一种自适应提取雷达目标微动周期的新方法
【专利摘要】该发明公开了一种自适应提取雷达目标微动周期的新方法，本发明属于仅利用雷达接收目标回波数据对所探测运动目标的微动周期进行估计的技术范畴，涉及利用雷达目标回波数据的时频图的轮廓提取和曲线拟合方法对目标的微动周期进行较精确估计的技术。该方法利用雷达接收的目标回波数据先通过短时傅里叶变换得到信号的时频分布，然后对得到的时频分布曲线进行轮廓提取，接着通过自适应设置门限的方法提取时频曲线变化的轮廓，之后采用多项式拟合的方法对得到的粗轮廓进行细节平滑，最后通过对平滑后的波形图检测谱峰并给出目标微动周期的估计。一种低成本、自适应、稳健的高精度雷达目标微动周期估计新方法。
【专利说明】一种自适应提取雷达目标微动周期的新方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于仅利用雷达接收目标回波数据对所探测运动目标的微动周期进行估 计的技术范畴，涉及利用雷达目标回波数据的时频图的轮廓提取和曲线拟合方法对目标的 微动周期进行较精确估计的技术。
【背景技术】
[0002] 雷达目标识别问题在雷达研究和应用领域中具有重要的意义。雷达发射电磁波作 用到目标物体上，再反射回来被雷达所接收，其回波信号将携带目标的本身的特征信息。当 目标物体与雷达间存在相对运动时，回波的载波频率就会发生偏移，这被称为多普勒效应 (Doppler effect)。如果雷达目标除了主体的平移运动外还存在整体或部分的震动或转动 等微运动，那么可能会产生一个额外的频率调制，使得回波信号在多普勒频移的基础上产 生边带，这就是微多普勒效应（micro-Doppler effect)。微多普勒效应使得我们能够通过 研究回波信号的时频分布信息分析目标物体的动力学特性，并且提供了一种精细分析微动 目标的新方法。
[0003] 文献 Vi c tor C. Chen , Fay in Lin , Mi cr〇-Dopp I er effect in radar:phenomenon, model, and simulation study, IEEETransactions on aerospace and electronic systems, Vol. 42, No. I, pp. 1-21, 2006?对雷达目标进行各种微动对回波的调 制情况进行了理论推导和分析。研究结果表面，雷达目标做不同的微动运动会对雷达回波 的相位进行不同调制，该理论为利用雷达回波信号分析目标的微动特性提供了理论依据。 上述文献仅给出了弹头、人等雷达目标的微多普勒运动模型和时频分析结果，验证了短时 傅里叶变换在微多普勒分析中的有效性，但并没有给出基于该时频图的微多普勒周期的有 效提取方法。针对微动周期提取问题，国内的国防科技大学、电子科技大学、南京14所、西 安电子科技大学等高校也进行了初步研究如文献：金光虎，朱玉鹏，高勋章，黎湘，信号处理 [J]，第25卷，第5期，pp. 772-776, 2009.，并取得了一定的效果，但大部分算法当时频曲线 较为模糊、且存在毛刺时，算法的微动周期提取效果较差。
[0004] 针对上述问题，本发明创造性的给出了利用雷达目标回波数据的时频图轮廓的自 适应提取和曲线拟合方法对目标的微动周期进行估计的新方法，通过仿真和实测数据验 证，验证了本发明所提算法的有效性和可行性。对较为模糊的时频曲线，本发明提出的微动 周期提取方法具有较好的稳健性。
【发明内容】
[0005] 在对雷达目标回波进行时频变换的基础上，对得到的时频图运用局部特征提取和 曲线拟合方法实现雷达回波信号的周期估计，本发明的目的是提供一种自适应、低复杂度、 稳健的雷达目标微动周期提取的新方法。
[0006] 为了实现本发明的目的，将采用以下技术方案：一种适用于微动目标的雷达回波 信号周期估计方法，该方法利用雷达接收的目标回波数据先通过短时傅里叶变换（STFT) 得到信号的时频分布，然后对得到的时频分布曲线进行轮廓（局部细节）提取，接着通过自 适应设置门限的方法提取时频曲线变化的轮廓，之后采用多项式拟合的方法对得到的粗轮 廓进行细节平滑，最后通过对平滑后的波形图检测谱峰并给出目标微动周期的估计。因而 该方法包括以下步骤：
[0007] 步骤1，回波数据采集：雷达位于坐标原点，以一定的PRF发射窄脉冲，采集雷达目 标回波信号数据；提取每次脉冲作用下目标回波信号一维距离像幅值的最大值和该幅度最 大值出现的位置，形成一矢量数据X (n)，n = 1，2,…，N，其中N表示目标回波的个数；
[0008] 步骤2,时频分析：对该矢量数据进行短时傅里叶变换，获得维数为mXn的时频变 换矩阵X(m为频率轴变量，n为时间轴变量）；记录下时间轴的单位时间间距A t。
[0009] 步骤3,时频曲线的提取，获取包含微动信息的局部时频图：对t = 1，2,…，n，保存 时频变换矩阵X中每一列中数据模的最大值P(t)及该最大值在该列的位置序号Loc(t); 以位置序号Loc (t)中的最大值和最小值为上限和下限对原始时频图进行裁剪，只保留 时频曲线出现的局部时频图,得到包含时频曲线信息的紧凑时频图X1，其维数为Hi1 X n, Hi1<< m ；
[0010] 步骤4,对时频图X1进行去毛刺和细化：对X1的每一列数据计算其均值y t和标准 差〇t，并对每一列数据预设门限为Pt= 〇t，其中X e [0, 1/2]之间的数值，每一列 内的各值与门限进行比较后，保存所有大于该门限值的位置序号矢量…，，其 中Ft的第j个元素fj G N+为位置序号的值，是正整数；j = 1，--?，MyMt为第t列数据中大 于门限Pt的元素个数，并取所有序号的均值形成新的位置向量Y = [yi，…，yt]T，该矢量中
【权利要求】
1. 一种自适应提取雷达目标微动周期的新方法，该方法包括： 步骤1，回波数据采集：雷达位于坐标原点，以一定的PRF发射窄脉冲，采集雷达目标回 波信号数据；提取每次脉冲作用下目标回波信号一维距离像幅值的最大值和该幅度最大值 出现的位置，形成一矢量数据X (n)，n = 1，2,…，N，其中N表示目标回波的个数； 步骤2,时频分析：对该矢量数据进行短时傅里叶变换，获得维数为mXn的时频变换矩 阵X(m为频率轴变量，n为时间轴变量）；记录下时间轴的单位时间间距A t。 步骤3,时频曲线的提取，获取包含微动信息的局部时频图：对t= 1，2,…，n，保存时频 变换矩阵X中每一列中数据模的最大值P(t)及该最大值在该列的位置序号Loc(t);以位 置序号Loc(t)中的最大值和最小值为上限和下限对原始时频图进行裁剪，只保留时频曲 线出现的局部时频图，得到包含时频曲线信息的紧凑时频图X1，其维数为Hi1Xr^m1 << m ; 步骤4,对时频图X1进行去毛刺和细化：对X1的每一列数据计算其均值y t和标准差 〇t，并对每一列数据预设门限为Pt= ut+X 〇t，其中X e [〇, 1/2]之间的数值，每一列内 的各值与门限进行比较后，保存所有大于该门限值的位置序号矢量Fi= f，，其中 Ft的第j个元素fj e N+为位置序号的值，是正整数；j = 1，…，Mt，Mt为第t列数据中大于 门限Pt的元素个数，并取所有序号的均值形成新的位置向量Y= [yi，…，yt]T，该矢量中第t
时，找出时频图X1中所有元素模的最大值，对t = 1，2,…，n，把时频图X1中位置（t，yt)的 像素值用最大值替换原值，其他位置全部用1填补，形成处理后的时频图X2，该图为时频曲 线的大致轮廓； 步骤5,多项式平滑：利用多项式平滑算法对位置矢量Y进行平滑，得到平滑后矢量Y1 ; 步骤6,搜索平滑后矢量Y1的谱峰； 步骤7,估计周期：微动周期T的估计为两个相邻谱峰之间的间隔L乘以时频图时间轴 相邻点的间距A t，即f =心X L ;当时频曲线只存一个谱峰及一个谱谷时，周期的估计为相 邻谱峰和谱谷之间时间差的2倍。
2. 如权利要求1所述的一种自适应提取雷达目标微动周期的新方法，其特征在于所述 步骤2中的短时傅里叶变换，是一种线性的时频变换，它的表达形式为：
其中，x(n)为短时傅里叶变换前的已知信号，w(n)为短时傅里叶变换的窗函数，可以 根据对估计的均值和方差的不同需要选择Bartlett、Kaiser、Hamming、Blackman等窗函 数，X(n，《)为信号短时傅里叶变换后的时频分布图。
3. 如权利要求1所述的一种自适应提取雷达目标微动周期的新方法，其特征在于所述 步骤4中的门限选择的原则是：方差〇i越大，则A选择趋近于〇的值，反之，A则选择趋 近与1/2的数值。
4. 如权利要求1所述的一种自适应提取雷达目标微动周期的新方法，其特征在于所述 步骤5中多项式拟合，表达式为 p (X) = P1X1Vp2Xlri+...+pnx+p n+1 其中n为拟合的多项式阶数，P1到pn+1为拟合的多项式系数。
5.如权利要求4所述的一种自适应提取雷达目标微动周期的新方法，其特征在于所述 步骤5中多项式拟合表达式的阶数n = 10。
【文档编号】G01S7/292GK104360336SQ201410682329
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月24日 优先权日:2014年11月24日
【发明者】郭贤生, 沈晓峰, 况凌, 郭伟奇, 万群 申请人:电子科技大学