动目标检测与速度估计仿真研究
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2010年第 11期 ,第 43卷 总第 227期
通 信 技 术 Communications Technology
Vol. 43, No. 11, 2010 No. 227, Totally
动目标检测与速度估计仿真研究
牟泽磊 , 沈晓峰 , 雷钟凯
(电子科技大学电子工程学院 , 四川 成都 610054)
的近似表达式为 FD = 2V /λ, v为动目标的径向运动速度 (动 目标接近雷达为正 ) , λ为发射波长 。所以 :
FD
= 2v /λ = k / KT, v = kλ , 2KT
(8)
从而可以由多普勒频率计算出对应的动目标速度 。
CFAR (恒虚警检测 ) [6 ]是使雷达接收机保持一个恒定的
方法是使脉冲多普勒滤波器组覆盖整个频谱范围 ,完成各 个频率上的匹配滤波 。常用的方法为 M T I与 FFT联合使用 完成动目标检测 。二脉冲 M TI对消器 ,是对连续脉冲对的 回波进行相减 ,以消除杂波分量 。其频率响应函数为 :
H ( F) = ( 1 - z- 1 ) | z =exp j 2πFT = 2 j e- πj FT sin (πFT) , ( 5) H (w ) = 2 je- jw /2 sin (w /2) 。 图 1、图 2为脉冲压缩之后进行动目标显示的的结果 ,消 除了杂波和静止目标的影响 ,得到距离维上的动目标脉冲压 缩信号 。
【Key words】linear frequency modulation; matched filter; moving target indication; pulse dopp ler p rocessing; CFAR ( constant false alarm rate detection)
m =0
当 FD = k / KT = k · PR F / K 时 , 式 ( 6 ) 正是 数 据 序 列
y [m ]的 K点 DFT。因此如果目标的多普勒频率等于 DFT的
采样频率 ,并且干扰信号只有白噪声的情况下 ,离散傅里叶
变换是理想的 、具有固定速度的运动目标的匹配滤波器 。显
然 K点的 DFT一次完成 K个匹配滤波器组的输出 ,每一个匹 配滤波器分别调谐到不同的多普勒频率上 [5 ] 。多普勒频率
雷达发射信号的零中频信号的复数形式为 :
Sp ( t)
= rect
t T
exp ( 2π f0 t + πj k t2 ) ,
(1)
式中 , T为发射信号的时宽 , K为调频斜率 。
脉冲串线性调频信号波形为 ;
M -1
∑ S ( t) = Sp ( t - m T) 。 m =0
多目标的回波信号模型为 :
匹配滤波的影响 。如果干扰仅为白噪声分量 ,则回波信号的 匹配滤波器的输出为 :
∑ z
=
h′y
=
～M
A
-1
y [m
] e-
i2πFDm T
。
(6)
m =0
信号 y [m ]的 K阶 DFT为 :
M -1
∑ Y [ K ] =
y [m ] e- i2πm k/K , k = 0, 1, …, K - 1。 ( 7)
I
T , N - 1 , N
(9)
∫ 其中 I (μ, M )
=
μ M +1 e-ττM dτ,当 N
0
M!
= 1时
PFA
= e- T , T =
- lnPFA 。对应于为归一化的采样值 z和平方律检测器来说 ,对 应的门限应为 : T = - β2 ln PFA 。由于干扰功率不是精确已知
65
的而是通过估计得到的 ,所以
N M-1
∑∑ Sr ( t) - RCS
Sp ( t - m T - n tn ) + n0 。
(2)
n =1 m =0
匹配滤波器可以表示为发射信号的镜像共轭复数 :
h ( t) = rect t exp ( - πj Kt2 ) 。
(3)
T
脉冲压缩信号为 : Sout ( t) = S r ( t) h ( t) 。
(4)
M TI处理器 [3 ]对慢时间数据序列进行线性滤波处理 。
其主要作用是抑制数据中的杂波分量 ,而未对回波信号进
行匹配滤波 。所以它只能判断动目标是否存在 ,但不能确
定目标是朝向还是背离雷达运动 ,或以多大的径向速度运
动 。理想中的滤波器是对应于多普勒频率的窄带滤波器 ,
而现实中多普勒频率是未知的需要测量的未知量 。采用的
Simulation of Detection and Speed Estimation for Moving Target
MU Ze - lei, SHEN X iao - feng, LE I Zhong - kai
( School of Electronic Engineering, University of Electronic and Science Technology of China, Chengdu SichLeabharlann Baiduan 610054, China)
图 1 脉冲压缩结果
图 2 脉冲压缩结果 (幅度单位为 dB )
2 脉冲多普勒处理与恒虚警检测联合估计动
目标距离和速度
多普勒滤波器组 [4 ]是覆盖整个多普勒频移范围 ,当目标
的径向速度不同对应的多普勒频率不同时 ,将落入不同中心 频率的滤波器中 。多普勒滤波器组完成速度测量和精确度
分辨的作用 。在对回波信号进行 M TI处理之后 ,消除杂波对
预设虚警概率 ,为保持雷达信号检测时的虚警概不随杂波强 度的变化而变化 ,需要设定门限随杂波强度自适应的变化 ,
从而保持恒定的虚警概率 。文献 [ 5 ]给出了目标的幅度和绝 对相位分量未知情况下 ,高斯白噪声环境中非起伏目标的 N
个采样的非相干积累检测的虚警概率为 :
∫ PFA
=
∞ ( z′) N - 1 e- z dz = 1 T (N - 1)
i =1
∑ ^
T
=αβ^ 2得
:
^
T
=
α N
N i =1
xi。文献
[ 5 ]给出α
=N
( PF-A1 /N
- 1)
,所
N
∑ 以恒虚警检测门限为
:
^
T
=
( PF-A1 /N
-
1)
xi, 对距离维上的
i =1
数据进行单元平均恒虚警检测 , 检测到动目标的距离 。然后
提取对应距离门上的多普勒数据 , 利用式 (8)得动目标速度 。
px i ( xi )
=
1 β2
e-
x i/β2 ,
待检测周围
N 个单元数据组成的矢量
x
的联 合 概 率 密 度 函 数 为 : Λ = px ( x)
=
1 β2N
N - xi
σ eβ2
i =1
=
N
∑ 1
β2N
e-
∑ ( Ni =1x i)
/β2 ,可得
β2的最大似然估计为
:β^ 2
=1 N
xi。由
【Abstract】This paper describes the radar signal p rocessing techniques in the pulse comp ression, moving target detection, pulse Dopp ler p rocessing and CFAR detection technology. And the M atlab simulation of launching wave radar, target echo and moving target detectionis is carried out. The pulse signals of moving targets are obtained by the technology of pulse comp ression and moving target de2 tection of the pulse echo signals. The moving target detection of the pulse echo signals and the pulse Dopp ler data blocks are achieved through M TI and pulse Dopp ler p rocessing. The distances of moving targets are detected through CFAR to the data block in range do2 main, and then the velocity of the moving targets is acguired through the Dopp ler data corresponding with range gate. The simulation has established the basic framework of the radar signal p rocessing, Thus p roviding simulation support to the radar system modeling and in dep th study.
普勒雷达信号处理 、动目标检测与跟踪 ;沈晓峰 ( 1969 - ) , 男 ,硕士研究生导师 ,主要研究方向为微波成像 、雷达信号 处理与目标识别 ;雷钟凯 ( 1986 - ) , 男 ,硕士研究生 ,主要 研究方向为脉冲多普勒雷达信号回波仿真 。
标不能给出动目标的速度 ,所以 M TI需与脉冲多普勒处理联 合 。M TI消除杂波后 ,在距离门上进行脉冲多普勒处理以检 测动目标速度 。假设回波信号检波前噪声服从高斯分布 ,则 进行平方律检波后服从指数分布 。实时地从数据中估计出 实际干扰噪声功率电平 ,从而相应地调整雷达的检测门限以 保持恒定的虚惊概率 。
图 3为距离维上的恒虚警检测结果 ,可以检测到动目标
的距离 (幅度是在 106 数量级上 ) 。在多普勒处理后的数据
块中提取相应距离单元上的数据 ,可以得到对应动目标速
度 ,如图 4所示 (幅度是在 104 数量级上 ) 。
目标的距离 ,然后提取对应距离门的多普勒数据 ,检测动目标的速度 。通过仿真建立了雷达信号处理的基本框架 ,为雷达系统
建模及其仿真的深入研究提供了仿真支持 。
【关键词 】线性调频 ;匹配滤波 ;动目标显示 ;脉冲多普勒处理 ;恒虚警检测
【中图分类号 】TN95 【文献标识码 】A
【文章编号 】1002 - 0802 (2010) 11 - 0055 - 04
^
T
= αβ^ 2 。
对应高斯干扰噪声下的线性和平方律检波器 ,干扰分别
为瑞利分布和指数分布 。在每个情况下 ,干扰的概率密度函
数均仅有一个自由参数 ,即平均干扰功率 。因此 CFAR 处理
器需要利用周围临近单元的数据值 ,对待检测单元的平均干
扰功率 进 行 估 计 。待 检 测 单 元 的 xi的 概 率 密 度 函 数 为 :
1 脉冲压缩与动目标显示
LFM (线性调频 )信号是瞬时频率随时间线性变化的正 弦波信号 ,频谱带宽较大 ,且具有良好的相关性 [1 ] 。脉冲压 缩是对 LFM 信号的回波信号进行处理 ,实际上是对回波信
55
号的时延 ,使低频部分具有较长的时延 ,而高频部分具有较 短的时延 ,从而对线性调频回波信号进行压缩 。使其窄带 信号的高分辨率和宽带信号的强探测能力 。文献 [ 2 ]解释 了对线性调频信号进行匹配滤波 ,匹配滤波器的作用相当 于一个延时器 ,使不同频率段的信号延时不同 ,进行脉冲 压缩 。
【摘 要 】介绍了雷达信号处理技术中的脉冲压缩 、动目标检测 、脉冲多普勒处理和恒虚警检测技术 ,并对雷达发射波形 、
目标回波 、动目标检测进行了 M atlab仿真 。对脉冲回波信号进行脉冲压缩与动目标显示得到动目标脉压信号 。利用动目标显
示和脉冲多普勒处理实现脉压信号的动目标检测 ,并得到脉冲多普勒数据块 。在数据块的距离维上进行恒虚警检测 ,检测动
0 引言
雷达的最大探测距离与雷达的距离分辨率是雷达信号
处理中的一对矛盾 ,脉冲压缩技术在脉冲能量不变的情况下
压缩信号的脉冲时间宽度 ,解决了最大探测距离与分辨率之
间的矛盾 。M TI(恒虚警显示 )是一种对固定地物杂波和慢速
运动目标杂波进行抑制的滤波器 ,但是 M TI只能检测到动目
收稿日期 : 2010 - 04 - 12。 作者简介 :牟泽磊 (1984 - ) ,男 ,硕士研究生 ,主要研究方向为脉冲多
通 信 技 术 Communications Technology
Vol. 43, No. 11, 2010 No. 227, Totally
动目标检测与速度估计仿真研究
牟泽磊 , 沈晓峰 , 雷钟凯
(电子科技大学电子工程学院 , 四川 成都 610054)
的近似表达式为 FD = 2V /λ, v为动目标的径向运动速度 (动 目标接近雷达为正 ) , λ为发射波长 。所以 :
FD
= 2v /λ = k / KT, v = kλ , 2KT
(8)
从而可以由多普勒频率计算出对应的动目标速度 。
CFAR (恒虚警检测 ) [6 ]是使雷达接收机保持一个恒定的
方法是使脉冲多普勒滤波器组覆盖整个频谱范围 ,完成各 个频率上的匹配滤波 。常用的方法为 M T I与 FFT联合使用 完成动目标检测 。二脉冲 M TI对消器 ,是对连续脉冲对的 回波进行相减 ,以消除杂波分量 。其频率响应函数为 :
H ( F) = ( 1 - z- 1 ) | z =exp j 2πFT = 2 j e- πj FT sin (πFT) , ( 5) H (w ) = 2 je- jw /2 sin (w /2) 。 图 1、图 2为脉冲压缩之后进行动目标显示的的结果 ,消 除了杂波和静止目标的影响 ,得到距离维上的动目标脉冲压 缩信号 。
【Key words】linear frequency modulation; matched filter; moving target indication; pulse dopp ler p rocessing; CFAR ( constant false alarm rate detection)
m =0
当 FD = k / KT = k · PR F / K 时 , 式 ( 6 ) 正是 数 据 序 列
y [m ]的 K点 DFT。因此如果目标的多普勒频率等于 DFT的
采样频率 ,并且干扰信号只有白噪声的情况下 ,离散傅里叶
变换是理想的 、具有固定速度的运动目标的匹配滤波器 。显
然 K点的 DFT一次完成 K个匹配滤波器组的输出 ,每一个匹 配滤波器分别调谐到不同的多普勒频率上 [5 ] 。多普勒频率
雷达发射信号的零中频信号的复数形式为 :
Sp ( t)
= rect
t T
exp ( 2π f0 t + πj k t2 ) ,
(1)
式中 , T为发射信号的时宽 , K为调频斜率 。
脉冲串线性调频信号波形为 ;
M -1
∑ S ( t) = Sp ( t - m T) 。 m =0
多目标的回波信号模型为 :
匹配滤波的影响 。如果干扰仅为白噪声分量 ,则回波信号的 匹配滤波器的输出为 :
∑ z
=
h′y
=
～M
A
-1
y [m
] e-
i2πFDm T
。
(6)
m =0
信号 y [m ]的 K阶 DFT为 :
M -1
∑ Y [ K ] =
y [m ] e- i2πm k/K , k = 0, 1, …, K - 1。 ( 7)
I
T , N - 1 , N
(9)
∫ 其中 I (μ, M )
=
μ M +1 e-ττM dτ,当 N
0
M!
= 1时
PFA
= e- T , T =
- lnPFA 。对应于为归一化的采样值 z和平方律检测器来说 ,对 应的门限应为 : T = - β2 ln PFA 。由于干扰功率不是精确已知
65
的而是通过估计得到的 ,所以
N M-1
∑∑ Sr ( t) - RCS
Sp ( t - m T - n tn ) + n0 。
(2)
n =1 m =0
匹配滤波器可以表示为发射信号的镜像共轭复数 :
h ( t) = rect t exp ( - πj Kt2 ) 。
(3)
T
脉冲压缩信号为 : Sout ( t) = S r ( t) h ( t) 。
(4)
M TI处理器 [3 ]对慢时间数据序列进行线性滤波处理 。
其主要作用是抑制数据中的杂波分量 ,而未对回波信号进
行匹配滤波 。所以它只能判断动目标是否存在 ,但不能确
定目标是朝向还是背离雷达运动 ,或以多大的径向速度运
动 。理想中的滤波器是对应于多普勒频率的窄带滤波器 ,
而现实中多普勒频率是未知的需要测量的未知量 。采用的
Simulation of Detection and Speed Estimation for Moving Target
MU Ze - lei, SHEN X iao - feng, LE I Zhong - kai
( School of Electronic Engineering, University of Electronic and Science Technology of China, Chengdu SichLeabharlann Baiduan 610054, China)
图 1 脉冲压缩结果
图 2 脉冲压缩结果 (幅度单位为 dB )
2 脉冲多普勒处理与恒虚警检测联合估计动
目标距离和速度
多普勒滤波器组 [4 ]是覆盖整个多普勒频移范围 ,当目标
的径向速度不同对应的多普勒频率不同时 ,将落入不同中心 频率的滤波器中 。多普勒滤波器组完成速度测量和精确度
分辨的作用 。在对回波信号进行 M TI处理之后 ,消除杂波对
预设虚警概率 ,为保持雷达信号检测时的虚警概不随杂波强 度的变化而变化 ,需要设定门限随杂波强度自适应的变化 ,
从而保持恒定的虚警概率 。文献 [ 5 ]给出了目标的幅度和绝 对相位分量未知情况下 ,高斯白噪声环境中非起伏目标的 N
个采样的非相干积累检测的虚警概率为 :
∫ PFA
=
∞ ( z′) N - 1 e- z dz = 1 T (N - 1)
i =1
∑ ^
T
=αβ^ 2得
:
^
T
=
α N
N i =1
xi。文献
[ 5 ]给出α
=N
( PF-A1 /N
- 1)
,所
N
∑ 以恒虚警检测门限为
:
^
T
=
( PF-A1 /N
-
1)
xi, 对距离维上的
i =1
数据进行单元平均恒虚警检测 , 检测到动目标的距离 。然后
提取对应距离门上的多普勒数据 , 利用式 (8)得动目标速度 。
px i ( xi )
=
1 β2
e-
x i/β2 ,
待检测周围
N 个单元数据组成的矢量
x
的联 合 概 率 密 度 函 数 为 : Λ = px ( x)
=
1 β2N
N - xi
σ eβ2
i =1
=
N
∑ 1
β2N
e-
∑ ( Ni =1x i)
/β2 ,可得
β2的最大似然估计为
:β^ 2
=1 N
xi。由
【Abstract】This paper describes the radar signal p rocessing techniques in the pulse comp ression, moving target detection, pulse Dopp ler p rocessing and CFAR detection technology. And the M atlab simulation of launching wave radar, target echo and moving target detectionis is carried out. The pulse signals of moving targets are obtained by the technology of pulse comp ression and moving target de2 tection of the pulse echo signals. The moving target detection of the pulse echo signals and the pulse Dopp ler data blocks are achieved through M TI and pulse Dopp ler p rocessing. The distances of moving targets are detected through CFAR to the data block in range do2 main, and then the velocity of the moving targets is acguired through the Dopp ler data corresponding with range gate. The simulation has established the basic framework of the radar signal p rocessing, Thus p roviding simulation support to the radar system modeling and in dep th study.
普勒雷达信号处理 、动目标检测与跟踪 ;沈晓峰 ( 1969 - ) , 男 ,硕士研究生导师 ,主要研究方向为微波成像 、雷达信号 处理与目标识别 ;雷钟凯 ( 1986 - ) , 男 ,硕士研究生 ,主要 研究方向为脉冲多普勒雷达信号回波仿真 。
标不能给出动目标的速度 ,所以 M TI需与脉冲多普勒处理联 合 。M TI消除杂波后 ,在距离门上进行脉冲多普勒处理以检 测动目标速度 。假设回波信号检波前噪声服从高斯分布 ,则 进行平方律检波后服从指数分布 。实时地从数据中估计出 实际干扰噪声功率电平 ,从而相应地调整雷达的检测门限以 保持恒定的虚惊概率 。
图 3为距离维上的恒虚警检测结果 ,可以检测到动目标
的距离 (幅度是在 106 数量级上 ) 。在多普勒处理后的数据
块中提取相应距离单元上的数据 ,可以得到对应动目标速
度 ,如图 4所示 (幅度是在 104 数量级上 ) 。
目标的距离 ,然后提取对应距离门的多普勒数据 ,检测动目标的速度 。通过仿真建立了雷达信号处理的基本框架 ,为雷达系统
建模及其仿真的深入研究提供了仿真支持 。
【关键词 】线性调频 ;匹配滤波 ;动目标显示 ;脉冲多普勒处理 ;恒虚警检测
【中图分类号 】TN95 【文献标识码 】A
【文章编号 】1002 - 0802 (2010) 11 - 0055 - 04
^
T
= αβ^ 2 。
对应高斯干扰噪声下的线性和平方律检波器 ,干扰分别
为瑞利分布和指数分布 。在每个情况下 ,干扰的概率密度函
数均仅有一个自由参数 ,即平均干扰功率 。因此 CFAR 处理
器需要利用周围临近单元的数据值 ,对待检测单元的平均干
扰功率 进 行 估 计 。待 检 测 单 元 的 xi的 概 率 密 度 函 数 为 :
1 脉冲压缩与动目标显示
LFM (线性调频 )信号是瞬时频率随时间线性变化的正 弦波信号 ,频谱带宽较大 ,且具有良好的相关性 [1 ] 。脉冲压 缩是对 LFM 信号的回波信号进行处理 ,实际上是对回波信
55
号的时延 ,使低频部分具有较长的时延 ,而高频部分具有较 短的时延 ,从而对线性调频回波信号进行压缩 。使其窄带 信号的高分辨率和宽带信号的强探测能力 。文献 [ 2 ]解释 了对线性调频信号进行匹配滤波 ,匹配滤波器的作用相当 于一个延时器 ,使不同频率段的信号延时不同 ,进行脉冲 压缩 。
【摘 要 】介绍了雷达信号处理技术中的脉冲压缩 、动目标检测 、脉冲多普勒处理和恒虚警检测技术 ,并对雷达发射波形 、
目标回波 、动目标检测进行了 M atlab仿真 。对脉冲回波信号进行脉冲压缩与动目标显示得到动目标脉压信号 。利用动目标显
示和脉冲多普勒处理实现脉压信号的动目标检测 ,并得到脉冲多普勒数据块 。在数据块的距离维上进行恒虚警检测 ,检测动
0 引言
雷达的最大探测距离与雷达的距离分辨率是雷达信号
处理中的一对矛盾 ,脉冲压缩技术在脉冲能量不变的情况下
压缩信号的脉冲时间宽度 ,解决了最大探测距离与分辨率之
间的矛盾 。M TI(恒虚警显示 )是一种对固定地物杂波和慢速
运动目标杂波进行抑制的滤波器 ,但是 M TI只能检测到动目
收稿日期 : 2010 - 04 - 12。 作者简介 :牟泽磊 (1984 - ) ,男 ,硕士研究生 ,主要研究方向为脉冲多