CN102305926A - 一种混沌雷达信号源及混沌雷达信号同步系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混沌雷达信号源，包括调频模块、定时器、变换器和寄存器，调频模块产生的调频信号一方面进行输出，另一方面经定时器定时采样后送入变换器，将该采样信号进行多项式变换后送入寄存器，所述寄存器的输出端连接调频模块的输入端。此种信号源产生的混沌信号具有宽频带，峰均功率比低以及脉冲压缩性能好等特点，可以通过两个系统同步的方式来完成发射信号的延时重构，在雷达应用领域中有广阔的应用前景。本发明还公开一种混沌雷达信号的产生方法以及一种混沌雷达信号同步系统。

Description

一种混沌雷达信号源及混沌雷达信号同步系统

技术领域

本发明属于通信及雷达应用领域，特别涉及一种可产生混沌信号的信号源结构。

背景技术

由于混沌信号的类随机性以及混沌系统对初值的极端敏感性，使得混沌信号具有极强的保密性，难以被破译复制，被识别率极低，使得其在通信和雷达中的应用研究越来越多。混沌的雷达应用是混沌应用在信息工程领域的一个重要方面，尽管混沌的雷达应用研究比其在通信中的应用研究要晚，但是发展很快。

通常将混沌信号雷达归结为随机(噪声)信号雷达体系，随机信号雷达具有图钉型的模糊函数，它具有非常高的距离、速度分辨率和测量精度、极强的抗干扰能力、极低的截获概率、良好的电磁兼容能力和高精度的目标检测性能，可以解决远距离的高速目标测量，解决多普勒敏感困难等问题，它的许多优良性能是其它雷达无法比拟的。

混沌信号本质上的确定性，使信号的产生系统更加简单，统计特性及轨迹的控制更加容易；混沌信号的非周期性，决定了基于混沌的雷达系统不会有距离模糊的现象，并且混沌信号有很好的自相关函数和“图钉型”的模糊函数，是一种理想的雷达信号，混沌在噪声雷达、连续波雷达和脉冲压缩体制雷达中有着广泛的应用前景。现对国内外混沌在雷达中的应用及混沌雷达信号波形的设计简述如下：

在国内，我国学者黄香馥等研究了Tent一维函数迭代型混沌序列产生混沌雷达波形的方法，从理论上推导了混沌连续雷达波形和截断混沌序列调制的单载频矩形脉冲雷达波形的模糊特性。

目前，混沌在雷达中的应用主要体现在以下几个方面：一个方面是利用杂波具有分形特征而具有光滑表面的物体，如坦克、飞机等的目标回波没有分形特征的差别，根据6-P算法识别目标；二是根据杂波特性对其进行动力学建模，这个方向以Leung和Haykin为代表，他们提出了海杂波的混沌模型，并成功地应用神经网络等技术提取出淹没在海杂波中的小目标；三是根据混沌信号具有频谱很宽的类噪声特性设计混沌雷达信号，设计出来的雷达信号不仅模糊函数逼近理想的图钉型，具有高距离分辨率和速度分辨率，而且有很好的低截获率(LPI)特性，具有广阔的应用前景。

相关学者从自相关函数、功率谱和模糊函数三个方面分析了连续混沌调频信号常规的雷达测量性能，并研究了连续混沌调频雷达的抗干扰性能。研究并分析了两种连续混沌调频信号的波形设计方法，分别是动力学设计和认知波形设计。

Leung和Haykin等证实了海杂波的混沌性态，建立了一种新的海杂波模型，并由此研究了基于混沌建模的目标检测方法。

有关雷达波形的混沌设计研究更为深入与广泛，如Hara等人将混沌信号用于汽车防撞雷达中，Bauer提出了基于混沌信号的连续波测距雷达，Lin等人提出的激光混沌雷达，Venkatasubramnian提出了混沌幅度调制信号并用于穿墙雷达成像。这些混沌雷达波形都具有比较理想的模糊函数，理论上具有较好的距离和测速精度。

混沌信号是一种典型的宽带信号，具有宽带连续谱，图钉型模糊函数，复杂的信号形式，简单廉价的产生方式，在保密通信和雷达领域日益得到重视。与其他宽带信号类似，在混沌信号的许多实际工程应用中往往需要对信号进行时延和变换，例如雷达或通信接收机为进行信号的相关累积，需要对超宽带信号进行时延，系统存在相对运动时甚至需要对信号作时间尺度变换；相控阵雷达为实现宽带宽角扫描，必须采用真实时间延迟线。而为了实现对宽带信号的时延或处理，信号的采样和重构是一个关键的问题。

目前流行的认知雷达研究领域，本发明人参与发表的《连续混沌调频信号的动力学设计与分析》(见2010物理学报，蒋飞、刘中、胡文、包伯成著)一文中，曾提出可通过设计调频信号，控制输出信号的频谱；然而无法从调频信号获知输出信号的相位信息，此方法产生的输出信号也面临宽带信号的时延问题，有待改进。

以上对混沌信号应用于雷达的现状进行了详细的说明，本发明人即是基于混沌信号的发展趋势，研制出一种可产生用于雷达应用领域的混沌信号源。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种混沌雷达信号源、混沌雷达信号的产生方法以及混沌雷达信号同步系统，其产生的混沌信号具有可控的宽频带，峰均功率比低以及脉冲压缩性能好等特点，容易通过两个系统同步的方式来完成发射信号的延时重构，在雷达应用领域中有广阔的应用前景。

本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：

一种混沌雷达信号源，包括调频模块、定时器、变换器和寄存器，调频模块产生的调频信号一方面进行输出，另一方面经定时器定时采样后送入变换器，将该采样信号进行多项式变换后送入寄存器，所述寄存器的输出端连接调频模块的输入端。

一种混沌雷达信号的产生方法，包括如下步骤：

(1)对输出的调频信号x(t)进行定时采样，得到采样信号x(t₀+Δt)；

(2)对前述步骤中的采样信号进行多项式变换，所述多项式的表达式为

其中m为正整数，a_i为实数；

(3)对前述变换后的信号进行保持，得到前述调频信号x(t)的调频码，对该调频信号进行控制，输出得到所需的混沌信号。

一种混沌雷达信号同步系统，包括信号源和自适应模块，其中，信号源包括第一调频模块、第一定时器、第一变换器和第一寄存器，第一调频模块的输出端经由第一定时器连接第一变换器的输入端，而第一变换器的输出端经由第一寄存器连接第一调频模块的输入端；自适应模块包括第二调频模块、第二定时器、第二变换器、第二寄存器和控制器，第二调频模块的输出端经由第二定时器连接控制器的一个输入端，控制器的另一输入端连接第一定时器的输出端，而控制器的输出端连接第二变换器的输入端，该第二变换器的输出端经由第二寄存器连接第二调频模块的输入端。

采用上述方案后，本发明在锁相环结构的基础上，利用其框架模型设计出一类可产生混沌信号的自调频系统，具有以下特点：

(1)采用调频模块产生调频信号，峰-均功率比低，与一般的混沌信号相比，信号平均发射功率大；

(2)闭环思路的结构设计可确保本发明的输出信号为混沌信号，抗干扰性强，被截获概率小，信号安全性高；

(3)本发明的参数易于控制，闭环结构保证输出信号的频谱和相位信息，从而容易由调频码得到准确的同步信号，在混沌通信领域有着广泛的应用前景和重要的应用价值；

(4)另外，本发明所提供的信号源还可通过设置不同的参数，实现输出波形在混沌状态、双周期状态或单周期状态，具有频谱可控性，扩大应用范围。

附图说明

图1是本发明信号源的整体架构图；

图2是本发明在混沌状态的输出波形图；

图3是本发明在双周期状态的输出波形图；

图4是本发明在单周期状态的输出波形图；

图5是本发明同步系统的结构框图；

图6(a)是本发明同步系统中信号源和自适应模块的变量示意图；

图6(b)是本发明同步系统中信号源和自适应模块的同步误差示意图；

图7是本发明中信号源和自适应模块的输出信号时域波形示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种混沌雷达信号源，包括调频模块、定时器、变换器和寄存器，所述调频模块的输出端一方面输出调频信号，另一方面经由定时器连接变换器的输入端，而变换器的输出端则经由寄存器连接调频模块的输入端，其中，调频模块可采用VCO(Voltage-controlled oscillator，压控振荡器)或其它类似功能的电调频模块和激光调频器件。

本发明还提供一种基于上述混沌雷达信号源的信号产生方法，包括如下步骤：

(1)在初始状态，调频模块产生调频信号x(t)，该调频信号x(t)经定时器以时间间隔Δt采样，得到采样信号x(t₀+Δt)；

(2)步骤(1)中的采样信号x(t₀+Δt)送入变换器，对其进行多项式变换，所述多项式的表达式为

其中m为正整数，a_i为实数；

(3)前述变换后的信号经过寄存器，进行保持后得到前述调频信号x(t)的调频码，其送入调频模块的输入端，对调频信号x(t)的信号输出频率进行控制，输出得到所需的混沌信号。

在本实施例中，调频模块具体是采用DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器)频率合成技术产生调频信号，此处可以采用专用DDS芯片，也可以采用一些可编程数字器件来实现，本实施例中是采用的是数字平台FPGA。

图2、3、4分别是本发明在混沌状态、双周期状态、单周期状态的输出波形对比图。

如图5所示，本发明还提供一种基于前述混沌雷达信号源的同步系统，包括信号源与自适应模块，其中，信号源包括第一调频模块、第一定时器、第一变换器和第一寄存器，第一调频模块的输出端经由第一定时器连接第一变换器的输入端，而第一变换器的输出端经由第一寄存器连接第一调频模块的输入端，此结构也即前述混沌雷达信号源的结构，其工作过程在前文已有详述，在此不再赘述；自适应模块包括第二调频模块、第二定时器、第二变换器、第二寄存器和控制器，第二调频模块的输出端经由第二定时器连接控制器的一个输入端，而控制器的另一个输入端连接第一定时器的输出端，所述控制器的输出端连接第二变换器的输入端，该第二变换器的输出端经由第二寄存器连接第二调频模块的输入端。

工作时，配合图5所示，信号源产生混沌信号，而自适应模块采集信号源中的采样信号，作为第二定时器的初始采样信号，控制器以最小化第二定时器与第一定时器的输出误差为准则产生控制信号，再进行保持，作为第二调频模块的调频码。

下面将对本发明所提供的同步系统进行工作分析。

首先，对信号源而言，可以由如下方程描述

$w_{n+1}=f\left(x_n\right)={\mathrm{ax}}_n^2+{\mathrm{bx}}_n+c---\left(1\right)$

其中x_n＝sin(w_nΔT+θ_n-1)，a、b和c为系统参数，ΔT＞0为采样间，θ_n-1为前一采样点出的相位，n为正整数。显然，信号源中调频码的产生是由参数a、b、c和Δt控制的。

在调频的过程中设调频信号的相位是连续的，则第(n+1)时刻的相位θn+1为：

${\mathrm{\θ}}_{n+1}=\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{\mathrm{k\ΔT}}^{(k+1)\mathrm{\ΔT}}{w}_{k+1}{\mathrm{dt}}_1={\mathrm{\θ}}_n+w_{n+1}\mathrm{\ΔT}---\left(2\right)$

因此，信号源的模型可以描述为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{n+1}={\mathrm{\θ}}_n+w_{n+1}\mathrm{\ΔT}\\ x_{n+1}=\sin \left({\mathrm{\θ}}_{n+1}\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

再设e(n)＝x₂(n)-x₁(n)为信号源与自适应模块的同步误差，通过设计自适应控制系统最小化同步误差||e(n)||，从而保证系统的同步，控制变量表示为

$w_x(n+1)-w_1(n+1)=-\mathrm{\γ}\frac{\∂E\left(n\right)}{{\∂w}_x\left(n\right)}+{({\mathrm{\θ}}_2\left(n\right)-{\mathrm{\θ}}_1\left(n\right))}^2---\left(4\right)$

其中

E(n)＝||e(n)||＝(x₂(n)-x₁(n))²，参数γ为正常数。此时，压控振荡器的输出为x₂(t)＝sin(w_x(t)+θ)，则采样后为

x₂(n)＝sin(w_x(n)ΔT+θ₂(n-1))    (5)

由(2)式，同理可得到

θ₂(n+1)＝θ₂(n)+w_x(n+1)ΔT    (6)

将式(5)和式(6)代入式(4)，得到

w_x(n+1)＝w₁(n+1)-2γΔTcos(θ₂(n))(x₂(n)-x₁(n))+(θ₂(n)-θ₁(n))²    (7)

图6(a)和图6(b)给出了不同初始条件时同步系统的同步情况，图6(a)中的实线和虚线分别代表信号源的变量x₁(n)和自适应模块的变量x₂(n)，可以看出大约在迭代70次时，信号源和自适应模块实现了同步；图6(b)是信号源和自适应模块的同步误差，随着时间变化同步误差e(n)→0，因此，均方误差E(n)→0。

信号源的输出信号x₁(t)和自适应模块的输出信号x₂(t)的时域波形如图7所示，t＝25之后，x₁(t)和x₂(t)完全同步，同步后两个信号的频率和相位都按照相同的混沌规律变化。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种混沌雷达信号源，其特征在于：包括调频模块、定时器、变换器和寄存器，调频模块产生的调频信号一方面进行输出，另一方面经定时器定时采样后送入变换器，将该采样信号进行多项式变换后送入寄存器，所述寄存器的输出端连接调频模块的输入端。

2.一种混沌雷达信号的产生方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)对输出的调频信号x(t)进行定时采样，得到采样信号x(t₀+Δt)；

(2)对前述步骤中的采样信号进行多项式变换，所述多项式的表达式为

其中m为正整数，a_i为实数；

(3)对前述变换后的信号进行保持，得到前述调频信号x(t)的调频码，对该调频信号进行控制，输出得到所需的混沌信号。

3.一种混沌雷达信号同步系统，其特征在于：包括信号源和自适应模块，其中，信号源包括第一调频模块、第一定时器、第一变换器和第一寄存器，第一调频模块的输出端经由第一定时器连接第一变换器的输入端，而第一变换器的输出端经由第一寄存器连接第一调频模块的输入端；自适应模块包括第二调频模块、第二定时器、第二变换器、第二寄存器和控制器，第二调频模块的输出端经由第二定时器连接控制器的一个输入端，控制器的另一输入端连接第一定时器的输出端，而控制器的输出端连接第二变换器的输入端，该第二变换器的输出端经由第二寄存器连接第二调频模块的输入端。

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