CN104239683A - 一种基于改变信号调频率的解距离—速度模糊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于改变信号调频率的解距离—速度模糊方法，该方法在脉冲信号带宽、脉冲重复频率不变的前提下，通过选取不同的信号时宽设计N个脉冲信号，雷达依照时序发射脉冲信号并接收脉冲信号的回波信号，利用设计的匹配滤波器对回波信号进行匹配滤波并判断是否实现有效脉压，得到距离模糊次数并计算无模糊距离和无模糊速度。

Description

一种基于改变信号调频率的解距离—速度模糊方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理领域，特别是涉及一种基于改变信号调频率的解距离—速度模糊方法。 

背景技术

对于高速运动目标，脉冲多普勒雷达存在距离—速度测量模糊矛盾问题，若要保证距离不模糊，则需要降低脉冲重复频率；而为了速度不模糊需要尽量提高脉冲重复频率。 

脉冲雷达一般按照距离不模糊原则设计雷达脉冲波形，而速度模糊问题则利用距离微分、多载频、多重频(距离均不模糊、速度模糊)等方法进行解算。距离微分方法多应用于孤立点目标测量情况，当距离测量精度足够高时可通过连续距离测量的微分值进行速度模糊次数的计算；但对于空地或空海应用雷达，由于速度模糊，高速运动的目标的速度谱模糊后将有可能落入地杂波区域，从而被地/海杂波所掩盖而无法解算出来，此时利用距离微分方法实现目标的捕获都是十分困难的；多载频法解模糊是利用变发射频率的方法使多次测量的多普勒频率发生变化，从而实现对速度模糊次数的计算，该方法工程应用实例较少，其主要原因是变频会大大增加系统的复杂度。保证距离不模糊的多重频设计方法是目前解算距离—速度模糊比较常用的方法，该方法设计多种脉冲重复频率，得到多个模糊的多普勒测量值，通过余数定理实现对速度模糊次数的解算。该方法虽能检测到由于模糊落入地/海杂波区域的目标，但仍存在以下主要缺点： 

1)算法所需脉冲重复频率的种类较多，且无法进行统一的相干积累，需针对不同脉冲重复频率分别积累，系统实现较为复杂； 

2)利用余数定理解算模糊次数时，由于目标视线向变化、平台抖动等因素影响，余数定理有时无法获得收敛解； 

3)由于脉冲重复频率的种类较多，脉冲雷达测量目标的周期会延长，影响雷达的数据更新率指标。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于改变信号调频率的解距离—速度模糊方法，该方法能够保证脉冲信号的距离分辨率和多普勒分辨率相同，并提高系统数据更新率。 

本发明的上述目的通过下述技术方案予以实现： 

一种基于改变信号调频率的解距离—速度模糊方法，包括下列步骤： 

(1)初始化雷达系统参数，包括最远作用距离R_max、目标最大速度V_max，最近作用距离R_min，距离分辨率Δτ、多普勒分辨率Δf、系统信号波长λ； 

(2)计算脉冲信号个数N： 

N＝round(8R_maxV_max/(cλ)) 

其中，round为向上取整操作符，c为光速； 

(3)计算脉冲信号带宽B＝c/(2Δτ)，并计算脉冲信号重复频率PRF＝2V_max/λ； 

(4)在0<τ≤(2R_min/c)区间内选择N个信号时宽，分别为τ₁、τ₂、…、τ_N，根据设定的信号时宽生成脉冲信号，将所述脉冲信号依次编号为1～N，其中，所述N个脉冲信号的带宽均等于B，脉冲重复频率均等于PRF，且脉冲信号类型相同，所述N个脉冲信号的数据长度分别为K₁、K₂、…、K_N； 

(5)根据步骤(4)得到的N个脉冲信号设计N个匹配滤波器，将所述匹配滤波器依次编号为1～N，所述N个匹配滤波器的脉压判决门限分别为T₁、T₂、…、T_N，其中脉压判决门限T_k＝B*τ_k，k＝1,2,…,N； 

(6)按照时序，每发射一个脉冲信号后接收一次回波信号，并将接收到的回波信号按照奈奎斯特采样率进行采样，得到数据长度为U的回波数据，分别用N个匹配滤波器对所述回波数据进行匹配滤波，得到N个匹配滤波器的输出信号为y₁(n₁)、y₂(n₂)、…、y_k(n_k)、…、y_N(n_N)，其中n_k＝1,2,…,U-K_k，k＝1,2,…,N； 

将N个匹配滤波器的输出信号y₁(n₁)、y₂(n₂)、…、y_k(n_k)、…、y_N(n_N)的前P 个数据的幅度与所述匹配滤波器的脉压判决门限T₁、T₂、…、T_N进行比较，其中P＝min(U-K₁,U-K₂,…,U-K_N)，min为求最小值的数学函数；如果匹配滤波器k的第m个输出信号y_k(m)的幅度大于脉压判决门限T_k，即所述匹配滤波器k实现有效脉压，则将y_k(m)作为第m个脉压结果输出，并记录实现有效脉压的匹配滤波器序号为k，如果没有任何一匹配滤波器的第m个输出信号幅度大于其匹配滤波器的脉压判决门限，则在y₁(m)、y₂(m)、…、y_N(m)中任意选取一个作为第m个脉压结果输出，并记录实现有效脉压的匹配滤波器序号为0，其中m＝1，2，…、P； 

(7)按照步骤(6)，依次发射脉冲信号1～脉冲信号N，所述发射的N个脉冲信号组成一个子脉冲组，L个所述子脉冲组组成一个相关脉冲组，按照时序发射一个所述相关脉冲组，即完成M＝NL次脉冲信号发射和回波信号接收，按照步骤(6)的处理方法可以得到M组脉压输出结果Y₁(m)、Y₂(m)、…、Y_M(m)和与所述脉压结果相对应的有效脉压的匹配滤波器序号D₁(m)、D₂(m)、…、D_M(m)，其中m＝1,2,…,P，将所述M组脉压输出结果组成一个M×P维的矩阵Q，并将所述M组有效脉压的匹配滤波器序号组成一个M×P维的矩阵Ψ： 

对所述矩阵Q的每一行数据进行FFT变换得到M×P维矩阵Ω： 

将所述矩阵Ω的数据a_i,j(i＝1,2,…,P，j＝1,2,…,M)的幅度与设定的恒虚 警检测门限进行比较，如果数据a_i,j的幅度超过恒虚警检测门限，则记录频率号为j，记录距离门号为i，记录发射脉冲信号编号为mod(j,N)，其中mod代表取余数计算，记录有效脉压滤波器编号为矩阵Ψ中第i行第j列的数据； 

如果有μ个所述数据幅度超过恒虚警检测门限，分别标记为目标1、目标2、…、目标μ，所述μ个目标对应的频率号分别为X₁、X₂、…、X_μ，所述μ个目标对应的距离门号分别为Z₁、Z₂、…、Z_μ，所述μ个目标对应的发射信号编号分别为F₁、F₂、…、F_μ，所述μ个目标对应有效脉压滤波器编号分别为D₁、D₂、…、D_μ； 

(8)计算μ个目标的距离模糊次数：K_β＝F_β-D_β，其中β＝1,2,…,μ； 

(9)计算μ个目标的无模糊距离R_β＝r_β+K_βR_c-max，其中最大可测量无模糊距离脉冲内距离测量值r_β＝Z_β*Δτ； 

(10)计算μ个目标的无模糊速度

在上述的基于改变信号调频率的解距离—速度模糊方法中，步骤(5)中匹配滤波器的设计方法为：将脉冲信号进行傅里叶变换，并对所述傅里叶变换输出信号进行取共轭运算，将所述共轭运算后的信号进行逆傅里叶变换得到匹配滤波器的系数。 

在上述的基于改变信号调频率的解距离—速度模糊方法中，步骤(7)中完成M＝NL次脉冲信号发射和回波信号接收，其中M由雷达方程中对信噪比的要求进行确定。 

在上述的基于改变信号调频率的解距离—速度模糊方法中，步骤(7)中的取余计算mod(j,N)的计算结果为j除以N得到的余数，当余数为0时，将取余计算结果记为N。 

本发明与现有技术相比具有如下有益效果： 

(1)本发明解距离-速度模糊方法，采用不同时宽的脉冲信号进行模糊次 数、无模糊距离、无模糊速度计算，各脉冲信号的带宽和重复频率相同，因此保证了脉冲信号的距离分辨率和多普勒分辨率相同； 

(2)本发明按照时序依次发射N个发射脉冲信号组成的脉冲信号组，并按照一发一收的顺序接收目标反射脉冲信号，从而确保同一目标的多个反射脉冲信号在时间上可以对齐，具备进行相关积累的条件，并将现有技术中进行相关积累的周期由NM个脉冲周期缩短至M个脉冲周期，因此测试结果数据更新率提高了N倍，可以提高雷达系统对目标平台抖动的容忍度； 

附图说明

图1为本发明模糊一次目标解距离模糊示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述： 

本发明的基于改变信号调频率的解距离—速度模糊方法，包括下列步骤： 

(1)初始化雷达系统参数，包括最远作用距离R_max、目标最大速度V_max，最近作用距离R_min，距离分辨率Δτ、多普勒分辨率Δf、系统信号波长λ。 

(2)计算脉冲信号个数N： 

N＝round(8R_maxV_max/(cλ)) 

其中，round为向上取整操作符，c为光速； 

(3)计算脉冲信号带宽B＝c/(2Δτ)，并计算脉冲信号重复频率PRF＝2V_max/λ。 

(4)在0<τ≤(2R_min/c)区间内选择N个信号时宽，分别为τ₁、τ₂、…、τ_N，根据设定的信号时宽生成脉冲信号，将所述脉冲信号依次编号为1～N，其中，所述N个脉冲信号的带宽均等于B，脉冲重复频率均等于PRF，且脉冲信号类型相同，所述N个脉冲信号的数据长度分别为K₁、K₂、…、K_N；即脉冲信号1的信号时宽和数据长度分别为τ₁、K₁，脉冲信号2的信号时宽和数据长度分别为τ₂、K₂，…，脉冲信号N的时宽和数据长度分别为τ_N、K_N。 

由于脉冲信号时宽和信号调频率成倒数关系，因此本发明根据不同信号时 宽设计脉冲信号，等同于改变脉冲信号的调频率。 

(5)根据步骤(4)得到的N个脉冲信号设计N个匹配滤波器，将所述匹配滤波器依次编号为1～N，所述N个匹配滤波器的脉压判决门限分别为T₁、T₂、…、T_N，其中脉压判决门限T_k＝B*τ_k，k＝1,2,…,N。 

以上匹配滤波器的设计方法为：将脉冲信号进行傅里叶变换，并对所述傅里叶变换输出信号进行取共轭运算，将所述共轭运算后的信号进行逆傅里叶变换得到匹配滤波器的系数。 

(6)按照时序，每发射一个脉冲信号后接收一次回波信号，并将接收到的回波信号按照奈奎斯特采样率进行采样，得到数据长度为U的回波数据，分别用N个匹配滤波器对所述回波数据进行匹配滤波，得到N个匹配滤波器的输出信号为y₁(n₁)、y₂(n₂)、…、y_k(n_k)、…、y_N(n_N)，其中n_k＝1,2,…,U-K_k，k＝1,2,…,N； 

将N个匹配滤波器的输出信号y₁(n₁)、y₂(n₂)、…、y_k(n_k)、…、y_N(n_N)的前P个数据的幅度与所述匹配滤波器的脉压判决门限T₁、T₂、…、T_N进行比较，其中P＝min(U-K₁,U-K₂,…,U-K_N)，min为求最小值的数学函数；如果匹配滤波器k的第m个输出信号y_k(m)的幅度大于脉压判决门限T_k，即所述匹配滤波器k实现有效脉压，则将y_k(m)作为第m个脉压结果输出，并记录实现有效脉压的匹配滤波器序号为k，如果没有任何一匹配滤波器的第m个输出信号幅度大于其匹配滤波器的脉压判决门限，则在y₁(m)、y₂(m)、…、y_N(m)中任意选取一个作为第m个脉压结果输出，并记录实现有效脉压的匹配滤波器序号为0，其中m＝1，2，…、P； 

(7)按照步骤(6)，依次发射脉冲信号1～脉冲信号N，所述发射的N个脉冲信号组成一个子脉冲组，L个所述子脉冲组组成一个相关脉冲组，按照时序发射一个所述相关脉冲组，即完成M＝NL次脉冲信号发射和回波信号接收，按照步骤(6)的处理方法可以得到M组脉压输出结果Y₁(m)、Y₂(m)、…、Y_M(m)和与所述脉压结果相对应的有效脉压的匹配滤波器序号D₁(m)、D₂(m)、…、D_M(m)， 其中m＝1,2,…,P，将所述M组脉压输出结果组成一个M×P维的矩阵Q，并将所述M组有效脉压的匹配滤波器序号组成一个M×P维的矩阵Ψ： 

对所述矩阵Q的每一行数据进行FFT变换得到M×P维矩阵Ω： 

将所述矩阵Ω的数据a_i,j(i＝1,2,…,P，j＝1,2,…,M)的幅度与设定恒虚警检测门限进行比较，如果数据a_i,j的幅度超过恒虚警检测门限，则记录频率号为j，记录距离门号为i，记录发射脉冲信号编号为mod(j,N)，其中mod代表取余数计算，取余计算mod(j,N)的计算结果为j除以N得到的余数，当余数为0时，将取余计算结果记为N；记录有效脉压滤波器编号为矩阵Ψ中第i行第j列的数据； 

如果有μ个所述数据幅度超过恒虚警检测门限，分别标记为目标1、目标2、…、目标μ，所述μ个目标对应的频率号分别为X₁、X₂、…、X_μ，所述μ个目标对应的距离门号分别为Z₁、Z₂、…、Z_μ，所述μ个目标对应的发射信号编号分别为F₁、F₂、…、F_μ，所述μ个目标对应有效脉压滤波器编号分别为D₁、D₂、…、D_μ； 

(8)计算μ个目标的距离模糊次数：K_β＝F_β-D_β，其中β＝1,2,…,μ； 

(9)计算μ个目标的无模糊距离R_β＝r_β+K_βR_c-max，其中最大可测量无模糊 距离脉冲内距离测量值r_β＝Z_β*Δτ，其中β＝1,2,…,μ； 

(10)计算μ个目标的无模糊速度其中β＝1,2,…,μ。 

本发明的基于改变信号调频率的解距离—速度模糊方法，步骤(7)中完成M＝NL次脉冲信号发射和回波信号接收，即完成M次相干积累，其中M由雷达方程中对信噪比的要求进行确定。 

实施例： 

采用本发明方法对Ka频段雷达进行解距离—速度模糊计算，其中相干积累的个数M设定为512，接收回波数据长度U＝667，设定仅存在一个目标，且被测量目标与雷达的距离为1.55km，目标运动速度为110m/s，具体解距离—速度模糊计算如下： 

(1)初始化雷达系统参数，其中最远作用距离R_max＝2km、目标最大速度V_max＝220m/s，最近作用距离R_min＝1.5km，距离分辨率Δτ＝0.75m、多普勒分辨率Δf＝16Hz、系统信号波长λ＝8mm； 

(2)计算脉冲信号个数N＝round(8R_maxV_max/(cλ))，通过计算得到N＝2，即本方法需要两种脉冲信号实现解距离-速度模糊计算； 

(3)计算脉冲信号带宽B＝c/(2Δτ)，并计算脉冲信号重复频率PRF≥2V_max/λ，通过计算得到B＝200MHz，PRF＝55KHz； 

(4)选择2个信号时宽分别为：τ₁为2.5us，τ₂为2us；生成两个脉冲信号，两个脉冲信号带宽均为200MHz，两个脉冲信号重复频率均为55KHz； 

(5)根据步骤(4)得到的2个脉冲信号设计2个匹配滤波器，匹配滤波器1的脉压判决门限T₁＝500，匹配滤波器2的脉压判决门限T₂＝400； 

(6)雷达正常工作时依次发射脉冲信号1、脉冲信号2，并按照时序，每发射一个脉冲信号后接收一个回波信号，如图1所示，对于近距离目标，在发射第一个脉冲信号的时序内就能用匹配滤波器1实现有效脉压，但对于远距离目标，在发射第二个脉冲信号时，第一个匹配滤波器才能实现有效脉压； 

在本实例中，共发射512次脉冲，只发现一个目标，目标频率号X₁＝200，距离门号Z₁＝256，发射信号编号F₁＝2，有效脉压滤波器编号D₁＝1； 

(7)计算目标的距离模糊次数：K₁＝F₁-D₁＝1； 

(8)计算最大可测量无模糊距离脉冲内距离测量值r₁＝Z₁*Δτ＝192m，则目标的无模糊距离R₁＝r₁+K₁R_c-max＝1555.6km； 

(9)计算目标的无模糊速度

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。 

Claims (4)

1.一种基于改变信号调频率的解距离—速度模糊方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)初始化雷达系统参数，包括最远作用距离R_max、目标最大速度V_max，最近作用距离R_min，距离分辨率Δτ、多普勒分辨率Δf、系统信号波长λ；

(2)计算脉冲信号个数N：

N＝round(8R_maxV_max/(cλ))

其中，round为向上取整操作符，c为光速；

(3)计算脉冲信号带宽B＝c/(2Δτ)，并计算脉冲信号重复频率PRF＝2V_max/λ；

(4)在0<τ≤(2R_min/c)区间内选择N个信号时宽，分别为τ₁、τ₂、…、τ_N，根据设定的信号时宽生成脉冲信号，将所述脉冲信号依次编号为1～N，其中，所述N个脉冲信号的带宽均等于B，脉冲重复频率均等于PRF，且脉冲信号类型相同，所述N个脉冲信号的数据长度分别为K₁、K₂、…、K_N；

(5)根据步骤(4)得到的N个脉冲信号设计N个匹配滤波器，将所述匹配滤波器依次编号为1～N，所述N个匹配滤波器的脉压判决门限分别为T₁、T₂、…、T_N，其中脉压判决门限T_k＝B*τ_k，k＝1,2,…,N；

(6)按照时序，每发射一个脉冲信号后接收一次回波信号，并将接收到的回波信号按照奈奎斯特采样率进行采样，得到数据长度为U的回波数据，分别用N个匹配滤波器对所述回波数据进行匹配滤波，得到N个匹配滤波器的输出信号为y₁(n₁)、y₂(n₂)、…、y_k(n_k)、…、y_N(n_N)，其中n_k＝1,2,…,U-K_k，k＝1,2,…,N；

将N个匹配滤波器的输出信号y₁(n₁)、y₂(n₂)、…、y_k(n_k)、…、y_N(n_N)的前P个数据的幅度与所述匹配滤波器的脉压判决门限T₁、T₂、…、T_N进行比较，其中P＝min(U-K₁,U-K₂,…,U-K_N)，min为求最小值的数学函数；如果匹配滤波器k的第m个输出信号y_k(m)的幅度大于脉压判决门限T_k，即所述匹配滤波器k实现有效脉压，则将y_k(m)作为第m个脉压结果输出，并记录实现有效脉压的匹配滤波器序号为k，如果没有任何一匹配滤波器的第m个输出信号幅度大于其匹配滤波器的脉压判决门限，则在y₁(m)、y₂(m)、…、y_N(m)中任意选取一个作为第m个脉压结果输出，并记录实现有效脉压的匹配滤波器序号为0，其中m＝1，2，…、P；

(7)按照步骤(6)，依次发射脉冲信号1～脉冲信号N，所述发射的N个脉冲信号组成一个子脉冲组，L个所述子脉冲组组成一个相关脉冲组，按照时序发射一个所述相关脉冲组，即完成M＝NL次脉冲信号发射和回波信号接收，按照步骤(6)的处理方法可以得到M组脉压输出结果Y₁(m)、Y₂(m)、…、Y_M(m)和与所述脉压结果相对应的有效脉压的匹配滤波器序号D₁(m)、D₂(m)、…、D_M(m)，其中m＝1,2,…,P，将所述M组脉压输出结果组成一个M×P维的矩阵Q，并将所述M组有效脉压的匹配滤波器序号组成一个M×P维的矩阵Ψ：

对所述矩阵Q的每一行数据进行FFT变换得到M×P维矩阵Ω：

将所述矩阵Ω的数据a_i,j(i＝1,2,…,P，j＝1,2，…,M)的幅度与设定的恒虚警检测门限进行比较，如果数据a_i,j的幅度超过恒虚警检测门限，则记录频率号为j，记录距离门号为i，记录发射脉冲信号编号为mod(j,N)，其中mod代表取余数计算，记录有效脉压滤波器编号为矩阵Ψ中第i行第j列的数据；

如果有μ个所述数据幅度超过恒虚警检测门限，分别标记为目标1、目标2、…、目标μ，所述μ个目标对应的频率号分别为X₁、X₂、…、X_μ，所述μ个目标对应的距离门号分别为Z₁、Z₂、…、Z_μ，所述μ个目标对应的发射信号编号分别为F₁、F₂、…、F_μ，所述μ个目标对应有效脉压滤波器编号分别为D₁、D₂、…、D_μ；

(8)计算μ个目标的距离模糊次数：K_β＝F_β-D_β，其中β＝1,2,…,μ；

(9)计算μ个目标的无模糊距离R_β＝r_β+K_βR_c-max，其中最大可测量无模糊距离脉冲内距离测量值r_β＝Z_β*Δτ；

(10)计算μ个目标的无模糊速度

2.根据权利要求1所述的一种基于改变信号调频率的解距离—速度模糊方法，其特征在于：步骤(5)中匹配滤波器的设计方法为：将脉冲信号进行傅里叶变换，并对所述傅里叶变换输出信号进行取共轭运算，将所述共轭运算后的信号进行逆傅里叶变换得到匹配滤波器的系数。

3.根据权利要求1所述的一种基于改变信号调频率的解距离—速度模糊方法，其特征在于：步骤(7)中完成M＝NL次脉冲信号发射和回波信号接收，其中M由雷达方程中对信噪比的要求进行确定。

4.根据权利要求1所述的一种基于改变信号调频率的解距离—速度模糊方法，其特征在于：步骤(7)中的取余计算mod(j,N)的计算结果为j除以N得到的余数，当余数为0时，将取余计算结果记为N。