Keystone變換半盲速點(diǎn)效應(yīng)的抑制和消除

洪永彬 高梅國 王俊嶺 秦國杰

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Keystone變換半盲速點(diǎn)效應(yīng)的抑制和消除

洪永彬 高梅國 王俊嶺*秦國杰

(北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院 北京 100081)

Keystone變換可用于補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在脈沖多普勒(PD)雷達(dá)相參積累時(shí)間內(nèi)的線性跨距離單元走動(dòng)，但在多普勒模糊情況下，常規(guī)Keystone變換實(shí)現(xiàn)方法會(huì)出現(xiàn)“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)。該文分析了“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)產(chǎn)生的原因，并介紹了已有的“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)消除方法。為減少運(yùn)算量，首先提出一種“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)抑制方法，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)消除方法。新方法能夠?qū)Ω信d趣的某個(gè)多普勒模糊區(qū)間內(nèi)的所有速度目標(biāo)的線性距離走動(dòng)較好地進(jìn)行補(bǔ)償，而運(yùn)算量約為已有方法的50%。理論分析和仿真結(jié)果均證明了所提方法的有效性。

脈沖多普勒雷達(dá)；Keystone變換；多普勒模糊；“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)

1 引言

當(dāng)目標(biāo)速度較高或者雷達(dá)采用低重頻時(shí)，必須考慮多普勒模糊的問題。在多普勒模糊倍數(shù)可以獲知的情況下，常規(guī)Keystone變換實(shí)現(xiàn)方法通常能夠獲得良好的補(bǔ)償效果，但會(huì)引起“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)[14]。針對該問題，文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[15]提出了一種基于多普勒搬移的“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)消除方法，該方法克服了“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)，但其運(yùn)算量約為常規(guī)Keystone變換的兩倍，不利于工程實(shí)現(xiàn)。為了降低運(yùn)算量，本文首先提出一種“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)抑制方法，并在此基礎(chǔ)上提出一種新的“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)消除方法。新方法能夠很好地消除“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)，而運(yùn)算量相對于文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[15]提出的方法降低了近50%。

2 Keystone變換及其性能分析

線性調(diào)頻PD雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為

其中

3 基于多普勒搬移的“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)消除方法

顯然，基于多普勒搬移的“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)消除方法以增加一次脈間調(diào)制，一次Keystone變換和一次相參積累運(yùn)算為代價(jià)，克服了“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)，故運(yùn)算量約為常規(guī)Keystone變換補(bǔ)償方法的兩倍，不利于工程應(yīng)用。因此，尋找一種更為高效的算法，即使在允許范圍內(nèi)有一定的補(bǔ)償損失，依然具有重要的工程意義。

4 “半盲速點(diǎn)”效應(yīng)抑制和消除新方法

4.1 “半盲速點(diǎn)”效應(yīng)的抑制

如前所述，利用式(7)所示的“先內(nèi)插-后模糊校正”的方法實(shí)現(xiàn)Keystone變換時(shí)，“模糊倍數(shù)突變區(qū)間”滿足式(8)，其區(qū)間長度為

先對式(14)進(jìn)行模糊校正

式(15)和式(16)所示的“先模糊校正-后內(nèi)插”的Keystone變換實(shí)現(xiàn)方法仍然具有“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)，此時(shí)“模糊倍數(shù)突變區(qū)間”的表達(dá)式為

4.2“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)消除新方法

對式(18)進(jìn)行模糊校正，即

(3)將步驟(1)和步驟(2)中保留的數(shù)據(jù)按照圖1所示方法重組為一個(gè)完整的RFD平面，對該平面進(jìn)行脈沖壓縮和CFAR檢測等后續(xù)處理。

圖1 RFD平面重組示意圖

4.3 算法運(yùn)算量分析

由表1可以得出以下結(jié)論：(1)方法3與方法1運(yùn)算量相同；方法4相對于方法1增加了1次模糊校正和1次相參積累運(yùn)算，這是消除“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)的開銷，而增加的運(yùn)算量與原運(yùn)算量相比幾乎可忽略不計(jì)。(2)與方法2相比，方法3使運(yùn)算量降低50%以上；方法4相對于方法2省去了脈間調(diào)制操作，并節(jié)省了1次sinc內(nèi)插運(yùn)算，使運(yùn)算量降低了近50%，便于工程應(yīng)用。

5 仿真分析

表1 4 種補(bǔ)償方法的運(yùn)算量比較

表2 線性調(diào)頻PD雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)

6 結(jié)論

多普勒模糊存在時(shí)，常規(guī)Keystone變換實(shí)現(xiàn)方法會(huì)出現(xiàn)“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)。針對該問題，在多普勒模糊倍數(shù)可以獲知的情況下，本文首先提出一種“先模糊校正-后內(nèi)插”的Keystone變換實(shí)現(xiàn)方法抑制“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)，多普勒模糊越嚴(yán)重，抑制效果越顯著，其運(yùn)算量與常規(guī)Keystone變換相同。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)消除方法，該方法能夠?qū)Ω信d趣的某個(gè)多普勒模糊區(qū)間內(nèi)的所有速度目標(biāo)的線性距離走動(dòng)較好地進(jìn)行補(bǔ)償，其約束條件為“半盲速區(qū)間”內(nèi)的目標(biāo)模糊校正后的速度殘差在相參積累時(shí)間內(nèi)造成的線性距離走動(dòng)小于雷達(dá)距離分辨率的一半，該條件通常可以滿足。與已有的基于多普勒搬移的“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)消除方法相比，本文方法的運(yùn)算量降低了近50%。理論分析和仿真結(jié)果表明本文方法運(yùn)算量小，有效可行。

圖2 方法1對不同速度目標(biāo)的補(bǔ)償損失

圖3 兩種Keystone變換實(shí)現(xiàn)方法的“半盲速點(diǎn)”效應(yīng)比較

圖4 方法2和方法4對不同速度目標(biāo)的補(bǔ)償損失

[1] 余吉, 許稼, 湯俊, 等. 基于Keystone變換的改進(jìn)雷達(dá)目標(biāo)長時(shí)間積累[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2008, 6(6): 454-458.

Yu Ji, Xu Jia, Tang Jun,.. An improved Keystone- transform based method for long-time coherent integration of radar target[J]., 2008, 6(6): 454-458.

[2] 張順生, 曾濤. 基于Keystone變換的微弱目標(biāo)檢測[J]. 電子學(xué)報(bào), 2005, 33(9): 1675-1678.

Zhang Shun-sheng and Zeng Tao. Weak target detection based on keystone transform[J].2005, 33(9): 1675-1678.

[3] 站立曉, 湯子躍, 朱振波. 基于Keystone變換和MDCFT的高機(jī)動(dòng)弱目標(biāo)檢測與參數(shù)估計(jì)[J]. 航空學(xué)報(bào), 2013, 34(4): 855-863.

Zhan Li-xiao, Tang Zi-yue, and Zhu Zhen-bo. Keystone transform and MDCFT based detection and parameter estimation for maneuvering weak targets[J]., 2013, 34(4): 855-863.

[4] 張衛(wèi)杰, 高昭昭, 許博, 等. 基于Keystone變換的警戒雷達(dá)信號(hào)處理[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2011, 33(9): 2007-2011.

Zhang Wei-jie, Gao Zhao-zhao, Xu Bo,.. Novel signal processing method for surveillance radar based on Keystone transform[J]., 2011, 33(9): 2007-2011.

[5] 吳仁彪, 賈瓊瓊, 李海. 機(jī)載雷達(dá)高速空中微弱動(dòng)目標(biāo)檢測新方法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2011, 33(6): 1459-1464.

Wu Ren-biao, Jia Qiong-qiong, and Li Hai. Detection of fast moving dim targets on airborne radar via STAP[J].&, 2011, 33(6): 1459-1464.

[6] Zhang Shun-sheng, Zhang Wei, and Wang Yang. Multiple targets' detection in terms of Keystone transform at the low SNR level[C]. Proceedings of the 2008 IEEE International Conference on Information and Automation, Zhangjiajie, 2008: 1-4.

[7] Perry R P, Dipietro R C, and Fante R L. SAR imaging of moving targets[J]., 1999, 35(1): 188-200.

[8] Yang Jun-gang, Huang Xiao-tao, Jin Tian,.. New approach for SAR imaging of ground moving targets based on a keystone transform[J]., 2011, 8(4): 829-833.

[9] 尹建鳳, 李道京, 吳一戎. 順軌三頻三孔徑星載SAR的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測及定位方法研究[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2010, 32(4): 902-907.

Yin Jian-feng, Li Dao-jing, and Wu Yi-rong. Research on the method of moving target detection and location with three-frequency three-aperture along-track spaceborne SAR[J].&, 2010, 32(4): 902-907.

[10] Xing Meng-dao, Wu Ren-biao, Lan Jin-qiao,.. Migration through resolution cell compensation in ISAR imaging[J]., 2004, 1(2): 141-144.

[11] 張煥穎, 張守宏, 李強(qiáng). 高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的ISAR成像方法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2007, 29(8): 1789-1793.

Zhang Huan-ying, Zhang Shou-hong, and Li Qiang. ISAR imaging of high speed moving targets[J].&, 2007, 29(8): 1789-1793.

[12] 原浩娟, 高梅國. 基于Keystone變換的多幀步進(jìn)頻信號(hào)處理[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 28(11): 1023-1026.

Yuan Hao-juan and Gao Mei-guo. Signal processing of multi-frame stepped-frequency radar based on Keystone transform[J]., 2008, 28(11): 1023-1026.

[13] 劉海波, 盧俊道. 基于Keystone變換的寬帶脈沖多普勒雷達(dá)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 32(6): 625-630.

Liu Hai-bo and Lu Jun-dao. Target motion compensation algorithm based on Keystone transform for wideband pulse Doppler radar[J]., 2012, 32(6): 625-630.

[14] 余吉, 許稼, 彭應(yīng)寧. 基于Keystone變換長時(shí)間相參積累的多普勒模糊問題研究[C]. 第十屆全國雷達(dá)學(xué)術(shù)年會(huì), 北京, 2008: 512-516.

Yu Ji, Xu Jia, and Peng Ying-ning. Study of Doppler ambiguity of long-term coherent integration with Keystone transform[C]. Proceedings of 10th China Academic Annual Conference on Radar, Beijing, 2008: 512-516.

[15] Cao Yu-fei, Qu Xiao-guang, and Huang Pei-kang. Research on Keystone formatting based on non-baseband interpolation [J]., 2010, 21(4): 562-565.

洪永彬： 男，1983年生，博士生，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理.

高梅國： 男，1965年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾盘?hào)與圖像處理、信息安全與對抗技術(shù)、目標(biāo)探測與識(shí)別理論與技術(shù).

王俊嶺： 男，1982年生，博士生，研究方向?yàn)榭臻g目標(biāo)探測技術(shù)、雷達(dá)信號(hào)處理.

The Suppression and Elimination of Half Blind Velocity Effect Associated with Keystone Transform

Hong Yong-bin Gao Mei-guo Wang Jun-ling Qin Guo-jie

(,,100081,)

Keystone transform can be employed to eliminate the effects of linear range migration through resolution cells of moving targets during the coherent integration time of Pulse Doppler (PD) radar. However, with Doppler ambiguity, Half-Blind-Velocity Effect (HBVE) occurs when the conventional implementation method of keystone transform is applied. The causes of HBVE are analyzed, and the existing elimination methods of HBVE are introduced. To decrease the computation cost, a method to suppress HBVE is firstly presented, on the basis of which a new method of HBVE elimination is put forward. The proposed method can remove the linear range migration of moving targets with all possible velocities within a desired ambiguous Doppler interval, and its computation cost is reduced by almost 50% compared to the existing one. Theoretical analysis and simulation results validate the effectiveness of the presented methods.

Pulse Doppler (PD) radar; Keystone transform; Doppler ambiguity; Half-Blind-Velocity Effect (HBVE)

TN957.51

A

1009-5896(2014)01-0175-06

10.3724/SP.J.1146.2013.00490

2013-04-15收到，2013-09-17改回

國家自然科學(xué)基金(61001190)和上海航天科技創(chuàng)新基金(SAST 201240)資助課題

王俊嶺 emailwjl@gmail.com