CN104991239B

CN104991239B - 一种基于脉冲压缩雷达的距离旁瓣抑制方法

Info

Publication number: CN104991239B
Application number: CN201510368800.3A
Authority: CN
Inventors: 蓝爱兰; 阎敬业
Original assignee: National Space Science Center of CAS
Current assignee: National Space Science Center of CAS
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2017-06-13
Anticipated expiration: 2035-06-29
Also published as: CN104991239A

Abstract

本发明涉及一种基于脉冲压缩雷达的距离旁瓣抑制方法，包括：读取雷达回波数据；从雷达回波数据中提取准点目标回波；对准点目标回波进行重采样，将重采样后的准点目标回波取模后用作雷达系统响应，得到系统响应函数；对系统响应函数进行傅里叶变换，得到系统传输函数；将雷达回波数据做重采样，并对重采样后的雷达回波数据进行取模操作；将重采样并取模后的雷达回波数据进行傅里叶变换，得到经傅里叶变换所生成的函数；根据系统传输函数，以及重采样后的雷达回波数据经傅里叶变换所生成的函数，结合反卷积方法，从雷达回波信号中提取目标信息。

Description

一种基于脉冲压缩雷达的距离旁瓣抑制方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，特别涉及一种基于脉冲压缩雷达的距离旁瓣抑制方法。

背景技术

脉冲压缩技术是雷达的关键技术之一，它既保持了窄脉冲的高距离分辨力，又能获得宽脉冲雷达系统的高信噪比。脉冲压缩雷达是匹配滤波器系统的一种实际实现，而匹配滤波器的输出由压缩脉冲组成，并伴有其他距离上的响应，也就是所谓的距离旁瓣。距离旁瓣的存在限制了雷达系统检测的动态范围，导致脉冲压缩雷达的距离分辨率无法到达压缩主瓣长度对应的距离分辨率。

由于距离旁瓣的存在，强目标回波信号通过旁瓣的泄露会污染甚至淹没邻近距离门的弱目标主瓣信号，从而影响弱目标信号的探测。距离旁瓣是由匹配滤波过程所带来，因此，通常采用失配滤波来降低副瓣。如图1所示，实现失配滤波的方法通常有两种：一种是在匹配滤波器之后级联旁瓣抑制滤波器(亦称加权滤波器)，即通过对匹配滤波器的输出进行加权；二是直接利用失配滤波器替代匹配滤波器。

相位编码信号的旁瓣抑制问题的研究始于1959年，在参考文献1“Key EL,FowleEN,and Haggart RD.A method of sidelobe suppression in phase coded pulsecompression systems[R].M.I.T.Lincoln Laboratory,1959”中，Key EL等人提出通过在时域对匹配滤波器输出进行加权达到降低旁瓣的目的，之后很多学者纷纷就此问题展开研究。1971年Rihaczek和Golden利用傅里叶级数对旁瓣的频率贡献的倒数进行近似，并以此设计加权滤波器，进行旁瓣抑制，称为RG法，参见参考文献2“Rihaczek AW and GoldenRM.Range sidelobe suppression for barker codes[J].IEEE Transactions onAerospace and Electronic Systems,1971,AES-7(6):1087-1092”。RG法设计的加权滤波器具有结构简单、性能稳定的特点，但该方法不适用于具有副旁瓣的二相编码波形。1973年，在参考文献3“Ackroyd M,Ahani F.Optimum mismatched filters for sidelobesuppression[J].IEEE transactions on Aerospace and Electronic Systems,1973,AES-9(2):214-217”中，Ackroyd和Ghani提出了最小均方逆滤波(LS)法，在参考文献4“Zoraster S.Minimum peak range sidelobes filter for binary phase codedwaveforms[J].IEEE transactions on Aerospace and Electronic Systems,1980,AES-16(1):112-115”中，Zorasler于1980年提出了线性规划(LP)法，用于设计失配滤波器，替代匹配滤波器以实现距离旁瓣抑制。LS滤波器和LP滤波器在性能上各有优缺点，但都具有滤波器阶数越高旁瓣抑制效果越好，同时输出信噪比会有所损失，并增加资源消耗。1990年，Chen XH和Oksman结合LP法对RG法进行了优化，扩展了其应用范围，参见参考文献5“ChenXH,Oksman J.A new algorithm to optimize Barker Code sidelobe suppressionfilters[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1990,26(4):673-677”。1989年，Sulzer发现只要调制函数在频域内不存在零点，就能找到一种解码滤波器(即失配滤波器)使得脉冲压缩没有距离旁瓣，参见参考文献6“Sulzer MP.Recentincoherent scatter techniques[J].Advanced Space Research,1989,9(5):153-162”。这种无旁瓣滤波只适用部分编码，对于某些编码，会导致输出信噪比严重下降。2004年，Lehtinen等人在参考文献7“Lehtinen MS,Damtie B,and Nygren,T.Optimal binaryphase codes and sidelobe-free decoding filters with application to incoherentscatter radar[J].Annales Geophasicae,2004,22:1623-1632”中对无旁瓣滤波方法进行优化，在无旁瓣滤波的前提下使输出信噪比最大化，此方法要求调制函数在频域不存在零点。另外，在参考文献8“Kwan HK and Lee CK.A new neural network approach to pulseradar detection[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,1993,29(1):9-21”中，Kwan和Lee将神经网络用于脉冲压缩，开拓了旁瓣抑制的另一种方法。此方法可以调整权值，获得高信噪比，并具有很好的抗干扰能力；但同时运算量大，处理速度慢，参见参考文献9“蔡凤丽.相位编码信号脉冲压缩旁瓣抑制技术研究[D].[硕士论文],南京理工大学,2009”。

然而，不论是在匹配滤波器输出跟随加权滤波器，还是直接用失配滤波器替代匹配滤波器，失配滤波器的输出信噪比必然低于匹配滤波器。另外，对旁瓣抑制要求越高，相应失配滤波器的阶数也越高，所需资源越多，即成本增加；而同时信噪比损失也会相应增大。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术中的雷达系统所存在的距离旁瓣问题，从而提供一种具有广泛适应性的距离旁瓣抑制方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于脉冲压缩雷达的距离旁瓣抑制方法，包括：

步骤1)、读取雷达回波数据；

步骤2)、从雷达回波数据中提取准点目标回波；

步骤3)、对步骤2)所提取的准点目标回波进行重采样，将重采样后的准点目标回波取模后用作雷达系统响应，得到系统响应函数；

步骤4)、对步骤3)得到的系统响应函数进行傅里叶变换，得到系统传输函数；

步骤5)、将步骤1)所得到的雷达回波数据做重采样，并对重采样后的雷达回波数据进行取模操作；

步骤6)、将步骤5)得到的重采样并取模后的雷达回波数据进行傅里叶变换，得到经傅里叶变换所生成的函数；

步骤7)、根据步骤4)得到的系统传输函数，以及步骤6)得到的重采样后的雷达回波数据经傅里叶变换所生成的函数，结合反卷积方法，从雷达回波信号中提取目标信息。

上述技术方案中，所述步骤2)进一步包括：

步骤2-1)、从雷达回波数据中寻找强目标回波信号；

步骤2-2)、根据强目标回波信号判断强目标在径向上的尺度是否不超出一个距离门，即相邻距离门是否同时存在强目标，若强目标尺度不超出一个距离门执行步骤2-3)；反之则重新执行步骤2-1)；

步骤2-3)、判断在径向上与强目标的间距不大于2N_c-1个距离门的邻近区域是否存在其他强目标，若不存在其他强目标，执行步骤2-4)；否则重新执行步骤2-1)；，其中N_c为编码长度；

步骤2-4)、确定强目标所在距离门，根据运动目标的平均径向速度用相邻两个回波信号的相位差的平均值来求得的特点，利用脉冲对处理方法估算目标的径向Doppler速度v_d；

步骤2-5)、判断目标的径向Doppler速度是否足够小，即是否满足：目标在子脉冲总宽度τ内的移动距离v_dτ＜＜λ，其中λ为雷达工作波长；若径向Doppler速度足够小，执行步骤2-6)；反之则执行步骤2-1)；

步骤2-6)、在距离向上，以强信号为中心截取2N_c+1个点；

步骤2-7)、判断步骤2-6)截取的回波信号的旁瓣是否足够低：若主旁瓣比与理论值相差在1dB以内，该回波可视为点目标回波信号加以提取，若不是则执行步骤2-1)。

上述技术方案中，在步骤7)中采用如下公式计算目标信息：

s＝D_(1:Q){IDFT[V(k)/H(k)]}；

其中，D_(1:Q){·}是一个范围限定算子；IDFT表示离散傅里叶逆变换；s为所要提取的目标信号；H(k)为步骤4)得到的系统传输函数；V(k)为步骤6)得到的重采样后的雷达回波数据经傅里叶变换所生成的函数。

上述技术方案中，在步骤3)和步骤5)中的重采样将雷达回波数据的采样率降为每个脉冲1个采样点。

本发明的优点在于：

本发明的方法通过对雷达回波数据进行后处理实现距离旁瓣抑制，不需要对雷达系统做任何改动，避免增加各种成本，还能对过去的数据进行处理，使其得以进一步应用，具有广泛的适应性。

附图说明

图1是现有技术中的失配滤波方法的示意图；

图2是本发明的基于脉冲压缩雷达的距离旁瓣抑制方法的处理流程图；

图3是本发明的基于脉冲压缩雷达的距离旁瓣抑制方法中点目标回波数据的提取流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的基于脉冲压缩雷达的距离旁瓣抑制方法根据输入输出信号与系统响应函数之间的关系，利用反卷积方法从雷达回波中提取出目标信息，从而实现距离旁瓣抑制。

具体的说，参考图2，本发明的方法包括以下步骤：

步骤1)、读取雷达回波数据；

步骤2)、从雷达回波数据中提取准点目标回波；其中，所述准点目标是指可近似为点目标的非理想点目标。

从雷达回波数据中提取准点目标回波的依据有：

a、目标的尺度不超出一个距离门；其中，所述距离门是指雷达视轴方向的距离分辨率，距离门＝光速×脉冲长度/2；

b、准点目标邻近距离门内不存在强目标；

c、回波信号具有高信噪比，在距离向上的波形与点目标响应近似，且主旁瓣比接近理想值；

d、目标在雷达观测方向上的径向速度可以忽略，即一个脉冲长度内的移动距离远小于探测波长。

根据上述依据，参考图3，步骤2)进一步包括：

步骤2-1)、从雷达回波数据中寻找强目标回波信号；

步骤2-2)、根据强目标回波信号判断强目标在径向上的尺度是否不超出一个距离门，即相邻距离门是否同时存在强目标？若强目标尺度不超出一个距离门执行步骤2-3)；反之则重新执行步骤2-1)；

步骤2-3)、判断在径向上与强目标的间距不大于2N_c-1(其中N_c为编码长度)个距离门的邻近区域是否存在其他强目标？若不存在其他强目标，执行步骤2-4)；否则重新执行步骤2-1)；

步骤2-4)、确定强目标所在距离门，根据运动目标的平均径向速度可以用相邻两个回波信号的相位差的平均值来求得的特点，利用脉冲对处理方法估算目标的径向Doppler速度v_d；

步骤2-5)、判断目标的径向Doppler速度是否足够小？判断准则为：目标在子脉冲总宽度τ内的移动距离v_dτ＜＜λ，其中λ为雷达工作波长；若径向Doppler速度足够小，执行步骤2-6)；反之则执行步骤2-1)，

步骤2-6)、在距离向上，以强信号为中心截取2N_c+1个点；

步骤2-7)、判断截取的回波信号的旁瓣是否足够低：若主旁瓣比与理论值相差在1dB以内，该回波可视为点目标回波信号加以提取，若不是则执行步骤2-1)。

步骤3)、对步骤2)所提取的准点目标回波进行重采样，将重采样后的准点目标回波取模后用作雷达系统响应，得到系统响应函数{h(n)}。

其中，对准点目标回波进行重采样的采样间隔为子脉冲宽度，即每个子脉冲1个采样点。

本步骤中，将重采样后的准点目标回波用作雷达系统响应能够避免卷积核出现频域零点。

步骤4)、对步骤3)得到的系统响应函数{h(n)}进行傅里叶变换，得到系统传输函数H(k)。

步骤5)、将步骤1)所得到的雷达回波数据做重采样，并对重采样后的雷达回波数据进行取模操作，得到重采样后的雷达回波数据{v(n)}。

步骤6)、将步骤5)得到的重采样并取模后的雷达回波数据{v(n)}进行傅里叶变换，得到经傅里叶变换所生成的函数V(k)。

步骤7)、利用反卷积方法，从雷达回波信号中提取目标信息。

假定雷达系统的回波信号为{v(n)}，系统响应函数为{h(n)}，目标信号为{s(n)}，回波信号时则三者之间的关系为：

v(n)＝h(n)*s(n) (1)

即

式中：P、Q和L分别为信号序列{h(n)}、{s(n)}和{v(n)}的长度，且有L＝P+Q-1。未知目标信号序列的尺寸Q小于方程个数L，因此，(2)式是个超定方程组。用补零方式将{h(n)}和{v(n)}的尺寸扩充到N_FT(N_FT≥L)，做离散傅里叶变换后分别为H(k)和V(k)，则

s＝D_(1:Q){IDFT[V(k)/H(k)]} (3)

{h(n)}为重采样后的准点目标回波，{v(n)}为重采样后的雷达回波，分别进行离散傅里叶变换后，利用(3)式即可获得目标信号。公式(3)中的D_(1:Q){·}是一个范围限定算子，它表示IDFT[V(k)/H(k)]的结果序列中只取用(1:Q)那部分样本序列；IDFT表示离散傅里叶逆变换，s为所要提取的目标信号。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于脉冲压缩雷达的距离旁瓣抑制方法，包括：

步骤1)、读取雷达回波数据；

步骤2)、从雷达回波数据中提取准点目标回波；其中，所述步骤2)进一步包括：

步骤2-1)、从雷达回波数据中寻找强目标回波信号；

步骤2-3)、判断在径向上与强目标的间距不大于2N_c-1个距离门的邻近区域是否存在其他强目标，若不存在其他强目标，执行步骤2-4)；否则重新执行步骤2-1)；其中N_c为编码长度；

步骤2-6)、在距离向上，以强信号为中心截取2N_c+1个点；

步骤2-7)、判断步骤2-6)截取的回波信号的旁瓣是否足够低：若主旁瓣比与理论值相差在1dB以内，该回波可视为点目标回波信号加以提取，若不是则执行步骤2-1)；

2.根据权利要求1所述的基于脉冲压缩雷达的距离旁瓣抑制方法，其特征在于，在步骤7)中采用如下公式计算目标信息：

s＝D_(1:Q){IDFT[V(k)/H(k)]}；

3.根据权利要求1所述的基于脉冲压缩雷达的距离旁瓣抑制方法，其特征在于，在步骤3)和步骤5)中的重采样将雷达回波数据的采样率降为每个脉冲1个采样点。