CN104297733B - 复合背景下时域信号的处理方法及复合信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复合背景下时域信号的处理方法，包含：在相同地海面背景下检测目标的复合回波信号，获取第一复合回波信号，并在微调测试系统与地海面的相对高度后获取的第二复合回波信号；根据第一复合回波信号和第二复合回波信号，得出测试系统与地海面的相对高度微调造成的信号差值和信号变化率，从而得出多路径回波信号；第一复合回波信号减去多路径回波信号得到复合环境下目标的直接回波信号。本发明利用脉冲信号在空间传播时目标高度与地海面的相对高度的微调变化构造出多路径信号的变化率，求出响应的多路径信息，利用复合回波信号取出多路径信号得到复杂地海面背景下目标的直接回波信号，信号精度高，利于后续信号的使用。

Description

复合背景下时域信号的处理方法及复合信号处理系统

技术领域

本发明涉及一种目标电磁波回波信号数据处理技术，具体涉及一种针对超低空目标与地海面复合散射背景下的基于多路径信号消除域信号的处理方法及复合信号处理系统。

背景技术

雷达接收的电磁波回波信号中包含的目标信号往往被淹没在噪声之中。比如在低空、超低空环境这类复杂的背景环境中，目标回波信息在总的回波信号中占据的成分很少，有时甚至不足10%。有效地提取有用的目标信号对提取目标的方位、速度等信息有重要的意义。如何在强杂波信号中提取目标信号一直是学术界的难点。如果将原始测试信号直接应用到全尺寸成像方法、信号数据分析等都会产生较大的误差。现有的一些方法如数值仿真法、模型提取法等，它们通过数值模型对目标回波数据进行处理和提取，但是数值模型本身往往存在一定的误差，特别是数值仿真对真实环境的模拟能力有限，这将极大的降低仿真数据的现实可用性。特别是对目标与环境的耦合信号的仿真存在一定的困难。即便是数值仿真方法也难以从目标与环境的复合回波信号中提取目标的直接回波信号。

发明内容

本发明提供一种复合背景下时域信号的处理方法及复合信号处理系统，基于多路径信号消除，建立了目标与地海面耦合的时域散射回波模型，在时域空间中有效的将目标直接回波信号提取出来。

为实现上述目的，本发明提供一种复合背景下时域信号的处理方法，其特点是，该方法包含：

在相同地海面背景下检测目标的复合回波信号，获取第一复合回波信号，并在微调测试系统与地海面的相对高度后获取第二复合回波信号；

根据第一复合回波信号和第二复合回波信号，得出测试系统与地海面的相对高度微调造成的信号差值和信号变化率，从而得出多路径回波信号；

第一复合回波信号减去多路径回波信号得到复合环境下目标的直接回波信号。

上述复合回波信号表示为式（1）：

(1)

（2）

（3）

上式中，为接受天线接受信号的时刻，为电磁波传播速度； 为目标直接回波信号；指路径依次经过天线、目标、地海面、天线，以及路径依次经过天线、地海面、目标、天线的散射回波信号；为路径依次经过天线、地海面、目标、地海面、天线路径的散射回波信号；是天线的高度，为目标高度；为天线至目标的水平距离；是天线到目标的直接路径长度，是信号经地面反射到目标的多路径长度。

上述测试系统与地海面之间微调的高度差需满足：

（4）

其中，为电磁波传播速度；为天线发射的时域窄脉冲持续宽度；为天线与目标高度一致时，系统相对于地海面的高度, 为天线至目标的水平距离；根据测试系统与地海面之间微调的高度差可得，由于相对高度变化引起的一次多路径改变的时间延迟△t为：

（5）

上述测试系统与地海面的相对高度微调造成的信号变化率的求取方法包含：

对第一复合回波信号的电压值V₁和第二复合回波信号的电压值V₂进行幅度修正；

根据幅度修正后的第一复合回波信号的电压值V₁’和幅度修正后的第二复合回波信号的电压值V₂’，求取多路径回波信号变化率Vg^（1）；

对多路径回波信号变化率Vg^（1）进行积分，反演得到目标在测量高度下的多路径回波信号。

上述第一复合回波信号的电压值V₁和第二复合回波信号的电压值V₂进行幅度修正具体为：采用第一复合回波信号的电压值V₁和第二复合回波信号的电压值V₂的第一个波峰幅度修正所有测量信号的幅度值，根据两次测量得到的信号的第一个波峰的幅值的比例系数改变第二次测量得到的信号的电压值V₂的后续波形的大小，保证两次测量中目标的直接回波信号的相同。

上述求取多路径回波信号变化率Vg^（1）包含：

对幅度修正后的第一复合回波信号的电压值V₁’和幅度修正后的第二复合回波信号的电压值V₂’作差，得到测试系统与地海面的相对高度变化带来的信号差；

得到多路径回波信号的变化量：△Vg= V₂’-V₁’；

得到多路径回波信号的变化率为如式（6）：

Vg^（1）=（V₂’- V₁’）/△t （6）

其中，△t为式（5）所得的微调高度引起的电磁波的时间延迟。

上述多路径回波信号的积分反演如式（7）：

（7）

上式中，是示波器测量信号的时间序列值，是幅度修正后的第一复合回波信号在时刻处对应的信号的电压值，是幅度修正后的第二复合回波信号在时刻处对应的信号的电压值。

一种上述复合背景下时域信号的处理方法的复合信号处理系统，其特点是，该系统包含：

信号采集模块，其采集两次测试系统与地海面的相对高度不同的情况下反馈的第一复合回波信号和第二复合回波信号；

复合回波信号处理模块，其通信连接信号采集模块的输出端，通过第一复合回波信号和第二复合回波信号得出多路径回波信号；

直接回波信号获取模块，其通信连接复合回波信号处理模块输出端，采用第一复合回波信号减去多路径回波信号，得出检测目标的直接回波信号。

本发明复合背景下时域信号的处理方法及复合信号处理系统和现有技术的电磁波回波信号处理技术相比，其优点在于，本发明主要利用脉冲信号在空间传播时目标高度与地海面的相对高度的微调变化构造出多路径信号的变化率，然后求出响应的多路径信息，利用复合回波信号取出多路径信号得到复杂地海面背景下目标的直接回波信号，仅对目标高度相对于地海面进行微调得到复杂环境下目标的直接回波信号，信号精度高，利于后续信号的使用；

本发明可以将测量中的多路径信号和目标信号分离开来，便于对目标和环境进行单纯的分析；

本发明灵活性较高，不同高度下的测试仅需对目标高度进行微调就可以得到所需的目标直接回波信息和多路径信息，测量灵活性，易于工程实现。

附图说明

图1为本发明复合背景下时域信号处理方法的流程图；

图2为不同高度下目标的复合散射数据比较图；

图3为修正幅度后的复合信号比较图；

图4为幅度修正后不同高度下的回波数据比较图；

图5为复合散射回波中目标回波的分离示意图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

本发明公开一种复合背景下时域信号的处理方法及复合信号处理系统，针对超低空目标与地海面复合散射的时域回波信号进行处理。在测量的回波数据中包含较多的电磁波多路径成分。建立目标与地海面复合散射的时域回波模型，其电磁波传播的模型。下面具体的给出本发明的具体实施步骤。

如图1所示，为一种复合背景下时域信号处理方法的实施例，该方法包含以下步骤：

步骤1、测量需求高度下的目标与地海面复合的耦合信号，记录当前的时域测量信号供数据处理使用。该时域测量信号作为第一复合回波信号。

天线发射的时域窄脉冲持续宽度为，天线高度为，目标高度为，天线至目标水平距离为，则复合回波信号可表示为式（1）：

（1）

（2）

（3）

上式中，为接受天线接受信号的时刻，为电磁波传播速度； 为目标直接回波信号；指路径依次经过天线、目标、地海面、天线，以及路径依次经过天线、地海面、目标、天线的散射回波信号；为路径依次经过天线、地海面、目标、地海面、天线路径的散射回波信号；是天线的高度，为目标高度；为天线至目标的水平距离；是天线到目标的直接路径长度，是信号经地面反射到目标的多路径长度。

在此，以金属方盒目标与模拟地海面复合回波为例进行分析，其中金属方盒尺寸为12cm×12cm×8cm；海面背景采用2.5m×1m区域的粗糙面样板块模拟。测量距离约为4m，目标高度约为0.6m，脉冲持续宽度为0.2ns，天线高度与目标高度一致。此时：，，，测量结果如图2中z=0所示（定义初始测量高度位置z=0）。测量信号中同时包含了目标直接回波信号、单次多路径信号（即路径依次经过天线、目标、地海面、天线，以及路径依次经过天线、地海面、目标、天线的散射回波信号）、多次反射多路径信号、背景信号等。

步骤2、在与步骤1相同的地海面背景下，微调测试系统与地海面的相对高度，记录相应的复合回波信号，作为第二复合回波信号。

如图2所示，为微调前后两次测量得到的目标与地海面的复合回波信号对比。一般而言，测试系统的目标直接回波对目标相对粗糙面样板的相对高度的微调变化不敏感，但是多路径信号对相对高度的微调较为敏感。我们选用的高度变化引起的多路径信号的延迟要满足：才能较好的模拟多路径信号的时间变化率，本实施例中要求的测试系统与地海面之间微调的高度差需满足：

（4）

其中，为电磁波传播速度，为天线发射的时域窄脉冲持续宽度，为天线与目标的高度, 为天线至目标的水平距离。计算可得，10.4mm，本例中选择微调高度为4mm，故如图2所示z=4mm。

根据测试系统与地海面之间微调的高度差可得，由于相对高度变化引起的一次多路径改变的时间延迟△t为：

（5）。

步骤3、根据第一复合回波信号和第二复合回波信号，求出测试系统与地海面的相对高度微调的情况下所带来的信号差值信息，记录微调高度带来的信号变化率，进而得出多路径回波信号。

步骤3.1、如图3所示，求解多路径信号的变化率前，为了减小微调目标高度前后测试背景、发射信号源等外界因素对测试精度带来的误差，对第一复合回波信号的电压值V₁和第二复合回波信号的电压值V₂进行幅度修正，得到的修正后的复合回波信号。实际操作中采用第一复合回波信号的电压值V₁和第二复合回波信号的电压值V₂的第一个波峰根据两次测量得到的信号的第一个波峰的幅值的比例系数改变第二次测量得到的信号的电压值V₂的后续波形的大小，保证两次测量中目标的直接回波信号的相同。

步骤3.2、根据幅度修正后的第一复合回波信号的电压值V₁’和幅度修正后的第二复合回波信号的电压值V₂’，求取多路径回波信号变化率Vg^（1）。具体如下：

对幅度修正后的第一复合回波信号的电压值V₁’和幅度修正后的第二复合回波信号的电压值V₂’作差，得到测试系统与地海面的相对高度变化带来的信号差。得到多路径回波信号的变化量：△Vg= V₂’- V₁’，相应的数据曲线如图4所示，得到多路径回波信号的变化率为：

Vg^（1）=（V₂’- V₁’）/△t （6）

其中，△t为式（5）所得的微调高度引起的电磁波的时间延迟。

步骤3.3、在时间轴上对多路径回波信号变化率Vg^（1）进行积分，反演得到目标在测量高度下的多路径回波信号。多路径回波信号的积分反演如式（7）：

（7）

上式中，是示波器测量信号的时间序列值，是幅度修正后的第一复合回波信号在时刻处对应的信号的电压值，是幅度修正后的第二复合回波信号在时刻处对应的信号的电压值。

步骤4、目标与地海面背景下的目标直接回波信号的获取。将步骤1得到的第一复合回波信号V₁减去步骤3获得的多路径回波信号，得到复合环境下目标的直接回波信号。

如图5所示，从分析处理结果看，采用多路径回波重构的目标回波分离方法，同等测量环境下（场地大小相同），可将目标的有效测量长度延长1倍，并且可以将目标直接回波信号从复杂的复合回波信号中直接提取出来，便于目标特性分析。

进一步的，本发明还公开了一种适用于上述复合背景下时域信号的处理方法的复合信号处理系统，该系统包含：

信号采集模块，其采集两次被测目标处于不同高度下反馈的第一复合回波信号和第二复合回波信号。

复合回波信号处理模块，其通信连接信号采集模块的输出端，通过第一复合回波信号和第二复合回波信号得出多路径回波信号。

直接回波信号获取模块，其通信连接复合回波信号处理模块输出端，采用第一复合回波信号减去多路径回波信号，得出检测目标的直接回波信号。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种复合背景下时域信号的处理方法，其特征在于，该方法包含：

在相同地海面背景下检测目标的复合回波信号，获取第一复合回波信号，并在微调测试系统与地海面的相对高度后获取第二复合回波信号；

根据第一复合回波信号和第二复合回波信号，得出测试系统与地海面的相对高度微调造成的信号差值和信号变化率，从而得出多路径回波信号；

第一复合回波信号减去多路径回波信号得到复合环境下目标的直接回波信号；

所述测试系统与地海面之间微调的高度差需满足：

（4）

其中，为电磁波传播速度；为天线发射的时域窄脉冲持续宽度；为天线与目标高度一致时，系统相对于地海面的高度, 为天线至目标的水平距离；根据测试系统与地海面之间微调的高度差可得，由于相对高度变化引起的一次多路径改变的时间延迟△t为：

（5）。

2.如权利要求1所述的复合背景下时域信号的处理方法，其特征在于，所述复合回波信号表示为式（1）：

（1）

（2）

（3）

上式中，为接受天线接受信号的时刻，为电磁波传播速度； 为目标直接回波信号；指路径依次经过天线、目标、地海面、天线，以及路径依次经过天线、地海面、目标、天线的散射回波信号；为路径依次经过天线、地海面、目标、地海面、天线路径的散射回波信号；是天线的高度，为目标高度；为天线至目标的水平距离；是天线到目标的直接路径长度，是信号经地面反射到目标的多路径长度。

3.如权利要求1所述的复合背景下时域信号的处理方法，其特征在于，所述测试系统与地海面的相对高度微调造成的信号变化率的求取方法包含：

对第一复合回波信号的电压值V₁和第二复合回波信号的电压值V₂进行幅度修正；

根据幅度修正后的第一复合回波信号的电压值V₁’和幅度修正后的第二复合回波信号的电压值V₂’，求取多路径回波信号变化率Vg^（1）；

对多路径回波信号变化率Vg^（1）进行积分，反演得到目标在测量高度下的多路径回波信号。

4.如权利要求3所述的复合背景下时域信号的处理方法，其特征在于，所述第一复合回波信号的电压值V₁和第二复合回波信号的电压值V₂进行幅度修正具体为：采用第一复合回波信号的电压值V₁和第二复合回波信号的电压值V₂的第一个波峰幅度修正所有测量信号的幅度值，根据两次测量得到的信号的第一个波峰的幅值的比例系数改变第二次测量得到的信号的电压值V₂的后续波形的大小，保证两次测量中目标的直接回波信号的相同。

5.如权利要求3所述的复合背景下时域信号的处理方法，其特征在于，所述求取多路径回波信号变化率Vg^（1）包含：

对幅度修正后的第一复合回波信号的电压值V₁’和幅度修正后的第二复合回波信号的电压值V₂’作差，得到测试系统与地海面的相对高度变化带来的信号差；

得到多路径回波信号的变化量：△Vg= V₂’- V₁’；

得到多路径回波信号的变化率为如式（6）：

Vg^（1）=（V₂’- V₁’）/△t （6）

其中，△t为式（5）所得的微调高度引起的电磁波的时间延迟。

6.如权利要求3所述的复合背景下时域信号的处理方法，其特征在于，所述多路径回波信号的积分反演如式（7）：

（7）

上式中，是示波器测量信号的时间序列值，是幅度修正后的第一复合回波信号在时刻处对应的信号的电压值，是幅度修正后的第二复合回波信号在时刻处对应的信号的电压值。

7.一种如权利要求1至6中任意一项权利要求所述复合背景下时域信号的处理方法的复合信号处理系统，其特征在于，该系统包含：

信号采集模块，其采集两次测试系统与地海面的相对高度不同的情况下反馈的第一复合回波信号和第二复合回波信号；

复合回波信号处理模块，其通信连接信号采集模块的输出端，通过第一复合回波信号和第二复合回波信号得出多路径回波信号；

直接回波信号获取模块，其通信连接复合回波信号处理模块输出端，采用第一复合回波信号减去多路径回波信号，得出检测目标的直接回波信号。