专利名称：一种基于回波相位检测的被测目标实时速度估计方法
技术领域：
本发明涉及一种估计被测目标实时速度的方法，更具体是一种基于回波相位检测的被测目标实时速度估计方法。
背景技术：
与静止目标相比，人们往往更关心运动目标。运动目标的检测与运动速度的测量广泛应用于军事、交通和生物医学等领域。运动目标检测与速度测量常使用雷达或声纳。雷达发射的电磁波或声纳发射的超声波经目标反射后，回波中就包含了目标的形态信息和运动信息。通过对信号的积累可以检测出回波中是否存在目标。通过测量回波相对于发射信号的延时，可以估计目标的距离，并根据多普勒效应计算目标的速度。很多文献对目标实时速度的估计方法进行了研究，现有的方法主要包括多波束法、图像相关法等。多波束法利用两个波束或阵列，估计出目标相对每个波束的视线方向速度，然后根据波束的方向的空间关系进行综合，得到目标的二维速度。这种方法需要多个波束，而且估计精度受波束方向夹角及目标距离影响。图像相关法利用两幅图像中的斑点跟踪来估计速度矢量，通过相邻图像的二维互相关获得图像中某区域的移动方向和距离，再结合两幅图像的时间差就可以得到目标的移动速度矢量，即获得径向速度和垂直视线方向速度。该方法使用两幅图像，数据量大，对两幅图像的相关性要求高；同时二维相关也使得运算量增大。Anderson和Jensen提出基于空间调制技术估计实时速度。这种方法采用空间调制使得回波受垂直视线方向运动的影响，但在实现时仍然需要多个波束。Folster和Rohling利用多普勒效应测出目标上两个散射点的视线方向速度，利用单脉冲技术测出两点所在的角度，然后根据几何关系测出目标垂直视线方向速度。这种方法要求目标的体积较大，要有两个散射点。Newhouse等人研究了垂直视线方向运动速度与回波多普勒带宽的关系，提出利用多普勒带宽来估计垂直视线方向速度。Haderer等人提出一种通过二次相位拟合来估计垂直视线方向运动速度的方法。这两种方法都考虑了垂直视线方向运动对回波相位的影响，但没有对垂直视线方向运动目标的高阶多普勒效应和时频特性进行分析。综上所述，视线方向运动目标的检测与速度估计技术已经非常成熟，并在军事及日常生活中获得广泛的应用。而对垂直视线方向运动目标检测与速度估计技术的研究则相对较少，且缺乏系统的研究。现有的方法多是借助对目标的图像的处理来获得目标的垂直视线方向速度。若是在雷达系统中使用，就要先进行成像，这样就导致系统复杂，且运算量大。也有方法借助于多个波束观测目标，或者同时观测目标上的两个散射点，然后根据测出的径向速度和几何关系来算出垂直视线方向运动速度。这种方法需要多个波束或是对目标的尺寸有要求。
发明内容
发明目的:针对现有目标实时速度估计方法对垂直于视线方向运动速度估计能力不足，且存在运算量大等缺点，本发明的目的是提供一种基于回波相位检测的被测目标实时速度估计方法。技术方案:为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于回波相位检测的被测目标实时速度估计方法，其特征在于，包括如下步骤:
(I)对被测目标的回波进行采样得到回波采样序列；(2)对所述回波采样序列进行相位差分运算，得到一个新的序列；(3)对步骤(2)所得序列尾部补零，并进行离散傅里叶变换；(4)估算步骤(3)中离散傅里叶变换的峰值位置并由此计算出回波采样序列的二次相位；(5)由回波采样序列的二次相位计算出被测目标垂直于视线方向的运动速度并由回波采样序列的傅里叶变换求出被测目标沿视线方向的运动速度；(6)由步骤(5)结果求出被测目标运动的实时速度。进一步的，所述步骤 (5)中，由回波采样序列的二次相位计算出被测目标垂直于视线方向的运动速度的步骤如下:
O写出被测目标与测试信号源之间的距离与初始时刻被测目标实时速度的关系；
2)将步骤I)的表达式在初始时刻附近展开为泰勒级数；
3)根据回波采样序列的相位与所述距离之间的关系得到所述二次相位与垂直视线方向速度的关系。更进一步的，所述步骤2)中，忽略高次项。进一步的，所述步骤(4)中，估算离散傅里叶变换峰值位置包括:
设离散傅里叶变换结果的最大值位置为L，幅度为X，最大值前一点和后一点的幅度分
别为X1和X2,则估算离散傅里叶变换峰值位置厶为 Δ
=.......y.........T3F...........10......F ,其中为相邻点之间的距离。
‘ I 十2 一 ^有益效果:本方法的核心环节是找出被测目标(简称“目标”)实时速度与目标回波二次相位之间的关系以及计算目标回波二次相位的方法。关于目标运动速度与回波之间的关系，多普勒效应阐述了目标视线方向速度与回波频率之间的关系，本发明进一步说明回波二次相位与目标垂直于视线方向速度之间的关系，可看做是多普勒效应的扩展。关于估计目标回波二次相位的方法，一般采用最大似然法估计，但这种方法计算量大，本发明采用相位差分法，利用离散傅里叶变换，大大减少了计算量。
图1为本发明进行被测目标实时速度估计的流程 图2为被测目标运动速度与测试信号源之间距离关系 图3为垂直视线方向运动目标回波相位差分运算后在0-0.5Hz处的频谱 图4为视线方向运动目标回波的傅里叶变换频谱图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。本发明基于回波相位检测的被测目标实时速度估计方法，是一种基于被测目标回波相位对目标实时速度进行估计的方法。如图1所示，步骤为:(1)对被测目标回波进行采样得到回波采样序列(简称“回波序列”);(2)对回波序列进行相位差分运算一个新的序列；
(3)对步骤二所得序列尾部补零，并进行离散傅里叶变换；(4)找出步骤(3)结果的峰值位置并由此计算出回波序列的二次相位；(5)由回波序列的二次相位计算出目标垂直于视线方向的运动速度并由回波序列的傅里叶变换求出目标沿视线方向运动的速度；(6)由步骤
(5)结果求出目标运动的实时速度。以上步骤(4)由峰值位置计算回波序列的二次相位原理如下:
设回波序列为4 ) = s(￡s)+ w(￡b)，其中Is为抽样点的时间，为无噪声影响时的回
波序列，魂)为噪声,忽略高次项，令t时刻被测目标回波序列与信号源的发射信号之间的相位差祆0为轉)=如2+汾+￡；(1.1)
由式1.1可知:
权利要求
1.一种基于回波相位检测的被测目标实时速度估计方法，其特征在于，包括如下步骤: (I)对被测目标的回波进行采样得到回波采样序列；(2)对所述回波采样序列进行相位差分运算，得到一个新的序列；(3)对步骤(2)所得序列尾部补零，并进行离散傅里叶变换；(4)估算步骤(3)中离散傅里叶变换的峰值位置并由此计算出回波采样序列的二次相位；(5)由回波采样序列的二次相位计算出被测目标垂直于视线方向的运动速度并由回波采样序列的傅里叶变换求出被测目标沿视线方向的运动速度；(6)由步骤(5)结果求出被测目标运动的实时速度V。
2.根据权利要求1所述一种基于回波相位检测的被测目标实时速度估计方法，其特征在于:所述步骤(5)中，由回波采样序列的二次相位计算出被测目标垂直于视线方向的运动速度的步骤如下: O写出被测目标与测试信号源之间的距离与初始时刻被测目标实时速度的关系； 2)将步骤I)的表达式在初始时刻附近展开为泰勒级数； 3)根据回波采样序列的相位与所述距离之间的关系得到所述二次相位与垂直视线方向速度的关系。
3.根据权利要求1所述基于回波相位检测的被测目标实时速度估计方法，其特征在于:所述步骤(4)中，估算离散傅里叶变换峰值位置包括: 设离散傅里叶变换结果的最大值位置为L，幅度为X，最大值前一点和后一点的幅度分别为X1和X2,则估算离散傅里叶变换峰值位置/ 为
4.根据权利要求2所述基于回波相位检测的被测目标实时速度估计方法，其特征在于:所述步骤2)中，忽略高次项。
全文摘要
本发明公开了一种基于回波相位检测的被测目标实时速度估计方法，步骤为(1)对被测目标回波进行采样得到回波采样序列；(2)对回波序列进行相位差分运算一个新的序列；(3)对对步骤二所得序列尾部补零，并进行离散傅里叶变换；(4)找出步骤(3)结果的峰值位置并由此计算出回波序列的二次相位；(5)由回波二次相位计算出目标垂直于视线方向的运动速度并由回波序列的傅里叶变换求出目标沿视线方向运动的速度；(6)由步骤(5)结果求出目标运动的实时速度。本发明解决了传统研究多普勒频移无法计算目标垂直于视线方向速度的问题，对实际应用中如利用声纳或雷达回波分析目标速度有很大的作用。
文档编号G01S13/58GK103163517SQ20131008761
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月19日 优先权日2013年3月19日
发明者柏业超, 张兴敢, 唐岚, 薛振南, 戴军, 杜仲林, 魏耀 申请人:南京大学