CN112630739B - 一种梳状谱信号的宽带条件任意速度副本产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种梳状谱信号的宽带条件任意速度副本产生方法，属于雷达/声呐应用中的发射波形领域。设计或者指定基于HFM子脉冲的PTFM发射信号参数；计算任意指定速度下的副本信号参数；建立任意速度下的参数化PTFM副本模型；初始化首个子脉冲的数字化参数；计算首个子脉冲的数字化样本序列；计算第i个子脉冲的数字化参数；计算第i个子脉冲的数字化样本序列；将子脉冲序列串接为PTFM数字化样本序列；构造多速度通道时的PTFM离散样本矩阵。本发明公开了在宽带条件下，任意速度下的基于HFM子脉冲的PTFM发射信号副本的参数化数学模型，并且据此模型给出了任意采样率下副本的数字化样本序列产生方法。

Description

一种梳状谱信号的宽带条件任意速度副本产生方法

技术领域

本发明涉及雷达/声呐应用中的发射波形技术领域，特别涉及一种梳状谱信号的宽带条件任意速度副本产生方法。

背景技术

减震降噪技术的发展限制了被动声呐的用武之地，敷瓦消声技术的进步降低了中高频主动声呐的作用距离。大功率低频主动声呐已成为远程目标探测的首要手段，其接收波形中不仅包括目标回波还附带严重的混响干扰。声呐的抗混响性能与发射波形及目标速度有关。对常见的低速度高威胁目标，结论是梳状谱信号的抗混响性能突出。众多梳状谱信号中，调频脉冲串信号(PTFM)因恒幅度以及距离/速度分辨力易调整而具备突出应用价值。

现有PTFM由线性调频(LFM)子脉冲串接而成。LFM在窄带近似条件下易于通过频移重构副本，在宽带信号探测动目标的应用场景中，窄带近似条件被突破，基于窄带条件的重构副本与动目标回波失配，引起处理增益损失。而宽带条件下的LFM副本难以解析表达，插值并重新采样重构副本的做法计算代价高、误差大、不适于实时处理应用。因此，应重新设计宽带条件下易于解析重构的梳状谱信号。双曲线调频脉冲(HFM)在普适的宽带条件下具有速度不敏感性，易于宽带解析表达及重构，可用作PTFM子脉冲。

速度是分辨运动目标与静止干扰的主要特征信息。为探测非合作目标，需指定一组速度值重构速度敏感的梳状谱信号副本以匹配搜索目标回波。宽带条件下相对运动引发脉冲展缩，致使副本的子脉冲宽度随速度改变而通常不是采样周期的整数倍。为使脉冲展缩时通过采样实现精确数字化重构以匹配运动副本与动目标回波，应设计适用于任意速度下的PTFM副本参数模型，使得信号的幅度恒定相位连续而且各子脉冲严格同频带等脉宽以保持梳状谱信号的优异抗混响性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种梳状谱信号的宽带条件任意速度副本产生方法，以实现脉冲展缩时通过采样实现精确数字化重构以匹配运动副本与动目标回波。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种梳状谱信号的宽带条件任意速度副本产生方法，包括：

步骤1、设计或者指定基于HFM子脉冲的PTFM发射信号参数；

步骤2、计算任意指定速度下的副本信号参数；

步骤3、建立任意速度下的参数化PTFM副本模型；

步骤4、初始化首个子脉冲的数字化参数；

步骤5、计算首个子脉冲的数字化样本序列；

步骤6、计算第i个子脉冲的数字化参数；

步骤7、计算第i个子脉冲的数字化样本序列；

步骤8、将子脉冲序列串接为PTFM数字化样本序列；

步骤9、构造多速度通道时的PTFM离散样本矩阵。

可选的，所述PTFM发射信号参数包括：子脉冲数N'、子脉冲宽度T'、子脉冲起始时刻的瞬时频率f₁'、子脉冲截止时刻的瞬时频率f₂'和幅度A'。

可选的，计算任意指定速度下的副本信号参数包括：

记声速为c，指定速度为v，v＞0表示目标远离，v＜0表示目标靠近；

记时间伸缩因子k＝(c-v)/(c+v)；速度为v的副本信号参数与PTFM发射信号参数的关系如下：f₁＝kf₁'，f₂＝kf₂'，T＝T'/k，N＝N'；其中，

子脉冲数N、子脉冲宽度T、子脉冲起始时刻的瞬时频率f₁、子脉冲截止时刻的瞬时频率f₂和幅度A是副本信号参数。

可选的，建立任意速度下的参数化PTFM副本模型包括：

记模拟信号形式副本PTFM为s(t)，则参数化PTFM副本模型为：

式中s_i(t)为第i个HFM子脉冲参数模型，每个子脉冲的f₁、f₂、T、A完全相同，为第i个子脉冲的起始相位。

可选的，初始化首个子脉冲的数字化参数具体为：

每个子脉冲在数字化采样时，明确起始相位首点时刻τ₁(1)、样点数M₁、采样时刻τ₁(p)；为使首个HFM的起始点幅度为零，以便于换能器发射，令/>令首点时刻τ₁(1)为0，即：

起始相位

首点时刻τ₁(1)＝0

样点数M₁＝ceil(T×f_s)

采样时刻

f_s为采样率。

可选的，计算首个子脉冲的数字化样本序列：

将所述步骤4中的参数代入步骤3的参数化PTFM副本模型，得到离散序列S₁＝{s₁(p)}；

可选的，计算第i个子脉冲的数字化参数：

M_i＝ceil[(T-τ_i(1))×f_s],i＝2,3,...,N

可选的，计算第i个子脉冲的数字化样本序列：

将所述步骤6中的参数代入步骤3的参数化PTFM副本模型，得到离散序列行矢量S_i＝{s_i(p)}；

p＝1,2,3,...,M_i,i＝2,3,...,N

可选的，将子脉冲序列串接为PTFM数字化样本序列：

将全部子脉冲样本序列行矢量S₁ S₂...S_N，串接组合即为最终的离散样本序列行矢量S，即：

S＝[S₁ S₂...S_N]。

可选的，构造多速度通道时的PTFM离散样本矩阵：

指定多个目标速度时，对每一个目标速度按照步骤2～步骤8生成单速度通道副本数字化样本序列，按速度值顺序排列为多速度通道PTFM离散样本矩阵。

在本发明提供的梳状谱信号的宽带条件任意速度副本产生方法中，首次提出了符合宽带脉冲展缩重构需求下的梳状谱信号的副本参数模型，基于该模型的重构副本与动目标真实回波相匹配，处理增益高；本发明的PTFM属于恒幅度相位非突变信号，适用于探测远程目标；给出了严格同频带等脉宽的参数化PTFM模型，即保证了梳状谱信号的抗混响优点，又易于调整参数以适应不同应用场合对距离分辨力和速度分辨力的需求。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明提出的一种梳状谱信号的宽带条件任意速度副本产生方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例一

本发明提供了一种梳状谱信号的宽带条件任意速度副本产生方法，包括如下步骤：

步骤1、设计或者指定基于HFM子脉冲的PTFM发射信号参数；

所述PTFM发射信号参数包括：子脉冲数N'、子脉冲宽度T'、子脉冲起始时刻的瞬时频率f₁'、子脉冲截止时刻的瞬时频率f₂'和幅度A'。

步骤2、计算任意指定速度下的副本信号参数；

可以证明宽带脉冲展缩情况下，基于HFM子脉冲的PTFM发射信号的运动副本仍然是基于HFM子脉冲的PTFM信号，差别仅仅是运动副本和发射信号的参数存在差异。

记声速为c，指定速度为v，v＞0表示目标远离，v＜0表示目标靠近；

记时间伸缩因子k＝(c-v)/(c+v)；速度为v的副本信号参数与PTFM发射信号参数的关系如下：f₁＝kf₁'，f₂＝kf₂'，T＝T'/k，N＝N'；其中，

其中，子脉冲数N、子脉冲宽度T、子脉冲起始时刻的瞬时频率f₁、子脉冲截止时刻的瞬时频率f₂和幅度A是副本信号参数。

步骤3、建立任意速度下的参数化PTFM副本模型；

记模拟信号形式副本PTFM为s(t)，则参数化PTFM副本模型为：

式中s_i(t)为第i个HFM子脉冲参数模型，每个子脉冲的f₁、f₂、T、A完全相同，为第i个子脉冲的起始相位，为使脉冲间相位衔接/>可以不相同。

步骤4、初始化首个子脉冲的数字化参数；

采样率记为f_s，通常情况下T与f_s的乘积不是整数。因此，除了参数f₁、f₂、T、A之外，每个子脉冲在数字化采样时，还需要明确起始相位首点时刻τ₁(1)、样点数M₁、采样时刻τ₁(p)；为使首个HFM的起始点幅度为零，以便于换能器发射，令/>令首点时刻τ₁(1)为0，即：

起始相位

首点时刻τ₁(1)＝0

样点数M₁＝ceil(T×f_s)

采样时刻

步骤5、计算首个子脉冲的数字化样本序列；

将所述步骤4中的参数代入步骤3的参数化PTFM副本模型，得到离散序列S₁＝{s₁(p)}；

步骤6、计算第i个子脉冲的数字化参数；

M_i＝ceil[(T-τ_i(1))×f_s],i＝2,3,...,N；

步骤7、计算第i个子脉冲的数字化样本序列；

将所述步骤6中的参数代入步骤3的参数化PTFM副本模型，得到离散序列行矢量S_i＝{s_i(p)}；

p＝1,2,3,...,M_i,i＝2,3,...,N

步骤8、将子脉冲序列串接为PTFM数字化样本序列；

将全部子脉冲样本序列行矢量S₁ S₂...S_N，串接组合即为最终的离散样本序列行矢量S，即：

S＝[S₁ S₂...S_N]。

步骤9、构造多速度通道时的PTFM离散样本矩阵。

指定多个目标速度时，对每一个目标速度按照步骤2～步骤8生成单速度通道副本数字化样本序列，按速度值顺序排列为多速度通道PTFM离散样本矩阵。

本发明公开了在宽带条件下，任意速度下的基于HFM子脉冲的PTFM发射信号副本的参数化数学模型，并且据此模型给出了任意采样率下副本的数字化样本序列产生方法。与现有的梳状谱信号相比，本发明首次提出了符合宽带脉冲展缩重构需求下的梳状谱信号的副本参数模型，基于该模型的重构副本与动目标真实回波相匹配，处理增益高；而现有梳状谱信号在普适的宽带脉冲展缩需求下难以解析表达，宽带副本重构困难，窄带副本与动目标真实回波失配，处理增益低，不适于宽带信号探测动目标的应用场景。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (7)

1.一种梳状谱信号的宽带条件任意速度副本产生方法，其特征在于，包括：

步骤1、设计或者指定基于HFM子脉冲的PTFM发射信号参数；

步骤2、计算任意指定速度下的副本信号参数；

步骤3、建立任意速度下的参数化PTFM副本模型；

步骤4、初始化首个子脉冲的数字化参数；

步骤5、计算首个子脉冲的数字化样本序列；

步骤6、计算第i个子脉冲的数字化参数；

步骤7、计算第i个子脉冲的数字化样本序列；

步骤8、将子脉冲序列串接为PTFM数字化样本序列；

步骤9、构造多速度通道时的PTFM离散样本矩阵；

所述PTFM发射信号参数包括：子脉冲数N'、子脉冲宽度T'、子脉冲起始时刻的瞬时频率f₁'、子脉冲截止时刻的瞬时频率f₂'和幅度A'；

计算任意指定速度下的副本信号参数包括：

记声速为c，指定速度为v，v＞0表示目标远离，v＜0表示目标靠近；

记时间伸缩因子k＝(c-v)/(c+v)；速度为v的副本信号参数与PTFM发射信号参数的关系如下：f₁＝kf₁'，f₂＝kf₂'，T＝T'/k，N＝N'；其中，

子脉冲数N、子脉冲宽度T、子脉冲起始时刻的瞬时频率f₁、子脉冲截止时刻的瞬时频率f₂和幅度A是副本信号参数；

建立任意速度下的参数化PTFM副本模型包括：

记模拟信号形式副本PTFM为s(t)，则参数化PTFM副本模型为：

式中s_i(t)为第i个HFM子脉冲参数模型，每个子脉冲的f₁、f₂、T、A完全相同，为第i个子脉冲的起始相位。

2.如权利要求1所述的梳状谱信号的宽带条件任意速度副本产生方法，其特征在于，初始化首个子脉冲的数字化参数具体为：

每个子脉冲在数字化采样时，明确起始相位首点时刻τ₁(1)、样点数M₁、采样时刻τ₁(p)；为使首个HFM的起始点幅度为零，以便于换能器发射，令/>令首点时刻τ₁(1)为0，即：

起始相位

首点时刻τ₁(1)＝0

样点数M₁＝ceil(T×f_s)

采样时刻

f_s为采样率。

3.如权利要求2所述的梳状谱信号的宽带条件任意速度副本产生方法，其特征在于，计算首个子脉冲的数字化样本序列：

将所述步骤4中的参数代入步骤3的参数化PTFM副本模型，得到离散序列S₁＝{s₁(p)}；

4.如权利要求3所述的梳状谱信号的宽带条件任意速度副本产生方法，其特征在于，计算第i个子脉冲的数字化参数：

M_i＝ceil[(T-τ_i(1))×f_s],i＝2,3,...,N

5.如权利要求4所述的梳状谱信号的宽带条件任意速度副本产生方法，其特征在于，计算第i个子脉冲的数字化样本序列：

将所述步骤6中的参数代入步骤3的参数化PTFM副本模型，得到离散序列行矢量S_i＝{s_i(p)}；

6.如权利要求5所述的梳状谱信号的宽带条件任意速度副本产生方法，其特征在于，将子脉冲序列串接为PTFM数字化样本序列：

将全部子脉冲样本序列行矢量S₁ S₂...S_N，串接组合即为最终的离散样本序列行矢量S，即：

S＝[S₁ S₂...S_N]。

7.如权利要求6所述的梳状谱信号的宽带条件任意速度副本产生方法，其特征在于，构造多速度通道时的PTFM离散样本矩阵：

指定多个目标速度时，对每一个目标速度按照步骤2～步骤8生成单速度通道副本数字化样本序列，按速度值顺序排列为多速度通道PTFM离散样本矩阵。