Keystone变换实现方法研究

Key
stone变换实现方法研究 宁 娜,郝凤玉
(中国空空导弹研究院,河南 洛阳  471009
) 摘 要:在传统 PD 雷达中,当相干积累时间较长或信号带宽很大,目标运动速度 很 高 时,回波会出现越距离单元走动, 从而影响雷达探测目标的性能。Keystone变换是校正脉冲回波距离走动的常用方法。 在此研究了 Keystone变换的3
种 常 用实现方法,通过仿真分析验证了算法的有效性,出了低复杂度算法,对工程实现具有一定的参考意义。
关键词:PD 雷达;越距离单元走动;Keystone变换;运算量 中图分类号:TN95-3
文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2011)24-0133-04
Implementation MethodsofKey
stoneTransform NING Na,HAO Feng-y
u (ChinaAirborne MissileAcademy,Luoyang4
71009,China) Abstract:InconventionalPDradar,whenthecoherentaccumulationtimeislong,orwhensignalbandwidethiswideandthetar- getvelocityishigh,theechomayoccurthemigrationthroughresolutioncell.Inthiscase,thepropertyofradartodetecttargetsmay beaffected.Keystonetransformisthecommonmethodtocorrectthemigrationthroughresolutioncell.Threehabituallyusedmethods toimp
lementKeystonetransformarestudied.Thealgorithm'svalidityisconfirmedbysimulationanalysis.Thealgorithm withlow complexitywasfound.Ithasacertainconferecesignificancetotheengineeringimp
lementation. Keywords:PDradar;migrationthroughresolutioncell;Keystonetransform;calculationquantity
这个变换使f-tm  平面上的矩形支撑域在f-
τm  平面 上变成一个倒梯形,如图1 所示。 因为这种倒梯形和所 谓 Keystone(即楔石形)形 状 相 似,Keystone 变 换 因 此 得名。 可见,Keystone变换实际上是一种对tm  轴的伸 缩变换,伸缩幅度与频率有关,高频拉伸幅度较大。
引 言
0 根据 传 统 PD 雷 达 的 设 计 原 则,在 相 参 积 累 时 间 内,目标的距离走动不能超过半个距离
分辨单元。 当相 干积累时间 较 长 或 信 号 带 宽 很 大,目 标 运 动 速 度 很 高 时,这一要求往往不能得到满足。 因此,脉冲回波出现 越距离单元走动,是影响雷达探测性能的主要因素。 宽
带雷达常采用 Keystone变换校正越距离单元走动[1-3]
, 近年 来 已 有 不 少 学 者 研 究 了 将 Keystone 变 换 应 用 于 PD 雷达长时间相干积累时,
脉冲回波的越距离单元走 动的校正[4-7]
。 本 文 在 详 细 分 析 Keystone 变 换 原 理 的 基础上,给出了三种具体算法,通过对这三种算法的仿
真分析,出了低复杂度变换算法。
图1  Keystone变换效果图
eystone变换原理
小哥小
PD 雷达的回波支撑域是一个二维平面,
平面的坐 标轴分别是快 时 间 (即 脉 内 时 间)和 慢 时 间 (即 脉 间 时
间)。 在快时域进行傅立叶变换,将回波变换到平面,所 谓 Key
stone变换,就是进行变量代换,即: tm  = fc/(fc +f)=τm
Key
stone变换三种实现算法 1 2 2.1  DFT+IFFT 算法
设虚拟慢时间τm  离散采样的顺序以 m′ 表示,并设 其采样的总数也为 M ,与τm  相对应的虚拟离散多普勒 域采样点 的 顺 序 以k′ 表 示,其 总 数 为 K′(K′ = K =
M)。可见,m′与m ,以及k′与k 虽然同样以整数值表示,
但它们的尺度是不同的,且在不同的l(即不同的f)有
不同的尺度关系。
收稿日期:2011-07-26
现代电子技术
2011 年第34
卷 1
34 从S(l,m)得到S(l,m′)的过程,就是 Keystone变 换的过程,需要两步来完成,如下所示:
S(l,m)→ S(l,k′)→ S(
l,m′) 半径长度;θ0  为起始抽样点z0  的相角;
W0  为螺线的伸 展率,W0  = 1 表示是半径为 A0 的一段圆弧;φ
0  为两相 邻抽样点之间的角度差;若有 A0 = 1
,则这段圆弧是单 位圆的一部分。
DFT
IDFT
2π
当 M = N,A = A0ejθ0  =1,W = W0e-jφ0  =e-jN  (即 式中k′为 m′相对应的离散多普勒域。
值得指出的是: 前一个变换的时、频域之间具有不同的尺度,所以傅里 叶变换不能用 FFT,只能用 DFT 的定义对各个k′的值 逐个进行计算;后一个傅里叶变换可以采用 FFT,
即:
M/2-1
W0 =1,φ0 =2
π/N)这一特殊情况时,各zk 就均匀等间 隔地分布在单位圆上,这即是求序列的 DFT。此时,如
果是取A0 =1,θ0 为任意值,
则所求的DFT 是一段任意 频率范围的频谱,也就是单位圆上某一段的频谱。这与 直接计算 DFT 求整个频率范围的频谱是不一样的,即 使调整 N 的大小,例如增加 N,也只是增加了一段频率 范围的计算量而已。
2π(
1+ηl) S(l,k′)= DFT[S(l,m)
]= ∑
S(l,m)e-j k′m M m=-M/2
(1
) 将z z
k 代入 变换的表达式,得到: M/2-1
2π S(l,m′)=IDFT[S(l,k′)
]=
=I
FFT[S(l,k′)]
式中设 M 为偶数。 2.2  SINC 内插算法
S(l,k′)ejMk′m′ k
X(zk)= ∑x(n)(AW -k)-n
祝健= W 2 ∑g(
n)h(k-n)
k′=-M/2
(2
) n
k2
g(
)*h( ), , , ,… , = W k k k = 0 1 2 M -1 (5
) 式中“*”
表示卷积符号。 Keystone变换后的 采 样 点 示 意 图 如 图 2 所
示 (变 换后的数据“·”和重新插值后的数据“
·”。 n
2 g(n)= x(n)A-n
W 2
, n = 0,1,… ,N -1 (6) (7
) n2
h(n)= W
- 2
运算量分析
设快 时 间 距 离 频 率 域 采 样 点 数 为 N,雷 达 在 一 个 CPI内发射的脉冲数为 M 。 根据以上介绍,3 种实现方 法的运算量如下:
DFT+IFFT 算法,
需要复数乘法次数: 2.4 1 N × M  + N × ( 2
Mlog2 M)
图2 (f-τm )平面的插值变换示意图
图2 为 (f-τm )平面,这 里原来的信号采 样 点 变 成 梯形格式,信号采样点仍用“·”表示。为了能采用 FFT 快速处理,需要将 f-τm  平面的采样点插值成为矩形格 式,如图2 中的“·”所示。
CZT 算法,
需要复数乘法次数: N × (L +2M + 3 1 ) Llog2 L + log2 M
2 2
SINC 内插算法,
需要复数乘法次数:
M2 × N
式中L 的取值需满足L ≥2M -1,且L 为2的整数幂。 可见,当 N 及 M 取值较大时,DFT+IFFT 方法的
运算量 很 大,SINC 内 插 方 法 次 之,但 实 现 起 来 均 较 困 难,只有 CZT 方法,运算量最小,使实时处理的运算速 度大大增加。 C
hirp-z变换算法 Chirp-
z变换基本 原 理 是 采 用 螺 线 抽 样,求 取 各 采 样点的z 变换,以此作为各个采样点的 DFT 值。
设有限长序列x(n),0≤n≤N-1,
其z 变换为:
N-1
2.3 X(z)= ∑x(n)z-n
(3
) n=0
为了适应z 可以沿z 平面更一般的路径取值,故沿
z 平面上的一段螺线做等分角的抽样,
记抽样点为: 仿真结果
3 zk  = AW -k
, k = 0,1,2,… ,M -1
(4
) 这里将通过仿真证明 Keystone变换3 种实现方法 的有效性。 为了说明问题,考虑对窄带雷达长时间相干 积累引起的回波越距离单元走动的校正情况。
式中:M 为所要分析的复频谱的点数,
不一定等于 N。 记A =A0ejθ0 ,W = W0e-jφ0 ;A0 为起始抽样点z0 的矢量
宁娜等:Keystone变换实现方法研究
第24期135
表1仿真参数采用SINC内插算法实现Keystone变换
图7是采用SINC内插算法实现Keystone变换后
一个CPI内脉冲回波距离走动情况。可见脉冲回波能被
校正到相同的距离分辨单元。图8为校正后,1024个脉
邮礼网冲回波进行相干积累的结果。同样发现这时相干积累的
性能明显好于未进行Keystone变换的情况。
3.3
载频/GHz
脉冲时宽/μs
调频信号带宽/MHz
脉冲重复周期/ms
脉冲数/个
目标相对雷达初始距离/km
目标相对雷达速度/(m/s)
10西陵网校
20
10
0.2
1024建设项目环境保护管理条例
10
-400
未进行Keystone变换的情况
图3为未进行Keystone变换时一个CPI内脉冲回
波距离走动情况。由图可见,脉冲回波跨越了大约5个
距离分辨单元,距离走动是比较明显的。图4为
1024个脉冲回波进行相干积累的结果,可看出这时相
干积累的性能很差。
3.1
图61024个脉冲相干积累结果(二)
图3一个CPI内的距离走动情况(一)
图7一个CPI内的距离走动情况(三)
图41024个脉冲相干积累结果(一)
采用DFT+IFFT算法实现Keystone变换
图5为采用DFT+IFFT实现Keystone变换后
图81024个脉冲相干积累结果(三)
采用Chirp-z算法实现Keystone变换后的情况
图9为采用Chirp-z算法实现Keystone变换后,一个3.2
3.4
一个CPI内脉冲回波距离走动情况。可见,脉冲回波被
校正到相同的距离分辨单元。图6为校正后,1024个
脉冲回波进行相干积累的结果,由于回波处于同一个距
离分辨单元,可以看出这时相干积累后幅度明显增加,
积累的性能明显好于未进行Keystone变换的情况。
CPI内脉冲回波距离走动情况。可见脉冲回波能被校正
到相同的距离分辨单元。图10为校正后1024个脉冲回
波进行相干积累的结果。可以看出,这时相干积累的性
能大大提高,明显好于未进行Keystone变换的情况。
结语
影响PD雷达检测性能的主要因素是脉冲回波出
现的越距离单元走动现象,通过Keystone变换可以很
好地对回波进行距离单元走动的补偿,使脉冲回波几乎
位于相同的距离分辨单元,从而大大提高了PD雷达的
应用范围和探测性能。本文分别给出了Keystone变换
的3种具体实现方法,计算机仿真结果验证了算法的有图5一个CPI内的距离走动情况(二)
现代电子技术
2011 年第34
卷 1
36 效性。 通过对这3 种算法的运算量比较,当用于相干积 累的脉冲数较多时,Chirp-z变换算法运算量小,复杂度 低,对工程应用具有一定的参考意义。
[J].系统工程与电子技术,2002,24(11):1-4.
[2] 侯庆禹,刘宏伟,保铮.基于 Key
stone变换的宽带目标识别雷 达杂波抑制[J].系统工程与电子技术,2009,31(1):49-53. [3]PERRY RP,DIPIETRO RC,FANTERL.SARimagingo
f movingtarget [J].IEEE Trans on AES,1999,35 (1): 188-
200. [4]LIY,ZENG T,LONG T,etal.Rangemigrationcompensa-
tionand Dopplerambiguityresolution by Keystonetransform [C]// Proceedings of International Conference on Radar. Shanghai,China:[s.n.],2006:1-
4. [5] 张顺生,曾涛.基于 Keystone 变换的微弱目标检 测[J].电 子 学报,2005,33(9):1675-
1678. [6]ZHANGShun-sheng,ZENG Tao,Teng Long,etal.Dimtar- g
etdetectionbasedonKeystonetransform [C]//Proceedingsof IEEERadarConference.[S.l.]:IEEE,2005:889-894. [7]YUANSi-jie,WUTao,MAO Mao,etal.App
licationresearch ofKeystonetransformin weak high-speedtargetdetectionin low-PRFnarrowbandchirpradar [C]// Procee-ding
sofICSP 20089thInternationalConferenceonSignalProcessing.Beijing,
China:ICSP,2008:2452-2456. [8] 保铮,刑孟道,王彤.雷达成像技术[M].北京:电子工业出版 社,2005. [9] 刘晓龙,王 彤.Key
stone变换在地面运动目标检测中 的 应 用 [J].电子科技,2008(10):24-
26. 图9  一个 CPI内的距离走动情况(
四) 图10  1024
个脉冲相干积累结果(四) 参  考  文  献
[1] 盛蔚,毛士艺.基于 Keystone变换的地面运动目标检测研究
作者简介:宁  娜 女,1984年出生,
河南安阳人,硕士,工程师。研究方向为雷达信号处理。 郝凤玉  男,1981年出生,
吉林长春人,硕士,工程师。研究方向为雷达信号处理。 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶
(上接第132页)
基本的 Camshift算法的基础上多次循环计算搜索窗口,
使跟踪的目标区域更接近目标模板。通过实验证明了在 目标发生变形和多个目 标 存 在 的 情 况 下,多 次 迭 代 的 Camshift算法取得了良好的跟踪效果。同时也可说明该 算法适用于运动过程复杂、不规则的目标跟踪。
[5] COMANICIU D,RAMESH V, MEER P.Kernel-based
objecttracking [J].IEEE Trans.onPattern Analysis Ma-
chineIntell.,2003,25 (5):564-
575. [6]CHEN Xi,WU Qing-song,XIELi,etal.Humanstracking
in the complicated background by  multi-cue integration [C]// Proceedings of2010 2nd International Asia Con-
ferenceonInformaticsin Control,Automationand Robot- ics.Wuhan,China:IAC,2010:36-
39. [7] 张宏志,张金 换,岳 卉.基 于 Camshift的目标跟踪算法 [J].
计算机工程与设计,2006,27(11):2012-2014. [8]STOLKINR,FLORESCUI,BARON M,etal.Efficientvisu- a
lservoingwiththe ABCshifttrackingalgorithm [C]//pro- c
eedingsof2008IEEEInternationalConferenceonRoboticsand Automation.Pasadena,CA,USA:IEEE,2008:3219-3224. [9]HUANG Han,LU Meng-ping,WANG Hong-yang,
etal. Aplane-geometrymodelforautomaticdetectionofvisualve- hicleincident[C]//Proceeding
sof2009InternationalCon- ferenceonTestand Measurement.Guangzhou,China:IC- TM,2009:350-
353. 参  考  文  献
[1]GASTALDO P,ZUNINO R.Hausdorffdistancefortargetde-
tection [C]//Proc.ofIEEE2002Int.Symp
osiumonCircuits andSystems.Scottsdale,USA:ISCAS,2002:661-664. [2] HE Kun, WANG Guo-yin,YANG Yong.Opticalflow- b
asedfacialfeaturetrackingusingpriormeasurement[C]// Proc.of7thIEEE Int.Conf.on CognitiveInformatics. [S.l.]:ICCI,2008:324-331. [3] 赵保军,李栋.对复杂边 缘 检 测 的 Snake改 进 算 法[J].
北 京 理工大学学报,2004,24(2):162-165. [4] 吴晓娟,翟海亭,王磊,等.一种改进的 Camshift手势跟踪算
法[J].山东大学学报,2004,34(6):120-
124. 作者简介:孙晓晓  女,1987
年出生,河南安阳人,硕士研究生。 主要研究方向为现代控制理论及应用。 贾秋玲 女,1966
年出生,河南长葛人,博士,副教授。 主要研究领域为控制理论、导航、制导与控制。
>马鞍山号

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