CN103389492A - 多通道随机谐波调制采样雷达接收机及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道随机谐波调制采样雷达接收机及其方法，包括一个混频器、M个模拟乘法器、M个积分器、M个低速AD转换器和一个目标信息重构处理模块，所述的混频器与M个模拟乘法器相连，每个模拟乘法器与一个积分器相连，每个积分器与一个低速AD转换器相连，AD转换器采样得到的数据输入到目标信息重构处理模块，目标信息重构处理模块通过构造观测矩阵、构造雷达稀疏表示基矩阵和重构雷达目标信息三个步骤完成雷达目标信息估计的目的。解决了宽带以超宽带雷达系统数字化采样难题；在保证了信号重构效果的同时，有效地降低了调制信号硬件实现的难度与代价。

Description

多通道随机谐波调制采样雷达接收机及其方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，涉及一种多通道随机谐波调制采样雷达接收机及其方法。本发明可省去传统雷达接收机的匹配滤波处理，简化信号处理流程，并且解决了现有宽带及超宽带雷达信号采样速率过高和信号处理数据量过大的问题。

背景技术

宽带雷达与传统窄带雷达相比具有高距离分辨率、目标识别和成像能力、极强的四抗能力等优势，对宽带雷达系统，无论是在军用领域还是在民用领域，提高其距离分辨率一直是雷达技术研究中一个重要方向。但是，对于宽带信号，以Nyquist采样定理为指导的信号采样方法给现有的模拟/数字转换器（ADC）带来了极大的挑战。特别是对于宽带和超宽带雷达回波信号，传统的雷达接收机以Nyquist速率采样的实现成本以及难度都很高。

由于超宽带雷达的信号带宽很宽，其接收机相比于传统的雷达接收机有所区别。与传统的雷达接收机相比，超宽带雷达的接收机结构更加复杂，实现中面临更多的难题。超宽带雷达接收机以数字接收机为主要的研究方向，在该处理机中，输入被下变频成中频或基带信号，然后被高速ADC数字化，再通过数字信号处理器进行信号处理。

为了降低ADC的速度，在目前的超宽带雷达接收机中，常采用的方式是把信号的相关运算即匹配滤波放在A/D转换前执行，这时信号的相关运算是采用模拟形式进行的，而模拟器件的可变性较差，而且容易受到电路失配以及其他的非理想条件的干扰影响。因此，为了达到高性能的超宽带雷达信号接收，需要根据Nyquist采样定理对信号进行采样，由于单个芯片无法达到这样的高采样率和高动态范围，因此多个ADC并行工作是超宽带雷达接收机通常采用的方式。多个ADC构成的接收系统中，每个ADC以部分的采样率进行采样。多个ADC接收系统可以分为两类：时域交织接收机、频域信道化接收机。对于时域交织接收机，多个ADC采样前要对其输入信号加入准确的时延。每个ADC的输入是占据整个信号频带的信号，因此，每个ADC的采样保持器的速度仍然为原始信号的采样频率，给设计带来了难度；对于频域信道化接收机，各个通道必需是相参的，要求其频率特性一致，并且由于相邻通道滤波器的过渡带不理想会产生通带间干扰，这样的超宽带频域信道化接收机的硬件系统结构复杂，实现难度大，成本高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种多通道随机谐波调制采样雷达接收机，本发明省去传统雷达接收机的匹配滤波处理，简化信号处理流程，并且解决了现有宽带及超宽带雷达信号采样速率过高和信号处理数据量过大的问题。

一种多通道随机谐波调制采样雷达接收机，包括一个混频器、M个模拟乘法器、M个积分器、M个低速AD转换器和一个目标信息重构处理模块，所述的混频器与M个模拟乘法器相连，每个模拟乘法器与一个积分器相连，每个积分器与一个低速AD转换器相连，AD转换器采样得到的数据输入到目标信息重构处理模块，目标信息重构处理模块通过构造观测矩阵、构造雷达稀疏表示基矩阵和重构雷达目标信息三个步骤完成雷达目标信息估计的目的。

所述的多通道随机谐波调制采样雷达接收机，混频器将雷达回波信号与信号载频f_c混频，得到带宽为B的雷达基频回波信号。

所述的多通道随机谐波调制采样雷达接收机，模拟乘法器将雷达基频回波信号与随机谐波调制信号相乘，各通道随机谐波调制信号形式如下：

$e^{-j2\mathrm{\π}{k}_m\left(\frac{f_e}{N}\right)t}$

其中，m=1,2…,M，为第m个通道，M为接收机通道个数，k_m为随机产生的大小在1～2M之间的互不相等的整数，f_e为奈奎斯特采样频率，N为本次处理雷达回波信号以f_e速率采样所得到的样本个数。

所述的多通道随机谐波调制采样雷达接收机，积分器的积分时间为

，其中，f_e为奈奎斯特采样频率，N为本次处理雷达回波信号以f_e速率采样所得到的样本个数。

所述的多通道随机谐波调制采样雷达接收机， AD转换器采样时钟频率为

，其中，f_e为奈奎斯特采样频率，N为本次处理雷达回波以f_e速率采样所得到的样本个数；得到采样数据具体形式如下：

y=[y₁,y₂,…,y_M]^T

其中，y_m,m=1,2,…,M为第m个通道的采样数据，M为接收机通道个数。

所述的雷达接收机的目标信息估计方法，包括以下步骤：

A1、混频器将雷达回波信号s_R(t)与信号载频f_c混频，得到带宽为B的雷达基频回波信号s_B(t)；

A2、模拟乘法器将雷达基频回波信号s_B(t)与随机谐波调制信号相乘，各通道随机谐波调制信号形式如下：

$e^{-j2\mathrm{\π}{k}_m\left(\frac{f_e}{N}\right)t}$

其中，j表示复数的虚部，m=1,2…,M，为第m个通道，M为接收机通道个数，k_m为随机产生的大小在1～2M之间的互不相等的整数，f_e为奈奎斯特采样频率，N为本次处理雷达回波信号以f_e速率采样所得到的样本个数；

A3、积分器的积分时间为

，其中， f_e为奈奎斯特采样频率，N为本次处理雷达回波信号以f_e速率采样所得到的样本个数；y=[y₁,y₂,…,y_M]^T

A4、AD转换器采样时钟频率为

，其中，f_e为奈奎斯特采样频率，N为本次处理雷达回波以f_e速率采样所得到的样本个数；得到采样数据具体形式如下：

y=[y₁,y₂,…,y_M]^T

其中，y_m,1,2,…,M为第m个通道的采样数据，M为接收机通道个数；

A5、AD转换器采样得到的数据输入到目标信息重构处理模块，目标信息重构处理模块通过构造观测矩阵、构造雷达稀疏表示基矩阵和重构雷达目标信息三个步骤完成雷达目标信息估计的目的。

所述的目标信息估计方法，目标信息重构处理模块的具体方法为：

1）构造观测矩阵

随机谐波调制信号等效的观测矩阵Φ形式如下：

其中， M为接收机通道个数，k₁,k₂…,k_M为随机产生的大小在1～2M之间的互不相等的整数，f_e为等效的采样频率，T_s为等效的采样间隔，N为本次处理雷达回波以f_e速率采样所得到的样本个数；

2）构造雷达稀疏表示基矩阵

雷达稀疏基矩阵Ψ的形式如下：

其中s₀(t)=rect(t/T₀)exp(jπK₀t²)为雷达发射信号的包络，t表示时间，c表示光速， r_n为待估计距离的第n个距离单元离雷达的距离，在这样的稀疏基矩阵下，基频回波信号表示为：

s_B(t)=Ψα+n_R(t)

式中，s_B(t)为雷达回波基频信号，n_R(t)是回波中包含的噪声信号，α为雷达目标稀疏系数；

3）重构雷达目标信息

根据所构造的观测矩阵Φ和雷达稀疏表示基矩阵Ψ，采样数据y和雷达目标信息α的关系如下：

α中包含了雷达目标的距离和多普勒信息，因此，将雷达目标信息提取问题转化为如下的压缩感知理论中的稀疏重构问题：

其中，表示1-范数。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：

1）本发明提出的一种多通道随机谐波调制采样雷达接收机可以大大降低对雷达回波信号的采样速率，解决了宽带以超宽带雷达系统数字化采样难题。

2）本发明提出的一种多通道随机谐波调制采样雷达接收机省略了传统雷达信号处理中的匹配滤波处理过程，简化信号处理流程。

3）本发明提出的一种多通道随机谐波调制采样雷达接收机采用随机谐波信号调制，在保证了信号重构效果的同时，有效地降低了调制信号硬件实现的难度与代价。

附图说明

图1是本发明的接收机结构图；

图2是本发明的目标信息重构处理流程图；

图3是本发明的目标信息估计仿真图；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

本发明一种多通道随机谐波调制采样雷达接收机，包括一个混频器、M个模拟乘法器、M个积分器、M个低速AD转换器和一个目标信息重构处理模块，所述的混频器与M个模拟乘法器相连，每个模拟乘法器与一个积分器相连，每个积分器与一个低速AD转换器相连，AD转换器采样得到的数据输入到目标信息重构处理模块，重构得到目标信息估计。本实施例中取M为204。

混频器将雷达回波信号s_R(t)与信号载频f_c混频，得到带宽为B的雷达基频回波信号s_B(t)。本实施例中取f_c为3GHz，B为15MHz。

模拟乘法器将雷达基频回波信号s_B(t)与随机谐波调制信号相乘，各通道随机谐波调制信号形式如下：

$e^{-j2\mathrm{\π}{k}_m\left(\frac{f_e}{N}\right)t}$

其中，j表示复数的虚部，m=1,2…,M，为第m个通道，M为接收机通道个数，k_m为随机产生的大小在1～2M之间的互不相等的整数，f_e为奈奎斯特采样频率，N为本次处理雷达回波以f_e速率采样所得到的样本个数。本实施例中取f_e为30MHz，N为1024。

积分器的积分时间为

，其中，f_e为奈奎斯特采样频率，N为本次处理雷达回波以f_e速率采样所得到的样本个数。积分器的积分时间也可以理解为本次处理雷达回波的时间。

AD转换器采样时钟频率为

，其中，f_e为奈奎斯特采样频率，N为本次处理雷达回波以f_e速率采样所得到的样本个数。得到采样数据具体形式如下：

y=[y₁,y₂,…,y_M]^T

其中，y_m,m=1,2,…,M为第m个通道的采样数据，M为接收机通道个数。本实施例中采样频率降低了1024倍。

结合附图2对目标信息重构处理模块进行进一步说明：

1）构造观测矩阵

随机谐波调制信号等效的观测矩阵Φ形式如下：

其中， M为接收机通道个数，k₁,k₂…,k_M为随机产生的大小在1～2M之间的互不相等的整数，f_e为等效的采样频率，T_s为等效的采样间隔，N为本次处理雷达回波以f_e速率采样所得到的样本个数。本实施例中T_s为33ns。

2）构造雷达稀疏表示基矩阵

本发明中发射信号选用线性调频信号（LFM）。

雷达稀疏基矩阵Ψ的形式如下：

其中s₀(t)=rect(t/T₀)exp(jπK₀t²)为雷达发射信号的包络，t表示时间。c表示光速， r_n为待估计距离的第n个距离单元离雷达的距离。在这样的稀疏基矩阵下，基频回波信号可以表示为：

s_B(t)=Ψα+n_B(t)

式中，s_B(t)为雷达回波基频信号，n_R(t)是回波中包含的噪声信号，α为雷达目标稀疏系数。本实施例中T₀为5μs，K₀为3×10¹²Hz/s，n_R(t)为高斯噪声，r₁为4005m，r_N为9120m，r_n-r_n-1为5m，其中n=2,3…,N。

3）重构雷达目标信息

根据所构造的观测矩阵Φ和雷达稀疏表示基矩阵Ψ，采样数据y和雷达目标信息α的关系如下：

α中包含了雷达目标的距离和多普勒信息，因此，将雷达目标信息提取问题转化为如下的压缩感知理论中的稀疏重构问题：

其中，表示1-范数。本实施例中采用的稀疏重构算法为稀疏贝叶斯学习（SBL）算法。

本发明的效果通过以下仿真试验进一步说明：

1、仿真条件

雷达参数如下：雷达发射线性调频信号，载频f₀=3GHz，脉冲重复频率PRF=10KHz，脉冲宽度T=5μs，带宽B=15MHz，Nyquist采样率30MHz，信噪比SNR定义为后向散射系数最小处的散射点信噪比。

图3中，3个静止目标分别位于[6000,6500,7000]m，后向散射系数分别为[1,0.8,0.6]，信噪比为10dB。

2. 仿真内容

验证本发明目标信息估计的正确性。

3. 仿真结果分析

从图3可以看出，本发明的雷达接收机，在采样率为30KHz，N/M=5的情况下，能够有效的重构出目标稀疏系数，证明了本发明的有效性和正确性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种多通道随机谐波调制采样雷达接收机，其特征在于，包括一个混频器、M个模拟乘法器、M个积分器、M个低速AD转换器和一个目标信息重构处理模块，所述的混频器与M个模拟乘法器相连，每个模拟乘法器与一个积分器相连，每个积分器与一个低速AD转换器相连，AD转换器采样得到的数据输入到目标信息重构处理模块，目标信息重构处理模块通过构造观测矩阵、构造雷达稀疏表示基矩阵和重构雷达目标信息三个步骤完成雷达目标信息估计的目的。

2.根据权利要求1所述的多通道随机谐波调制采样雷达接收机，其特征在于，混频器将雷达回波信号与信号载频f_c混频，得到带宽为B的雷达基频回波信号。

3.根据权利要求1所述的多通道随机谐波调制采样雷达接收机，其特征在于，模拟乘法器将雷达基频回波信号与随机谐波调制信号相乘，各通道随机谐波调制信号形式如下：

$e^{-j2\mathrm{\π}{k}_m\left(\frac{f_e}{N}\right)t}$

其中，m=1,2…,M，为第m个通道，M为接收机通道个数，k_m为随机产生的大小在1～2M之间的互不相等的整数，f_e为奈奎斯特采样频率，N为本次处理雷达回波信号以f_e速率采样所得到的样本个数。

4.根据权利要求1所述的多通道随机谐波调制采样雷达接收机，其特征在于，积分器的积分时间为

，其中，f_e为奈奎斯特采样频率，N为本次处理雷达回波信号以f_e速率采样所得到的样本个数。

5.根据权利要求1所述的多通道随机谐波调制采样雷达接收机，其特征在于，AD转换器采样时钟频率为，其中，f_e为奈奎斯特采样频率，N为本次处理雷达回波以f_e速率采样所得到的样本个数；得到采样数据具体形式如下：

y=[y₁,y₂,…,y_M]^T

其中，y_m,m=1,2,…,M为第m个通道的采样数据，M为接收机通道个数。

6.根据权利要求1-5任一所述的雷达接收机的目标信息估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

A1、混频器将雷达回波信号s_R(t)与信号载频f_c混频，得到带宽为B的雷达基频回波信号s_B(t)；

A2、模拟乘法器将雷达基频回波信号s_B(t)与随机谐波调制信号相乘，各通道随机谐波调制信号形式如下：

$e^{-j2\mathrm{\π}{k}_m\left(\frac{f_e}{N}\right)t}$

其中，j表示复数的虚部，m=1,2…,M，为第m个通道，M为接收机通道个数，k_m为随机产生的大小在1～2M之间的互不相等的整数，f_e为奈奎斯特采样频率，N为本次处理雷达回波信号以f_e速率采样所得到的样本个数；

A3、积分器的积分时间为

，其中，f_e为奈奎斯特采样频率，N为本次处理雷达回波信号以f_e速率采样所得到的样本个数；

A4、AD转换器采样时钟频率为

，其中，f_e为奈奎斯特采样频率，N为本次处理雷达回波以f_e速率采样所得到的样本个数；得到采样数据具体形式如下：

y=[y₁,y₂,…,y_M]^T

其中，y_m,m=1,2,…,M为第m个通道的采样数据，M为接收机通道个数；

A5、AD转换器采样得到的数据输入到目标信息重构处理模块，目标信息重构处理模块通过构造观测矩阵、构造雷达稀疏表示基矩阵和重构雷达目标信息三个步骤完成雷达目标信息估计的目的。

7.根据权利要求6所述的目标信息估计方法，其特征在于，目标信息重构处理模块的具体方法为：

1）构造观测矩阵

随机谐波调制信号等效的观测矩阵Φ形式如下：

其中， M为接收机通道个数，k₁,k₂…,k_M为随机产生的大小在1～2M之间的互不相等的整数，f_e为等效的采样频率，T_s为等效的采样间隔，N为本次处理雷达回波以f_e速率采样所得到的样本个数；

2）构造雷达稀疏表示基矩阵

雷达稀疏基矩阵Ψ的形式如下：

其中s₀(t)=rect(t/T₀)exp(jπK₀t²)为雷达发射信号的包络，t表示时间，c表示光速， r_n为待估计距离的第n个距离单元离雷达的距离，在这样的稀疏基矩阵下，基频回波信号表示为：

s_B(t)=Ψα+n_B(t)

式中，s_B(t)为雷达回波基频信号，n_R(t)是回波中包含的噪声信号，α为雷达目标稀疏系数；

3）重构雷达目标信息

根据所构造的观测矩阵Φ和雷达稀疏表示基矩阵Ψ，采样数据y和雷达目标信息α的关系如下：

α中包含了雷达目标的距离和多普勒信息，因此，将雷达目标信息提取问题转化为如下的压缩感知理论中的稀疏重构问题：

其中，

表示1-范数。

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