CN105866755A - 微波暗室内脉冲体制雷达目标回波信息重构方法 - Google Patents

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Abstract

一种微波暗室内脉冲体制雷达目标回波信息重构方法，采取的技术方案如下：第一步，基于间歇收发的雷达脉冲信号收发：利用间歇收发方法，通过发射通道和接收通道交替工作实现雷达脉冲信号的无耦合、无遮挡收发，此时雷达脉冲信号收发过程实际上等价于用方波信号p(t)与雷达发射脉冲信号s0(t)相乘，即间歇收发后等效的雷达脉冲信号可表示为s1(t)＝s0(t)·p(t)；第二步，获取目标回波信号：假设雷达目标时域冲击响应函数为σ(t)，则间歇收发后目标回波信号可等价表示为s2(t)＝σ(t)*s1(t)；第三步，目标信息重构：对目标回波信号s2(t)进行脉冲压缩，获取间歇收发后目标信息sh(t)，然后通过匹配滤波和时域开窗信号处理手段对原始目标信息精确重构。

Description

微波暗室内脉冲体制雷达目标回波信息重构方法
【技术领域】
本发明属于雷达探测仿真领域，具体涉及微波暗室内脉冲体制雷达信号收发与处理技术，特别是在微波暗室中实现脉冲体制雷达目标信息重构方法。
【背景技术】
微波暗室内进行雷达仿真具有可操作性强、可重复性高、保密性好、成本经济等优点。传统微波暗室中进行静态雷达目标特性测量等任务时，常用扫频连续波等信号来等效替代真实雷达信号。现代探测雷达很多采用调制脉冲波形作为发射信号，且雷达与目标之间可能存在相对运动，不同类型发射信号对应的目标回波信号特性不尽一致，难以实现不同信号波形下雷达运动目标特性等效替代。因此，在微波暗室中只有采用与真实雷达探测一致的脉冲信号作为内场辐射式仿真激励源，才能逼真模拟目标回波信号。
相比实际雷达所在的开域空间，微波暗室一般空间距离有限，在其内部采用脉冲波形作为辐射信号面临两个主要的技术难题：一是收发同时模式下，发射信号和接收信号会在收发天线口面附近形成非常强的电磁场互耦，导致目标回波信号中夹杂很强的发射信号分量，且难以被剔除；二是收发分时模式下，微波暗室空间大小通常远小于雷达脉宽时间内电磁波历经路程，从而导致发射信号与目标回波信号存在严重遮挡，即雷达发射通道信号还未结束，目标回波信号已经返回至接收通道的情况。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是：在微波暗室内利用间歇收发方法，通过收发通道交替工作实现雷达脉冲信号无耦合无遮挡收发，并利用信号处理手段完成目标信息重构。
本发明采取的技术方案如下：
第一步，基于间歇收发的雷达脉冲信号收发
利用间歇收发方法，通过发射通道和接收通道交替工作实现雷达脉冲信号的无耦合、无遮挡收发，此时雷达脉冲信号收发过程实际上等价于用方波信号p(t)与雷达发射脉冲信号s0(t)相乘，即间歇收发后等效的雷达脉冲信号可表示为s1(t)＝s0(t)·p(t)，t为时间。
第二步，获取目标回波信号
假设雷达目标时域冲击响应函数为σ(t)，则间歇收发后目标回波信号可等价表示为s2(t)＝σ(t)*s1(t)，*表示卷积。
第三步，目标信息重构
对目标回波信号s2(t)进行脉冲压缩，获取间歇收发后目标信息sh(t)，然后通过匹配滤波和时域开窗信号处理手段对原始目标信息精确重构。
本发明的有益效果主要包括：
第一，解决了微波暗室中收发信号耦合问题。基于间歇收发方法实现收发通道交替工作，实际上等效用收发分时方式从时间上对收发通道耦合信号进行解耦合。
第二，解决了收发信号遮挡问题。根据雷达与目标相对距离、目标尺寸等条件，精确控制收发通道的交替工作时间，将原始雷达发射脉冲信号分成多个短时子脉冲信号进行收发，从而解决了信号遮挡。
第三，目标信息重构结果较为精确。理想间歇收发等价于用矩形信号对雷达发射脉冲信号进行“截断”，属于线性作用过程，通过后续信号处理手段可精确祛除“截断”效应，保证目标信息重构结果可靠。
【附图说明】
图1是间歇收发工作示意图。
图2是目标回波信号示意图。
图3是原始目标信息示意图。
图4是目标信息重构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步的说明。步骤如下：
第一步，利用间歇收发方法，通过收发通道交替工作实现脉冲信号收发。
如图1所示，假设雷达发射脉冲信号为一线性调频脉冲信号(上调频)，可以表示为
其中rect(·)为矩形窗函数，Tp为脉宽，u(t)＝exp(jπγt2)为复包络信号，为单位虚数，f0为中心频率，γ为线性调频率。
间歇收发工作流程为：首先发射一小段脉冲信号，在目标回波信号未返回前切换至接收通道，开始接收目标回波信号，待目标回波信号接收结束后，再切换至发射通道继续发射脉冲信号，如此交替进行直至整个雷达发射脉冲信号收发完全结束。交替工作过程可以抽象为一方波信号p(t)进行控制，p(t)可表示为
其中τ为发射通道工作时段，Ts为收发通道交替工作周期，δ(·)为单位冲击函数，n表示第n个冲击脉冲函数。
通过精确的时延和波形控制可以保证实际发射出去的信号相位的连续性和幅度一致性，从而确保收发过程等效为方波信号p(t)与雷达发射脉冲信号s0(t)的乘积，如图1中所示，间歇收发后等效的雷达脉冲信号可表示为
第二步，获取目标回波信号。
根据信号与系统知识，目标散射过程可等效为一线性系统与激励信号相卷积。设目标与雷达相对距离为R，散射强度为σ0，目标在雷达视线方向投影长度为L。雷达目标时域响应函数为σ(t)＝σ0δ(t-Δt)。如图2所示，则间歇收发条件下，目标回波信号去载频后可表示为：
可以看出，目标回波信号由一系列子脉冲信号构成，各段子脉冲宽度等于发射通道工作时段τ，子脉冲带宽BΔ＝γτ。
第三步，对目标信息进行重构。
接收到的目标回波信号理论上等价于将全脉冲发射条件下的目标回波信号进行“截断”，匹配滤波后通过开窗手段祛除“截断”效应，实现目标信息重构。目标回波信号对应的幅度归一化匹配滤波器频率响应为
其中f是频率分量，B是雷达信号带宽。
s2(t)对应频域形式为
其中sinc(·)为辛克函数，U(f)为u(t)的频谱，为目标回波信号时间延迟量，c是电磁波传播速度。
目标回波信号经匹配滤波并取模后输出形式为
其中|·|表示取模运算，IFFT表示逆傅里叶变换。对|sh(t)|的主峰位置进行时域开窗处理可滤出主峰，完成目标信息重构。需要条件分析如下：
|sh(t)|相邻两个辛克函数尖峰相距
要保证匹配滤波后相邻峰值不发生混叠，则需满足
ΔR＞L (公式九)
此外要满足目标回波信号不遮挡和完全接收条件，还须有
其中表示信号遍历目标耗时。
即约束条件可写为：
一方面Ts越大则相邻两个峰值距离越远，越利于目标信息重构，另一方面Ts越大则信号辐射能量越小，越不易恢复目标信息。为保证发射信号尽可能多地辐射至目标处，实际中Ts一般取一个适中值。
设目标长度L＝15m，信号带宽B＝2MHz，Tp＝100us，R＝30m，则γ＝2×1010Hz/s，Δt＝0.2us，Δτ＝0.1us，则τ≤0.2us。若取τ＝0.2us，则0.5us≤Ts＜500us。匹配滤波后目标等效位于15km处，如图3所示。设定间歇收发参数τ＝0.15us，Ts＝0.6us。匹配滤波后信号相邻两个峰值相距12.5km，此时通过对输出结果开窗，截取主峰即可重构目标信息，如图4所示。

Claims (5)

1.一种微波暗室内脉冲体制雷达目标回波信息重构方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，基于间歇收发的雷达脉冲信号收发
利用间歇收发方法，通过发射通道和接收通道交替工作实现雷达脉冲信号的无耦合、无遮挡收发，此时雷达脉冲信号收发过程实际上等价于用方波信号p(t)与雷达发射脉冲信号s0(t)相乘，即间歇收发后等效的雷达脉冲信号表示为s1(t)＝s0(t)·p(t)，t为时间；
步骤二，获取目标回波信号
假设雷达目标时域冲击响应函数为σ(t)，则间歇收发后目标回波信号可等价表示为s2(t)＝σ(t)*s1(t)，*表示卷积；
步骤三，目标信息重构
对目标回波信号s2(t)进行脉冲压缩，获取间歇收发后目标信息sh(t)，然后通过匹配滤波和时域开窗信号处理手段对原始目标信息精确重构。
2.根据权利要求1所述的微波暗室内脉冲体制雷达目标回波信息重构方法，其特征在于：在步骤一中，假设雷达发射脉冲信号为一线性调频脉冲信号，表示为
其中rect(·)为矩形窗函数，Tp为脉宽，u(t)＝exp(jπγt2)为复包络信号，为单位虚数，f0为中心频率，γ为线性调频率。
3.根据权利要求1所述的微波暗室内脉冲体制雷达目标回波信息重构方法，其特征在于：在步骤一中，间歇收发工作流程为：首先发射一脉冲信号，在目标回波信号未返回前切换至接收通道，开始接收目标回波信号，待目标回波信号接收结束后，再切换至发射通道继续发射脉冲信号，如此交替进行直至整个雷达发射脉冲信号收发完全结束；交替工作过程抽象为一方波信号p(t)进行控制，p(t)表示为
其中τ为发射通道工作时段，Ts为收发通道交替工作周期，δ(·)为单位冲击函数，n表示第n个冲击脉冲函数；
通过精确的时延和波形控制保证实际发射出去的信号相位的连续性和幅度一致性，从而确保收发过程等效为方波信号p(t)与雷达发射脉冲信号s0(t)的乘积，间歇收发后等效的雷达脉冲信号表示为
4.根据权利要求1所述的微波暗室内脉冲体制雷达目标回波信息重构方法，其特征在于：在步骤二中，目标散射过程可等效为一线性系统与激励信号相卷积；设目标与雷达相对距离为R，散射强度为σ0，目标在雷达视线方向投影长度为L；雷达目标时域响应函数为σ(t)＝σ0δ(t-Δt)；则间歇收发条件下，目标回波信号去载频后表示为：
目标回波信号由一系列子脉冲信号构成，各段子脉冲宽度等于发射通道工作时段τ，子脉冲带宽BΔ＝γτ。
5.根据权利要求1所述的微波暗室内脉冲体制雷达目标回波信息重构方法，其特征在于：在步骤三中，接收到的目标回波信号等价于将全脉冲发射条件下的目标回波信号进行截断，匹配滤波后通过开窗手段祛除截断效应，实现目标信息重构；目标回波信号对应的幅度归一化匹配滤波器频率响应为
其中f是频率分量，B是雷达信号带宽；
s2(t)对应频域形式为：
其中sinc(·)为辛克函数，U(f)为u(t)的频谱，为目标回波信号时间延迟量，c是电磁波传播速度；
目标回波信号经匹配滤波并取模后输出形式为
其中|·|表示取模运算，IFFT表示逆傅里叶变换；对|sh(t)|的主峰位置进行时域开窗处理滤出主峰，完成目标信息重构；需要条件分析如下：
|sh(t)|相邻两个辛克函数尖峰相距
要保证匹配滤波后相邻峰值不发生混叠，则需满足
ΔR＞L (公式九)
此外要满足目标回波信号不遮挡和完全接收条件，还须有
其中表示信号遍历目标耗时；
即约束条件写为：
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