高速加速运动微弱目标检测技术研究

中图分类号：TN957.51密级UDC分类号：39博士学位论文高速加速运动微弱目标检测技术研究　　张南导师姓名(职称)王越(教授)答辩委员会主席周荫清(教授)申请学科门类工学论文答辩日期2010年1月3日申请学位专业信息安全与对抗2010年1月3日高速加速运动微弱目标检测技术研究北京理工大学ResearchonDetectingofHigh-SpeedandAcceleratingDimTargetCandidate：ZhangNanSupervisor：Prof.WangYueDepartment：BeijingInstituteofTechnologyDate：January，3，2010研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解北京理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：日期：导师签名：日期：北京理工大学博士学位论文I摘要长时间积累技术是提高微弱目标检测能力的有效方法之一，但是随着积累时间的增加，目标可能跨越多个距离单元和多个多普勒频率单元，出现距离徙动和多普勒频率徙动。目标运动速度越快、加速度越大，积累时间越长，距离徙动和多普勒频率徙动将越明显。徙动的存在限制了采用长时间积累技术对微弱目标检测性能的提高，因此，在目标检测前必须进行距离和多普勒频率徙动的补偿。本文主要针对线性调频脉冲压缩雷达检测高速运动目标所面临的问题展开，首先分析了采用长时间积累技术检测高速运动目标时所需满足的约束条件，然后给出了高速运动目标回波信号的模型，量化了徙动对目标检测性能的影响，并研究了双基地雷达几何配置因素的影响，在此基础上给出了一种徙动补偿方法，最后设计并搭建实验系统进行了外场实验和实测数据分析。主要内容概括为：第一章绪论，论述了研究的目的、背景和意义。第二章主要分析了对高速运动目标采用长时间积累技术进行检测时所需满足的约束条件，将目标运动、积累时间和处理时间等因素与雷达方程联系起来，给出了适合于分析长时间积累情况下目标探测性能的雷达方程，在此基础上，分析了目标速度和探测距离与积累时间和处理时间的关系，得到了积累时间和处理时必须满足的约束条件，并给出了相关的结论。第三章主要研究了高速运动目标引起的距离徙动和多普勒频率徙动对线性调频脉冲压缩雷达检测性能的影响，首先给出了回波信号模型，量化了距离徙动和多普勒频率徙动对脉冲压缩和多普勒处理方法的影响，得到了最优积累脉冲数和门限积累脉冲数与距离徙动和多普勒频率徙动的关系。分析表明，为了达到最优性能，积累脉冲数应与目标速度和加速度匹配；如果积累脉冲数超过了相应的门限值，那么距离徙动和多普勒频率徙动必须进行补偿。第四章主要研究了双基地雷达几何配置对加速运动目标探测性能的影响，首先建立并讨论了目标测量参数与双基地几何配置之间的关系，然后提出了双基地雷达距离-速度-加速度模糊函数的概念，并以单载频脉冲信号为例给出了在不同几何配置情况下速度模糊函数和加速度模糊函数并研究了双基地几何配置与速度和加速度分辨力、积累增益损失以及最佳积累时间的关系。由于双基地加速度模糊函数将信号自身特性北京理工大学博士学位论文II与双基地几何配置相结合起来，能够同时反映信号本身以及双基地几何配置对目标分辨性能的影响，因此，双基地加速度模糊函数不仅能用于对双(多)基地雷达参数估计性能的分析，还能为双(多)基地雷达布站以及分布式的雷达组网提供一定的理论参考。第五章针对线性调频脉冲压缩雷达检测高速加速运动目标时的徙动补偿问题，提出了一种基于变标处理和分数阶傅里叶变换的目标检测算法。该方法将回波信号分成多个通道进行处理，在每个通道中利用变标处理补偿距离徙动，再通过对脉压结果进行分数阶傅里叶变换补偿多普勒频率徙动。仿真分析表明：通过该方法进行距离和多普勒频率徙动的补偿，可以使回波信号的积累时间不再受到距离和多普勒频率徙动的制约，将积累时间提高一到两个数量级，并改善雷达对微弱目标的检测性能。第六章设计并搭建了一个雷达探测实验系统，以检测高速、加速运动的汽车模拟距离徙动和多普勒频率徙动情况下的目标检测，实测数据分析表明分别针对加速运动和高速运动的情况，徙动补偿后信噪比均能够平均提高约7dB。此外，利用某雷达探测XX目标实测数据分析表明徙动补偿后信噪比能够平均提高约10dB；对XX火箭弹实测数据分析表明多普勒频率徙动补偿后，信噪比能够平均提高约9dB。最后，对全文工作进行了总结，并提出了对进一步研究方向的看法。关键词：微弱目标检测高速加速运动目标长时间相参积累距离徙动补偿多普勒频率徙动补偿分数阶傅里叶变换模糊函数北京理工大学博士学位论文IIIAbstractLong-timeintegrationmethodisoneofthemosteffectivetargetdetectionmethodstoimprovethedetectionperformanceforweaktargets.Astheintegrationtimeincreasing,therangemigration(RM)andtheDopplerfrequencymigration(DFM)mayoccur.Thefasterthetargetspeedandacceleration,themoreobvioustheRMandtheDFM.SoboththeRMandtheDFMshouldbecompensatedbeforedetectingthetargetbecauseofthelimitationoftheintegrationtimecausedbythesemigrations.Thisdissertationfocusesonthedetectionofhigh-speedandacceleratingtargetsinthelinearfrequencymodulationpulsecompressionradar.Itstartswiththeanalysisoftheconstraintconditionwhenusingthelong-timeintegrationmethodtodetecthigh-speedandacceleratingtargets.ThenweintroducethereceivedsignalmodelandquantifytheeffectsofboththeRMandtheDFMonthedetectionperformanceofthepulsecompressionandDopplerprocessing.Theeffectofthebistaticgeometryisalsoobtained.Basedontheseanalyses,weproposeoneeffectivemigrationcompensationmethod.Andwealsodesignandsetupanexperimentalsystem,applyingtheproposedmethodtoanalyzethemeasureddata.Thecontentsofthedissertationareorganizedasthefollowing.InChapter1,weintroducethepurpose,backgroundandsignificanceofthewordsinthisdissertation.InChapter2,wefocusonanalyzingtheconstraintconditionwhenusingthelong-timeintegrationmethodtodetecthigh-speedandacceleratingtargets.Consideringtheeffectsofvelocity,integrationtimeandprocessingtime,wedevisetheradarequationwhichcanbeappliedforlong-timeintegration.Afteranalyzingtherelationshipofdetectionrangewithtargetvelocity,integrationtimeandprocessingtime,weconcludetheconstraintconditionsoftheintegrationtimeandprocessingtime,anddrawrelatedconclusions.ItisknownthatthepulsecompressionandDopplerprocessingmethodisaffectedbyboththerangemigrationandtheDopplerfrequencymigrationwhendetectinghigh-speedandacceleratingtargets.InChapter3,wedescribethetargetechomodelfirstly.Thenweanalyzeandquantifytheseeffects,andfurtherobtaintherelationshipsoftheoptimualnumberofpulsesandthethresholdnumberofpulseswithboththerangemigrationandtheDopplerfrequencymigration.Itshowsthattheoptimalperformancecanbeobtainedattheoptimualnumberofpulses.Besides,whenthenumberofpulsesisgreaterthanitsthreshold北京理工大学博士学位论文IVvalue,boththeRMandtheDFMshouldbecompensated.AtthebeginningofChapter4,westudytheeffectsofthebistaticgeometryfactorsonthedetectionperformance.Therelationshipsbetweentheradarmeasurementswhichinvolvesfactorsliketimedelay,Dopplerfrequency,Dopplerrate,andtheparametersofthebistaticgeometry,thetargetposition,velocityandaccelerationarederived.Thenweproposeabistaticrange-velocity-accelerationambiguityfunctionanddiscusstheeffectsofthebistaticgeometryfactorsonthesemeasurementsindetail,includingthebistaticintegrationlossandthebistaticoptimumintegrationtime.Becausethebistaticrange-velocity-accelerationambiguityfunctionconnectsign