一种高精度高频谱利用率的实时目标距离估计方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精度高频谱利用率的实时目标距离估计方法，包括：根据探测目标的运动特性与目标估计精度要求，确定探测信号配置参数，包括信号配置带宽、信号分段数以及信号持续时间长度；发射探测信号，在可配置带宽内完成探测信号配置，并根据配置的探测信号构造匹配滤波器；将目标回波信号经过去模糊处理，并经过匹配滤波器，得到探测信号的时间延迟，并由此推算出目标的距离信息。通过该发明可以对目标进行实时距离估计，可以突破目标的运动特性对目标距离估计的限制。
【专利说明】
一种高精度高频谱利用率的实时目标距离估计方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及目标位置估计领域，特别涉及一种高精度高频谱利用率的实时目标距离估计方法。
【背景技术】
[0002]现有的目标距离估计方法都是先经过目标回波时延估计，然后再换算成目标距离估计的结果。在实际应用中，目标距离估计方法所用的发射信号与回波信号是相关的，所以，在时延估计过程中，参考信号均为已知信号。
[0003]现有目标距离估计探测方法所采用的信号分为两类，一类是宽带信号，采用该类信号进行目标回波信号时延估计时，所采用的脉冲宽度受限于信号所占用的带宽，而信号的时延估计精度与脉冲宽度成正的线性比例；另一类是线性调频信号，线性调频信号可以通过匹配滤波的方式在线性信号配置带宽内实现能量汇聚，并在信号持续时间上进行时间压缩，从而通过匹配滤波可以大幅提高回波信号的时间分辨率。
[0004]然而现有技术至少存在以下问题:
[0005]上述两种信号形式其时延估计精度均受限于信号带宽，频谱利用率低，且在现有的技术下无法有效提升频谱利用率;现有目标探测方法的探测精度随着探测雷达与目标相对运动速度的增加而降低，无法单纯通过回波信号的时延估计进行高速目标的精确距离估
i+o
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种高精度高频谱利用率的实时目标距离估计方法，通过该发明可以对目标进行实时距离估计，可以突破目标的运动特性对目标距离估计的限制。
[0007]为解决上述问题，本发明采取的技术方案为:
[0008]—种高精度高频谱利用率的实时目标距离估计方法，包括以下步骤:
[0009]根据探测目标的运动特性与目标估计精度要求，确定探测信号配置参数，包括信号配置带宽、信号分段数以及信号持续时间长度；
[0010]发射探测信号，在可配置带宽内完成探测信号配置，并根据配置的探测信号构造匹配滤波器；
[0011]将目标回波信号经过去模糊处理，并经过匹配滤波器，得到探测信号的时间延迟，并由此推算出目标的距离信息。
[0012]运动特性包括目标的运动速度和目标散射系数分布特征，
[0013]若探测目标的运动特性为先验知识，直接得到其运动特性；
[0014]在先验知识不足的情况下，通过逐级探测在短时间内采用估计算法得到其运动特性。
[0015]探测信号的结构为多频段配置线性调频信号。
[0016]匹配滤波器的构造与探测信号结构一一对应，匹配滤波器的输入信号为探测信号经目标反射后的回波信号，输出信号的最大值代表了回波时延值；
[0017]在时延较大的情况下，超出探测信号持续时间长度的时延部分由探测系统自动记录;时延估计的精度根据采样速率和信号配置带宽共同决定；当信号采样速率不够时，采用插值等信号处理的方法对回波信号进行内插操作。
[0018]不同目标的运动特性对应不同的探测信号配置;对回波信号根据目标的运动特性进行去模糊处理;去模糊处理包括去除回波信号中因目标运动而引起的多普勒频移和目标位置中心偏尚。
[0019]探测信号配置参数还包括:单载波线性调频信号的带宽，线性调频率，配置总体带宽，总体带宽内分散的配置频点值以及配置频点个数。
[0020]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0021]本发明通过依据目标的运动特性对宽带内探测信号进行配置，并根据配置的探测信号构造匹配滤波器；回波信号经过匹配滤波器，得到探测信号的时间延迟，并由此推算出目标的距离。该方法根据探测目标的运动特性确定探测信号的带宽，有效提升频谱利用率；在较小频带占用情况下实现高精度的目标距离估计，且该估计方法可以保证对各种速度目标距离的实时估计。通过该方法可以大幅提高探测信号的频谱利用率，同时，对静止目标以及运动目标实现分辨率相近的实时估计精度。
[0022]进一步，本算法对各种运动状态的目标所用探测信号形式有所不同，且对回波信号根据目标的运动特性进行去模糊处理;采用合理的信号形式情况下，目标运动状态对目标位置估计的精度影响很小，所以该方法可以实现实时目标距离估计。
[0023]进一步，目标回波信号的去模糊算法与目标运动引起的位置估计误差去除算法可以保证目标距离估计的准确度。
【附图说明】
[0024]图1本发明所列举实施例的高精度高频谱利用率的目标距离估计方法示意图；
[0025]图2本发明所举实例的目标距离估计应用场景示意图；
[0026]图3为本发明实施例对不同速度目标所得到的目标估计精度；
[0027]图4为本发明实施例对不同速度目标所占用带宽与总带宽的比例。
【具体实施方式】
[0028]下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0029]本发明实施例依据目标的运动特性对宽带内探测信号进行配置，在较小频带占用情况下实现高精度的目标距离估计，且该估计方法可以保证对各种速度目标距离的实时估计。下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供的实时目标距离估计的方法流程图，所述方法包括:
[0030]步骤11:根据探测目标的运动特性与目标估计精度要求，确定探测信号配置参数，包括信号配置带宽、信号分段数以及信号持续时间长度；[0031 ]在该步骤中，目标的运动特性为先验知识，具体为目标运动特征的大致描述，包括目标的运动速度估计，目标散射系数分布特征估计等；
[0032]进一步地，在先验知识不足的情况下，可以通过逐级探测的方法在短时间内采用估计算法得到目标的上述目标特征及其运动特征;得到最优的目标位置估计所用的探测信号形式。
[0033]其目标距离探测过程中，不同目标的运动特性对应不同的探测信号配置；
[0034]发射信号配置参数是根据目标运动特征参数与目标估计精度要求进行选择的，其配置参数主要包括信号配置带宽、探测信号分段数以及信号持续时间长度；
[0035]进一步地，探测信号配置参数包括但不限于:单载波线性调频信号的带宽，线性调频率，配置总体带宽，总体带宽内分散的配置频点值以及配置频点个数。
[0036]探测信号的结构为多频段配置线性调频信号;且该方法的探测灵敏度取决于探测信号整体带宽。在要求目标位置估计精度相同的条件下，在不同目标运动情况下信号配置有所差异，频谱利用率会有差异;一般的，其频谱利用率随着目标运动速度的增加而有所降低。
[0037]相应地，信号的频谱利用率对各种速度下的目标距离估计均可以达到10%以上的利用率，探测信号的分段数，信号持续时间以及目标的运动参数共同决定了目标距离估计精度以及方法抗干扰能力。
[0038]步骤12:确定发射信号，在可配置带宽内完成发射信号配置，并根据配置的发射信号构造匹配滤波器；
[0039]在该步骤中，发射信号的具体形式决定了匹配滤波器的具体形式，匹配滤波器的输入信号为探测信号经目标反射后的回波信号，输出信号的最大值代表了回波时延值;匹配滤波器的构造与探测信号一一对应，其可以有效探测信号的回波信号能量进行集中，对信号带宽进行有效利用;探测信号与匹配滤波器共同决定了目标距离探测精度。
[0040]进一步地，在时延较大的情况下，超出探测信号持续时间长度的时延部分由探测系统自动记录;时延估计的精度需要采样速率和信号配置带宽共同决定；
[0041]相应地，当信号采样速率不够时，采用插值等信号处理的方法对回波信号进行内插操作。
[0042]步骤13:将目标回波信号经过去模糊处理，并经过匹配滤波器，得到探测信号的时间延迟，并由此推算出目标的距离信息；
[0043]本算法对各种运动状态的目标所用探测信号形式有所不同，且对回波信号根据目标的运动特性进行去模糊处理;相应地，采用合理的信号形式情况下，目标运动状态对目标位置估计的精度影响很小，所以该方法可以实现实时目标距离估计。
[0044]该步骤中，回波信号中因为目标运动而引起的多普勒频移进行初步去除，这一操作基于先验知识或者是前期探测积累的先验?目息；
[0045]进一步地，目标运动引起的目标位置中心偏离同样需要根据基于目标运动参数的先验ig息来去除；
[0046]相应地，目标回波信号的去模糊算法与目标运动引起的位置估计误差去除算法可以保证目标距离估计的准确度。
[0047]具体实现中，根据目标速度不同分别进行实验验证，验证步骤按照上述步骤进行。下面结合具体的应用场景，通过附图和【具体实施方式】对本发明的原理作详细描述。
[0048]目标速度估计应用场景如图2所示，在本实施例中，所用收发共用雷达阵，阵元数为11阵元，目标距离约为1000米，发射信号中心频率为10.5GHz，信号配置带宽固定为1GHz，探测目标为小型无人机(携带角反射器)；目标速度以20米/秒的变化量从接近静止状态(悬浮)到380米/秒。目标距离估计误差如图3所示，在所列实施例所验证的目标速度下目标估计误差与目标运动速度无关;但是所需占用的带宽则随着目标运动速度的增加而有所增加，如图4所示，其频谱利用率随着目标运动速度的增加而有所降低。
[0049]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【主权项】
1.一种高精度高频谱利用率的实时目标距离估计方法，其特征在于，包括以下步骤: 根据探测目标的运动特性与目标估计精度要求，确定探测信号配置参数，包括信号配置带宽、信号分段数以及信号持续时间长度； 发射探测信号，在可配置带宽内完成探测信号配置，并根据配置的探测信号构造匹配滤波器； 将目标回波信号经过去模糊处理，并经过匹配滤波器得到探测信号的时间延迟，并由此推算出目标的距离信息。2.根据权利要求1所述高精度高频谱利用率的实时目标距离估计方法，其特征在于，运动特性包括目标的运动速度和目标散射系数分布特征， 若探测目标的运动特性为先验知识，直接得到其运动特性； 在先验知识不足的情况下，通过逐级探测在短时间内采用估计算法得到其运动特性。3.根据权利要求1所述高精度高频谱利用率的实时目标距离估计方法，其特征在于，探测信号的结构为多频段配置线性调频信号。4.根据权利要求3所述高精度高频谱利用率的实时目标距离估计方法，其特征在于，匹配滤波器的构造与探测信号结构一一对应，匹配滤波器的输入信号为探测信号经目标反射后的回波信号，输出信号的最大值代表了回波时延值； 在时延较大的情况下，超出探测信号持续时间长度的时延部分由探测系统自动记录；时延估计的精度根据采样速率和信号配置带宽共同决定；当信号采样速率不够时，采用插值等信号处理的方法对回波信号进行内插操作。5.根据权利要求1所述高精度高频谱利用率的实时目标距离估计方法，其特征还在于:不同目标的运动特性对应不同的探测信号配置;对回波信号根据目标的运动特性进行去模糊处理;去模糊处理包括去除回波信号中因目标运动而引起的多普勒频移和目标位置中心偏呙。6.根据权利要求1所述高精度高频谱利用率的实时目标距离估计方法，其特征在于，探测信号配置参数还包括:单载波线性调频信号的带宽，线性调频率，配置总体带宽，总体带宽内分散的配置频点值以及配置频点个数。
【文档编号】G01S7/41GK106093906SQ201610570189
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月19日
【发明人】朱士涛, 董晓丽, 贺雨晨, 张明, 施宏宇, 张安学, 徐卓
【申请人】西安交通大学