CN102375139B - Fm雷达发射机脉冲的增强的脉冲响应测量 - Google Patents

Abstract

本发明提供FM雷达发射机脉冲的增强的脉冲响应测量。脉冲调频(FM)雷达信号的增强的脉冲响应测量相对于主响应振幅提供次级响应振幅的较准确的测量。脉冲FM雷达信号被采样以产生时域样本记录。该样本记录被窗口化以产生窗口化的样本记录。该窗口化的样本记录被变换为频域频谱。该频谱与发射的脉冲FM雷达信号的频域估计的复共轭相乘以产生解扩脉冲。该解扩脉冲被变换到时域以产生具有主响应和次级响应的脉冲响应的测量。修正次级响应的振幅以消除窗口化所引起错误。

Description

FM雷达发射机脉冲的增强的脉冲响应测量

对相关申请的交叉引用

本申请要求在2009年8月12号提交的申请号为61/233435的美国临时申请的权益。

技术领域

本发明涉及脉冲调频(FM)雷达信号的脉冲响应测量，并且尤其涉及相对于主响应振幅提供次级响应振幅的更准确的测量的增强的脉冲响应测量。

背景技术

脉冲FM雷达是一种使用脉冲调频信号探测目标的雷达的形式。比其它类型的信号相比使用脉冲调频信号提供了更好范围的分辨率和信噪比。可以使用各种类型的脉冲调频信号，诸如脉冲线性调频信号(pulsedlinearchirpsignal)(具有随时间线性地改变的频率的脉冲正弦信号)、脉冲非线性调频信号(pulsednon-linearchirpsignal)(具有随时间非线性地改变的频率的脉冲正弦信号)、脉冲相位编码信号(pulsedphase-codedsignal)(根据二进制码被相位调制的脉冲正弦信号)。

脉冲FM雷达接收机通过让接收到的脉冲FM雷达信号通过匹配的滤波器从该信号提取关于目标的信息。匹配的滤波器在频域中通常通过将接收到的脉冲FM雷达信号的样本变换成频域频谱，将该频谱与发射的脉冲FM雷达信号的频域估计的复共轭相乘而得以实现。该过程将接收到的脉冲FM雷达信号“解扩(de-spread)”或“压缩”成窄脉冲，并且由于此原因，它被称为“脉冲压缩”。关于脉冲压缩的更多信息见BassemR.Mahafza和AtefZ.Elsherbeni在2003年由Champman&Hall/CRCPress出版的“SimulationsforRadarSystemsDesign”的5.3部分。

脉冲FM雷达发射机的“脉冲响应”，也被称为“点扩散函数”，是重要的质量测量。脉冲响应是根据从脉冲FM雷达发射机直接接收到的或者从非常小的点目标反射的脉冲FM雷达信号的脉冲压缩后所产生的图像的亮度图案。良好的脉冲响应具有对应于目标位置的大的值和对于所有周围位置的小的值。换句话说，脉冲响应描述了脉冲FM雷达系统的空间分辨率。

对脉冲响应的普通的损害是次级或者“叠影(ghost)”响应。当脉冲FM雷达发射机不仅发射预期的或者“主”信号，还发射“叠影”信号(即，比主信号的振幅小并且相对于它延迟的主信号的拷贝)时，产生叠影响应。叠影信号通常由脉冲FM雷达发射机中的低级别的内部反射造成。在脉冲压缩之后，叠影信号在不对应于目标的位置产生假脉冲，被称为叠影脉冲或者叠影响应。叠影脉冲可以通过当目标未出现时给出第二目标的错误的指示，或者替代地，通过当目标出现时模糊第二目标的反射来干扰雷达系统的正确的操作。由于这些原因，重要的是准确地表征脉冲FM雷达发射机的脉冲响应以及相应地校准对应的脉冲FM雷达接收机。

包括诸如RSA6000频谱分析器系列的实时频谱分析器和诸如DPO/DSA70000B数字荧光示波器系列的实时示波器(两者都可以从俄勒冈州的比弗顿市的Tektronix有限公司购买)的测试和测量仪器可以被用于测量脉冲FM雷达信号的脉冲响应。这些测试和测量仪器使用采集系统获取脉冲FM雷达信号的样本，使用软件或者数字信号处理电路对获取的样本进行脉冲压缩，以及在显示器上示出所产生的脉冲响应的可视图像。但是，在进行脉冲压缩之前，这些测试和测量仪器必须首先应用窗口函数(windowfunction)到获取到的样本以避免截断脉冲FM雷达信号并且由此在频域中产生旁瓣，被称为“频谱泄漏”的效应。窗口函数以主信号为中心并且因此适当地衰减了主信号。但是，如果脉冲FM雷达信号包括叠影信号，那么由于叠影信号相对于主信号是延迟的，所以该叠影信号不是位于窗口函数的中心而是位于窗口函数具有减小的振幅的部分中，于是窗口函数截断了叠影信号。在脉冲压缩之后这种叠影信号的截断使得这些测试和测量仪器相对于主脉冲的振幅不准确地报告叠影脉冲的振幅。

需要的是测量脉冲FM雷达信号的脉冲响应的方法，其相对于主响应的振幅提供次级响应的振幅的较准确的测量。

发明内容

因此，本发明的实施例提供测量脉冲FM雷达信号的脉冲响应的增强的方法，该方法相对于主响应的振幅提供次级响应的振幅的较准确的测量。采样脉冲FM雷达信号以产生时域样本记录。该样本记录被窗口化(windowed)以产生窗口化的样本记录。该窗口化的样本记录被变换成频域频谱。该频谱与发射的脉冲FM雷达信号的频域估计的复共轭相乘以产生解扩的脉冲。该解扩的脉冲被变换到时域以产生具有主响应和次级响应的脉冲响应的测量。次级响应的振幅被修正以消除由窗口操作产生的错误。

当结合所附的权利要求和附图阅读，根据以下的详细说明，本发明的目的、优点和其它新颖的特征将会明显。

附图说明

图1示出阻抗不连续或者其它缺点如何能够使得脉冲FM雷达发射机产生叠影信号。

图2描述具有低级别反射的脉冲FM雷达信号。

图3示出窗口函数。

图4示出在应用图3的窗口函数后图2的脉冲FM雷达信号。

图5描绘使用常规的脉冲FM雷达接收机所产生的脉冲响应测量。

图6描述根据本发明实施例的脉冲FM雷达接收机的简化的、高级框图。

图7示出主信号和叠影信号的功率加权。

图8描绘用于各种叠影信号延迟的振幅修正因子。

图9描绘使用图6的脉冲FM雷达接收机所产生的脉冲响应测量。

具体实施方式

为了帮助理解，现在更详细地讨论次级响应的振幅的测量中的不准确的来源。

次级或者叠影信号是比主信号的振幅弱并且相对于它延迟的主信号的拷贝。叠影信号通常是由脉冲FM雷达发射机内的低级别的内部反射造成的。例如，如图1所示，雷达发射机100中的阻抗不连续或者其它缺点使得从雷达激励器105发射的部分主信号115从放大器110反射回到雷达激励器105并且然后返回到放大器110。因此，对于每个主信号115，发射机100还发射比主信号115的振幅弱并且相对于它延迟的叠影信号120。

在图2中，图1的主信号115和次级信号120分别被描绘为脉冲线性调频信号205和210。叠影信号210比主信号205的振幅弱并且相对于它延迟了主信号205的长的1.6/4＝40％。注意，虽然主信号和叠影信号被描绘为脉冲线性调频信号，以下讨论所讨论的原则也可以应用到其它类型的脉冲调频信号，诸如脉冲非线性调频信号和脉冲相位编码信号。

图3示出窗口函数305。窗口函数305以主信号205为中心，即，窗口函数305和主信号205都以时间＝2为中心。

图4示出窗口函数305对脉冲FM雷达信号200的影响。由于窗口函数305以主信号205为中心，窗口函数305适当地衰减了主信号205，如主信号405中所示。但是，由于叠影信号210相对于主信号205延迟，叠影信号210不位于窗口函数305的中心但是位于窗口函数305具有减弱的振幅的部分中，从而窗口函数305截断了叠影信号210的拖尾部(trailingportion)，即，叠影信号210在时间＝4之后的部分，如在叠影信号410中所示。

图5示出在脉冲压缩之后叠影信号的这种截断的效应。脉冲响应测量500具有主脉冲505以及分别延迟了主信号长的10％、20％、30％、和40％的叠影脉冲510、515、520和525。每一个叠影信号的振幅应当被报告(report)为主信号的-20dB，但是由于上述讨论的截断效果，振幅被不准确地报告，振幅错误随着延迟的增加而增加。例如，当叠影信号延迟了主信号的长的10％时，如在叠影脉冲510中示出的，振幅被报告为大约-20dB。但是，当叠影信号延迟了主信号的长的40％时，如在叠影脉冲525中所示的，振幅被报告为大约-23dB或者低大约3dB这么多(about3dBtoolow)。由于截断的叠影信号造成的错误大约为1.3dB，以及其它错误总的加起来到大约3dB。

图6示出根据相对于主响应的振幅提供次级响应的振幅的更加准确的测量的本发明的实施例的脉冲FM雷达接收机600。模拟数字变换器605采样脉冲FM雷达信号以产生时域样本记录。窗口函数610窗口化样本记录以产生窗口化的样本记录。窗口函数610可以是任意形式的窗口函数，包括但不限于泰勒(Taylor)窗口、凯塞(Kaiser)窗口、布莱克曼-哈里斯(Blackman-Harris)窗口或者哈明(Hamming)窗口。离散傅里叶变换615将窗口化的样本记录转变为频域频谱。乘法器620将频谱与发射的脉冲FM雷达信号625，即期望已经被发射的脉冲FM雷达信号的频域估计的复共轭相乘以产生解扩脉冲。发射脉冲FM雷达信号的估计可以从接收到的脉冲FM雷达信号产生或者它可以基于用户指定的参数被产生。离散傅里叶逆变换630将解扩脉冲变换到时域以产生具有主响应和次级响应的脉冲FM雷达信号的脉冲响应的测量。振幅修正635计算振幅修正因子并且使用它来修正次级响应的振幅以消除由窗口函数610造成的错误。

以下例子示出了用于具有特定延迟值的叠影信号的振幅修正因子的计算：图7示出了主信号705的功率加权和延迟了主信号的长的40％的叠影信号710的功率加权。“功率加权”描述窗口函数305施加到信号所产生的信号功率的分配。叠影信号710的功率加权与主信号705的功率加权相似，除了它由于叠影信号延迟了主信号的长的40％的事实而被截断了40％。振幅修正因子等于主信号705的功率加权的积分(即，曲线以下的面积)与叠影信号710的功率加权的积分的比，或者在这个例子中，约为1.3dB。功率加权的积分等于信号的能量。因此，振幅修正因子等于主信号的能量与叠影信号的能量的比。图8示出了针对具有各种其它延迟值的叠影信号的振幅修正因子805。

在本发明的一个实施例中，修正了脉冲响应测量的用户选择的部分，例如，叠影脉冲的峰值。在替代实施例中，脉冲响应测量的每个部分被修正以产生全部振幅修正的脉冲响应测量900，如图9中所示。注意，与示出大的振幅错误的未经修正的叠影脉冲510、515、520和525相比，叠影脉冲910、915、920和925具有更加接近于-20dB的振幅。另外注意，根据图8，在零延迟即主脉冲的位置的振幅修正因子是0dB。因此，修正脉冲响应测量的每个部分对主响应没有影响，仅仅影响次级响应。

尽管上述的本发明的实施例使用离散傅里叶变换来将窗口化的样本记录变换为频域频谱，但是各种其它实施例可以使用诸如哈特利(Hartley)变换或者线性调频Z(Chirp-Z)变换的其它变换。

从上述的讨论可以理解的是本发明表现了在脉冲FM雷达信号的脉冲响应的测量方面的显著的提高。尽管为了说明的目的已经示出和描述了本发明的特定实施例，应当理解的是在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。因此，本发明不应被限制除了所附的权利要求书以外。

Claims (16)

1.一种测量脉冲调频或调相雷达信号的脉冲响应的方法，所述雷达信号包括次级信号和主信号，所述次级信号是所述主信号的拷贝，比所述主信号的振幅小并且相对于所述主信号延迟，所述方法包括步骤：

采样所述脉冲调频或调相雷达信号以产生时域样本记录；

窗口化所述样本记录以产生窗口化的样本记录；

将所述窗口化的样本记录变换为频域频谱；

将所述频谱与发射的脉冲调频或调相雷达信号的频域估计的复共轭相乘以产生解扩脉冲；

将所述解扩脉冲变换成所述脉冲响应的时域测量；以及

使用作为所述次级信号相对于所述主信号的延迟的函数的修正因子来修正所述脉冲响应的测量的振幅。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述修正步骤包括步骤：

计算主信号的能量；

计算次级信号的能量；

计算所述主信号的能量和所述次级信号的能量的比；以及

基于所述比，修正所述脉冲响应的测量的振幅。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述修正步骤包括修正所述脉冲响应的测量的用户选择的部分的步骤。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述修正步骤包括修正所述脉冲响应的测量的每个部分的步骤。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述窗口化步骤包括利用从由泰勒窗口、凯塞窗口、布莱克曼-哈里斯窗口和哈明窗口组成的组中选择的窗口函数来窗口化所述样本记录的步骤。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述将所述窗口化的样本记录变换为频域频谱的步骤包括利用从由离散傅里叶变换、哈特利变换和线性调频Z变换组成的组中选择的变换来将所述窗口化的样本记录变换成频域频谱的步骤。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述脉冲调频或调相雷达信号包括从由脉冲线性调频信号、脉冲非线性调频信号和脉冲相位编码信号组成的组中选择的信号。

8.如权利要求1所述的方法，还包括基于所述脉冲响应的修正的测量来校准脉冲调频或调相雷达接收机的步骤。

9.如权利要求1所述的方法，还包括显示所述脉冲响应的测量的步骤。

10.一种用于测量脉冲调频或调相雷达信号的装置，包括：

用于采样脉冲调频或调相雷达信号以产生时域样本记录的模拟数字变换器，所述雷达信号包括次级信号和主信号，所述次级信号是所述主信号的拷贝，比所述主信号的振幅小并且相对于所述主信号延迟；

用于通过窗口函数来窗口化所述样本记录以产生窗口化的样本记录的窗口函数装置；

用于通过时间至频率变换来将所述窗口化的样本记录变换为频域频谱的时间至频率变换装置；

用于将所述频谱与发射的脉冲调频或调相雷达信号的频域估计的复共轭相乘以产生解扩脉冲的乘法器；

用于通过频率至时间变换来将所述解扩脉冲变换成所述雷达信号的脉冲响应的时域测量的频率至时间变换装置；以及

用于通过振幅修正来基于作为所述次级信号相对于所述主信号的延迟的函数的振幅修正因子修正所述脉冲响应的测量的振幅的振幅修正装置。

11.如权利要求10所述的用于测量脉冲调频或调相雷达信号的装置，其中，所述振幅修正因子包括主信号的能量和次级信号的能量的比。

12.如权利要求10所述的用于测量脉冲调频或调相雷达信号的装置，其中，所述振幅修正修正所述脉冲响应的测量的用户选择的部分。

13.如权利要求10所述的用于测量脉冲调频或调相雷达信号的装置，其中，所述振幅修正修正所述脉冲响应的测量的每个部分。

14.如权利要求10所述的用于测量脉冲调频或调相雷达信号的装置，其中，所述窗口函数是从由泰勒窗口、凯塞窗口、布莱克曼-哈里斯窗口和哈明窗口组成的组中选择的窗口函数。

15.如权利要求10所述的用于测量脉冲调频或调相雷达信号的装置，其中，所述时间至频率变换从由离散傅里叶变换、哈特利变换和线性调频Z变换组成的组中选择。

16.如权利要求10所述的用于测量脉冲调频或调相雷达信号的装置，其中，所述脉冲调频或调相雷达信号包括从由脉冲线性调频信号、脉冲非线性调频信号和脉冲相位编码信号组成的组中选择的信号。