CN103792517A - 一种连续脉冲雷达发射信号编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连续脉冲雷达发射信号编码方法，该方法的技术方案包括以下步骤：步骤S1：根据连续脉冲雷达系统要求设定发射子脉冲的时宽和带宽；步骤S2：根据时宽和带宽对发射子脉冲进行分组和排列，得到发射子脉冲分组数据和排列数据；步骤S3：根据分组数据和排列数据，选择最佳的接收间隔，获得连续脉冲雷达发射信号编码。本发明将相邻子带从时间上隔开，降低了信号恢复的难度；多个发射子脉冲的交替发射，提高了整个信号的发射平均功率，直接提高了雷达的作用距离。

Description

一种连续脉冲雷达发射信号编码方法

技术领域

本发明涉及雷达波形设计领域，特别是连续脉冲雷达发射信号编码方法。

背景技术

连续脉冲雷达是一种新体制合成孔径雷达(Synthesis ApertureRadar—SAR)，它以预定脉冲编码方式发射一组连续脉冲信号，在脉冲间隔接收回波，然后通过信号处理的方式合成单脉冲回波。该体制雷达能够将发射机的工作比提高到40％以上，直接将发射机的峰值功率降到10W量级，实现了重量小于5kg的连续脉冲雷达作用距离达到10km以上的高性能。

编码方法是连续脉冲雷达的关键技术，它直接决定系统的架构和信号恢复方法。在连续脉冲雷达中，编码方法灵活，基本设计准则为：能够从连续脉冲回波信号中恢复整个原始脉冲信号的回波。在满足此条件的基础上，一种好的信号编码方式能够降低接收机和记录设备的压力；能够在不损失信号能量的情况下，方便信号恢复。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种易于恢复完整的回波信号、降低重复发射子脉冲的冗余度、提高发射信号的平均功率的连续脉冲雷达发射信号编码方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明一种连续脉冲雷达发射信号编码方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据连续脉冲雷达系统要求设定发射子脉冲的时宽和带宽；

步骤S2：根据时宽和带宽对发射子脉冲进行分组和排列，得到发射子脉冲分组数据和排列数据；

步骤S3：根据分组数据和排列数据，选择最佳的接收间隔，获得连续脉冲雷达发射信号编码。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

(1)提供了一种连续脉冲雷达发射信号编码方法

连续脉冲雷达的编码方法非常灵活，此前没有一种系统的设计方法，本发明提供的一种发射信号编码方法解决了这一问题。

(2)能够减少发射子脉冲的冗余度

通过采用上述技术方案，能够最大限度地降低此种架构下发射子脉冲回波的冗余度。理论上，最理想的编码方式是保证每一个发射子脉冲的各个接收时刻都是等概率接收的。换句话说，发射5个发射相同形式的子脉冲，那么在每一个接收时刻应该出现5次相同的回波信号。由于编码方式缘故实际情况并非如此，例如发射5个发射相同形式的子脉冲，可能在t1时刻接收5次回波，在t2时刻接收3次回波，在t3时刻接收4次回波。显然在各个时刻这不是等概率接收，此时，发射5次发射子脉冲，有效接收次数为3次。脉冲的冗余度为40％。在本方案中，利用枚举法得到的最佳接收间隔能够保证在脉冲的冗余度控制到最小。降低冗余度直接提高了脉冲的使用率，最有效利用了发射机的峰值功率。

(3)降低信号恢复的难度

采用上述技术方案，相邻的子带通过组内分成奇偶两个子组的方式从时间上分开，它们之间的间隔大于测绘带对应的延时，所以，处理的测绘带内的距离向回波数据中，不会出现相邻频率的子带；于是，将原始回波信号切分成为N段，每一段要么出现奇数编号发射子脉冲回波信号，要么出现偶数编号发射子脉冲回波信号。

信号恢复的流程为：首先从原始回波数据中恢复中各个发射子脉冲的回波信号；将相同频率的发射子脉冲回波信号相干合成；不同频率的发射子脉冲回波信号宽带合成，得到最终的一个单脉冲的完整回波信号。

从信号恢复的流程来看，采用上述技术方案，对于每一段回波数据应用不同的滤波器可以很容易就提取出不同频率发射子脉冲回波信号，大大简化了各个发射子脉冲回波信号恢复过程。

(4)适合多通道接收

连续脉冲雷达的一个特点是回波信号的时间很长，高分辨率模式下，采样率高，采样时间长，数据量很大，记录器的负担重。

本发明采用的将宽带信号分成N个子带，并且相邻子带在时间上分开的技术方案非常适合频域多通道接收。多通道接收的最大一个优点是：极大地降低数据采样率，由此降低了数据采集部分的大缓存容量和记录器的大记录速度要求，缓解了单通道接收的难度。

附图说明

图1示出本发明连续脉冲雷达发射信号编码方法的流程图；

图2示出连续脉冲雷达发射信号实际编码形式；

图3示出飞行试验中获取的原始回波信号；

图4示出恢复出来的完整回波信号；

图5示出经过成像处理得到的雷达图像。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

参考图1，给出了一种连续脉冲雷达发射信号编码方法的流程图。

第一步，根据连续脉冲雷达系统要求确定发射子脉冲的时宽和带宽；

连续脉冲雷达系统要求为：距离向分辨率、发射机的峰值功率、最远作用距离和最近作用距离。发射子脉冲的时宽和带宽确定的步骤为：

步骤S11：根据距离分辨率确定发射信号的带宽；发射信号的带宽和距离分辨率的关系为：

$B_r=\frac{c}{2{\mathrm{\ρ}}_r}---\left(1\right)$

式中：ρ_r为距离向分辨率；c为光速；B_r为发射信号带宽。

回波信号经过解调后得到基带信号的频率范围为：

步骤S12：根据最远作用距离R_max和最近作用距离R_min，得到回波信号相对于发射信号的最远延时τ_F和最近延时τ_E并表示如下：

${\mathrm{\τ}}_F=\frac{2R_{\max }}{c}---\left(2\right)$

${\mathrm{\τ}}_E=\frac{2R_{\min }}{c}---\left(3\right)$

步骤S13：确定单脉冲发射信号脉冲宽度T_total；

根据系统参数和最远作用距离要求，利用合成孔径雷达雷达方程确定发射机需要达到的峰值功率，据此，结合所采用发射机的平均功率确定单脉冲发射信号脉冲宽度T₁；合成孔径雷达雷达方程参考文献《HighResolution Radar》。

根据不相同信号频率范围的发射子脉冲之间的时间间隔T₁和为了防止距离模糊，需要保证两个相同信号频率范围的发射子脉冲之间的时间间隔T₂满足：

T₂≥τ_F-τ_E              (3)

综上，单脉冲发射信号脉冲宽度T_total取T₁和T₂中的最大值。

步骤S14：根据单脉冲发射信号脉冲宽度T_total、最近延时τ_E和单脉冲发射信号脉冲重复周期PRT，通过公式4确定发射子脉冲的个数N；

$\left\{\begin{array}{c}N\&times;T_{\mathrm{total}}<\mathrm{PRT}\\ \frac{T_{\mathrm{total}}}{N}\&le;{\mathrm{\&tau;}}_E\end{array}\right.---\left(4\right)$

步骤S15：根据单脉冲发射信号脉冲宽度T_total和发射子脉冲的个数N，通过公式5计算得到发射子脉冲的宽度T；

$T=\frac{T_{\mathrm{total}}}{N}\&times;(1+2*C)---\left(5\right)$

其中：C表示重叠率。

步骤S16：根据单脉冲发射信号带宽B_r和发射子脉冲个数N，通过公式6计算得到子脉冲的中心频率f_j(j=1，2，…，N)和带宽B；

$\left\{\begin{array}{c}{f}_j=-\frac{B_r}{2}+(j-\frac{1}{2})\&times;B\\ B=\frac{B_r}{N}\&times;(1+2*C)\end{array}\right.---\left(6\right)$

至此，确定了连续脉冲雷达发射子脉冲的个数N，得到第j个发射子脉冲的中心频率f_j(j=1，2，…，N)和发射子脉冲的带宽B。

在实施的过程中，确定了发射子脉冲的理想时宽和带宽后，相邻子带之间需要考虑一定的重叠度，上面提到的重叠率C表示相邻子带重叠的频率部分和理想子带带宽B_r／N的比值。一般C设定为大于20％。主要保证发射和接收过程中所用滤波器不会将有效带宽内的信号滤除，确保宽带和子带能够正确合成。所有具有不相同信号频率范围的发射子脉冲的脉宽之和大于或等于发射信号脉冲宽度T_total。所有具有不相同信号频率范围的发射子脉冲的带宽之和大于或等于发射信号带宽B_r。对所述发射子脉冲进行分组是将频域相邻的所有发射子脉冲在时域中分开，用于保证相邻频带发射子脉冲回波信号时域不重叠；所有具有不相同信号频率范围的发射子脉冲之间的时间间隔T₁大于最远延时与最近延时之差T₁≥τ_F—τ_E，用于保证相同信号频率范围的发射子脉冲的回波信号不重叠。

第二步，对发射子脉冲进行分组和排列，得到发射子脉冲分组数据和排列数据；

对发射子脉冲进行分组和排列的步骤包括：

步骤S21：对N个发射子脉冲进行编号，得到按照编号分成奇数编号发射子脉冲和偶数编号发射子脉冲；

步骤S22：在一个发射周期内发射N×N／2个发射子脉冲；将发射子脉冲被分成N／2个组，每一组包含相同的发射子脉冲；

步骤S23：将第一组发射子脉冲分成子组A1和子组B1，子组A1由奇数编号发射子脉冲组成；子组B1由偶数编号发射子脉冲组成；两个子组中的发射子脉冲按照频率从低到高的顺序排列，每一个子组的结构完全一样：每一个发射子脉冲的接收时间T或2T或发射时间为T或2T；

步骤S24：从第二组发射子脉冲到第N／2组发射子脉冲同样被分成子组Ai和子组Bi子组，子组Ai由子组A1的发射子脉冲左移i-1个发射子脉冲得到，其中i子组的数目，i＝2，3，…，N／2。由步骤S21-步骤S24得到的数据为发射子脉冲分组数据和排列数据。

第三步，根据分组数据和排列数据，选择最佳的接收间隔，获得连续脉冲雷达发射信号编码。

利用枚举法获得最佳接收间隔的步骤如下：

步骤S31：根据每一个发射子脉冲的接收时间T或2T或发射时间T或2T，得到种回波信号组合，N为发射子脉冲的数量；

步骤S32：设定子脉冲发射后第mT的时间能够接收回波信号；mT的取值从T到KT，KT表示下一个脉冲重复频率信号到来时刻，mT是一个时间量，m是一个数字量，其取值从1到K；K也是一个数字量，例如：T为1微秒，下一个脉冲重复频率信号到来时刻为100微秒，那么K就为100。

步骤S33：对每一个回波信号组合进行统计，得到相同子脉冲在第mT的时刻出现的次数n；

步骤S34：去除在mT的时刻上出现的次数n为0的回波信号组合；

步骤S35：根据在第mT的时刻出现的次数n，对回波信号组合的方差δ进行计算并表示如下：

δ=∑(n²-(mean(n))²)         (7)

公式7中：mean(n)表示均值；取方差最小的那个回波信号组合所对应的接收间隔作为最佳的接收间隔，从而找出最佳回波信号组合。

在连续脉冲雷达中，通过试验发现：发射L组相同的发射子脉冲，并不能够恢复出L个完整的回波信号，而只能够恢复其中的K个完整回波信号，剩余的L-KK个为不完整的回波信号，发射子脉冲有效利用率为η＝KK／L×100％。所以在实际中，确定总的发射信号脉冲宽度T_total时，经过上述步骤得到的发射信号脉冲宽度，还需要考虑到发射子脉冲的有效利用率，即将其除以η作为发射信号的总脉宽T_total。

参考图2，给出了实际飞行试验中采用本发明设计出来的发射信号编码形式。发射信号的带宽共400MHz，发射子脉冲的个数为10个，每一个的带宽为60MHz(重叠率C为25％)，脉冲宽度为2.112微秒。连续脉冲组共分A、B、C、D、E五组，每组有10个脉冲，脉冲宽度均为2.112微秒，脉冲间隔，低电平较长的是4.224微秒，较短的是2.112微秒；A组第一个脉冲为A1，E组的第10个脉冲为E10，依此类推。图中高电平表示信号的发射，低电平表示信号的接收。各个发射子脉冲的频率范围如表1所示。

表1发射子脉冲的频率范围

	起始频率(MHz)	终止频率(MHz)
			A1	—210	-150
A2	—130	-70
			A3	—50	10
A4	30	90
			A5	110	170
A6	—170	-110
			A7	—90	-30
A8	—10	50
			A9	70	130
A10	150	210
			B1	—130	-70
B2	—50	10
			B3	30	90
B4	110	170
			B5	—210	-150
B6	—90	-30
			B7	—10	50
B8	70	130
			B9	150	210
B10	-170	—110
			C1	—50	10
C2	30	90
			C3	110	170
C4	—210	-150
			C5	—130	-70
C6	—10	50
			C7	70	130
C8	150	210
			C9	—170	-110
C10	-90	-30
			D1	30	90
D2	110	170
			D3	—210	-150
D4	—130	-70
			D5	—50	10
D6	70	130
			D7	150	210
D8	—170	-110
			D9	—90	-30

D10	-10	50
			E1	110	170
E2	—210	-150
			E3	—130	-70
E4	—50	10
			E5	30	90
E6	150	210
			E7	—170	-110
E8	—90	-30
			E9	—10	50
E10	70	130

参考图3，给出了实际飞行试验中采集到的一条距离线回波信号，并示出基带回波信号实部和基带回波信号虚部。其中发射时刻用直线代替，采样率为500MSPS；最前面的直线是在实际的接收过程中考虑最近作用距离的影响，没有采集数据，而是用一条直线代替。雷达的发射信号为图2所示的连续脉冲组。

参考图4，给出了经过信号恢复处理后得到的单脉冲完整的回波信号，并示出单脉冲回波信号实部和单脉冲回波信号虚部。其中起始距离为3.8km，测绘宽度为7.5km。因为没有经过脉冲压缩和成像处理，暂时从图3难以判断信号恢复是否正确，不过从其信号的形状可以初步判断信号恢复出来的单脉冲回波信号与单脉冲回波基本相同。

参考图5，给出了信号恢复后单脉冲回波经过成像处理得到的雷达图像。该图像证明了本发明提出的发射信号编码方法是可行的。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (10)

1.一种连续脉冲雷达发射信号编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据连续脉冲雷达系统要求设定发射子脉冲的时宽和带宽；

步骤S2：根据时宽和带宽对发射子脉冲进行分组和排列，得到发射子脉冲分组数据和排列数据；

步骤S3：根据分组数据和排列数据，选择最佳的接收间隔，获得连续脉冲雷达发射信号编码。

2.根据权利要求1所述的连续脉冲雷达发射信号编码方法，其特征在于，所述连续脉冲雷达系统要求包括：距离向分辨率、发射机的峰值功率、最远作用距离和最近作用距离。

3.根据权利要求2所述的连续脉冲雷达发射信号编码方法，其特征在于，所述设定发射子脉冲时宽和带宽的步骤为：

步骤S11：根据距离分辨率ρ_r和光速c确定发射信号带宽

步骤S12：根据最远作用距离R_max和最近作用距离R_min，得到回波信号相对于发射信号的最远延时

和最近延时

步骤S13：根据不相同信号频率范围的发射子脉冲之间的时间间隔T₁和为了防止距离模糊设定两个相同信号频率范围的发射子脉冲之间的时间间隔T₂≥τ_F-τ_E中的最大值，确定单脉冲发射信号脉冲宽度T_total；

步骤S14：根据单脉冲发射信号脉冲宽度T_total、最近延时τ_E和单脉冲发射信号脉冲重复周期PRT，通过公式 $\left\{\begin{array}{c}N\&times;T_{\mathrm{total}}<\mathrm{PRT}\\ \frac{T_{\mathrm{total}}}{N}\&le;{\mathrm{\&tau;}}_E\end{array}\right.$ 确定得到发射子脉冲的个数N；

步骤S15：根据单脉冲发射信号脉冲宽度T_total和发射子脉冲个数N，得到发射子脉冲的宽度

C表示重叠率；

步骤S16：根据单脉冲发射信号带宽B_r和发射子脉冲个数N，通过公式 $\left\{\begin{array}{c}{f}_j=-\frac{B_r}{2}+(j-\frac{1}{2})\&times;B\\ B=\frac{B_r}{N}\&times;(1+2*C)\end{array}\right.$ 计算得到第j个发射子脉冲的中心频率f_j和发射子脉冲的带宽B，其中：j=1，2，…，N。

4.根据权利要求3所示的连续脉冲雷达发射信号编码方法，其特征在于，所述重叠率C表示相邻子带重叠的频率部分和理想子带带宽B_r／N的比值。

5.根据权利要求3所述的连续脉冲雷达发射信号编码方法，其特征在于，所有具有不相同信号频率范围的发射子脉冲的脉宽之和大于或等于发射信号脉冲宽度T_total。

6.根据权利要求3所述的连续脉冲雷达发射信号编码方法，其特征在于，所有具有不相同信号频率范围的发射子脉冲的带宽之和大于或等于发射信号带宽B_r。

7.根据权利要求3所述的连续脉冲雷达发射信号编码方法，其特征在于，对所述发射子脉冲进行分组是将频域相邻的所有发射子脉冲在时域中分开，用于保证相邻频带发射子脉冲回波信号时域不重叠；所有具有不相同信号频率范围的发射子脉冲之间的时间间隔T₁大于最远延时与最近延时之差T₁≥τ_F-τ_E，用于保证相同信号频率范围的发射子脉冲的回波信号不重叠。

8.根据权利要求1所述的连续脉冲雷达发射信号编码方法，其特征在于，所述对发射子脉冲进行分组和排列，得到发射子脉冲分组数据和排列数据的步骤包括：

步骤S21：对N个发射子脉冲进行编号，得到按照编号分成奇数编号发射子脉冲和偶数编号发射子脉冲；

步骤S22：在一个发射周期内发射N×N／2个发射子脉冲；将发射子脉冲分成N／2个组；每一组包含相同的发射子脉冲；

步骤S23：将第一组发射子脉冲分成子组A1和子组B1，子组A1由奇数编号发射子脉冲组成；子组B1由偶数编号发射子脉冲组成，将两个子组中的发射子脉冲按照频率从低到高的顺序排列；

步骤S24：从第二组发射子脉冲到第N组发射子脉冲同样被分成子组Ai和子组Bi，子组Ai由子组A1的发射子脉冲左移i-1个发射子脉冲得到，其中i为子组的数目，i＝2，3，…，N／2。

9.根据权利要求8所述的连续脉冲雷达发射信号编码方法，其特征在于，所述每一个子组具有相同的结构，每一个发射子脉冲的接收时间或发射时间为T或2T。

10.根据权利要求8所述的连续脉冲雷达发射信号编码方法，其特征在于，利用枚举法和分组数据和排列数据，获得最佳接收间隔的步骤如下：

步骤S31：根据每一个发射子脉冲的接收时间T或2T或发射时间T或2T，得到

种回波信号组合，N为发射子脉冲的个数；

步骤S32：设定子脉冲发射后第mT的时间能够接收回波信号；mT的取值从T到KT，KT表示下一个脉冲重复频率信号到来时刻；

步骤S33：对每一个回波信号组合进行统计，得到相同子脉冲在第mT的时刻出现的次数n；

步骤S34：去除在mT的时刻上出现的次数n为0的回波信号组合；

步骤S35：根据在第mT的时刻出现的次数n，对回波信号组合的方差δ进行计算并表示如下：

δ=∑(n²-(mean(n))²)

式中：mean(n)表示均值，取方差最小的那个回波信号组合所对应的接收间隔作为最佳的接收间隔，从而找出最佳回波信号组合。

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