CN103048650A - 基于步进频雷达的回波模拟方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于步进频雷达的回波模拟方法及系统。其中，方法包括以下步骤：设置目标的相关参数和反射系数并根据反射系数得到一维距离像模型；接收毫米波步进频雷达信号并通过下变频单元对毫米波步进频雷达信号下变频到中频频段；基带信号处理单元对中频频段的中频信号进行处理得到延时后的零中频I/Q信号和I/Q形式的初始相位；根据延时后的零中频I/Q信号、I/Q形式的初始相位和一维距离像模型进行卷积和2倍IQ调制得到中频频段目标回波信号；以及将中频频段目标回波信号进行转换和两级上变频处理得到毫米波波段目标回波信号。根据本发明实施例的方法，通过建立一维距离像模型以及采用正交变频、IQ调制、卷积和两级上下变频，从而提高了实时性，同时扩大了应用范围。

Description

基于步进频雷达的回波模拟方法及系统

技术领域

本发明涉及雷达模拟技术领域，特别涉及一种基于步进频雷达的回波模拟方法及系统。

背景技术

步进频雷达回波模拟器可在实验室环境下模拟产生步进频雷达回波信号，在步进频雷达的研制及整机测试中发挥关键的作用，大大缩短了步进频雷达的研制过程并降低了研制成本。

传统的雷达回波模拟方法，是根据雷达发射机的中心频率等参数，预设要接收的雷达信号频段，再对接收到的雷达信号进行下变频、多普勒调制及延时控制、上变频及功率控制。但这种处理方法只适用于频段比较固定、对相位不敏感的的雷达体制，如连续波雷达、单脉冲雷达、多普勒雷达等。对于脉冲频率连续跳变，且需要利用不同脉冲间的相位变化量来测定目标距离的步进频雷达，则无法使用这种传统的雷达回波模拟方法来进行处理。

还有一种方式是，利用与雷达信号相参且同步跳变的调频步进频本振源，对接收到的雷达信号进行上、下变频，完成了高分辨率一维距离像的模拟，但此种方法要求雷达提供跳频同步脉冲，且要求雷达的跳频方向恒定，例如，恒增或恒减，以控制FPGA和DDS产生相参且同步跳频的调频步进频本振源。由于大部分步进频体制的雷达在研制时，并不会预留跳频同步脉冲的输出接口，而且为进一步提高测速精度，现有步进频雷达的跳频方向多采用双线性（先增大后减小或先减小后增大），这大大限制了此种模拟方式的应用范围。另外步进频雷达对实时性要求很高，回波模拟器在几十纳秒内就需要完成对当前脉冲信号载频频率的测量，进而根据载频频率计算出相应目标在当前时刻引起的回波相位变化量。在现有的步进频雷达回波模拟方法中，大多采用DSP作为处理器，其实时性无法达到要求。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为达到上述目的，本发明一方面的实施例提出一种基于步进频雷达的回波模拟方法，包括以下步骤：S1：设置目标的相关参数和反射系数并根据所述反射系数得到一维距离像模型；S2：接收毫米波步进频雷达信号并通过下变频单元对所述毫米波步进频雷达信号下变频到中频频段；S3：基带信号处理单元对所述中频频段的中频信号进行处理得到延时后的零中频I/Q信号和I/Q形式的初始相位；S4：根据所述延时后的零中频I/Q信号、I/Q形式的初始相位和一维距离像模型进行卷积和2倍IQ调制得到中频频段目标回波信号；以及S5：将所述中频频段目标回波信号进行转换和两级上变频处理得到毫米波波段目标回波信号。

根据本发明实施例的方法，通过建立一维距离像模型以及采用正交变频、IQ调制、卷积和两级上下变频，从而提高了实时性，同时扩大了应用范围。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S3具体包括：S31：AD转换芯片对所述中频频段目标回波信号进行处理得到中频信号；S32：对所述中频信号进行正交变频和FIR滤波2倍抽取处理得到零中频I/Q信号；S33：对所述零中频I/Q信号进行测频和检波处理并根据雷达调频步进量得到中心频率和数字化延时后的零中频I/Q信号；以及S34：根据所述中心频率得到每一个目标回波的多普勒频率和I/Q形式的初始相位。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S4具体包括：S41：根据所述数字化延时后的零中频I/Q信号和所述I/Q形式的初始相位进行复乘得到实时相位调整后的目标回波信号；S42：根据所述实时相位调整后的目标回波信号和所述一维距离像模型进行卷积；以及S43：根据所述卷积结果进行2倍内插IQ调制得到中频频段目标回波信号。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S5具体包括：S51：通过数字/模拟转换芯片对所述中频频段目标回波信号进行转换得到中频目标回波模拟信号；以及S52：将所述中频目标回波模拟信号进行两级上变频得到毫米波波段目标回波信号。

为达到上述目的，本发明另一方面的实施例提出一种基于步进频雷达的回波模拟系统，包括设置模块，用于设置目标的相关参数和反射系数并根据所述反射系数得到一维距离像模型；下变频模块，用于接收毫米波步进频雷达信号并对所述毫米波步进频雷达信号下变频到中频频段；处理模块，用于对所述中频频段的中频信号进行处理得到延时后的零中频I/Q信号和I/Q形式的初始相位；卷积模块，用于根据所述延时后的零中频I/Q信号、I/Q形式的初始相位和一维距离像模型进行卷积和2倍IQ调制得到中频频段目标回波信号；以及上变频模块，用于将所述中频频段目标回波信号进行转换和两级上变频处理得到毫米波波段。

在本发明的一个实施例中，所述处理模块具体包括：转换单元，用于AD转换芯片对所述中频频段进行处理得到中频信号；正交变频单元，用于对所述中频信号进行正交变频和FIR滤波2倍抽取处理得到零中频I/Q信号；处理单元，用于对所述零中频I/Q信号进行测频和检波处理并根据雷达调频步进量得到中心频率和数字化延时后的零中频I/Q信号；以及获得单元，用于根据所述中心频率得到每一个目标回波的多普勒频率和I/Q形式的初始相位。

在本发明的一个实施例中，所述卷积模块具体包括：复乘单元，用于根据所述数字化延时后的零中频I/Q信号和所述I/Q形式的初始相位进行复乘得到实时相位调整后的目标回波信号；卷积单元，用于根据所述实时相位调整后的目标回波信号和所述一维距离像模型进行卷积；以及调制单元，用于根据所述卷积结果进行2倍内插IQ调制得到中频频段目标回波信号。

在本发明的一个实施例中，所述上变频模块具体包括：转换单元，用于通过数字/模拟转换芯片对所述中频频段目标回波信号进行转换得到中频目标回波模拟信号；以及上变频单元，用于将所述中频目标回波模拟信号进行两级上变频得到毫米波波段目标回波信号。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于步进频雷达的回波模拟方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的两级下变频的框架图；

图3为根据本发明一个实施例的正交变频的框架图；

图4为根据本发明一个实施例的两级上变频的框架图；

图5为根据基于步进频雷达的回波模拟方法的示意图；

图6为根据本发明一个实施例的中频信号的回波示意图；以及

图7为根据本发明一个实施例的基于步进频雷达的回波模拟系统的框架图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

图1为本发明实施例的基于步进频雷达的回波模拟方法的流程图。如图1所示，根据本发明实施例的基于步进频雷达的回波模拟方法，包括以下步骤：

步骤S101，设置目标的相关参数和反射系数并根据反射系数得到一维距离像模型。

在本发明的一个实施例中，预先设置需要模拟产生回波的N个目标（N为正整数）与雷达的径向距离R0、R1、……Rn、雷达跳频步进量和每个目标对雷达信号的反射系数。根据所提供的参数，根据雷达方程计算出每个目标的幅度，形成目标一维距离像模型，并将所生成的目标一维距离像模型发送到基带信号处理单元。

步骤S102，接收毫米波步进频雷达信号并通过下变频单元对毫米波步进频雷达信号下变频到中频频段。

在本发明的一个实施例中，将毫米波步进频雷达信号输入给下变频单元并由下变频单元通过两级变频，将毫米波步进频雷达信号下变频到(300±250)MHz的中频频段。

图2为根据本发明一个实施例的两级下变频的框架图。如图2所示，下变频由两级下变频和一个自动增益控制的闭环来实现。步进频雷达回波信号进入下变频单元后，先进行一级下变频，变至2G±250MHz频段，信号经过放大后，送入自动增益控制闭环中，在闭环中进行第二级下变频至(300±250)MHz，又经放大器和检波器，对放大倍数进行调整，使输出的雷达中频信号功率保持在AD转换芯片动态范围最大的功率值附近。

步骤S103，基带信号处理单元对中频频段的中频信号进行处理得到延时后的零中频I/Q信号和I/Q形式的初始相位。

首先，AD转换芯片对中频频段目标回波信号进行处理得到中频信号，并对中频信号进行正交变频和FIR滤波2倍抽取处理得到零中频I/Q信号。然后，对零中频I/Q信号进行测频和检波处理并根据雷达调频步进量得到中心频率和数字化延时后的零中频I/Q信号。之后，根据中心频率得到每一个目标回波的多普勒频率和I/Q形式的初始相位。

图3为根据本发明一个实施例的正交变频的框架图。如图3所示，对雷达中频信号直接采样并通过数字信号处理的方法来得到正交变频信号。

接收到的雷达发射信号为一个窄带信号，假设为：

经AD转换芯片采样后变成数字信号，数字信号x(n)可表示为，

其中n＝k/f_s,k取0，1，2...，

通过正交变频，得到信号的正交变量。其中，数字信号正交变频后的I路可表示为： $x\left(n\right)\cos \left(w_{o}n\right)=\frac{1}{2}a\left(n\right)[\cos \mathrm{\θ}\left(n\right)+\cos ({2w}_{o}n+\mathrm{\θ}\left(n\right))].$ Q路可表示为： $x\left(n\right)(-\sin \left(w_{o}n\right))=\frac{1}{2}a\left(n\right)[\sin \mathrm{\θ}\left(n\right)+\sin ({2w}_{o}n+\mathrm{\θ}\left(n\right))].$ 由上式可知，正交变频后还需滤波，将和频项滤除掉。

在本发明的一个实施例中，采用的正交变频本振频率为AD转换芯片采样率的1/4，可以采用一种无乘法的频率变化方法。

因为w₀＝2πf_s/4，则可假设变频序列为cos(w_on)＝1,0,-1,0,1,0,-1,0,...，正交序列-sin(w_on)＝0,-1,0,1,0,-1,0,1,...，所以输入实信号乘以变频序列可以简化为延时和求反操作，这种处理方法节省了硬件资源，为实现大量目标的回波实时模拟提供了便利条件。

步骤S104，根据延时后的零中频I/Q信号、I/Q形式的初始相位和一维距离像模型进行卷积和2倍IQ调制得到中频频段目标回波信号。

在本发明的一个实施例中，根据数字化延时后的零中频I/Q信号和I/Q形式的初始相位进行复乘得到实时相位调整后的目标回波信号。根据实时相位调整后的目标回波信号和一维距离像模型进行卷积。根据卷积结果进行2倍内插IQ调制得到中频频段目标回波信号。

步骤S105，将中频频段目标回波信号进行转换和两级上变频处理得到毫米波波段目标回波信号。通过数字/模拟转换芯片对中频频段目标回波信号进行转换得到中频目标回波模拟信号，再将中频目标回波模拟信号进行两级上变频得到毫米波波段目标回波信号。

图4为根据本发明一个实施例的两级上变频的框架图。如图4所示，上变频单元包括两级上变频、两级可控衰减器、滤波器和放大器。DA转换芯片发出的雷达目标中频回波信号经过连续两级上变频后，达到所需的毫米波频段。用户根据仿真需要，设置可控衰减器值，使输出信号的功率满足需求。

图5为根据基于步进频雷达的回波模拟方法的示意图。如图5所示，本发明中共涉及到下变频单元、频综、基带信号处理单元、AD转换芯片、DA转换芯片、存储单元、上变频单元、控制单元和控制计算机。其中，下变频单元和上变频单元负责对雷达信号及雷达目标回波信号进行变频处理，频综负责产生上下变频单元需要的本振信号，AD转换芯片负责采集下变频后的雷达中频信号，DA转换芯片负责将雷达目标回波数字信号转换成雷达目标回波中频模拟信号，控制计算机中运行处理软件，将用户设置的雷达参数和目标参数解析成相应的控制字，发送给控制单元和基带信号处理单元，并负责各分系统的协调工作，控制单元接收控制计算机的指令，通过自定义的控制字，控制频综产生需要的本振信号，同时控制上下变频单元的数控衰减器，对雷达中频信号的处理主要在基带信号处理单元中进行，配合存储单元对步进频雷达回波信号进行延时、正交变频和实时相位调整。

图6为根据本发明一个实施例的中频信号的回波示意图。如图6所示，利用FPGA技术进行雷达中频信号的处理。下变频至(300±250)MHz的雷达中频信号经过AD转换芯片采集后，通过正交变频处理，变频至零中频。零中频信号经过FIR滤波2倍抽取后，分为两路同时进行测频和检波处理，得到当前信号的实时频率及延时后的零中频信号。测频得到的结果f作为一个参数，代入公式进行计算为，

其中，

是当前时刻第n个目标的相位值，R_n是用户输入的第n个目标与雷达之间的径向距离，v是目标相对于雷达的径向速度，t是当前时刻与仿真起始时刻的相对量。可以看出，随着时间t的变化回波的相位也在实时变化，通过这种方式实现了回波相位计算的实时性。

根据本发明实施例的方法，通过建立一维距离像模型以及采用正交变频、IQ调制、卷积和两级上下变频，从而提高了实时性，同时扩大了应用范围。

图7为为根据本发明一个实施例的基于步进频雷达的回波模拟系统的框架图。如图7所示，根据本发明实施例的基于步进频雷达的回波模拟系统，包括设置模块100、下变频模块200、处理模块300、卷积模块400和上变频模块500。

设置模块100用于设置目标的相关参数和反射系数并根据反射系数得到一维距离像模型。

在本发明的一个实施例中，预先设置需要模拟产生回波的N个目标（N为正整数）与雷达的径向距离R0、R1、……Rn、雷达跳频步进量和每个目标对雷达信号的反射系数。根据所提供的参数，根据雷达方程计算出每个目标的幅度，形成目标一维距离像模型，并将所生成的目标一维距离像模型发送到基带信号处理单元。

下变频模块200用于接收毫米波步进频雷达信号并对毫米波步进频雷达信号下变频到中频频段。

在本发明的一个实施例中，将毫米波步进频雷达信号输入给下变频单元并由下变频单元通过两级变频，将毫米波步进频雷达信号下变频到(300±250)MHz的中频频段。

处理模块300用于对中频频段的中频信号进行处理得到延时后的零中频I/Q信号和I/Q形式的初始相位。

在本发明的一个实施例中，处理模块300具体包括转换单元310、正交变频单元320、处理单元330和获得单元340。

转换单元310用于AD转换芯片对中频频段目标回波信号进行处理得到中频信号。

正交变频单元320用于对中频信号进行正交变频和FIR滤波2倍抽取处理得到零中频I/Q信号。

处理单元330用于对零中频I/Q信号进行测频和检波处理并根据雷达调频步进量得到中心频率和数字化延时后的零中频I/Q信号。

获得单元340用于根据中心频率得到每一个目标回波的多普勒频率和I/Q形式的初始相位。

卷积模块400用于根据延时后的零中频I/Q信号、I/Q形式的初始相位和一维距离像模型进行卷积和2倍IQ调制得到中频频段目标回波信号。

在本发明的一个实施例中，卷积模块400具体包括复乘单元410、卷积单元420和调制单元430。

复乘单元410用于根据数字化延时后的零中频I/Q信号和I/Q形式的初始相位进行复乘得到实时相位调整后的目标回波信号。

卷积单元420用于根据实时相位调整后的目标回波信号和一维距离像模型进行卷积。

调制单元430用于根据卷积结果进行2倍内插IQ调制得到中频频段目标回波信号。

在本发明的一个实施例中，根据数字化延时后的零中频I/Q信号和I/Q形式的初始相位进行复乘得到实时相位调整后的目标回波信号。根据实时相位调整后的目标回波信号和一维距离像模型进行卷积。根据卷积结果进行2倍内插IQ调制得到中频频段目标回波信号。

上变频模块500用于将中频频段目标回波信号进行转换和两级上变频处理得到毫米波波段目标回波信号。

在本发明的一个实施例中，上变频模块500具体包括转换单元510和上变频单元520。

转换单元510用于通过数字/模拟转换芯片对中频频段目标回波信号进行转换得到中频目标回波模拟信号。

上变频单元520用于将中频目标回波模拟信号进行两级上变频得到毫米波波段目标回波信号。

根据本发明实施例的系统，通过建立一维距离像模型以及采用正交变频、IQ调制、卷积和两级上下变频，从而提高了实时性，同时扩大了应用范围。

应当理解，本发明的系统实施例中的各个模块和单元的具体操作过程可与方法实施例中的描述相同，此处不再详细描述。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于步进频雷达的回波模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：设置目标的相关参数和反射系数并根据所述反射系数得到一维距离像模型；

S2：接收毫米波步进频雷达信号并通过下变频单元对所述毫米波步进频雷达信号下变频到中频频段；

S3：基带信号处理单元对所述中频频段的中频信号进行处理得到延时后的零中频I/Q信号和I/Q形式的初始相位；

S4：根据所述延时后的零中频I/Q信号、I/Q形式的初始相位和一维距离像模型进行卷积和2倍IQ调制得到中频频段目标回波信号；以及

S5：将所述中频频段目标回波信号进行转换和两级上变频处理得到毫米波波段目标回波信号。

2.如权利要求1所述的基于步进频雷达的回波模拟方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S31：AD转换芯片对所述中频频段目标回波信号进行处理得到中频信号；

S32：对所述中频信号进行正交变频和FIR滤波2倍抽取处理得到零中频I/Q信号；

S33：对所述零中频I/Q信号进行测频和检波处理并根据雷达调频步进量得到中心频率和数字化延时后的零中频I/Q信号；以及

S34：根据所述中心频率得到每一个目标回波的多普勒频率和I/Q形式的初始相位。

3.如权利要求1所述的基于步进频雷达的回波模拟方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

S41：根据所述数字化延时后的零中频I/Q信号和所述I/Q形式的初始相位进行复乘得到实时相位调整后的目标回波信号；

S42：根据所述实时相位调整后的目标回波信号和所述一维距离像模型进行卷积；以及

S43：根据所述卷积结果进行2倍内插IQ调制得到中频频段目标回波信号。

4.如权利要求1所述的基于步进频雷达的回波模拟方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

S51：通过数字/模拟转换芯片对所述中频频段目标回波信号进行转换得到中频目标回波模拟信号；以及

S52：将所述中频目标回波模拟信号进行两级上变频得到毫米波波段目标回波信号。

5.一种基于步进频雷达的回波模拟系统，包括：

设置模块，用于设置目标的相关参数和反射系数并根据所述反射系数得到一维距离像模型；

下变频模块，用于接收毫米波步进频雷达信号并对所述毫米波步进频雷达信号下变频到中频频段；

处理模块，用于对所述中频频段的中频信号进行处理得到延时后的零中频I/Q信号和I/Q形式的初始相位；

卷积模块，用于根据所述延时后的零中频I/Q信号、I/Q形式的初始相位和一维距离像模型进行卷积和2倍IQ调制得到中频频段目标回波信号；以及

上变频模块，用于将所述中频频段目标回波信号进行转换和两级上变频处理得到毫米波波段。

6.如权利要求1所述的基于步进频雷达的回波模拟系统，其特征在于，所述处理模块具体包括：

转换单元，用于AD转换芯片对所述中频频段目标回波信号进行处理得到中频信号；

正交变频单元，用于对所述中频信号进行正交变频和FIR滤波2倍抽取处理得到零中频I/Q信号；

处理单元，用于对所述零中频I/Q信号进行测频和检波处理并根据雷达调频步进量得到中心频率和数字化延时后的零中频I/Q信号；以及

获得单元，用于根据所述中心频率得到每一个目标回波的多普勒频率和I/Q形式的初始相位。

7.如权利要求1所述的基于步进频雷达的回波模拟系统，其特征在于，所述卷积模块具体包括：

复乘单元，用于根据所述数字化延时后的零中频I/Q信号和所述I/Q形式的初始相位进行复乘得到实时相位调整后的目标回波信号；

卷积单元，用于根据所述实时相位调整后的目标回波信号和所述一维距离像模型进行卷积；以及

调制单元，用于根据所述卷积结果进行2倍内插IQ调制得到中频频段目标回波信号。

8.如权利要求1所述的SAR雷达回波实时模拟方法，其特征在于，所述上变频模块具体包括：

转换单元，用于通过数字/模拟转换芯片对所述中频频段目标回波信号进行转换得到中频目标回波模拟信号；以及

上变频单元，用于将所述中频目标回波模拟信号进行两级上变频得到毫米波波段目标回波信号。

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