CN104407330A - 相位编码调制信号的脉冲压缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种相位编码调制信号的脉冲压缩处理方法，在相位编码调制信号的回波脉冲压缩处理过程中，将射频接收信号通过正交解调模块(1)和低通滤波模块(2)中并联的低通滤波器，把转换后的基带信号送入脉冲压缩模块(3)，以每个采样点为基准对基带数据进行脉冲压缩，再把得到上述采样点对应的脉冲压缩数据值送入目标检测模块(4)，对脉冲压缩后数据进行门限比对处理，门限比对得到的目标检测信息输出到后续信息处理单元，完成雷达回波信号在一个采样点处的脉冲压缩处理。本发明通过本地序列与回波信号序列的共轭点乘，将对齐的接收回波信号转换为单频信号，解决了相位编码雷达回波信号在脉冲压缩中的多普勒影响问题。

Description

相位编码调制信号的脉冲压缩方法

技术领域

本发明涉及一种主要应用于雷达接收系统中对相位编码调制信号的脉冲压缩处理方法。

背景技术

脉冲压缩是现代雷达的一种重要体制，它有效地解决了雷达距离分辨力与平均功率之间的矛盾，并广泛应用于现代雷达中。这些雷达系统对相位编码调制信号的脉冲压缩处理要求表现为可以发射长序列的相位调制脉冲来提高发射信号的平均功率，得到足够远的探测距离，脉冲压缩处理中对目标的多普勒效应不敏感。这种技术的应用使雷达在信号发射时通过发射宽脉冲提高发射信号的平均功率，得到足够远的最大探测距离，而在接收时则采用相应的脉冲压缩法获得窄脉冲，提高对距离的分辨力。脉冲压缩同时也是雷达反隐身、抗电子干扰的重要手段。为增加雷达系统的检测能力，通常都要求增大雷达的平均发射功率。在峰值功率受限时，要求发射脉冲尽量宽，而为提高系统的距离分辨力，又要求发射脉冲尽量窄，提高雷达距离分辨力与增加检测能力是一对矛盾。通常解决的方法是在发射机端发射时间展宽了的信号，信号内部进行必要的调制，在接收端通过压缩滤波器处理而产生窄的时间脉冲，这一过程称为脉冲压缩。在多目标环境中，脉冲压缩信号的旁瓣会埋没附近较小目标的主信号，引起目标丢失。脉冲压缩技术是通过匹配滤波实现的，但这只适用于TB值较大的情况，当TB值较小时，其主副比将达不到要求。必须采用失配滤波的方法来进一步降低副瓣电平，以信噪比损失和分辨力降低为代价，换取实际需要的主副比。脉冲压缩技术是大时间带宽积BD信号经匹配滤波实现的。但不同的信号形式具有不同的压缩性能。遗憾的是压缩输出并非是理想的单一脉冲，同时还存在一些不希望的旁瓣，即距离旁瓣。距离旁瓣限制了相位编码信号脉冲压缩的实际应用。在多目标环境下，强目标的旁瓣过高就有可能淹没弱目标的主瓣，造成目标的丢失及对低可观测目标的探测。在脉冲压缩中，由于大信号的旁瓣较高，大信号容易淹没小信号，在检测小信号时会带来困难。为了提高雷达目标发现能力、测量精度和分辨能力，要求雷达信号具有大的时宽、带宽、能量乘积，单载频脉冲信号的时宽和带宽乘积接近于1(称之为脉冲压缩信号或大时宽带宽乘积信号)，大的时宽和带宽不可兼得。因此，对这种信号来说，测距精度和距离分辨力同测速精度和速度分辨力以及作用距离之间存在不可调和的矛盾。所谓脉冲压缩，就是采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率，保证足够的最大作用距离，而在接收时则采用匹配滤波器进行脉冲压缩，获得窄脉冲信号，使雷达提高检测能力的同时又不降低距离分辨力。典型的脉冲压缩信号有三类：线性调频(LFM)信号、非线性调频(NLFM)信号和相位编码(PSK)信号，其中相位编码信号在时宽带宽积较小的情况下，主副比大，压缩性能好，受到广泛的重视。并且由于相位编码采用伪随机序列信号，易于实现信号“捷变”，有利于提高雷达系统的抗截获能力，但不足之处是相位编码信号对多普勒敏感，当回波信号存在多普勒频移时，会严重影响脉压性能。

相位编码信号(PHC)的脉冲压缩线性调频信号、非线性调频信号调制函数是连续的，属于“连续型＂信号，而相位编码信号，其相位调制函数是离散的有限状态，属于“离散型＂编码脉冲压缩信号。由于相位编码采用伪随机序列，因此这类信号也称为伪随机编码信号。在相位编码中(以二相码为例)，二相编码信号是常用的脉压信号形式之一，它是将宽脉冲分为许多短的等宽度子脉冲，每个子脉冲以“0”或“1＂两种相位调制。其调制的顺序由指定的编码序列决定。由于相位编码的伪随机性,具有良好的抗干扰性能,有利于实现低截获性能,但当回波信号与其匹配滤波器间有多普勒频移失谐时,起不了脉冲压缩作用。相位编码信号的脉冲压缩中一般都采用了多普勒补偿技术来消除多普勒对脉冲压缩性能的影响。主要的补偿方法可以分为三大类，一是采用多路补偿脉压技术，该类方法将可能的多普勒频移分为多段，每段用固定多普勒频移进行相位补偿，选择脉冲压缩处理最大值为正确脉压信号。这类方法原理简单，分段越细则补偿性能越好，但是付出了成倍的系统复杂度。二是对多普勒频移进行估计补偿，该类方法首先对调相编码脉冲信号做内插二分频处理实现多普勒补偿，这种多普勒补偿也可以通过设计失配滤波器实现。该类方法一般要求系统工作于信噪比较高条件下，当信噪比降低后，估计和迭代处理的性能将受明显影响。第三类补偿方法利用回波信号前后信号多普勒相同来实现对消处理，该类方法可以通过设计交替发送互补码的方法，对正码和补码回波分别做动目标检测，然后分步进行相位补偿、脉压和去旁瓣叠加，实现多普勒频移的补偿。这类方法的处理中都包含了接收信号间的乘积运算，当回波中信号能量大于噪声能量时，这种乘积运算是有利的，但当噪声高于信号后，乘积运算将放大噪声的影响，降低接收信号的信噪比。

总体来看，现有雷达系统中相位编码调制信号的脉冲压缩处理技术较好地解决了雷达探测系统对较远探测能力与较高距离分辨力的需求。但是在对远距离高速目标的探测环境中，相位编码调制雷达信号的脉冲压缩处理需要完成多普勒估计与补偿处理，由于雷达回波信号信噪比很低，多普勒的估计精度较难满足性能需求，而进行多普勒分段补偿又存在处理复杂的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在不足之处，提供一种不受回波多普勒频移影响，可以应用快速傅里叶变换实现的相位编码调制信号的脉冲压缩处理方法，以解决相位编码雷达回波信号在脉冲压缩中的多普勒影响问题。

上述目的可以通过以下措施来达到。本发明提供的一种相位编码调制信号的脉冲压缩处理方法，其特征在于包括如下步骤：在雷达信号接收端构建一个相位编码调制信号脉冲压缩处理电路，然后在相位编码调制信号的回波脉冲压缩处理过程中，将射频接收信号通过正交解调模块1和低通滤波模块2中并联的低通滤波器，把转换后的基带信号送入脉冲压缩模块(3)，以每个采样点为基准对基带数据进行脉冲压缩，再把得到上述采样点对应的脉冲压缩数据值送入目标检测模块4，对脉冲压缩后数据进行门限比对处理，门限比对得到的目标检测信息输出到后续信息处理单元，完成雷达回波信号在一个采样点处的脉冲压缩处理；对于每个采样点，则通过脉冲压缩模块3脉冲压缩电路中的信号抽取模块6,将输入的基带信号按相位编码调制信号的间隔取出编码序列等长的数据序列；信号对应相乘模块7将取出的序列与本地已知序列一一对应共轭相乘得到新的序列，当本地序列与发射信号的回波序列完全对齐时，目标反射回波所存在的多普勒频移回波信号被快速傅里叶变换模块8转换为一段单频信号，并把该段单频信号进行快速傅里叶变换，变换后序列由归一化处理模块9进行归一化处理，归一化处理模块9输出序列的最大值为当前采样时刻的脉冲压缩结果。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明通过本地序列与回波信号序列的共轭点乘，将对齐的接收回波信号转换为单频信号，解决了相位编码雷达回波信号在脉冲压缩中的多普勒影响问题。

本发明在相位编码调制的雷达信号接收端对回波信号用本地已知相位编码序列进行逐点共轭相乘运算，当本地序列与发射信号的回波序列完全对齐时，回波信号将被转换为一段单频信号，对该段单频信号的快速傅里叶变换处理可以实现对回波信号的到达检测。这种设计的优点在于：一是对于任意运动目标反射回波所存在的多普勒频移，通过本发明的处理后都转换为标准的单频率信号，可以用快速傅里叶变换在频域检测，因此系统不受回波的多普勒频移影响；

二是脉冲压缩处理可以使用成熟的快速傅里叶变换完成，很多集成芯片都具备该项处理功能，易于系统实现。

本发明特别适合被应用于对远距离高速动目标探测的雷达系统。

附图说明

下面结合附图和实施进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。

图1是本发明相位编码调制信号脉冲压缩处理电路原理示意图。

图2是图1脉冲压缩模块的脉冲压缩电路原理示意图。

图中：1正交解调模块，2低通滤波模块，3脉冲压缩模块，4目标检测模块，5信号延时存储模块、6信号抽取模块，7信号对应相乘模块，8快速傅里叶变换模块，9归一化处理模块。

具体实施方式

参阅图1。在雷达信号接收端，相位编码调制信号脉冲压缩处理电路，包括依次串联的正交解调模块1和低通滤波模块2，串联在低通滤波模块2与目标检测模块4之间的脉冲压缩模块3，其中，正交解调模块1包含并联在两个负载之间的本振和90°移相器，低通滤波模块2包含至少两个并联低通滤波器，两个负载通过两个并联低通滤波器组成并联闭环回路，两个并联低通滤波器的公共端顺次串联脉冲压缩模块3和目标检测模块4。在相位编码调制信号的回波脉冲压缩处理过程中，射频接收信号依次通过正交解调模块1和低通滤波模块2中并联的低通滤波器，转换为基带信号，输入到脉冲压缩模块3，脉冲压缩模块3以每个采样点为基准对基带数据进行脉冲压缩处理，得到该采样点对应的脉冲压缩数据值，输入到目标检测模块4，目标检测模块4用脉冲压缩后数据进行门限比对处理得到目标检测信息输出，完成雷达回波信号在一个采样点处的脉冲压缩处理。

在相位编码调制的雷达信号接收端对回波信号用本地已知相位编码序列进行逐点共轭相乘运算，当本地序列与发射信号的回波序列完全对齐时，对于任意运动目标反射回波所存在的多普勒频移，回波信号将被信号对应相乘模块7转换为一段单频信号，对该段单频信号的快速傅里叶变换处理可以实现对回波信号的到达检测。

参阅图2。脉冲压缩电路包括:依次串联的信号延时存储模块5、信号抽取模块6、信号对应相乘模块7、快速傅里叶变换模块8和归一化处理模块9，其中，信号延时存储模块5包含基带采样序列S(n)、S(n-1)、S(n-2)…，示意图中Z^-1表示对输入数据的延时存储。信号对应相乘模块7包含C^*(0)、C^*(1)…C^*(N-1)，C^*(0)、C^*(1)…C^*(N-1)为本地相关序列的共轭。。输入到信号延时存储模块5的基带采样序列为图1中低通滤波模块2的输出信号，信号延时存储模块5将每个基带采样点信号依次存储到依次串联的存储单元中，当相位编码序列的长度为N时，基带信号采样率为K倍时，依次串联的存储单元数量为KN个，K、N为非零自然数；每当一个基带采样信号输入到信号延时存储模块5时，信号抽取模块6对于每个采样点，以信号速率抽取的方式，将输入的基带信号按相位编码调制信号的间隔取出与编码序列等长的数据序列,信号抽取模块6即以该采样点信号为起始点，每间隔K个相位编码调制信号，再从信号延时存储模块5的存储器中依次抽取出N个数据输出到信号对应相乘模块7，信号对应相乘模块7将取出的序列与本地存储的已知相位编码序列一一对应共轭相乘得到新的序列，信号对应相乘模块7得到的新的序列结果输出到快速傅里叶变换模块8计算输入序列的傅里叶变换值，快速傅里叶变换模块8计算输入序列的傅里叶变换值输出到归一化处理模块9，归一化处理模块9完成数据归一化处理后输出序列中的最大值max(Yn)为当前采样时刻的脉冲压缩结果。

归一化处理模块9中的运算逻辑定义为：

从快速傅里叶变换模块8运算处理后的序列表示为[z(0),z(1),…z(N-1)]，对序列进行归一化处理包括两个步骤：

1、计算归一化序列[y(0),y(1),…y(N-1)]，其中

$y\left(i\right)=\frac{z\left(i\right)}{\mathrm{\Σ}{\left|z\left(i\right)\right|}^2-\max {\left(\right|z\left|\right)}^2}$

式中max(X)表示取向量序列X中的最大值。

2、选择序列[y(0),y(1),…y(N-1)]中幅值最大值为该时刻的脉冲压缩值。

Claims (10)

1.一种相位编码调制信号的脉冲压缩处理方法，其特征在于包括如下步骤：在雷达信号接收端构建一个相位编码调制信号脉冲压缩处理电路，然后在相位编码调制信号的回波脉冲压缩处理过程中，将射频接收信号通过正交解调模块(1)和低通滤波模块(2)中并联的低通滤波器，把转换后的基带信号送入脉冲压缩模块(3)，以每个采样点为基准对基带数据进行脉冲压缩，再把得到上述采样点对应的脉冲压缩数据值送入目标检测模块(4)，对脉冲压缩后数据进行门限比对处理，门限比对得到的目标检测信息输出到后续信息处理单元，完成雷达回波信号在一个采样点处的脉冲压缩处理。 

2.如权利要求1所述的相位编码调制信号的脉冲压缩处理方法，其特征在于:对于每个采样点，则通过脉冲压缩模块(3)脉冲压缩电路中的信号抽取模块(6),将输入的基带信号按相位编码调制信号的间隔取出编码序列等长的数据序列；信号对应相乘模块(7)将取出的序列与本地已知序列一一对应共轭相乘得到新的序列，当本地序列与发射信号的回波序列完全对齐时，目标反射回波所存在的多普勒频移回波信号被快速傅里叶变换模块(8)转换为一段单频信号，并把该段单频信号进行快速傅里叶变换，变换后序列由归一化处理模块(9)进行归一化处理，归一化处理模块(9)输出序列的最大值为当前采样时刻的脉冲压缩结果。 

3.如权利要求1所述的相位编码调制信号的脉冲压缩处理方法，其特征在于:相位编码调制信号脉冲压缩处理电路，包括依次串联的正交解调模块(1)和低通滤波模块(2)，串联在低通滤波模块(2)与目标检测模块(4)之间的脉冲压缩模块(3)，其中，正交解调模块(1)包含并联在两个负载之间的本振和90°移相器，低通滤波模块(2)包含至少两个并联低通滤波器，两个负载通过两个并联低通滤波器组成并联闭环回路，两个并联低通滤波器的公共端顺次串联脉冲压缩模块(3)和目标检测模块(4)。 

4.如权利要求1所述的相位编码调制信号的脉冲压缩处理方法，其特征在于:脉冲压缩电路包括:依次串联的信号延时存储模块(5)、信号抽取模块(6)、信号对应相乘模块(7)、快速傅里叶变换模块(8)和归一化处理模块(9)，其中，信号延时存储模块(5)包含基带采样序列S(n)、S(n-1)、S(n-2)…。 

5.如权利要求1所述的相位编码调制信号的脉冲压缩处理方法，其特征在于:信号对应相乘模块(7)包含C^*(0)、C^*(1)…C^*(N-1)，C^*(0)、C^*(1)…C^*(N-1)为本地相关序列的共轭。 

6.如权利要求1所述的相位编码调制信号的脉冲压缩处理方法，其特征在于:输入到信号延时存储模块(5)的基带采样序列为低通滤波模块(2)的输出信号，信号延时存储模块(5)将每个基带采样点信号依次存储到依次串联的存储单元中，当相位编码序列的长度为N，基 带信号采样率为K倍时，依次串联的存储单元数量为KN个，K、N为非零自然数。 

7.如权利要求4所述的相位编码调制信号的脉冲压缩处理方法，其特征在于:每当一个基带采样信号输入到信号延时存储模块(5)时，信号抽取模块(6)对于每个采样点，以信号速率抽取的方式，将输入的基带信号按相位编码调制信号的间隔取出与编码序列等长的已知数据序列共轭相乘获得新的序列。 

8.如权利要求7所述的相位编码调制信号的脉冲压缩处理方法，其特征在于:获得新的序列是信号抽取模块(6)以每个采样点信号为起始点、每间隔K个相位编码调制信号，从信号延时存储模块(5)的存储器中依次抽取出N个相位编码调制信号数据，再输出到信号对应相乘模块(7)，信号对应相乘模块(7)将取出的序列与本地存储的已知相位编码序列一一对应共轭相乘得到新的序列。 

9.如权利要求8所述的相位编码调制信号的脉冲压缩处理方法，其特征在于:信号对应相乘模块(7)得到的新的序列结果输出到快速傅里叶变换模块(8)计算输入序列的傅里叶变换值，快速傅里叶变换模块(8)计算输入序列的傅里叶变换值输出到归一化处理模块(9)，归一化处理模块(9)完成数据归一化处理后输出序列中的最大值为当前采样时刻的脉冲压缩结果。 

10.如权利要求9所述的相位编码调制信号的脉冲压缩处理方法，其特征在于:归一化处理模块(9)中的运算逻辑定义为： 

从快速傅里叶变换模块(8)运算处理后的序列表示为[z(0),z(1),…z(N-1)]，对序列进行归一化处理包括两个步骤： 

1）、计算归一化序列[y(0),y(1),…y(N-1)]，其中 

式中max(X)表示取向量序列X中的最大值； 

2）、选择序列[y(0),y(1),…y(N-1)]中幅值最大值为该时刻的脉冲压缩值。