CN109031230A - 一种空间目标速度和加速度二维快速补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种空间目标速度和加速度二维快速补偿方法，针对空间高速目标，将运动补偿中的速度和角速度二维补偿简化为双一维补偿，通过确定黄金分割值合理选择搜索的左点和右点提升收敛速度，并减少一次熵求解，提升搜索速度。将加速度和速度两维补偿问题简化为双一维补偿，并通过合理设置比例系数降低一次熵求解使搜索次数大大降低，有效地补偿由于速度和加速度带来的分裂影响，且极大地提升了目标的捕获速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种速度和加速度的补偿方法。
背景技术
雷达的作用距离与天线口径、发射功率、目标类型、积累时间等诸多因素有关，但当目标类型确定后，由于天线口径和发射功率受限于承载平台能力，增加积累时间就成为了拓展雷达作用距离最有效的途径。但是对于卫星、火箭等高速运动目标，高速运动会造成目标一维距离像的谱峰分裂和展宽，使脉冲压缩后的信号相位为二次多项式，严重影响目标相干积累效果，因此对于空间目标的长时间相干积累，必须对数据进行高速运动补偿，才能够得到较好的脉冲压缩结果。
目前方法是将速度或加速度按照搜索最小步进进行等分，计算所有等分内中点的熵值，取最小的熵值作为速度或加速度的补偿值，对于速度和加速度动态范围较大的空间目标，上述方法搜索耗时长，效率低，不利于空间机动目标的实时捕获。
发明内容
本发明的技术解决问题是：本发明针对空间目标高速机动引起的谱峰分裂和展宽问题，提出了一种空间目标速度和加速度二维快速补偿方法，解决现有算法二维搜索速度慢的问题，本发明方法可以显著提升目标搜索捕获速度，提升目标捕获概率，工程可实现性强，为天基雷达快速远距离捕获目标奠定了技术基础。
本发明所采用的技术方案是：一种空间目标速度和加速度二维快速补偿方法，包括如下步骤：
1)雷达接收回波信号后，根据空间目标运动特点设置初始化速度搜索区间为[a,b]，设置比例系数τ，根据速度补偿精度要求设置常数ε；
2)设置空间目标在初始化速度搜索区间内的速度左点v1和速度右点v2分别为：
v1＝b-τ(b-a)，
v2＝a+τ(b-a)；
3)判断b-a与ε的关系，若b-a<ε，则确定为最优速度补偿值，并跳转到步骤6)；若b-a≥ε，则进入步骤4)；
4)分别计算利用左点速度和右点速度补偿后的一维距离像的左点速度分布熵H(v1)和右点速度分布熵H(v2)；非首次循环只计算H(v1)或H(v2)；
5)比较H(v1)和H(v2)的大小：若H(v1)<H(v2)，则按照如下公式顺序对下列变量进行赋值：
跳转到步骤3)；
若H(v1)>H(v2)，则按照如下公式顺序对下列变量进行赋值：
跳转到步骤3)；
6)利用估计的v*对2次项进行补偿，得到补偿结果为：最优速度补偿后的一维距离像hrrp(i)v*＝hrrp(i)·exp(-j2Kv*/c)t2；
其中，hrrp(i)为原始回波一维距离像；
7)根据空间目标运动特点设置初始化加速度搜索区间为[c1,d]，设置比例系数τ，根据加速度补偿精度要求设置常数δ；
8)设置空间目标在初始化加速度搜索区间的加速度左点a1和加速度右点a2分别为：
a1＝d-τ(d-c1)，
a2＝c+τ(d-c1)；
9)判断d-c1与δ的关系，若d-c1<δ，则确定为最优速度补偿值，并跳转到步骤12)；若d-c1≥δ，进入步骤10)；
10)分别计算利用左点加速度和右点加速度补偿后的一维距离像的左点加速度分布熵H(a1)和右点加速度分布熵H(a2)，非首次循环只计算H(a1)或H(a2)；
11)比较H(a1)和H(a2)的大小；若H(a1)<H(a2)，则按照如下公式顺序对下列变量进行赋值：
跳转到步骤9)；
若H(a1)>H(a2)，则按照如下公式顺序对下列变量进行赋值：
跳转到步骤9)；
12)利用估计的a*对3次项进行补偿，得到补偿结果为：最优加速度补偿后的一维距离像hrrp(i)a*＝hrrp(i)v*·exp(-jKa*/c)t3；
13)利用步骤12)获得的补偿后的原始回波的一维距离像结果进行空间目标探测或成像。
所述一维距离像的左点速度分布熵H(v1)和右点速度分布熵H(v2)分别为：
其中，对左点速度补偿后的一维距离像hrrp(i)v1＝hrrp(i)·exp(-j2Kv1/c)t2归一化后的一维距离像为：
对右点速度补偿后的一维距离像hrrp(i)v2＝hrrp(i)·exp(-j2Kv2/c)t2归一化后的一维距离像为：
左点速度补偿后的一维距离像和值
右点速度补偿后的一维距离像和值
i为方位采样点，j为虚数单位，K为调频斜率，c为光速，t为快时间。
所述一维距离像的左点加速度分布熵H(a1)和右点加速度分布熵H(a2)分别为：
其中，对左点加速度补偿后的一维距离像hrrp(i)a1＝hrrp(i)·exp(-jKa1/c)t3归一化后的一维距离像为：
对右点加速度补偿后的一维距离像hrrp(i)a2＝hrrp(i)·exp(-jKa2/c)t3归一化后的一维距离像为：
左点加速度补偿后的一维距离像和值
右点加速度补偿后的一维距离像和值
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的方法将一个两维搜索问题简化为两个一维搜索问题，降低了搜索的运算量，提高了搜索速度；通过设置黄金分割比例系数降低一次熵求解次数，进一步提升搜索速度。
(2)本发明提出的空间目标快速搜索捕获方法，将加速度和速度两维补偿问题简化为双一维补偿，并通过合理设置比例系数降低一次熵求解使搜索次数大大降低，有效地补偿由于速度和加速度带来的分裂影响，且极大地提升了目标的捕获速度。
附图说明
图1为理想匹配脉压输出结果；
图2为失配造成谱峰分裂与展宽后的脉压结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
本发明先进行理论推导如下：
设雷达发射脉冲时宽为T，带宽为B,信号包络为r(t)，调频斜率为的线性调频信号：
其中，fc为载频，r(·)为发射信号的矩形包络，t为快时间，于是回波的信号模型为：
其中td＝2Rt/c为目标上某一散射点的时延，c为光速，Rt为该时刻该散射点到雷达的距离，δ(r)为该散射点反射强度。参考信号如下式：
其中t0＝2R0/c，R0为目标参考点到雷达的距离。将回波信号和参考信号共轭相乘，即对回波信号去斜率处理，得：
其中，
R为目标距离。
当目标存在高速机动时，假设速度为V，加速度为a，则将之代入(5)，得到：
从式(7)可以看出，速度和加速度使得去斜接收信号相位为一3次多项式，也就是说接收信号不单由单频信号组成，谱峰会出现分裂和展宽。其中2次项系数为3次项系数为因此，若要对速度和加速度进行精确补偿，就必须求出精确的2次和3次项系数。
根据高速运动对雷达距离像影响的理论分析，本发明基于散射点模型进行了仿真实验，仿真参数如下：载频fc＝34.55GHz，带宽B＝1GHz，脉宽T＝100us，调频斜率μ＝1013Hz/s，采样率fs＝125MHz。雷达与空间坐标关系为：假定雷达视线方向为X轴，目标散射点坐标分别为(0,0)，单位为米，散射点发射强度为1。
图1、图2为在不同的速度和加速度下一维距离像产生的变化。从图2中可以看出，速度和加速度都会使一维距离像产生谱峰分裂和展宽。
由于2次项系数和3次项系数都会使一维距离像的谱峰出现展宽和模糊，因此，可以根据最小熵准则来精确搜索径向速度和加速度值。熵是序列混乱度的表征，对于一维距离像，其包络随散射点分布起伏，因此其散射点的分布情况可以用熵来进行度量。其熵值越大，一维距离像的散射点锐化程度越低，谱峰被展得越宽，一维距离像越散焦；反之熵越小，锐化程度越高，谱峰越细，一维距离像越聚焦。因此，一种直观的思路是在空间目标所有可能的速度和角速度范围内搜索使得一维距离像的分布熵最小的值，这样就可以根据搜索到的值进行精确补偿。
假设目标一维距离像的离散序列为：
HRRP＝hrrp(1),hrrp(2)...hrrp(N) (8)
其中N为一维距离像的序列长度，也即去斜数据在脉宽内的采样点数。对离散序列进行归一化如下：
n，i为正整数；
则一维距离像序列的分布熵定义如下：
根据空间目标运动规律，卫星速度一般小于10km/s，加速度一般小于200m/s2。因此，速度搜索范围可以定在[-10000,10000]m/s，加速度可以定在[-200,200]m/s2。然而，若要在如此大的范围内进行速度和加速度的二维搜索是十分耗时的，因此本发明的主要目的就是降低搜索运算量，提升搜索效率。
对空间高速目标的运动补偿分别对2次项和3次项系数进行搜索，也就是说可以将一个复杂的二维搜索变成两个简单的一维搜索，大大提升了搜索效率。即先在可能的速度范围内搜索使得一维距离像的分布熵最小的速度值，用搜索到得该速度进行2次项系数补偿；对经2次项补偿后的结果，在可能的加速度范围内搜索使得一维距离像分布熵最小的角速度值，用该加速度值进行3次项补偿。经过这两步后就可以较精确地补偿速度和加速度对一维距离像的影响。
本发明的基本思想为：针对空间高速目标，将运动补偿中的速度和角速度二维补偿简化为双一维补偿，通过确定黄金分割值合理选择搜索的左点和右点提升收敛速度，并减少一次熵求解，提升搜索速度。
一种空间目标速度和加速度二维快速补偿方法，包括如下步骤：
1)雷达接收回波信号后，根据空间目标运动特点设置初始化速度搜索区间为[a,b]，设置比例系数τ＝0.618，根据速度补偿精度要求设置常数ε；
2)设置空间目标在初始化速度搜索区间内的速度左点v1和速度右点v2分别为：
v1＝b-τ(b-a)，
v2＝a+τ(b-a)；
3)判断b-a与ε的关系，若b-a<ε，则确定为最优速度补偿值，并跳转到步骤6)；若b-a≥ε，则进入步骤4)；
4)分别计算利用左点速度和右点速度补偿后的一维距离像的左点速度分布熵H(v1)和右点速度分布熵H(v2)，则：
非首次循环只计算H(v1)或H(v2)；
其中，对左点速度补偿后的一维距离像hrrp(i)v1＝hrrp(i)·exp(-j2Kv1/c)t2归一化后的一维距离像为：
对右点速度补偿后的一维距离像hrrp(i)v2＝hrrp(i)·exp(-j2Kv2/c)t2归一化后的一维距离像为：
左点速度补偿后的一维距离像和值
右点速度补偿后的一维距离像和值
hrrp(i)为原始回波一维距离像；
i为方位采样点，j为虚数单位，K为调频斜率，c为光速，t为快时间；
5)比较H(v1)和H(v2)的大小：若H(v1)<H(v2)，则按照如下公式顺序对下列变量进行赋值：
跳转到步骤3)；
若H(v1)>H(v2)，则按照如下公式顺序对下列变量进行赋值：
跳转到步骤3)；
6)利用估计的v*对2次项进行补偿，得到补偿结果为：最优速度补偿后的一维距离像hrrp(i)v*＝hrrp(i)·exp(-j2Kv*/c)t2；
7)根据空间目标运动特点设置初始化加速度搜索区间为[c1,d]，设置比例系数τ，根据加速度补偿精度要求设置常数δ；
8)设置空间目标在初始化加速度搜索区间的加速度左点a1和加速度右点a2分别为：
a1＝d-τ(d-c1)，
a2＝c+τ(d-c1)；
9)判断d-c1与δ的关系，若d-c1<δ，则确定为最优速度补偿值，并跳转到步骤12)；若d-c1≥δ，进入步骤10)；
10)分别计算利用左点加速度和右点加速度补偿后的一维距离像的左点加速度分布熵H(a1)和右点加速度分布熵H(a2)，非首次循环只计算H(a1)或H(a2)，则：
非首次循环只计算H(a1)或H(a2)；
其中，对左点加速度补偿后的一维距离像hrrp(i)a1＝hrrp(i)·exp(-jKa1/c)t3归一化后的一维距离像为：
对右点加速度补偿后的一维距离像hrrp(i)a2＝hrrp(i)·exp(-jKa2/c)t3归一化后的一维距离像为：
左点加速度补偿后的一维距离像和值
右点加速度补偿后的一维距离像和值
11)比较H(a1)和H(a2)的大小；若H(a1)<H(a2)，则按照如下公式顺序对下列变量进行赋值：
跳转到步骤9)；
若H(a1)>H(a2)，则按照如下公式顺序对下列变量进行赋值：
跳转到步骤9)；
12)利用估计的a*对3次项进行补偿，得到补偿结果为：最优加速度补偿后的一维距离像hrrp(i)a*＝hrrp(i)v*·exp(-jKa*/c)t3；
13)利用步骤12)获得的补偿后的原始回波的一维距离像结果进行空间目标探测或成像。
实施例
1)雷达接收回波信号后，根据空间目标运动特点设置初始化速度搜索区间为[a,b](a＝10,b＝100)，设置比例系数τ＝0.618，根据速度补偿精度要求设置常数ε＝1；
2)设置空间目标在初始化速度搜索区间内的速度左点v1和速度右点v2分别为：
v1＝b-τ(b-a)＝44.38，
v2＝a+τ(b-a)＝65.62；
3)判断b-a与ε的关系，若b-a<ε，则确定为最优速度补偿值，并跳转到步骤6)；若b-a≥ε，则进入步骤4)；
此时b-a≥ε，则进入步骤4)；
4)分别计算利用左点速度和右点速度补偿后的一维距离像的左点速度分布熵H(v1)和右点速度分布熵H(v2)；
5)计算可得H(v1)<H(v2)
则：
a＝a＝10
b＝v2＝65.62
v2＝v1＝48.43
v1＝b-τ(b-a)＝54.99
进入步骤3)迭代，发现迭代到第9次时，b-a<ε，则确定为最优速度补偿值，并跳转到步骤6)；
6)利用估计的v*对2次项进行补偿，得到补偿结果为：最优速度补偿后的一维距离像hrrp(i)v*＝hrrp(i)·exp(-j2Kv*/c)t2；
其中，hrrp(i)为原始回波一维距离像；
7)根据空间目标运动特点设置初始化加速度搜索区间为[c1＝1,d＝10]，设置比例系数τ＝0.618，根据加速度补偿精度要求设置常数δ＝0.5；
8)设置空间目标在初始化加速度搜索区间的加速度左点a1和加速度右点a2分别为：
a1＝d-τ(d-c1)＝4.438，
a2＝c+τ(d-c1)＝6.652；
9)判断d-c1与δ的关系，若d-c1<δ，则确定为最优速度补偿值，并跳转到步骤12)；若d-c1≥δ，进入步骤10)；
此时d-c1≥δ，进入步骤10)；
10)分别计算利用左点加速度和右点加速度补偿后的一维距离像的左点加速度分布熵H(a1)和右点加速度分布熵H(a2)；
11)比较H(a1)和H(a2)的大小，此时满足H(a1)<H(a2)，则按照如下公式顺序对下列变量进行赋值：
跳转到步骤9)；发现迭代到第6次时，d-c1<ε，则确定为最优加速度补偿值，并跳转到步骤12)；
12)利用估计的a*对3次项进行补偿，得到补偿结果为：最优加速度补偿后的一维距离像hrrp(i)a*＝hrrp(i)v*·exp(-jKa*/c)t3；
13)利用步骤12)获得的补偿后的原始回波的一维距离像结果进行空间目标探测或成像。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种空间目标速度和加速度二维快速补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)雷达接收回波信号后，根据空间目标运动特点设置初始化速度搜索区间为[a,b]，设置比例系数τ，根据速度补偿精度要求设置常数ε；
2)设置空间目标在初始化速度搜索区间内的速度左点v1和速度右点v2分别为：
v1＝b-τ(b-a)，
v2＝a+τ(b-a)；
3)判断b-a与ε的关系，若b-a<ε，则确定为最优速度补偿值，并跳转到步骤6)；若b-a≥ε，则进入步骤4)；
4)分别计算利用左点速度和右点速度补偿后的一维距离像的左点速度分布熵H(v1)和右点速度分布熵H(v2)；非首次循环只计算H(v1)或H(v2)；
5)比较H(v1)和H(v2)的大小：若H(v1)<H(v2)，则按照如下公式顺序对下列变量进行赋值：
跳转到步骤3)；
若H(v1)>H(v2)，则按照如下公式顺序对下列变量进行赋值：
跳转到步骤3)；
6)利用估计的v*对2次项进行补偿，得到补偿结果为：最优速度补偿后的一维距离像hrrp(i)v*＝hrrp(i)·exp(-j2Kv*/c)t2；
其中，hrrp(i)为原始回波一维距离像；
7)根据空间目标运动特点设置初始化加速度搜索区间为[c1,d]，设置比例系数τ，根据加速度补偿精度要求设置常数δ；
8)设置空间目标在初始化加速度搜索区间的加速度左点a1和加速度右点a2分别为：
a1＝d-τ(d-c1)，
a2＝c+τ(d-c1)；
9)判断d-c1与δ的关系，若d-c1<δ，则确定为最优速度补偿值，并跳转到步骤12)；若d-c1≥δ，进入步骤10)；
10)分别计算利用左点加速度和右点加速度补偿后的一维距离像的左点加速度分布熵H(a1)和右点加速度分布熵H(a2)，非首次循环只计算H(a1)或H(a2)；
11)比较H(a1)和H(a2)的大小；若H(a1)<H(a2)，则按照如下公式顺序对下列变量进行赋值：
跳转到步骤9)；
若H(a1)>H(a2)，则按照如下公式顺序对下列变量进行赋值：
跳转到步骤9)；
12)利用估计的a*对3次项进行补偿，得到补偿结果为：最优加速度补偿后的一维距离像hrrp(i)a*＝hrrp(i)v*·exp(-jKa*/c)t3；
13)利用步骤12)获得的补偿后的原始回波的一维距离像结果进行空间目标探测或成像。
2.根据权利要求1所述的一种空间目标速度和加速度二维快速补偿方法，其特征在于：所述一维距离像的左点速度分布熵H(v1)和右点速度分布熵H(v2)分别为：
其中，对左点速度补偿后的一维距离像hrrp(i)v1＝hrrp(i)·exp(-j2Kv1/c)t2归一化后的一维距离像为：
对右点速度补偿后的一维距离像hrrp(i)v2＝hrrp(i)·exp(-j2Kv2/c)t2归一化后的一维距离像为：
左点速度补偿后的一维距离像和值
右点速度补偿后的一维距离像和值
i为方位采样点，j为虚数单位，K为调频斜率，c为光速，t为快时间。
3.根据权利要求1或2所述的一种空间目标速度和加速度二维快速补偿方法，其特征在于：所述一维距离像的左点加速度分布熵H(a1)和右点加速度分布熵H(a2)分别为：
其中，对左点加速度补偿后的一维距离像hrrp(i)a1＝hrrp(i)·exp(-jKa1/c)t3归一化后的一维距离像为：
对右点加速度补偿后的一维距离像hrrp(i)a2＝hrrp(i)·exp(-jKa2/c)t3归一化后的一维距离像为：
左点加速度补偿后的一维距离像和值
右点加速度补偿后的一维距离像和值
4.根据权利要求1所述的一种空间目标速度和加速度二维快速补偿方法，其特征在于：所述比例系数τ＝0.618。
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2018
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