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雷达侦察中LFMCW信号检测与参数估计方法研究

朱文涛  
【摘要】:线性调频连续波(Linear Frequency Modulated Continuous Wave,LFMCW)雷达由于结构简单、体积小、距离分辨率高、无距离盲区、成本低、低功耗和低截获等优点,在军用导航、战场侦察与地面成像等领域得到越来越广泛的应用。由于采用连续波体制,LFMCW雷达的发射功率相比于脉冲多普勒雷达具有更低的发射功率,这就导致更低的信噪比,进而需要更多的采样点数保证信号检测的有效性,因此,高计算复杂度和低信噪比成为制约LFMCW信号有效检测和参数估计的主要因素。降低计算复杂度和提高信噪比成为了LFMCW信号检测与参数估计的核心和关键。本论文从信号处理的角度出发,对LFMCW信号的模型、检测和参数估计等方面做了比较全面的分析和阐述。主要工作概括如下:1.研究了单分量周期LFMCW信号的检测和参数估计方法。首先介绍了两种常用的LFMCW信号的发射模型及其截获模型;然后,针对低信噪比和高计算复杂度的问题,提出一种联合变窗长相干平均法、循环平稳法和解线频调处理的单分量周期LFMCW信号的检测与参数估计方法。该方法首先基于信号的周期性,利用变窗长相干平均法和循环平稳法提高了信噪比增益并实现了调制周期和调频率的估计,然后基于估计的调制周期和调频率,利用解线频调处理完成了起始频率、起始时间、幅度和初相的估计。该方法以较低计算复杂度实现了长时间积累,并有效地提高了信噪比。然而,该方法的检测性能受窗长搜索范围的制约。针对该问题,进一步提出了改进的方法。改进的方法首先对变窗长相干平均法进行了改进,然后利用改进的变窗长相干平均法和循环平稳法估计调制周期和调频率,最后,利用解线频调处理实现了起始频率、起始时间、幅度和初相的估计。改进方法的检测性能不再受搜索窗长的制约,并且仍以较低计算复杂度实现了长时间积累,有效地提高了信噪比。仿真实验验证了所提方法的有效性。2.研究了多分量周期LFMCW信号的检测和参数估计方法。针对在低信噪比条件下如何快速实现多分量周期LFMCW信号的检测和估计问题,提出了一种联合帧间相关法、循环平稳法和解线频调处理的多分量周期LFMCW信号的检测与参数估计方法。该方法首先基于信号的周期性,提出一种帧间相关法及其等价形式,帧间相关法及其等价形式只需简单的复乘和复加就可实现多分量信号能量的线性叠加;其次,根据帧间相关法的线性叠加的特点,提出一种目标剥离方法,目标剥离方法可以将多分量LFMCW信号的调制周期依次估计出来,并实现各信号分量的检测;然后,基于CLEAN算法的思想并结合各信号分量的调制周期的估计,利用循环平稳法和解线频调处理依次将各信号分量的幅度、调频率、起始频率、起始时间和初相估计出来。所提方法以较低计算复杂度实现了信号的长时间积累,有效地提高了信噪比,并且无需二维峰值搜索就可实现各信号分量的检测,因此计算量比较小。仿真实验验证了所提方法的有效性。3.针对在低信噪比下如何快速实现LFMCW信号的检测和参数估计的问题,提出了一种联合零频搜索法、循环平稳法和解线频调处理的LFMCW信号的检测与参数估计方法。该方法首先基于LFMCW信号的瞬时相关特性,给出了一种零频搜索法,零频搜索法可以实现信号的检测和调制周期的估计;其次,针对零频搜索法计算量大的问题,对其进行了改进,改进后的零频搜索法在保持相同检测性能的基础上有效地减小了计算量;然后,结合信号的调制周期,利用循环平稳法实现了信号调频率的估计;最后,基于调制周期和调频率,利用解线频调处理估计信号幅度、起始时间、起始频率和初相。所提方法以较低计算复杂度实现了信号的长时间积累,有效地提高了信噪比。此外,所提方法可以对符合一定限制条件的多分量LFMCW信号进行检测与参数估计。仿真实验验证了所提方法的有效性。4.针对LFMCW信号检测与参数估计所面临的高计算复杂度和低信噪比的问题,提出了一种基于匹配帧间相关法、循环平稳法和解线频调处理的LFMCW信号的检测与参数估计方法。该方法首先基于LFMCW信号周期间的固有规律,给出了一种匹配帧间相关法,匹配帧间相关法可以根据各信号分量的调制周期和起始频率的不同实现其检测和调制周期的估计;然后,基于CLEAN算法的思想并结合各信号分量的调制周期的估计,按照信号幅度由大到小的顺序,利用循环平稳法和解线频调处理实现了各信号分量的调频率、起始时间、起始频率、初相和幅度的估计。该方法可在较低的信噪比下对LFMCW信号进行有效的检测和参数估计,其运算复杂度低,利于工程实现。仿真实验验证了所提方法的有效性。


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