CN104181521B - 一种发射多频载波的高距离分辨率雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发射多频载波的高距离分辨率雷达装置，包括发射机、接收机和信号处理单元，发射机包括有多频载波产生模块、混频器、本振源、带通滤波器、耦合器、发射天线；接收机包括有接收天线、混频器、低通滤波器、90°移相器连接、ADC模块；两个ADC模块分别接入信号处理单元，信号处理单元的信号输出端连接多频载波产生模块。本发明能够以远少于频率步进雷达的脉冲数量获得与后者相同的不模糊测量距离，即获得高分辨率距离像，并且具有更好的抗干扰和抗截获性能。

Description

一种发射多频载波的高距离分辨率雷达

技术领域

本发明涉及雷达探测领域，具体为一种发射多频载波的高距离分辨率雷达。

背景技术

频率步进雷达是一种高分辨率雷达，在军用和民用等领域有着广阔的应用前景，它获得高距离分辨率的基本过程是：顺序发射一组窄带脉冲串，其中每个脉冲的发射波形是按照固定频差均匀步进的单频载波信号，在接收端对回波信号用与其发射信号频率相同的参考本振信号进行混频，混频后的零中频信号通过正交采样可得到一组目标回波信号的复采样值，对这组复采样值进行逆离散傅立叶变换，就可以得到目标的高分辨距离像。频率步进雷达要求将N个脉冲按载波频率顺序，逐一发射完毕后才能获得目标距离像，其相干处理周期长，且发射信号载波频率和幅度具有非常明显的规律性，容易被侦测和干扰。跳频雷达通过改变脉冲的载波频率次序，增加发射信号的随机性，其接收处理与频率步进雷达基本相同：在接收端将目标回波与相应的载波信号混频，每次脉冲都能获得一个采样，在发射完N个脉冲后，将所得的采样重新按照载波频率步进的次序排列，最后通过IFFT就可以获得目标距离像。相比于频率步进雷达，由于跳频雷达的发射信号载波频率次序具有随机性，因此雷达的抗干扰和抗截获能力得到一定的提高，但由于每次发射的都是单频信号，信号结构比较简单，还是容易被侦测。本发明将公开一种新的多频雷达体制，该雷达在同一个脉冲中发射多个载波，载波幅度符合特定规律，使得它具有更好的抗干扰和抗截获能力。

发明内容

本发明的目的是公开一种获得高分辨率距离像的多频雷达装置，以解决传统的频率步进雷达和跳频雷达抗干扰和抗截获性能较低的问题。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种发射多频载波的高距离分辨率雷达装置，包括发射机、接收机和信号处理单元三部分，其特征在于：

所述的发射机包括有多频载波产生模块，多频载波产生模块的信号输出端连接混频器一的信号输入端，混频器一的信号输入端还连接本振源，混频器一的信号输出端连接带通滤波器，带通滤波器的信号输出端连接耦合器，耦合器的另一端连接发射天线；多频载波产生模块产生一组频率值按固定间隔递增的载波信号，再将该组多频载波信号上变频到高频频段并发射出去；

所述的接收机用于接收回波信号，包括有接收天线，接收天线的信号输出端分别连接混频器二、混频器三，混频器二、混频器三的信号输出端分别连接低通滤波器一、低通滤波器二，耦合器的信号输出端还分别与混频器二、90°移相器连接，90°移相器的另一端与混频器三连接，低通滤波器一、低通滤波器二的信号输出端分别与一个ADC模块连接；

所述的信号处理单元用于重构高分辨率距离像，两个ADC模块分别接入信号处理单元，信号处理单元的信号输出端连接多频载波产生模块。

所述的发射多频载波的高距离分辨率雷达装置，其特征在于：所述的发射天线的发射信号由一串次序发射的脉冲组成，每个脉冲中包含一组频率值按固定间隔递增的多载波信号，每个脉冲中所包含的多载波信号的频率组成是相同的。

所述的发射多频载波的高距离分辨率雷达装置，其特征在于：在单个脉冲中各载波分量的幅度值互不相同，但该脉冲持续时间内保持不变；在不同脉冲中，即使频率值相同的载波分量，其幅度值也不同；各载波分量的幅度值随频率值和脉冲数的不同而改变，相互之间没有关联性，构成一个二维随机矩阵。

所述的发射多频载波的高距离分辨率雷达装置，其特征在于：通过耦合器从发射机天线前耦合一部分发射信号作为混频器二的参考本振信号，混频输出信号通过低通滤波器一、二得到I、Q两路零中频分量，然后通过正交采样得到一个复采样值；雷达每发射一个脉冲，就获得一个复采样值，相应地，雷达发射一串脉冲即可获得一组复采样值。

所述的发射多频载波的高距离分辨率雷达装置，其特征在于：所述的低通滤波器一、二的截止频率远低于载波的频率间隔。

所述的发射多频载波的高距离分辨率雷达装置，其特征在于：根据压缩感知理论，将所述的一组复采样值作为观测量，将由幅度值构成的二维随机矩阵作为传感矩阵，同时输入信号处理单元，该模块通过l1范数优化得到高分辨率距离像。

本发明的额优点是：

本发明的每个发射脉冲都包含了雷达带宽内所有载波分量，但各个载波分量的幅度随脉冲次数和频率值的不同而变化；本发明能够以远少于频率步进雷达的脉冲数量获得与后者相同的不模糊测量距离，即获得高分辨率距离像，并且具有更好的抗干扰和抗截获性能。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为频率步进雷达脉冲序列的载波和幅度特性示意图。

图3为跳频雷达脉冲序列的载波和幅度特性示意图。

图4为多频雷达脉冲序列的载波和幅度特性示意图。

图5为频率步进雷达仿真距离像。

图6为多频雷达仿真距离像(M＝128)。

图7为多频雷达仿真距离像(M＝96)。

图8为多频雷达仿真距离像(M＝64)。

图9为多频雷达仿真距离像(M＝43)。

具体实施方式

频率步进雷达是一种传统的高距离分辨率雷达，该雷达完成一次探测需发射N个窄带脉冲，相邻脉冲的载波频差为Δf，那么发射的第n个脉冲信号可以表示为

其中 $\mathrm{rect}\left[t\right]=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|t\right|\≤1\\ 0& \mathrm{other}\end{array}\right.$ 表示矩形窗函数，f_n＝f₀+nΔf是载波频率，T_p，T_r，f₀和分别表示脉冲时宽，脉冲重复频率，初始频率和初始相位。

对于距离雷达为R的静止目标来说，其反射回波为

$s_n\left(t\right)=\mathrm{\σrect}\left[\frac{2(t-n{T}_r-\mathrm{\τ})}{T_p}\right]\exp [j2\mathrm{\π}{f}_n(t-\mathrm{\τ})+{\mathrm{\θ}}_n]---\left(2\right)$

其中τ＝2R/c(c为光速)表示雷达到目标的双程传输时延，σ是目标的反射系数。

设接收端相应的参考本振信号为

其中R_ref是参考距离，τ_ref＝2R_ref/c是根据参考距离计算出来的参考时延。

将接收回波与参考本振混频，并通过低通滤波器，滤除上边带信号后，可得到

$\begin{array}{c}{x}_n\left(t\right)=s_n^{*}({\mathrm{nT}}_r+T_p/2)u_n^{\′}({\mathrm{nT}}_r+T_p/2)\\ =\mathrm{\σexp}\left\{j2\mathrm{\π}\right[\mathrm{n\Δf}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ref}})+f_0(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ref}})\left]\right\}\end{array}---\left(4\right)$

可见，对于静止目标来说，混频后的信号x_n(t)是一个与时间无关的常量信号，对该信号采样后可获得

x_n＝σexp{j2πf₀(τ-τ_ref)}·exp{j2πΔf(τ-τ_ref)n} (5)

每个脉冲都能获得一个采样x_n，在N个脉冲全都发射完之后，即可获得N个采样，对这些采样进行IFFT变换即可获得目标距离像，IFFT变换过程用公式表示为

$\mathrm{\θ}\left(k\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)\exp \left[\mathrm{jkn}\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right]$ k＝0,1,...,N-1 (6)

系数θ(k)即表示了在相应距离上目标散射系数的强度，通过N个系数的顺序排列就构成了目标距离像。

若将θ(k)、x(n)写成列向量的形式，而IFFT变换因子写成矩阵形式：

Θ_N×1＝[θ(0),θ(1),...,θ(N-1)]^T

x_N×1＝[x(0),x(1),...,x(N-1)]^T

${\mathrm{\Ψ}}_{N\×N}^T(k,n)=\exp \left[\mathrm{jkn}\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right]$

则式(6)可以重新写为

${\mathrm{\Θ}}_{N\×1}={\mathrm{\Ψ}}_{N\×N}^T{x}_{N\×1}---\left(7\right)$

频率步进雷达要求将N个脉冲按照载波频率顺序逐一发射完毕后才能获得目标距离像，其相干处理周期长，容易被侦测和干扰。为克服频率步进雷达这一缺点，人们发明了跳频雷达，跳频雷达通过改变脉冲的载波发射次序，增加发射信号的随机性，提高雷达的抗截获和抗干扰能力。

跳频雷达第n个脉冲的发射信号为

其中F_n＝f₀+C_nΔf，C_n为序列0,1,…,N-1的某种排列，排列次序由跳频雷达的编码方式决定。

相比于频率步进雷达，由于跳频雷达的发射信号载波频率次序具有随机性，因此雷达的抗干扰和抗截获能力得到一定的提高，但每次发射的都是单频信号，信号结构比较简单，还是容易被侦测。本发明将压缩感知概念引入宽带雷达系统设计中，在频率步进和跳频雷达的基础上设计出了一个新的多频雷达，该雷达在同一个脉冲中发射多个载波，不同载波被随机幅度所调制，该雷达只需发射远小于频率步进雷达和跳频雷达的脉冲即可获得与后两者相同的不模糊测量距离，并且由于加入了随机的幅度调制，使得它具有更好的抗干扰和抗截获能力。

压缩感知理论指出只要信号是可压缩的或在某个变换域是稀疏的，那么就可以用一个与变换基不相关的观测矩阵将所得的高维信号投影到一个低维空间上，然后通过求解一个优化问题就可以从这些少量的投影中以高概率重构原信号。

根据压缩感知理论，长度为N的实信号x可被写为属于RN空间的一个列向量，设信号可以在正交基Ψ＝[ψ₁,ψ₂,...,ψ_N]上表示为

$x=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_n{\mathrm{\ψ}}_n$ or x＝ΨΘ (9)

其中θ_n＝<x,ψ_n>是x在正交基上的分解系数，如果θ_n的非零项数量不大于K，则该信号被认为是K项稀疏的。若用通过一个与基矩阵Ψ不相关的观测矩阵Φ将信号投影到低维空间R^M中(为了保证与基矩阵Ψ不相关，观测矩阵Φ常采用随机矩阵)

y＝ΦΨ^Tx＝Ax (10)

其中A＝ΦΨ^T被称为CS信息算子，只要M≥O(Nlog(K))，就可以通过解l₁范数优化问题，从低维投影中恢复出原信号，恢复过程用公式表示为

$\min {\left|\right|{\mathrm{\&Psi;}}^T\hat{x}\left|\right|}_1$ s.t.y＝Ax (11)

若所求的是信号在正交基Ψ上的系数Θ，则恢复过程可重写为

$\min {\left|\right|\widehat{\mathrm{\&Theta;}}\left|\right|}_1$ s.t.y＝Ax＝ΦΘ (12)

在实际应用中，特别是对空和对海侦察中，雷达所关注的是飞机和舰船等少数目标，这些目标相对雷达观测区域在空间上具有很强的稀疏性，从直观感觉上来说，压缩感知有可能成为雷达设计的一个新方向。加强发射信号的随机性可以获得更好的模糊函数特性，并且能够提高雷达的抗干扰和抗截获能力，而压缩感知的传感矩阵在多数情况下需具备随机性，因此二者之间也存在某种内在联系。本发明将压缩感知概念引入宽带雷达系统设计中，在频率步进和跳频雷达的基础上设计出了一种新的多频雷达体制。

多频雷达的系统结构如图1所示，一种发射多频载波的高距离分辨率雷达装置，包括发射机1、接收机2和信号处理单元3三部分，发射机1包括有多频载波产生模块4，多频载波产生模块4的信号输出端连接混频器5的信号输入端，混频器5的信号输入端还连接本振源6，混频器5的信号输出端连接带通滤波器7，带通滤波器7的信号输出端连接耦合器8，耦合器8的另一端连接发射天线9；接收机2用于接收回波信号，包括有接收天线10，接收天线10的信号输出端分别连接混频器11、混频器12，混频器11、混频器12的信号输出端分别连接低通滤波器13、低通滤波器14，耦合器8的信号输出端还分别与混频器11、90°移相器连接15，90°移相器15的另一端与混频器12连接，低通滤波器13、低通滤波器14得信号输出端分别与一个ADC模块16连接；信号处理单元3用于重构高分辨率距离像，两个ADC模块16分别接入信号处理单元3，信号处理单元3的信号输出端连接多频载波产生模块4。

多频载波产生模块4用于产生一组频率值按固定间隔递增、但幅度值具有随机性的载波信号，该组载波可表示为

$\sqrt{A_{\mathrm{mn}}}\cos \left(2\mathrm{\&pi;n\&Delta;ft}\right)$ n＝1，2，...N (13)

其中下表m代表脉冲数，n代表频率数，Δf表示频率间隔，N表示载波数量，表示第m个脉冲中第n个载波的幅度值。在同一脉冲中各载波分量的幅度值互不相同，在不同脉冲中，即使频率值相同的载波分量，其幅度值也不同。各载波分量的幅度值随频率值和脉冲数的不同而改变，相互之间没有关联性，构成一个二维随机矩阵。

A＝[A_mn]_M×N (14)

多频载波产生模块产生的低频多频信号经过上变频后被发射出去，第m个脉冲发射信号可以表示为

其中f_n＝f₀+nΔf，f₀表示本振源频率。

对于与雷达距离为R的静止目标，反射第m个脉冲所得的回波为

其中τ＝2R/c(c为光速)，σ是目标的反射系数。

通过耦合器从发射机天线前耦合一部分发射信号作为正交混频器的参考本振信号

s_m(t)与u'_m(t)混频后得到

观察上式可以发现，等式右边只有第一项对距离像有贡献，而且幸运的是，第一项与后几项在频谱上具有很大差别：第一项为常数项，而后几项的信号频率总是等于或大于Δf，因此在混频后通过一个截止频率远低于Δf的低通滤波器就可以滤除后几项。之后经过复采样即可得到

$y_{\mathrm{real}}\left(m\right)=\mathrm{\&sigma;}\underset{n=1}{\overset{n=N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_{\mathrm{mn}}\cos \left\{j2\mathrm{\&pi;}\right[\mathrm{n\&Delta;f}(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{ref}})+f_0(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{ref}})\left]\right\}---\left(19\right)$

$y_{\mathrm{imag}}\left(m\right)=\mathrm{\&sigma;}\underset{n=1}{\overset{n=N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{A}_{\mathrm{mn}}\sin \left\{j2\mathrm{\&pi;}\right[\mathrm{n\&Delta;f}(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{ref}})+f_0(\mathrm{\&tau;}-{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{ref}})\left]\right\}---\left(20\right)$

其中y_real和y_imag分别是采样的实部和虚部。

对照压缩感知定义，可发现本系统与压缩感知理论的对应关系。本系统中载波幅度值构成的二维随机矩阵与压缩感知的CS信息算子对应，多频雷达获得的采样信号y是由目标反射系数σ通过信息算子A投影得到，系统中的信息算子A是由观测矩阵Φ与逆傅里叶基矩阵Ψ相乘得到，因此本系统的观测矩阵可表示为

Θ＝AΨ (21)

利用式(11)表示l₁范数优化问题来从y中恢复距离像信息：

$\min {\left|\right|{\widehat{\mathrm{\&Theta;}}}_{\mathrm{real}}\left|\right|}_1$ s.t.y_real＝ΦΘ_real (22)

$\min {\left|\right|{\widehat{\mathrm{\&Theta;}}}_{\mathrm{imag}}\left|\right|}_1$ s.t.y_imag＝ΦΘ_imag (23)

复距离像即由Θ_real和Θ_imag构成：

$\mathrm{\&Theta;}={\widehat{\mathrm{\&Theta;}}}_{\mathrm{real}}+j{\widehat{\mathrm{\&Theta;}}}_{\mathrm{imag}}---\left(24\right)$

图2、图3和图4分别表示了三种雷达的发射脉冲序列的载波频率和幅度特性。频率步进雷达每个脉冲只有一个载波，载波频率随脉冲序号是线性递进的，并且各个脉冲的幅度都是一致的。跳频雷达除了载波频率值相对脉冲序号有一个随机跳变外，其他特性基本与频率步进雷达没有区别。多频雷达每个脉冲都包含了频率步进和跳频雷达发射过的所有载波，并且每个载波都被赋予了一个随机的幅度调制。虽然多频雷达在系统构成上和信号处理上都比其他两种雷达付出的代价更大，但它能够以更少的脉冲数量获得与另两种雷达相同的非模糊测量距离，并且它的幅度调制增强了发射信号的随机性，因此它能够更好地消除距离-多普勒耦合现象，此外，它还可以提高雷达的抗干扰和抗截获性能。

下面详细描述本发明的实施例。

目标由6个孤立散射点构成，各散射点反射强度相等，到雷达的距离分别为982.75、981.29、987.28、998.14、1005.57、1007.84米。频率步进和多频雷达的初始频率均为10GHz，带宽均为300MHz。频率步进雷达发射128个脉冲，获得的距离像如图5所示。图6、图7、图8和图9显示了多频雷达发射脉冲数M分别为128、96、64和43时所获得的距离像，从图中可看出，随着脉冲数的减少，距离像质量逐渐下降，具体表现为杂散强度的升高和散射点强度的波动。根据压缩感知理论，多频雷达中正确恢复目标距离像所需的脉冲数量是与目标的稀疏程度直接相关的，当脉冲数量减少时，距离像质量自然会下降，当脉冲数量小于O(Nlog(K))时，则距离像不可能被恢复。

Claims (2)

1.一种发射多频载波的高距离分辨率雷达装置，包括发射机、接收机和信号处理单元三部分，其特征在于：所述的发射机包括有多频载波产生模块，多频载波产生模块的信号输出端连接混频器一的信号输入端，混频器一的信号输入端还连接本振源，混频器一的信号输出端连接带通滤波器，带通滤波器的信号输出端连接耦合器，耦合器的另一端连接发射天线；多频载波产生模块产生一组频率值按固定间隔递增的载波信号，再将该组多频载波信号上变频到高频频段并发射出去；

所述的接收机用于接收回波信号，包括有接收天线，接收天线的信号输出端分别连接混频器二、混频器三，混频器二、混频器三的信号输出端分别连接低通滤波器一、低通滤波器二，耦合器的信号输出端还分别与混频器二、90°移相器连接，90°移相器的另一端与混频器三连接，低通滤波器一、低通滤波器二的信号输出端分别与一个ADC模块连接；

所述的信号处理单元用于重构高分辨率距离像，两个ADC模块分别接入信号处理单元，信号处理单元的信号输出端连接多频载波产生模块；

所述的发射天线的发射信号由一串次序发射的脉冲组成，每个脉冲中包含一组频率值按固定间隔递增的多载波信号，每个脉冲中所包含的多载波信号的频率组成是相同的；

在单个脉冲中各载波分量的幅度值互不相同，但该脉冲持续时间内保持不变；在不同脉冲中，即使频率值相同的载波分量，其幅度值也不同；各载波分量的幅度值随频率值和脉冲数的不同而改变，相互之间没有关联性，构成一个二维随机矩阵；通过耦合器从发射机天线前耦合一部分发射信号作为混频器二的参考本振信号，混频输出信号通过低通滤波器一、二得到I、Q两路零中频分量，然后通过正交采样得到一个复采样值；雷达每发射一个脉冲，就获得一个复采样值，相应地，雷达发射一串脉冲即可获得一组复采样值；

所述的低通滤波器一、二的截止频率远低于载波的频率间隔。

2.根据权利要求1所述的发射多频载波的高距离分辨率雷达装置，其特征在于：根据压缩感知理论，将所述的一组复采样值作为观测量，将由幅度值构成的二维随机矩阵作为传感矩阵，同时输入信号处理单元，该模块通过范数优化得到高分辨率距离像。