CN101470202B

CN101470202B - 一种脉冲多普勒雷达系统及其信号处理方法

Info

Publication number: CN101470202B
Application number: CN2007103042699A
Authority: CN
Inventors: 许稼; 戴喜增; 彭应宁; 王永良
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2027-12-26
Also published as: CN101470202A

Abstract

本发明公开了一种基于多探测信号的脉冲多普勒雷达系统及信号处理方法，所述系统包括多部发射机，每一部发射机分别以不同的脉冲重复频率(PRF)同时发射正交脉冲探测信号，且不同探测信号间的PRF满足参差关系，机载雷达的接收系统可由一部接收机，也可由多部接收机组成。对应不同发射信号的回波被分别进行目标检测处理，得到各自的目标检测结果。本发明的脉冲多普勒雷达在单个PRF下的相干积累时间可显著延长，从而提高了目标检测性能。本发明利用不同PRF间的参差关系，将不同PRF下存在距离和多普勒模糊的检测结果进行解模糊处理，获得正确的目标距离和多普勒信息。

Description

一种脉冲多普勒雷达系统及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，更具体地说，本发明涉及一种脉冲多普勒雷达系统及其信号处理方法。

背景技术

脉冲多普勒雷达，诸如机载雷达、新型的陆基雷达和舰载雷达，具有全天时、全天候、穿透性强等优良特性，在导航、测绘、侦察、警戒以及火控等各种民用或者军事领域有着广泛的应用。然而，在脉冲多普勒雷达信号处理中存在许多技术难题，包括：在机载或舰载等运动平台上，如何有效地抑制强杂波和如何实现目标检测与参数估计。

例如，机载雷达的接收信号通常包括目标信号、杂波信号和噪声信号。一方面，由于机载雷达通常处于下视模式，地杂波分布广、强度大，尤其在城市和山区地带，杂波强度可达60-90dB；另一方面，平台运动致使杂波多普勒谱宽极大扩展，雷达目标检测能力受到严重影响。为此，机载雷达通常采用脉冲多普勒处理，通过对脉冲间回波的多普勒处理有效抑制强杂波，实现目标检测。通常，需要设计较高的机载雷达的脉冲重复频率(PRF)，以提高目标照射期间的脉冲数，从而提高目标的检测性能。但是，由于机载雷达的无模糊探测距离与PRF成反比，高重复频率往往带来了测距的模糊。另外，由于机载雷达探测的空中运动目标存在较大的径向速度，此时检测目标的多普勒信息也可能是模糊的。为此，传统的机载脉冲多普勒雷达采用参差PRF处理，也就是，人为地将整个探测时间分成若干段，在不同的时间段，顺序以不同的PRF探测目标，然后将不同时间段内检测模糊的目标距离和多普勒信息进行解模糊处理，得到无模糊的距离和多普勒信息。可见，这种传统的顺序参差PRF的方案是以牺牲单个PRF的积累时间为代价的，为了得到无模糊的距离和多普勒信息，在单个PRF中目标检测性能会严重下降。例如，在有些情形下，某些PRF中目标会出现丢点的现象，这样，会反过来导致解模糊的配对成功率和精度的下降。

总之，参差脉冲重复频率设计是脉冲多普勒雷达波形设计和信号处理的核心。传统的脉冲多普勒雷达由于采用单个发射机和单种探测波形，实现顺序PRF参差解目标距离和多普勒模糊，必然缩短了单个PRF的相参积累时间，从而影响了探测系统的目标的检测性能。

发明内容

为克服现有技术中脉冲多普勒雷达顺序PRF参差处理检测性能差的缺陷，本发明提供了一种脉冲多普勒雷达系统及其信号处理方法。

本发明的一个方面，提供了一种脉冲多普勒雷达系统，包括：

发射系统，所述发射系统包括多个发射子系统，所述每一发射子系统中的发射机同时将具有不同参差脉冲重复频率PRF的正交脉冲探测信号通过天馈系统发射到探测空间，所述各个探测信号自身保持相参；

接收系统，所述接收系统接收来自探测区域的回波信号，将对应不同探测信号的接收信号分别进行混频和A/D转换，输出到信号处理系统；

信号处理系统，所述信号处理系统分别将对应不同探测信号相参处理间隔内的一组回波信号进行目标检测处理，得到无模糊的目标距离和多普勒信息。

其中，所述发射系统中，发射机数目与脉冲多普勒雷达所需的参差脉冲重复频率PRF的数目相同；所述脉冲多普勒雷达所需的参差脉冲重复频率PRF的数目和数值根据探测距离和探测目标特性确定。

其中，所述发射系统的各个发射子系统的天馈系统可以公用，也可以分别为所述每一发射子系统配备。

其中，所述的正交探测信号在所述接收系统可以相互不干扰地恢复，所述的正交波形可以采用频分正交信号，也可以采用相位编码和频率编码的正交信号。

其中，所述接收系统可以有一部接收机，也可以有多部接收机；不同探测信号回波的获取，可以在一部接收机中完成，也可以在不同的接收机中完成。

其中，所述信号处理系统分别将所述不同正交脉冲信号对应相参处理间隔内的一组回波进行目标检测处理，得到各自的目标检测结果，并且将不同检测结果的距离和多普勒信息进行解模糊处理。

其中，所述回波信号可以采用所述多部接收机同时接收，并且通过接收机间联合处理。

其中，所述接收机将对应不同发射机的不同回波信号分别解调，其中，将所述回波信号通过一个匹配滤波器组，所述回波信号在对应自身的滤波器中有最大输出，在其余滤波器中得到最大的抑制，分离所述回波信号。

本发明的另一方面，提供了一种脉冲多普勒雷达系统的信号处理方法，包括：

步骤10)、根据探测距离和探测目标特性，确定脉冲多普勒雷达所需的参差脉冲重复频率PRF的数目和数值，确定发射机数目与PRF数目相同；确定每一个探测信号的相参处理间隔；确定对应不同参差PRF的多个正交探测信号；

步骤20)、脉冲多普勒雷达通过多个发射机和天馈系统向探测区域同时发射多探测信号；

步骤30)、脉冲多普勒雷达通过天馈系统和接收机接收来自探测区域的回波信号；脉冲多普勒雷达将对应不同探测信号的接收信号经分别混频和A/D转换后送入信号处理系统；

步骤40)、信号处理系统分别将对应不同探测信号相参处理间隔内的一组回波信号进行目标检测处理，得到各自的目标检测结果；信号处理系统将不同检测结果的距离和多普勒信息进行解模糊处理，得到无模糊的目标距离和多普勒信息。

其中，步骤10)中，所述的参差脉冲重复频率PRF的数目和数值可以通过现有的脉冲多普勒雷达的参差PRF方法确定。

其中，步骤10)中，确定所述发射机的多探测信号数目为M，则相参处理间隔平均可以延长M倍。

其中，步骤10)中，所述的正交探测信号在接收系统可以相互不干扰地恢复，所述的正交波形可以采用频分正交信号，也可以采用相位编码和频率编码的正交信号。

其中，步骤30)中，所述回波信号的获取，可以在一部接收机中完成，也可在多部不同的接收机中完成，所述多部接收机可以通过接收阵列处理来提高信号处理性能。

其中，步骤40)中，所述的目标检测处理利用步骤10)确定的所述相参处理间隔的脉冲采样进行目标检测处理。

其中，步骤40)中，所述的目标距离和多普勒信息解模糊可以利用中国余数定理对参差PRF下的距离和多普勒信息进行解模糊处理，通过查表法实现。

通过应用本发明，多个正交探测波形同时检测目标，显著增加每一个波形对应的相参积累时间，提高单个波形的目标检测性能，在保证虚警的前提下，提高了检测概率，在保证检测概率的同时，降低了虚警率；单个波形的目标检测性能提高，为后继的不同波形间的目标配对和解模糊奠定了基础，从而也提高了目标参数估计的性能。

附图说明

图1是采用顺序PRF参差的脉冲多普勒雷达工作流程图；

图2是根据本发明的实施例中的脉冲多普勒雷达系统结构示意图；

图3是基于多探测信号PRF参差的脉冲多普勒雷达工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细描述。

图1示出了现有技术中的脉冲多普勒雷达系统的信号处理流程，现有的脉冲多普勒雷达系统通过单个发射机和天馈系统向探测区域发射一种特定的探测信号，信号具有一个给定的PRF。脉冲多普勒雷达系统通过天馈系统和接收机接收由探测区域的回波信号，所述的回波信号包括目标、杂波信号以及系统噪声。脉冲多普勒雷达将对应不同探测信号的接收信号经分别混频和A/D转换后送入信号处理系统。信号处理系统分别将对应不同探测信号的对应相参处理间隔内的一组回波进行目标检测处理，得到目标检测结果。脉冲多普勒雷达发射下一种PRF的正交探测信号，并按照上述发射接收步骤执行。当脉冲多普勒雷达完成M种信号的发射接收以后，信号处理系统将不同检测结果的距离和多普勒信息进行解模糊处理，得到最终无模糊的目标距离和多普勒信息。

显然，传统采用顺序PRF参差模式的脉冲多普勒雷达，需要在完成M个相参处理间隔后，才能得到最终无模糊的目标距离和多普勒信息。因此，现有的脉冲多普勒雷达系统将原来可以积累的相参处理间隔人为地分为M份，用来完成每一个波形对应的信号处理。因此，现有的顺序PRF参差机载脉冲多普勒雷达的相参处理时间有限，检测目标的性能也受到限制。

图2示出根据本发明的一个实施例中的脉冲多普勒雷达系统结构示意图，所述脉冲多普勒雷达系统包括发射系统、接收系统、信号处理系统和终端显示系统。如上所述，现有的脉冲多普勒雷达系统的发射系统通常由一部发射机和天馈系统组成，而在本实施例中的发射系统由多个发射子系统组成(设为M个)，各个发射子系统的天馈系统部分可以公用，也可以分别配备，在本实施例中，天馈系统分别配备。每一部发射机将特定的正交脉冲波形，按照参差PRF的需求的某一特定PRF调制到射频载波上，通过天馈系统发射到探测空间中。

发射信号经探测区域中的目标及地物反射后，其后向散射信号被脉冲多普勒雷达系统的天馈系统接收，进入接收系统，通过接收机将射频信号混频后得到中频信号，该中频信号再经过多级的混频后变换到适合采集的信号，然后送到后继的信号处理系统中，本实施例中的接收机需要将对应不同发射机的不同正交信号分别解调。

信号处理系统的A/D转换器将模拟的接收信号变换为数字信号，进而由多块DSP数字信号处理板进行处理，实现目标检测、参数估计、成像识别等多种功能，本实施例中的信号处理系统区别于现有的脉冲多普勒雷达系统，需要对不同的正交信号分别进行相应的信号处理。终端显示系统通过二次处理(数据处理)、多种形式显示器、人机接口等动态、交互、直观地将处理结果显示出来。

本实施例中的脉冲多普勒雷达系统的信号处理方法如图3所示。

根据脉冲多普勒雷达覆盖区域的探测距离和目标反射截面积(RCS)，确定和设计脉冲多普勒雷达参差脉冲重复频率(PRF)的数目M和具体数值，所述的参差PRF的数目和具体数值可由现有技术中常规的机载PD雷达的参差PRF确定方法获得，进而设定本实施例的所述脉冲多普勒雷达系统的发射机数目，使其等于已确定PRF的数目M。

根据多脉冲相参积累的雷达方程确定每一个探测信号的相参处理间隔，与传统机载脉冲多普勒雷达系统相比，本实施例中的雷达作用距离可有M倍的增加，所述的相参处理间隔，比现有采用顺序参差PRF机载雷达的相参处理间隔显著延长。例如，如果设多探测信号数目为M，则相参处理间隔平均可延长M倍。

设计对应不同参差PRF的多个正交探测信号，正交探测信号可以采用频分正交波形，也可以采用相位编码或频率编码的正交波形，所述正交波形需要满足不同探测信号在信号处理端可不相互干扰地实现后续处理的要求。

脉冲多普勒雷达系统通过多个发射机和天馈系统向探测区域同时发射多个探测信号，各个探测信号自身保持相参发射，探测信号之间的相参无要求。

脉冲多普勒雷达通过天馈系统和接收系统接收由探测区域反馈的回波信号，所述的回波信号包括目标、杂波信号及系统噪声。本实施例中的接收系统可有一部接收机，也可有多部接收机；所述的不同探测信号回波的获取，可以在一部接收机中完成，也可在不同的接收机中完成；其中，单部接收机可以完成传统脉冲多普勒雷达系统的信号处理。采用多部接收机同时接收，可以通过接收机间的联合处理进一步改善脉冲多普勒雷达的空域处理性能。多部接收机与单部接收机相比，在完成接收机间的空域处理后的信号处理过程与单部接收机相同。

脉冲多普勒雷达系统将对应不同探测信号的接收信号经分别混频和A/D转换后送入信号处理系统；其中，不同信号的分离是将接收信号通过一个匹配滤波器组来实现的。由于信号之间的正交性，不同信号会在对应自身的滤波器中有最大输出，在其余滤波器中得到最大的抑制，从而实现了正交信号的分离。

信号处理系统分别将不同探测信号(不同的PRF)对应相参处理间隔内的一组回波进行目标检测处理，得到各自的目标检测结果；对应一种探测信号的目标检测过程与现有的机载PD雷达信号处理过程相同。所述目标检测处理，利用对应前述确定的相干积累间隔的脉冲采样进行目标检测，所述的目标检测处理的具体方法主要包括杂波抑制和恒虚警(Constantfalse alarm ratio，CFAR)门限处理两部分，根据机载雷达体制的不同，对常规单通道体制机载雷达可采用常规的PD处理的杂波抑制方法，对于多通道体制机载雷达可采用空时二维自适应(SpaCe-time adaptiveprocessing：STAP)和偏置相位中心天线(Displaced phase center antenna：DPCA)处理；对于CFAR处理，采用机载雷达广泛采用的单元平均的CFAR处理，也可采用其他的CFAR处理方法。

信号处理系统将不同检测结果的距离和多普勒信息进行解模糊处理，得到最终无模糊的目标距离和多普勒信息。利用不同探测信号处理结果进行解模糊处理过程与现有的机载PD雷达信号处理过程相同。所述的目标距离和多普勒信息解模糊方法，主要是利用中国余数定理(Chineseremainder theory：CRT)对于参差PRF下的距离和多普勒信息进行解模糊处理，具体的实现可通过查表法实现。

本发明提供的脉冲多普勒雷达系统和信号处理方法针对采用脉组参差的脉冲多普勒雷达，与具体的雷达平台无关，可以是机载、星载、舰载和陆基雷达。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，并且在应用上可以延伸到其他的修改、变化、应用和实施例，同时认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和范围内。

Claims

1.一种脉冲多普勒雷达系统，包括：

发射系统，所述发射系统包括多个发射子系统，所述每一发射子系统中的发射机同时将具有不同参差脉冲重复频率PRF的正交脉冲探测信号通过天馈系统发射到探测空间，所述各个正交脉冲探测信号自身保持相参；

接收系统，所述接收系统接收来自探测区域的回波信号，将对应不同正交脉冲探测信号的回波信号分别进行混频和A/D转换，输出到信号处理系统；

信号处理系统，所述信号处理系统分别将对应不同正交脉冲探测信号相参处理间隔内的一组回波信号进行目标检测处理，得到各自的目标检测结果，并且将不同检测结果的距离和多普勒信息进行解模糊处理，得到无模糊的目标距离和多普勒信息。

2.权利要求1的系统，其中，所述发射系统中，发射机数目与脉冲多普勒雷达所需的参差脉冲重复频率PRF的数目相同；所述脉冲多普勒雷达所需的参差脉冲重复频率PRF的数目根据探测距离和探测目标特性确定。

3.权利要求1的系统，其中，所述发射系统的各个发射子系统的天馈系统是公用或分别为所述每一发射子系统配备。

4.权利要求1的系统，其中，所述的正交脉冲探测信号在所述接收系统相互不干扰地恢复，所述的正交脉冲探测信号采用频分正交信号、相位编码正交信号或频率编码正交信号。

5.权利要求1的系统，其中，所述接收系统有一部接收机或多部接收机；不同正交脉冲探测信号回波的获取，在一部接收机中完成或在不同的接收机中完成。

6.权利要求5的系统，其中，所述回波信号采用所述多部接收机同时接收，并且通过接收机间联合处理。

7.权利要求5的系统，其中，所述一部接收机将对应不同发射机的不同回波信号分别解调，其中，将所述回波信号通过一个匹配滤波器组，所述回波信号在对应自身的滤波器中有最大输出，在其余滤波器中得到最大的抑制，分离所述回波信号。

8.一种脉冲多普勒雷达系统的信号处理方法，包括：

步骤10)、根据探测距离和探测目标特性，确定脉冲多普勒雷达所需的参差脉冲重复频率PRF的数目，确定发射机数目与参差脉冲重复频率PRF数目相同；确定每一个正交脉冲探测信号的相参处理间隔；确定对应不同参差脉冲重复频率PRF的多个正交脉冲探测信号；

步骤20)、脉冲多普勒雷达通过多个发射机和天馈系统向探测区域同时发射多个正交脉冲探测信号；

步骤30)、脉冲多普勒雷达通过天馈系统和接收机接收来自探测区域的回波信号；脉冲多普勒雷达将对应不同正交脉冲探测信号的回波信号分别经混频和A/D转换后送入信号处理系统；

步骤40)、信号处理系统分别将对应不同正交脉冲探测信号相参处理间隔内的一组回波信号进行目标检测处理，得到各自的目标检测结果；信号处理系统将不同检测结果的距离和多普勒信息进行解模糊处理，得到无模糊的目标距离和多普勒信息。

9.权利要求8的方法，其中，步骤10)中，所述的参差脉冲重复频率PRF的数目通过现有的脉冲多普勒雷达的参差脉冲重复频率PRF确定方法来确定。

10.权利要求8的方法，其中，步骤10)中，确定所述发射机的多个正交脉冲探测信号的数目为M，则相参处理间隔平均延长M倍。

11.权利要求8的方法，其中，步骤10)中，所述的正交脉冲探测信号在接收系统相互不干扰地恢复，所述的正交脉冲探测信号采用频分正交信号、相位编码正交信号或频率编码正交信号。

12.根据权利要求8的方法，其中，步骤30)中，所述回波信号的获取，在一部接收机中完成，或在多部不同的接收机中完成，所述多部接收机通过接收阵列处理来提高信号处理性能。

13.根据权利要求8的方法，其中，步骤40)中，所述的目标检测处理利用步骤10)确定的所述相参处理间隔的脉冲采样进行目标检测处理。

14.根据权利要求8的方法，其中，步骤40)中，所述的目标距离和多普勒信息解模糊利用中国余数定理对参差脉冲重复频率PRF下的距离和多普勒信息进行解模糊处理，通过查表法实现。

15.权利要求13的方法，进一步包括：对常规单通道体制脉冲多普勒雷达采用脉冲多普勒处理的杂波抑制方法；对多通道体制脉冲多普勒雷达采用空时二维自适应或偏置相位中心天线处理；对恒虚警的处理，采用脉冲多普勒雷达的单元平均的恒虚警处理，或采用其他的恒虚警处理方法。