一種基於回波相位檢測的被測目標實時速度估計方法
2023-08-08 01:33:51
專利名稱：一種基於回波相位檢測的被測目標實時速度估計方法
技術領域：
本發明涉及一種估計被測目標實時速度的方法，更具體是一種基於回波相位檢測的被測目標實時速度估計方法。
背景技術：
與靜止目標相比，人們往往更關心運動目標。運動目標的檢測與運動速度的測量廣泛應用於軍事、交通和生物醫學等領域。運動目標檢測與速度測量常使用雷達或聲納。雷達發射的電磁波或聲納發射的超聲波經目標反射後，回波中就包含了目標的形態信息和運動信息。通過對信號的積累可以檢測出回波中是否存在目標。通過測量回波相對於發射信號的延時，可以估計目標的距離，並根據都卜勒效應計算目標的速度。很多文獻對目標實時速度的估計方法進行了研究，現有的方法主要包括多波束法、圖像相關法等。多波束法利用兩個波束或陣列，估計出目標相對每個波束的視線方向速度，然後根據波束的方向的空間關係進行綜合，得到目標的二維速度。這種方法需要多個波束，而且估計精度受波束方向夾角及目標距離影響。圖像相關法利用兩幅圖像中的斑點跟蹤來估計速度矢量，通過相鄰圖像的二維互相關獲得圖像中某區域的移動方向和距離，再結合兩幅圖像的時間差就可以得到目標的移動速度矢量，即獲得徑向速度和垂直視線方向速度。該方法使用兩幅圖像，數據量大，對兩幅圖像的相關性要求高；同時二維相關也使得運算量增大。Anderson和Jensen提出基於空間調製技術估計實時速度。這種方法採用空間調製使得回波受垂直視線方向運動的影響，但在實現時仍然需要多個波束。Folster和Rohling利用都卜勒效應測出目標上兩個散射點的視線方向速度，利用單脈衝技術測出兩點所在的角度，然後根據幾何關係測出目標垂直視線方向速度。這種方法要求目標的體積較大，要有兩個散射點。Newhouse等人研究了垂直視線方向運動速度與回波都卜勒帶寬的關係，提出利用都卜勒帶寬來估計垂直視線方向速度。Haderer等人提出一種通過二次相位擬合來估計垂直視線方向運動速度的方法。這兩種方法都考慮了垂直視線方向運動對回波相位的影響，但沒有對垂直視線方向運動目標的高階都卜勒效應和時頻特性進行分析。綜上所述，視線方向運動目標的檢測與速度估計技術已經非常成熟，並在軍事及日常生活中獲得廣泛的應用。而對垂直視線方向運動目標檢測與速度估計技術的研究則相對較少，且缺乏系統的研究。現有的方法多是藉助對目標的圖像的處理來獲得目標的垂直視線方向速度。若是在雷達系統中使用，就要先進行成像，這樣就導致系統複雜，且運算量大。也有方法藉助於多個波束觀測目標，或者同時觀測目標上的兩個散射點，然後根據測出的徑向速度和幾何關係來算出垂直視線方向運動速度。這種方法需要多個波束或是對目標的尺寸有要求。
發明內容
發明目的:針對現有目標實時速度估計方法對垂直於視線方向運動速度估計能力不足，且存在運算量大等缺點，本發明的目的是提供一種基於回波相位檢測的被測目標實時速度估計方法。技術方案:為實現上述發明目的，本發明採用的技術方案為一種基於回波相位檢測的被測目標實時速度估計方法，其特徵在於，包括如下步驟:
(I)對被測目標的回波進行採樣得到回波採樣序列；(2)對所述回波採樣序列進行相位差分運算，得到一個新的序列；(3)對步驟(2)所得序列尾部補零，並進行離散傅立葉變換；(4)估算步驟(3)中離散傅立葉變換的峰值位置並由此計算出回波採樣序列的二次相位；(5)由回波採樣序列的二次相位計算出被測目標垂直於視線方向的運動速度並由回波採樣序列的傅立葉變換求出被測目標沿視線方向的運動速度；(6)由步驟(5)結果求出被測目標運動的實時速度。進一步的，所述步驟 (5)中，由回波採樣序列的二次相位計算出被測目標垂直於視線方向的運動速度的步驟如下:
O寫出被測目標與測試信號源之間的距離與初始時刻被測目標實時速度的關係；
2)將步驟I)的表達式在初始時刻附近展開為泰勒級數；
3)根據回波採樣序列的相位與所述距離之間的關係得到所述二次相位與垂直視線方向速度的關係。更進一步的，所述步驟2)中，忽略高次項。進一步的，所述步驟(4)中，估算離散傅立葉變換峰值位置包括:
設離散傅立葉變換結果的最大值位置為L，幅度為X，最大值前一點和後一點的幅度分
別為X1和X2,則估算離散傅立葉變換峰值位置厶為 Δ
=.......y.........T3F...........10......F ,其中為相鄰點之間的距離。
『 I 十2 一 ^有益效果:本方法的核心環節是找出被測目標(簡稱「目標」)實時速度與目標回波二次相位之間的關係以及計算目標回波二次相位的方法。關於目標運動速度與回波之間的關係，都卜勒效應闡述了目標視線方向速度與回波頻率之間的關係，本發明進一步說明回波二次相位與目標垂直於視線方向速度之間的關係，可看做是都卜勒效應的擴展。關於估計目標回波二次相位的方法，一般採用最大似然法估計，但這種方法計算量大，本發明採用相位差分法，利用離散傅立葉變換，大大減少了計算量。
圖1為本發明進行被測目標實時速度估計的流程 圖2為被測目標運動速度與測試信號源之間距離關係 圖3為垂直視線方向運動目標回波相位差分運算後在0-0.5Hz處的頻譜 圖4為視線方向運動目標回波的傅立葉變換頻譜圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。本發明基於回波相位檢測的被測目標實時速度估計方法，是一種基於被測目標回波相位對目標實時速度進行估計的方法。如圖1所示，步驟為:(1)對被測目標回波進行採樣得到回波採樣序列(簡稱「回波序列」);(2)對回波序列進行相位差分運算一個新的序列；
(3)對步驟二所得序列尾部補零，並進行離散傅立葉變換；(4)找出步驟(3)結果的峰值位置並由此計算出回波序列的二次相位；(5)由回波序列的二次相位計算出目標垂直於視線方向的運動速度並由回波序列的傅立葉變換求出目標沿視線方向運動的速度；(6)由步驟
(5)結果求出目標運動的實時速度。以上步驟(4)由峰值位置計算回波序列的二次相位原理如下:
設回波序列為4 ) = s(￡s)+ w(￡b)，其中Is為抽樣點的時間，為無噪聲影響時的回
波序列，魂)為噪聲,忽略高次項，令t時刻被測目標回波序列與信號源的發射信號之間的相位差祆0為轉)=如2+汾+￡；(1.1)
由式1.1可知:
權利要求
1.一種基於回波相位檢測的被測目標實時速度估計方法，其特徵在於，包括如下步驟: (I)對被測目標的回波進行採樣得到回波採樣序列；(2)對所述回波採樣序列進行相位差分運算，得到一個新的序列；(3)對步驟(2)所得序列尾部補零，並進行離散傅立葉變換；(4)估算步驟(3)中離散傅立葉變換的峰值位置並由此計算出回波採樣序列的二次相位；(5)由回波採樣序列的二次相位計算出被測目標垂直於視線方向的運動速度並由回波採樣序列的傅立葉變換求出被測目標沿視線方向的運動速度；(6)由步驟(5)結果求出被測目標運動的實時速度V。
2.根據權利要求1所述一種基於回波相位檢測的被測目標實時速度估計方法，其特徵在於:所述步驟(5)中，由回波採樣序列的二次相位計算出被測目標垂直於視線方向的運動速度的步驟如下: O寫出被測目標與測試信號源之間的距離與初始時刻被測目標實時速度的關係； 2)將步驟I)的表達式在初始時刻附近展開為泰勒級數； 3)根據回波採樣序列的相位與所述距離之間的關係得到所述二次相位與垂直視線方向速度的關係。
3.根據權利要求1所述基於回波相位檢測的被測目標實時速度估計方法，其特徵在於:所述步驟(4)中，估算離散傅立葉變換峰值位置包括: 設離散傅立葉變換結果的最大值位置為L，幅度為X，最大值前一點和後一點的幅度分別為X1和X2,則估算離散傅立葉變換峰值位置/ 為
4.根據權利要求2所述基於回波相位檢測的被測目標實時速度估計方法，其特徵在於:所述步驟2)中，忽略高次項。
全文摘要
本發明公開了一種基於回波相位檢測的被測目標實時速度估計方法，步驟為(1)對被測目標回波進行採樣得到回波採樣序列；(2)對回波序列進行相位差分運算一個新的序列；(3)對對步驟二所得序列尾部補零，並進行離散傅立葉變換；(4)找出步驟(3)結果的峰值位置並由此計算出回波序列的二次相位；(5)由回波二次相位計算出目標垂直於視線方向的運動速度並由回波序列的傅立葉變換求出目標沿視線方向運動的速度；(6)由步驟(5)結果求出目標運動的實時速度。本發明解決了傳統研究都卜勒頻移無法計算目標垂直於視線方向速度的問題，對實際應用中如利用聲納或雷達回波分析目標速度有很大的作用。
文檔編號G01S13/58GK103163517SQ20131008761
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月19日 優先權日2013年3月19日
發明者柏業超, 張興敢, 唐嵐, 薛振南, 戴軍, 杜仲林, 魏耀 申請人:南京大學