CN104991247B - 一种低截获测速方法及雷达装置 - Google Patents

Abstract

一种低截获测速方法，包括如下步骤：步骤1.在第i个FHI内，生成载频为f _ci 的二相编码信号并发射；接收被测速目标的回波信号，将回波信号混频得到中频信号；步骤2.将中频信号与自身混频，并通过带通滤波，得到平方率信号；步骤3.对步骤2得到的平方率信号进行采样，采样后得到数字序列信号；步骤4.对数字序列信号进行傅立叶变换；根据傅立叶变换后的频谱信号得出频域峰值对应的归一化频率，解出待测目标的速度。本发明还公开了一种低截获测速雷达装置，包括天线和控制器，还包括二相调制器、频率综合器及接收支路。本发明有效降低了测速雷达被电子狗截获的概率。同时能够有效地降低系统的采样率，并保留了动目标的速度信息。

Description

一种低截获测速方法及雷达装置

技术领域

本发明属于电子通信领域，涉及雷达技术领域，具体是指一种低截获测速方法及雷达装置。

背景技术

测速雷达因其具有价格便宜、精确度高、布置灵活等优点，目前已广泛应用于公路交通的管制与监控中，被公安交管部门作为用于检测车辆是否超速的首选工具。

现有的测速雷达采用单频连续波体制，其具有发射频谱很窄的特点，利用多普勒效应测得目标的速度。图1是一种现有的单频连续波测速雷达装置。在发射部分，控制器通过控制频率源产生频率为f ₀的单频连续波并将其输入到定向耦合器，定向耦合器将其中一路信号作为本振信号输入至混频器，将另一路频率为f ₀的单频信号经过环形器与天线辐射到空间。如果目标以径向速度v _r 相对于雷达运动，则从目标反射回来的信号会使载频f ₀产生多普勒频移f _d =2v _r /λ。式中λ为雷达波长，f _d 的正、负号由目标运动方向决定。在接收部分，天线接收到回波信号后，经环形器输出到低噪声放大器及滤波器，然后再与频率为f ₀本振信号进行混频，得到频率为f _d 的低频信号，将混频后得到的基带信号进行滤波放大，然后送入到ADC，ADC将输入的模拟信号转化为数字信号。在信号处理部分，将数字信号送入数字信号处理器，通过信号处理得到基带信号的频率f _d ，计算出多普勒信号的目标速度v _r 。最后，在控制部分和显示部分，控制器控制显示器显示出经处理所得目标的速度v _r 。但由于单频连续波雷达发射的是单一频率的连续波，在频谱上能量高度集中，易被采用扫频式超外差接收机的反雷达测速仪截获。反雷达测速仪也称电子狗，是一种检测测速雷达的设备，安装在汽车内，可以在一定距离内检测到周围是否有测速雷达信号。现有的测速雷达存在抗截获性能低的问题，造成一些超速车辆可以在电子狗的帮助下成功躲避雷达测速装置，降低了交通安全执法的效果。

如图2所示为一个频率为20MHz的单频连续波信号与载频为20MHz二相编码信号的频谱示意图。两者具有相等的总能量，但单频连续波信号频域上能量高度集中，易被电子狗截获。而二相编码信号是一种宽带的低截获概率（LPI）信号，其能量在频域上分散，从而降低被截获的概率。二相编码信号是一种常用的相位编码信号，它按照码元的相位对载波信号进行0或π移相的方法形成二相编码波形。假设每个码元的时间宽度为τ。则对于伪随机编码的二相编码波形其带宽B≈1/τ，且由于二相编码的伪随机序列特性，使得二相编码信号具有强的抗干扰能力。

传统的二相编码信号采用脉冲压缩的方式，通过提取脉组间的包络来获得目标的速度信息。采用脉冲压缩的方法，能获得目标的距离与速度信息，而二相编码信号是多普勒敏感信号，多普勒频率会降低脉压输出的主副比，当多普勒过大时会影响目标的检测，这就限制了二相编码信号的应用。

发明内容

为克服现有雷达测速中发射信号由于能量在频域集中，造成信号容易被识别拦截，传统二相编码信号易被多普勒频率降低脉压输出主副比，影响目标检测的技术缺陷，本发明公开了一种低截获测速方法及雷达装置。

本发明所述一种低截获测速方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.在第i个FHI内，生成载频为f _ci 的二相编码信号并发射；

接收被测速目标的回波信号，将回波信号与频率为f _ci +f _m 或f _ci －f _m 的本振信号。混频得到中频信号S _m (t)；其中FHI为跳频间隔，f _m 为中频信号频率，i为任意正整数；

步骤2.将S _m (t)与自身混频，并通过带通滤波，得到平方率信号S ² _m (t)；

所述带通滤波的下限频率F1应小于2(f_m+f_dmin)，上限频率F2应大于2(f_m+f_dmax)；其中f _dmin 为待测目标对应的最低多普勒频率，f _dmax 为待测目标对应的最高多普勒频率，f _m 为中频信号频率；如此即可保留待测目标的信号，并滤除其他无用的信号

步骤3.对步骤2得到的平方率信号进行采样，采样后得到数字序列信号S[n]；

步骤4.对数字序列信号进行补零至M个点，并对M点作傅立叶变换；确定待测目标是否存在，若存在，则根据傅立叶变换后的频谱信号得出频域峰值对应的归一化频率，解出待测目标的速度，所述M为满足傅立叶变换要求的点的数量。

优选的，所述步骤1中产生的二相编码信号的载频在不同的编码周期间是频率跳变的。

优选的，所述步骤4中M为大于被补零数字序列信号数量的最接近的2的整数次幂。

优选的，所述步骤4中利用恒虚预警门限确定待测目标是否存在。

本发明还公开了一种低截获测速雷达装置，包括天线和控制器，还包括二相调制器、频率综合器，所述二相调制器的输入端与控制器和频率综合器连接，二相调制器输出端通过发射支路与天线连接；

还包括与天线连接的接收支路，所述接收支路包括顺序连接的第一混频器、第一滤波器、平方率器件、带通滤波器、模数转换器、数字信号处理器；所述第一混频器的本振输入端和信号输入端分别与频率综合器和天线连接，所述第一滤波器的输入端和输出端分别连接第一混频器的输出端和平方率器件的输入端，所述带通滤波器的输入端和输出端分别连接平方率器件的输出端和模数转换器的输入端；所述平方率器件的功能为将输入信号与自身以模拟方式相乘后输出，所述数字信号处理器的功能为对数字信号进行傅立叶变换，判断目标是否存在；

所述控制器控制二相编码信号的产生及计算结果的输出。

优选的，所述平方率器件由功分器、功分放大器、第二混频器组成，功分器的两个输出端分别连接功分放大器输入端和第二混频器的本振或信号输入端，功分放大器的输出端连接第二混频器的另一输入端。

优选的，所述发射支路和接收支路包括共用的环形器，所述环形器与天线连接。

进一步的，所述发射支路和/或接收支路中，还串联有与环形器连接的放大器和/或滤波器。

优选的，还包括与控制器连接的显示器。

优选的，所述频率综合器能输出频率跳变信号。

采用本发明所述低截获测速方法及雷达装置，采用了一种具有低截获概率波形的编码周期间载波频率跳变的二相编码信号，采用相位调制和载波频率跳变相结合的方式有效地降低测速雷达被电子狗截获的概率。同时，采用平方率器件去除回波信号的相位调制信息，将二相编码信号这种宽带信号压缩至一个单频信号，能够有效地降低系统的采样率，同时保留了动目标的速度信息，解决了二相编码信号多普勒失配导致的诸多问题。本发明将回波下变频到固定中频，降低了接收机的复杂度，还能获得较高的测速精度。本发明技术简单，性能可靠，实现成本较低，可以替换现有的测速雷达。

附图说明

图1是一种现有的单频连续波测速雷达装置示意图；

图2为频率为20MHz的单频连续波信号与载频为20MHz的二相编码信号的频谱示意图；

图3为本发明所述低截获雷达测速装置的一种具体实施方式示意图；

图4 为本发明所述的二相编码信号时域波形示意图；

图5为本发明一个具体实施例中，以50MHz的采样率对回波信号进行采样得到的频谱示意图；

图6所示为图5中频谱信号经过平方处理，并去除直流后的频谱信号；

图7为图6所示频谱经过FFT运算后的频域示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明公开了一种低截获测速雷达装置，包括天线和控制器，还包括二相调制器、频率综合器，所述二相调制器的输入端与控制器和频率综合器连接，二相调制器输出端通过发射支路与天线连接；

还包括与天线连接的接收支路，所述接收支路包括顺序连接的第一混频器、滤波器、平方率器件、模数转换器、数字信号处理器；所述第一混频器的本振输入端和信号输入端分别与频率综合器和天线连接，所述平方率器件的功能为将输入信号与自身以模拟方式相乘后输出，所述数字信号处理器的功能为对数字信号进行傅立叶变换；

所述控制器控制二相编码信号的产生及计算结果的输出。

如图3所示的具体实施方式中，接收支路和发射支路采用环形器作为公共器件进行信号的收发。发射部分包括二相调制器1、放大器2、环形器3和天线4。其中二相调制器1需要控制器6对其写入控制字以产生所需的伪随机码序列，并与频率综合器7送过来的正弦波信号作为二相编码信号的载频信号，共同生成所需的二相编码连续波信号，并将二相编码信号通过放大器2后输入到环形器3，并经过环形器3与天线4将二相编码信号发射出去。

天线4接收到回波信号后，经环形器3输出到滤波器及低噪声放大器8，再输入到第一混频器16，第一混频器16的另一路输入是由频率综合器的一路输出作为本振频率，通过第一混频器和相连的第一滤波器15将回波下变频到中频信号，并将中频信号送入平方率器件进行自平方处理，得到去除了相位调制信息的信号，经过带通滤波器12送入到模数转换器（ADC）11，从而将模拟信号转化为数字信号，接着将数字信号送入信号处理部分。

信号处理部分包括数字信号处理器10。其中接收部分输出的数字信号进入数字信号处理器10，数字信号处理器10将接收到的数字信号进行傅里叶变换以解算目标速度。

图3所示的具体实施方式中，平方率器件由功分器14、第二混频器13和放大器9组成，功分器14将输入信号分为两路信号A，B。A，B两路信号分别送到第二混频器13和放大器的输入端，通过与自身以模拟形式相乘，得到去除了相位调制信息的信号。

可以在发射支路和/或接收支路中，串联与环形器连接的放大器和/或滤波器，增强信号强度和纯净度。还可以设置与控制器连接的显示器以方便设置参数并观察波形。

基于上述装置的低截获测速方法包括如下步骤：

步骤1.在第i个FHI内，生成载频为f _ci 的二相编码信号并发射；

接收被测速目标的回波信号，将回波信号与频率为f _ci +f _m 或f _ci －f _m 的本振信号。混频得到中频信号S _m (t)；其中FHI为跳频间隔，f _m 为中频信号频率，i为任意正整数；

步骤2.将S _m (t)与自身混频，并通过带通滤波，得到平方率信号S ² _m (t)；

所述带通滤波的下限频率F1应小于2(f_m+f_dmin)，上限频率F2应大于2(f_m+f_dmax)；其中f _dmin 为待测目标对应的最低多普勒频率，f _dmax 为待测目标对应的最高多普勒频率，f _m 为中频信号频率；如此即可保留待测目标的信号，并滤除其他无用的信号。

如图5所示为编码周期间跳频的二相编码信号时域示意图。由图可知，对于编码‘1’对应的信号的初始相位为0，对于编码‘0’或π，不同的FHI之间的载频不相同，相位编码的取值有所选取的伪随机序列确定。设每个码元的宽度为τ，则其信号的带宽B≈1/τ。

如果不同FHI内具有频率跳变的载频，则进一步增加了信号的合成带宽，同时降低了雷达信号被截获的概率。

设第i个FHI内发射信号为S _t (t)，则发射信号的表达式为：

（1）

其中a为发射信号的幅度，c _k 为第k个码元的取值（为1或-1），τ为每个码元的宽度，φ ₀为初始相位，f _ci 为载波频率，v(t)的表达是窗函数，v(t)取值在[0,τ]的区间内为1，其余时刻为0，P为一个FHI内的码元数。

对回波信号，设第i个FHI的回波信号为S _r (t)，则回波信号的时域表达式为：

（2）

其中a _r 为回波信号的幅度，t₀为雷达回波延时。

将回波信号与频率为f _ci +f _m 的本振信号混频可得中频信号表达式为：

（3）

其中a _r为 中频信号的幅度，f _m 为中频频率。

假设目标与雷达之间的距离为R ₀，以径向速度（目标运动速度在雷达波束发射方向上的投影）v ₀朝着雷达运动，则回波延时

（4）

其中c为光速，将（4）式代入（3）式可得：

（5）

步骤2.将S _m (t)与自身混频，并去掉混频后的直流信号，得到平方率信号S ² _m (t)；

为了去除其相位调制信息，将S _m (t)与自身混频可得:

（6）

进一步改写为

（7）

其中，f _d =2f _c v ₀ /c。

从（7）式可见，经过平方率器件处理后的信号S ² _m (t)是一个包含两项的多项式，第一项为中频频率与多普勒频率之和二倍的一个单频信号，第二项为一个直流信号。

步骤3.对步骤2得到的平方率信号进行采样，采样后得到数字序列信号S[n]；

将S ² _m (t)信号通过滤波器滤除直流等不需要的频率分量后其时域信号为：

（8）

设采样率为f _s ，对应采样间隔为T _s ，等效于t=nT _s ，其中，n=0,1, …,N-1，N为每个FHI内的采样点数，代入（8）式可得采样后的信号S _m ² (n)为：

（9）

步骤4.对数字序列信号进行补零至M个点，并对M点作傅立叶变换；确定待测目标是否存在，若存在，则根据傅立叶变换后的频谱信号得出频域峰值对应的归一化频率，解出待测目标的速度，所述M为满足傅立叶变换要求的点的数量。

将S[n]序列数量补零至M点， M为满足傅立叶变换要求的点的数量，通常选择补零至最接近的2的整数次幂。

作M点的傅里叶变换，可得 (10)

得到其频域峰值应当出现在归一化频率为:

(11)

联合f _d =2f _c v ₀ /c；可解得目标的多普勒频率为：

(12)

可求得目标的速度为：

(13)

在雷达检测中，通常通过设定恒虚警门限值确定检测目标是否存在，雷达信号的检测总是在干扰背景下进行的，这些干扰包括接收机内部的热噪声，以及地物、雨雪、海浪等杂波干扰，有时还有被检测方施放的有源和无源干扰。当外界干扰强度变化时，雷达能自动调整其灵敏度，使雷达的虚警概率保持不变。

由前面的分析可得，信号的带宽为B=1/τ。由奈奎斯特采样定理可得，其采样率理论上应当fs≥2/τ。在本专利中将信号经过平方处理后，信号的频率被压缩至一个单频，从而提取目标的多普勒信息，解算出目标的速度。故，该算法的理论采样率只需满足fs≥4(f _m +f _dmax ),其中f _dmax 表示目标回波最高多普勒频率，选择合适的中频能够有效的降低信号的采样率，从而降低系统对硬件的要求。

以下给出本发明的一个具体实施例：

实施例1

本实施例采用上述的测速算法，其中，发射信号采用脉组间频率跳变的二相编码信号。

本实施例中，产生类似如图5所示的脉组间频率跳变的二相编码信号，其相位编码方式采用11级最长线性反馈移位寄存器产生的m序列，其抽头系数为1 0 0 0 0 0 0 0 1 01，初始序列为1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 ，编码长度为2047，脉组间频率编码方式采用N=7的Costas编码，7个FHI内的载波频率为：f _c1 =34.3GHz，f _c2 =34.6GHz，f _c3 =34GHz，f _c4 =34.5GHz，f _c5 =34.4GHz，f _c6 =34.1GHz，f _c1 =34.2GHz。设测速雷达测量的距离范围为：50m-150m，测速范围为：10m/s-70m/s。每个码元的时宽为τ=0.1us，中频频率为f _m =1MHz，采样率f _s =5MHz，对应采样间隔T _s =0.2μs，一个FHI为204.7us。同时，设定运动目标的参数如下：目标速度v=50m/s，距离R=100m。一个FHI内的采样点数为1024点，将采样点数补零，为了获得较高的频率分辨率同时兼顾算法的运行效率，此处补零后的离散傅里叶变换点数M=4096。

由前述可得，信号的带宽为B=1/τ=10MHz,为了观测回波信号的频谱，以50MHz的采样率对回波信号进行采样可得其频谱如图5所示，由图5可知，回波信号的频谱是一个宽带信号。但经过平方处理后去直流后的频谱如图6所示，图6所示频谱的峰值对应的频率即为2（f _m +f _d ）。由仿真可得，经过平方率器件后，去除了相位调制信号，频谱被压缩至点频，能够有效的降低系统的采样率，减少硬件成本。

考虑到噪声的影响，令回波基带信号信噪比SNR=0dB，经平方处理并滤波后的信号经ADC送入信号处理器，经过FFT运算后的频域示意图如图7所示，由图得到频谱峰值对的归一化频率为：F=0.4045410156，带入（13）式可解得目标的速度为：v= 49.9379m/s，与实际速度v=50m/s相符。

本发明中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低截获测速方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.在第i个FHI内，生成载频为f _ci 的二相编码信号并发射；

接收被测速目标的回波信号，将回波信号与频率为f _ci +f _m 或f _ci －f _m 的本振信号，混频得到中频信号S _m (t)；其中FHI为跳频间隔，f _m 为中频信号频率，i为任意正整数；

步骤2.将S _m (t)与自身混频，并通过带通滤波，得到平方率信号S ² _m (t)；

所述带通滤波的下限频率F1应小于2(f_m+f_dmin)，上限频率F2应大于2(f_m+f_dmax)；其中f _dmin 为待测目标对应的最低多普勒频率，f _dmax 为待测目标对应的最高多普勒频率，f _m 为中频信号频率；如此即可保留待测目标的信号，并滤除其他无用的信号；

步骤3.对步骤2得到的平方率信号进行采样，采样后得到数字序列信号S[n]；

步骤4.对数字序列信号进行补零至M个点，并对M点作傅立叶变换；确定待测目标是否存在，若存在，则根据傅立叶变换后的频谱信号得出频域峰值对应的归一化频率，解出待测目标的速度，所述M为满足傅立叶变换要求的点的数量。

2.如权利要求1所述低截获测速方法，其特征在于，所述步骤1中产生的二相编码信号的载频在不同的编码周期间是频率跳变的。

3.如权利要求1所述低截获测速方法，其特征在于，所述步骤4中M为大于被补零数字序列信号数量的最接近的2的整数次幂。

4.如权利要求1所述低截获测速方法，其特征在于，所述步骤4中利用恒虚预警门限确定待测目标是否存在。

5.低截获测速雷达装置，包括天线和控制器，其特征在于，还包括二相调制器、频率综合器，所述二相调制器的输入端与控制器和频率综合器连接，二相调制器输出端通过发射支路与天线连接；

还包括与天线连接的接收支路，所述接收支路包括顺序连接的第一混频器、第一滤波器、平方率器件、带通滤波器、模数转换器、数字信号处理器；所述第一混频器的本振输入端和信号输入端分别与频率综合器和天线连接，所述第一滤波器的输入端和输出端分别连接第一混频器的输出端和平方率器件的输入端，所述带通滤波器的输入端和输出端分别连接平方率器件的输出端和模数转换器的输入端；所述平方率器件的功能为将输入信号与自身以模拟方式相乘后输出，所述数字信号处理器的功能为对数字信号进行傅立叶变换，判断目标是否存在；

所述控制器控制二相编码信号的产生及计算结果的输出。

6.如权利要求5所述低截获测速雷达装置，其特征在于，所述平方率器件由功分器、功分放大器、第二混频器组成，功分器的两个输出端分别连接功分放大器输入端和第二混频器的本振或信号输入端，功分放大器的输出端连接第二混频器的另一输入端。

7.如权利要求5所述低截获测速雷达装置，其特征在于，所述发射支路和接收支路包括共用的环形器，所述环形器与天线连接。

8.如权利要求7所述低截获测速雷达装置，其特征在于，所述发射支路和/或接收支路中，还串联有与环形器连接的放大器和/或滤波器。

9.如权利要求5所述低截获测速雷达装置，其特征在于，还包括与控制器连接的显示器。

10.如权利要求5所述低截获测速雷达装置，其特征在于，所述频率综合器能输出频率跳变信号。