比门限提取包含目标运动信息的有效数据帧；

6、步骤s3、对有效数据帧内的回波信号相位做均值滤波处理，得到模糊相位对该模糊相位作解缠绕处理以得到展开的相位φi,m(n)，并根据展开的相位计算各采样点对应的目标到发射天线i与接收天线m的测量双程距离ri,m；

7、步骤s4、从有效数据帧估计出基带回波信号的多普勒频率和相位差信息，并利用最小二乘法求解非线性问题的方法获得各目标运动参数的估计值，目标运动参数包括目标运动轨迹长度、目标运动速度、着靶点坐标和入射角度；

8、步骤s5、以目标着靶时刻为0时刻，将步骤s4所得的目标运动速度估计值设定为搜索速度初值，结合着靶点坐标估计值和目标入射角度估计值，计算得到搜索速度初值对应的搜索双程距离并将该搜索双程距离与测量双程距离ri,m作对比，得到测量双程距离ri,m中各采样点对应的采样时刻，完成数据对齐；

9、步骤s6、以搜索速度初值为中心设定搜索速度范围，分别计算该搜索速度范围内的各搜索速度所对应的搜索双程距离并计算远距离段搜索双程距离与测量双程距离ri,m的误差，最小误差对应的搜索速度即为最终的目标速度估计值。

10、进一步的，所述步骤s1中，所述基于脉冲多普勒雷达的高速交会运动目标矢量脱靶量测量场景中，设第n个采样点对应的目标在雷达测量坐标系中的坐标为x(n)＝[x(n),y(n),z(n)]t，其与目标运动参数的关系为其中，(x0,y0,z0)为着靶点坐标，ts为采样时间间隔，l0为目标运动轨迹长度，v0为目标速度，α为入射偏角，取值范围为0～360度，β为入射倾角，取值范围为-90～90度。

11、进一步的，所述步骤s1中，脉冲多普勒雷达信号向空间辐射的电磁波信号为经过脉冲调制的射频信号st(t)＝re[αt·rect(t/τp)·exp(j2πfct)]，其中，re(·)表示取实部运算，αt为发射脉冲幅度，fc为发射信号的载波频率，τp为脉冲宽度，为单位矩形窗函数。

12、进一步的，所述步骤s2中，将远距离段数据的检测帧长设置为近距离段数据的检测帧长的l倍，分别对各帧信号进行目标检测以得到对应的信噪比，利用第一信噪比门限筛选出近距离段数据中信噪比更高的部分，利用第二信噪比门限筛选出远距离段数据中信噪比更高的部分，l为整数。

13、进一步的，经步骤s2后所得到的有效数据帧中，由脉冲多普勒雷达的发射天线i发射、接收天线m接收的基带回波信号为si,m(t)＝αi,m(t)rect[(t-τi,m(t))/τp]exp[-j2πfcτi,m(t)]+nm(t)，其中，αi,m(t)为由发射天线i发射的电磁波信号经过空间传播、目标反射到接收天线m后得到的基带信号幅度，τi,m(t)为发射天线i发射的电磁波信号经过空间传播、目标反射到接收天线m所经历总的时间延迟，表示为为目标与发射天线i的距离，rm(t)为目标与接收天线m间的距离，x(t)＝[x(t),y(t),z(t)]t为t时刻目标在雷达测量坐标系中的坐标，ti为发射天线i在雷达测量坐标系中的坐标，rm为接收天线m在雷达测量坐标系中的坐标，c表示电磁波在空间的传播速度，nm(t)为接收天线m零均值、方差为的加性复高斯白噪声。

14、进一步的，所述步骤s3中，所述基带回波信号的离散形式为si,m(n)＝αi,m(n)rect[(n-τi,m(n))/τp]exp[-j2πfcτi,m(n)]+nm(n)，根据该离散形式的基带回波信号得到各个采样点的回波信号相位，对回波信号相位做均值滤波处理得到各个采样点的模糊相位将[-π,π]rad范围内周期变化的展开为连续变化的相位从而得到各采样点对应的目标到发射天线i与接收天线m的测量双程距离ri,m，其表达式为其中，ts为采样间隔，λ为载波波长，φm(n)为接收天线m第n个采样点的相位噪声。

15、进一步的，所述步骤s4中，通过esprit算法获取所述基带回波信号的多普勒频率信息和相位差信息，根据多普勒频率信息，使用最小二乘法求解非线性优化问题得到标量脱靶量估计值目标运动速度估计值和目标轨迹长度估计值根据相位差信息，构建准则函数进而得到非线性优化函数从而求得着靶点坐标估计值目标入射角度估计值其中，α为入射偏角，β为入射倾角，(x0,y0,z0)为着靶点坐标，为入射偏角估计值，为入射倾角估计值，为着靶点坐标估计值，n为时间序列总数，m为接收天线对总数，为通过esprit算法获取的基带回波信号的多普勒频率信息，φj(ti)为ti时刻搜索参数对应的理论相位差，为ti时刻回波数据的相位差估计结果。

16、进一步的，所述步骤s5和步骤s6中，计算搜索双程距离具体为设定搜索速度初值和各搜索速度后，结合着靶点坐标估计值和目标入射角度估计值，分别计算得到目标着靶前对应于搜索速度初值和各搜索速度的运动轨迹，将该运动轨迹记为搜索轨迹，搜索轨迹中任意采样时刻的目标坐标记为结合发射天线、接收天线的坐标，可得搜索轨迹中任意采样时刻目标位置与发射天线i、接收天线m的距离和进而得到分别对应于搜索速度初值和各搜索速度的搜索双程距离其表达式为

17、

18、本发明具有如下有益效果：

19、1、本发明首先根据基带回波信号的信噪比提取包含目标运动信息的有效数据帧，其次通过相位展开的方式得到目标回波各采样点对应的测量双程距离，然后计算目标着靶前各采样时刻对应的搜索双程距离，考虑到远距离段目标速度变化较为缓慢，信号的非平稳特性表征不明显，以该距离段内搜索双程距离和测量双程距离的误差来反映搜索速度与目标运动速度的偏差，从而效提高对非平稳信号的估计精度。