CN105116396B - 一种连续波雷达多普勒回波检测方法 - Google Patents
一种连续波雷达多普勒回波检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种连续波雷达多普勒回波检测方法,步骤为(1)对基带信号采样后进行N点FFT运算,得到采样信号的功率谱曲线;(2)根据上一个测量周期增益控制AGC的结果,计算本周期回波检测的信噪比门限;(3)判断工作模式,近区模式中,按照近区模式区域划分进行回波频谱搜索;远区模式中,按照远区模式区域划分进行回波频谱搜索;(4)根据检测到的频谱位置计算速度值;(5)根据速度结果切换下一个测量周期工作模式;(6)根据采集的时域信号进行增益控制AGC值计算,作为下一个周期信噪比门限计算依据;该方法提高了回波信号的检测成功率,提高了连续波雷达抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种雷达多普勒回波检测方法,特别是一种连续波雷达多普勒回波检测方法,属于空间微波遥感技术领域。
背景技术
连续波测速雷达是月球深空探测着陆工程中的关键单机,它为卫星制导、导航和控制系统提供精确的卫星速度信息,从而保证着陆的安全。连续波测速雷达的测量精度较高,利用高精度面目标回波多普勒波束中心求取方法,对面目标多普勒频谱计算出波束中心的多普勒频率。另外,连续波测速雷达在导弹制导以及舰载飞机、无人机起降方面都有广阔的应用前景。
为了获得高的测速精度以及系统轻量化的要求,采用连续波雷达实现着陆过程波束向速度的测量,但是由于连续波雷达采用收发同时工作的原理,直波泄露信号的存在将直接影响目标回波的检测,测速敏感器设计中针对收发天线进行了高隔离度的设计,并且采用视频对消技术进一步减小泄露信号对信号检测的影响,但是在信号检测端口中泄露剩余信号和收发天线在振动环境下相位抖动引起的泄露信号频谱展宽分量,给信号的检测带来了难题;同时由于连续波体制雷达抗干扰能力较差,电源上的杂波会反映到回波信号上,所以系统的杂散和干扰对回波信号检测也带来了难题。
目前现有文献主要采用模拟频率跟踪环路对连续波测速雷达回波信号进行跟踪检测,并且只能处理速度即多普勒频率大于一定范围的回波信号,这种方法不能够检测出零多普勒附近的回波信号,同时模拟频率跟踪环路容易受到干扰信号的影响。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供了一种连续波雷达多普勒回波检测方法,利用回波信号能量(即AGC控制量)大小实施调整回波检测门限,剔除干扰信号、杂散信号虚警检测,同时采用区域保护检测方式,设置保护区域,减小每个区域的检测受泄露信号的影响,提高连续波测速雷达系统抗干扰能力。
本发明的技术解决方案是:一种连续波雷达多普勒回波检测方法,步骤如下:
(1)对连续波雷达多普勒信号数字采样后得到雷达数字回波信号s(n);
(2)对雷达数字回波信号s(n)进行N点FFT计算,得到功率频谱F(k),所述N取2n,其中n为正整数,所述k=0,1,....,N-1;
(3)根据上一个测量周期增益控制AGC的结果,计算本周期回波检测的信噪比门限;
(4)判断当前工作模式,若为近区模式,则按照近区模式区域划分进行回波频谱搜索,获得回波频谱位置i;若为远区模式,则按照远区模式区域划分进行回波频谱搜索,获得回波频谱位置i;所述工作模式包括近区模式和远区模式;
(5)根据步骤(4)中搜索的回波频谱位置i进行速度v计算:v=(i/N)*Fs*λ*0.5,其中Fs为数字信号采样率,λ为雷达波长;
(6)根据步骤(5)中速度计算结果v进行远近区模式切换;
(7)根据雷达数字回波信号s(n)大小的统计,进行AGC控制,返回步骤(3),利用AGC控制结果更新下一测量周期的信噪比门限。
所述步骤(3)中根据上一个测量周期增益控制AGC的结果,计算本周期回波检测的信噪比门限,具体由公式:
snr_gate=snr0+AGC*α
给出,其中snr0为根据虚警概率计算得到的基础信噪比门限值,α为上一个测量周期增益控制AGC结果影响信噪比门限的加权因子,所述α的取值范围为:0.5≤α≤0.75。
所述snr0为12dB。
所述步骤(4)中远区模式中,按照远区模式区域划分进行回波频谱搜索;具体为:
(4-1)根据测量频率与测量速度的对应关系,将频谱区域划分为四个区域,分别为A1、A2、A3和A4;A1的频率范围为:大于100KHz;A2的频率范围为:10KHz~100KHz;A3的频率范围为1KHz~10KHz;A4的频率范围为:0~1KHz;
(4-2)设置A2为A1的保护区域,若在区域A1和A2中的功率频谱峰值位置在区域A1,并且功率频谱峰值大于等于信噪比检测门限,则回波处于区域A1;
(4-3)设置A3为A2的保护区域,若在区域A2和A3中的功率频谱峰值位置在A2,并且功率频谱峰值大于等于信噪比检测门限,则回波处于区域A2;
(4-4)若在A1和A2中都没有检测到信号,则在A3和A4中搜索回波频谱位置,并且切换到近区模式。
所述步骤(4)中近区模式中,按照近区模式区域划分进行回波频谱搜索;具体为:
(5-1)根据测量频率与测量速度的对应关系,将频谱区域划分为五个区域,分别为B1、B2、B3、B4和B5,其中B1的频率范围为:大于100KHz;B2的频率范围为:10KHz~100KHz;B3的频率范围为:1KHz~10KHz;B4的频率范围为:0.5KHz~1KHz;B5的频率范围为:0~0.5KHz;
(5-2)设置B2为B1的保护区域,若在区域B1和B2中的功率频谱峰值位置在B1,并且功率频谱峰值大于等于信噪比检测门限,则可以确定回波处于区域B1;
(5-3)设置B3为B2的保护区域,若在区域B2和B3中的功率频谱峰值位置在B2,并且功率频谱峰值大于等于信噪比检测门限,则可以确定回波处于区域B2;
(5-4)设置B4为B3的保护区域,若在区域B3和B4中的功率频谱峰值位置在B3,并且功率频谱峰值大于等于信噪比检测门限,则可以确定回波处于区域B3;
(5-5)若在B1、B2和B3中都没有检测到信号,则在B4和B5中搜索回波频谱位置。
所述步骤(6)中根据步骤(4)中速度计算结果进行远近区模式切换;具体为:
若速度计算结果的绝对值小于v_gate_low,则设远近区标志为0,采样率设置为sample_rate;若速度计算结果的绝对值大于v_gate_high,则设远近区标志为1,采样率设置为2*sample_rate;所述v_gate_low为速度切换门限的下限值,取值范围为:40~60m/s;所述v_gate_high为速度切换门限的上限值,取值范围为:80~100m/s;所述sample_rate为雷达数字采样率;取值范围为200kHz~400kHz。
所述步骤(7)中进行AGC控制,作为下一个测量周期更新信噪比门限的依据,具体为:
当雷达数字回波信号s(n)超过signal_level_high的百分比大于β1时,AGC=AGC+4dB;当雷达数字回波信号s(n)低于signal_level_low的百分比大于β2时,AGC=AGC-4dB;所述signal_level_high为AGC增加门限,取值范围为:0.8Am~0.9Am,所述signal_level_low为AGC减小门限,取值范围为0.2Am~0.3Am,其中Am为s(n)最大值;β1的取值范围为:20%~30%;β2的取值范围为:20%~30%。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
(1)本发明采用远区和近区两种工作模式,确保回波离泄露信号较远时,检测不会受到泄露信号能量的影响;
(2)本发明根据回波信号能量(即AGC控制量)大小实施调整回波检测门限,剔除了干扰信号和杂散信号的虚警检测;
(3)本发明在远区模式或近区模式检测中,采用区域保护检测方式,设置保护区域,减小了每个区域的检测受泄露信号的影响。
附图说明
图1为连续波回波频谱特性示意图;
图2为本发明的方法流程图;
图3为远区模式区域划分示意图;
图4为近区模式区域划分示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
频谱检测是将月面目标的频谱完整的,不受影响的提取出来,它是速度正常测量的关键。
如图1所示为连续波回波频谱特性示意图,从图1可知,连续波测速系统中目标回波信号主要受到四种因素的影响:镜频和谐波、干扰、杂波、直波泄露+相噪、电源纹波。
镜频和谐波主要是由于实际测量过程中每个测量周期实时对接收机AGC进行调整,个别周期中由于调整不及时导致时域IQ基带信号饱和产生;其特点是与真实回波频谱基于0频位置镜像,或是在整数±N(N=2、3、4、5…)倍的位置;
直波泄露、频综相噪对回波频谱的影响类似,都集中在0频附近,具有一定频谱宽度,尤其因为系统工作处于制动发动机振动条件下,频综的相噪存在恶化,直波泄露由于收发天线相互运动引起低多普勒产生频谱展宽;其另一个特点是频谱展宽能量固定,而月面回波多普勒信号能量随着着陆过程增加;
干扰信号主要表现为频谱上的单根谱线,由于FFT的作用,其宽度较窄;杂波表现为有一定宽度的,比底噪能量有明显增加的一段谱线,主要是由于电源系统、系统内频率源的杂波性能引起。
基于以上回波频谱的特点,本连续波雷达多普勒回波检测方法主要通过以下三个方面解决回波检测的问题;
采用远区和近区两种模式,确保回波离泄露信号较远时,检测不会受到泄露信号能量的影响;
根据回波信号能量(即AGC控制量)大小实施调整回波检测门限,剔除干扰信号、杂散信号虚警检测;
在远区模式或近区模式检测中,采用区域保护检测方式,设置保护区域,减小每个区域的检测受泄露信号的影响;
图2为本发明的方法流程图,从图2可知,本发明的检测流程如下:
(1)对连续波雷达多普勒信号数字采样后得到雷达数字回波信号s(n);具体由公式:
F(k)=Re(S(k))2+Im(S(k))2
给出,其中S(k)由公式:
给出。
(2)对雷达数字回波信号s(n)进行N点FFT计算,得到功率频谱F(k),所述N取2n,其中n为正整数,所述k=0,1,....,N-1;
(3)根据上一个测量周期增益控制AGC的结果,计算本周期回波检测的信噪比门限;具体由公式:
snr_gate=snr0+AGC*α
给出,其中snr0为根据虚警概率计算得到的基础信噪比门限值,α为上一个测量周期增益控制AGC结果影响信噪比门限的加权因子,所述α的取值范围为:0.5≤α≤0.75。其中snr0为12dB。
检测时根据系统预算,每个检测区域会有一个基础的信噪比门限,如果只根据每个区域的信噪比门限检测的话,它的谐杂波抑制能力会较差,即回波信号在近区附近,但是在远区附近出现了满足区域信噪比门限的谐杂波,这时就会出错,所以信噪比门限要紧跟着回波信号的能量,随着回波信号能量的增加而提高门限,并且在整个回波谱上都采用这个门限来检测,这样降低了谐杂波检测的可能性。
考虑到系统AGC的结果能够在一定程度上反映信号回波能量,利用收发通道的增益控制值来确定,作为信噪比门限更新的判据,考虑到AGC控制的抖动性,采用最近三个周期的AGC控制平均值作为判断依据。最后,在AGC确定的信噪比门限和区域确定的信噪比门限中取较大者作为下周期测量的信噪比门限值。
(4)判断当前工作模式,若为近区模式,则按照近区模式区域划分进行回波频谱搜索,获得回波频谱位置i;若为远区模式,则按照远区模式区域划分进行回波频谱搜索,获得回波频谱位置i;所述工作模式包括近区模式和远区模式;远近区切换设置双门限,保证切换时不会出现抖动;
所述按照远区模式区域划分进行回波频谱搜索;具体为:
(4-1)根据测量频率与测量速度的对应关系,将频谱区域划分为四个区域,分别为A1、A2、A3和A4;A1的频率范围为:大于100KHz;A2的频率范围为:10KHz~100KHz;A3的频率范围为1KHz~10KHz;A4的频率范围为:0~1KHz;远区模式区域划分示意图如图3所示;
(4-2)设置A2为A1的保护区域,若在区域A1和A2中的功率频谱峰值位置在区域A1,并且功率频谱峰值大于等于信噪比检测门限,则回波处于区域A1;
(4-3)设置A3为A2的保护区域,若在区域A2和A3中的功率频谱峰值位置在A2,并且功率频谱峰值大于等于信噪比检测门限,则回波处于区域A2;
(4-4)若在A1和A2中都没有检测到信号,则在A3和A4中搜索回波频谱位置,并且切换到近区模式。
所述按照近区模式区域划分进行回波频谱搜索;具体为:
(5-1)根据测量频率与测量速度的对应关系,将频谱区域划分为五个区域,分别为B1、B2、B3、B4和B5,其中B1的频率范围为:大于100KHz;B2的频率范围为:10KHz~100KHz;B3的频率范围为:1KHz~10KHz;B4的频率范围为:0.5KHz~1KHz;B5的频率范围为:0~0.5KHz;近区模式区域划分示意图如图4所示;
(5-2)设置B2为B1的保护区域,若在区域B1和B2中的功率频谱峰值位置在B1,并且功率频谱峰值大于等于信噪比检测门限,则可以确定回波处于区域B1;
(5-3)设置B3为B2的保护区域,若在区域B2和B3中的功率频谱峰值位置在B2,并且功率频谱峰值大于等于信噪比检测门限,则可以确定回波处于区域B2;
(5-4)设置B4为B3的保护区域,若在区域B3和B4中的功率频谱峰值位置在B3,并且功率频谱峰值大于等于信噪比检测门限,则可以确定回波处于区域B3;
(5-5)若在B1、B2和B3中都没有检测到信号,则在B4和B5中搜索回波频谱位置。
(5)根据步骤(4)中搜索的回波频谱位置i进行速度v计算:v=(i/N)*Fs*λ*0.5,其中Fs为数字信号采样率,λ为雷达波长;
(6)根据步骤(5)中速度计算结果v进行远近区模式切换;具体为:
若速度计算结果的绝对值小于v_gate_low,则设远近区标志为0,采样率设置为sample_rate;若速度计算结果的绝对值大于v_gate_high,则设远近区标志为1,采样率设置为2*sample_rate;所述v_gate_low为速度切换门限的下限值,取值范围为:40~60m/s;优选为50m/s;所述v_gate_high为速度切换门限的上限值,取值范围为:80~100m/s;优选为100m/s;所述sample_rate为雷达数字采样率;取值范围为200KHz~400KHz,优选为300KHz。
(7)根据雷达数字回波信号s(n)大小的统计,进行AGC控制,返回步骤(3),利用AGC控制结果更新下一测量周期的信噪比门限。具体为:
当雷达数字回波信号s(n)超过signal_level_high的百分比大于β1时,AGC=AGC+4dB;当雷达数字回波信号s(n)低于signal_level_low的百分比大于β2时,AGC=AGC-4dB;所述signal_level_high为AGC增加门限,取值范围为:0.8Am~0.9Am,优选为0.8Am;所述signal_level_low为AGC减小门限,取值范围为0.2Am~0.3Am,优选为0.2Am;其中Am为s(n)最大值;β1的取值范围为:20%~30%;优选为20%;β2的取值范围为:20%~30%,优选为20%;。
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 (7)
1.一种连续波雷达多普勒回波检测方法,其特征在于步骤如下:
(1)对连续波雷达多普勒信号数字采样后得到雷达数字回波信号s(n);
(2)对雷达数字回波信号s(n)进行N点FFT计算,得到功率频谱F(k),所述N取2n,其中n为正整数,所述k=0,1,....,N-1;
(3)根据上一个测量周期增益控制AGC的结果,计算本周期回波检测的信噪比门限;
(4)判断当前工作模式,若为近区模式,则按照近区模式区域划分进行回波频谱搜索,获得回波频谱位置i;若为远区模式,则按照远区模式区域划分进行回波频谱搜索,获得回波频谱位置i;所述工作模式包括近区模式和远区模式;
(5)根据步骤(4)中搜索的回波频谱位置i进行速度v计算:v=(i/N)*Fs*λ*0.5,其中Fs为数字信号采样率,λ为雷达波长;
(6)根据步骤(5)中速度计算结果v进行远近区模式切换;
(7)根据雷达数字回波信号s(n)大小的统计,进行AGC控制,返回步骤(3),利用AGC控制结果更新下一测量周期的信噪比门限。
2.根据权利要求1所述的一种连续波雷达多普勒回波检测方法,其特征在于:所述步骤(3)中根据上一个测量周期增益控制AGC的结果,计算本周期回波检测的信噪比门限,具体由公式:
snr_gate=snr0+AGC*α
给出,其中snr0为根据虚警概率计算得到的基础信噪比门限值,α为上一个测量周期增益控制AGC结果影响信噪比门限的加权因子,所述α的取值范围为:0.5≤α≤0.75。
3.根据权利要求2所述的一种连续波雷达多普勒回波检测方法,其特征在于:所述snr0为12dB。
4.根据权利要求1所述的一种连续波雷达多普勒回波检测方法,其特征在于:所述步骤(4)中远区模式中,按照远区模式区域划分进行回波频谱搜索;具体为:
(4-1)根据测量频率与测量速度的对应关系,将频谱区域划分为四个区域,分别为A1、A2、A3和A4;A1的频率范围为:大于100KHz;A2的频率范围为:10KHz~100KHz;A3的频率范围为1KHz~10KHz;A4的频率范围为:0~1KHz;
(4-2)设置A2为A1的保护区域,若在区域A1和A2中的功率频谱峰值位置在区域A1,并且功率频谱峰值大于等于信噪比检测门限,则回波处于区域A1;
(4-3)设置A3为A2的保护区域,若在区域A2和A3中的功率频谱峰值位置在A2,并且功率频谱峰值大于等于信噪比检测门限,则回波处于区域A2;
(4-4)若在A1和A2中都没有检测到信号,则在A3和A4中搜索回波频谱位置,并且切换到近区模式。
5.根据权利要求1所述的一种连续波雷达多普勒回波检测方法,其特征在于:所述步骤(4)中近区模式中,按照近区模式区域划分进行回波频谱搜索;具体为:
(5-1)根据测量频率与测量速度的对应关系,将频谱区域划分为五个区域,分别为B1、B2、B3、B4和B5,其中B1的频率范围为:大于100KHz;B2的频率范围为:10KHz~100KHz;B3的频率范围为:1KHz~10KHz;B4的频率范围为:0.5KHz~1KHz;B5的频率范围为:0~0.5KHz;
(5-2)设置B2为B1的保护区域,若在区域B1和B2中的功率频谱峰值位置在B1,并且功率频谱峰值大于等于信噪比检测门限,则可以确定回波处于区域B1;
(5-3)设置B3为B2的保护区域,若在区域B2和B3中的功率频谱峰值位置在B2,并且功率频谱峰值大于等于信噪比检测门限,则可以确定回波处于区域B2;
(5-4)设置B4为B3的保护区域,若在区域B3和B4中的功率频谱峰值位置在B3,并且功率频谱峰值大于等于信噪比检测门限,则可以确定回波处于区域B3;
(5-5)若在B1、B2和B3中都没有检测到信号,则在B4和B5中搜索回波频谱位置。
6.根据权利要求1所述的一种连续波雷达多普勒回波检测方法,其特征在于:所述步骤(6)中根据步骤(4)中速度计算结果进行远近区模式切换;具体为:
若速度计算结果的绝对值小于v_gate_low,则设远近区标志为0,采样率设置为sample_rate;若速度计算结果的绝对值大于v_gate_high,则设远近区标志为1,采样率设置为2*sample_rate;所述v_gate_low为速度切换门限的下限值,取值范围为:40~60m/s;所述v_gate_high为速度切换门限的上限值,取值范围为:80~100m/s;所述sample_rate为雷达数字采样率;取值范围为200kHz~400kHz。
7.根据权利要求1所述的一种连续波雷达多普勒回波检测方法,其特征在于:所述步骤(7)中进行AGC控制,作为下一个测量周期更新信噪比门限的依据,具体为:
当雷达数字回波信号s(n)超过signal_level_high的百分比大于β1时,AGC=AGC+4dB;当雷达数字回波信号s(n)低于signal_level_low的百分比大于β2时,AGC=AGC-4dB;所述signal_level_high为AGC增加门限,取值范围为:0.8Am~0.9Am,所述signal_level_low为AGC减小门限,取值范围为0.2Am~0.3Am,其中Am为s(n)最大值;β1的取值范围为:20%~30%;β2的取值范围为:20%~30%。
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2015
- 2015-07-17 CN CN201510423116.0A patent/CN105116396B/zh active Active
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Title |
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《复杂探测背景下的 LFMCW 雷达动目标二维检测方法》;侯志 等;《西安电子科技大学学报(自然科学版)》;20110831;第38卷(第4期);第167-172页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN105116396A (zh) | 2015-12-02 |
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