CN106526567B - 提高目标信噪比的超宽带雷达等效采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高目标信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)的超宽带雷达等效采样方法，该方法包括以下步骤：首先在距离向处的第一个数字样本的采样时刻t_acq对M₁个连续周期回波进行采样，并对得到的M₁个采样点进行累加。其次，在采样时刻t_acq+(n‑1)Δt对M_n个连续周期回波进行采样，并对得到的M_n个采样点进行累加。最后，令n＝n+1并重复上一步骤直至雷达探测范围内样本采样结束后，将N+1个累加后的采样点按照顺序进行组合即可重构出一个周期的信号波形。本发明所提方法在顺序等效采样过程中对不同距离向处的回波进行不同脉冲数目的积累以提高SNR，而后重构出一个周期的信号波形，从而使得给定目标在所有距离向处的SNR近似相同，达到补偿信号传播损失的目的。

Description

提高目标信噪比的超宽带雷达等效采样方法

技术领域

本发明涉及超宽带成像雷达领域，具体涉及一种使得所有距离向处回波SNR(Signal Noise Ratio，信噪比)得到提高并保持一致的超宽带雷达等效采样方法。

背景技术

超宽带脉冲具有穿透性好、分辨率高、多径杂波抑制能力强等优点，在成像雷达中具有广泛的应用。然而，为了采样接收超宽带脉冲回波信号、并在雷达探测距离范围内获得高质量的图像，主要面临两个难点：

一、超宽带脉冲回波的采样接收

超宽带脉冲是无载波的时域窄脉冲信号，其频谱范围很宽，若对其进行实时采样，过高的采样频率将使得工程实现难度和成本都很高。因此当前在超宽带雷达系统中等效时间采样方法得到普遍使用，极大地降低了超宽带脉冲信号的采样难度和实现成本。

等效时间采样简称等效采样，是指对周期性信号的多个周期进行慢速连续采样，然后将这些低采样率的样本按照与触发信号的时间关系进行重组以获得一个周期的高速采样，从而真实重构出原始信号波形的采样方法。作为等效采样的种类之一，顺序等效采样是指其每次采样都由某一触发信号来启动，一旦检测到触发信号，采样器会在一个短时间窗内完成采样，当下一次触发信号到来时，系统会给采样微小的延时增量，之后再进行另一次采样，如此重复多次，后续的采样点均比前一次采样点有一个微小的时延增量，直至遍历整个采样时间窗，数据采集结束后将采集点按照顺序进行组合即可重构出信号波形，原理示意图如图1所示。图1中曲线代表雷达脉冲回波波形。

二、脉冲回波信号SNR的改善

为了在雷达探测距离范围内获得高质量的图像，需要改善所有距离向处回波信号的SNR。由文献“丁鹭飞，耿富录编著，雷达原理，西安电子科技大学出版社，2002，pp.128-132”可知，通常采用的处理方式是对一定时间范围内的多个脉冲回波进行相加积累，使得SNR的改善达到原来的M倍，其中M为积累脉冲的个数。然而这种常规脉冲积累方法会导致近距离目标回波SNR高，而远距离SNR低，无法补偿信号传播损失，从而当雷达接收机动态范围有限时，远距离目标回波质量很差，无法保证雷达在所有探测距离范围内的成像质量。

发明内容

本发明提供了一种提高目标信噪比的超宽带雷达等效采样方法，该方法解决了现有用于提高雷达目标SNR方法中存在的当雷达接收机动态范围有限时，远距离目标回波质量很差，无法保证雷达在所有探测距离范围内的成像质量技术问题。

针对常规脉冲积累方法存在的不足，本发明提供的方法结合顺序等效采样方法，基于目标距离对脉冲回波积累数进行配置，并在顺序等效采样过程中实现脉冲积累以提高SNR，从而使得给定目标在所有距离向处的SNR近似相同，达到补偿信号传播损失的目的。保证了雷达在所有探测距离范围内的成像质量。

本发明提供了一种提高目标信噪比的超宽带雷达等效采样方法，包括以下步骤：

步骤S100：从距离向处第一个数字样本的采样时刻t_acq起对M₁个连续周期回波进行采样，并对得到的M₁个采样点s₁进行累加；

步骤S200，继续对从采样时刻t_acq起，经过延时△t后的采样时刻t_acq+(n-1)△t进行M_n个连续周期回波采样，并对得到的M_n个采样点s_n进行累加，且在M_n个连续周期时间内，运动目标处在一个雷达距离单元内；

步骤S300，令n＝n+1并重复步骤S200直至雷达探测范围内样本采样结束后，得到N+1个累加后的采样点。

进一步地，

其中，R_min为雷达最小探测距离，c为光速。

进一步地，步骤S200还包括以下步骤：

步骤S210：对M_n进行判断，如果

则执行步骤S300；如果

不成立，则令

后执行步骤S300。

进一步地，所述延时

其中，f₀为超宽带脉冲信号中心频率。

相对现有技术，本发明的技术效果：

本发明提供的提高目标信噪比的超宽带雷达等效采样方法，在顺序等效采样过程中对不同距离向处的回波进行不同脉冲数目的积累，而后重构出一个周期的信号波形，使得所有距离向处的目标SNR得到提高并保持一致，达到补偿信号传播损失的目的。从而提高了雷达在所有探测距离范围内的成像质量。

具体请参考根据本发明的浮球平台载体姿态测量方法提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。

附图说明

图1是现有技术中所用顺序等效采样方法示意图；

图2是本发明提供的提高目标信噪比的超宽带雷达等效采样方法示意图；

图3是本发明提供的提高目标信噪比的超宽带雷达等效采样方法流程示意图；

图4是本发明优选实施例中提高目标信噪比的超宽带雷达等效采样方法流程示意图；

图5是对比例中所用常规脉冲积累方法的脉冲积累数；

图6是对比例中采用常规脉冲积累方法后得到的信噪比；

图7是本发明优选实施例的所得脉冲积累数；

图8是本发明优选实施例的所得信噪比。

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

本发明提供的提高目标信噪比的超宽带雷达等效采样方法示意图如图2所示，在顺序等效采样过程中对不同距离向处的回波进行不同脉冲数目的积累，而后重构出一个周期的信号波形，使得所有距离向处的目标SNR得到提高并保持一致。

本发明提供的提高目标信噪比的超宽带雷达等效采样方法流程图如图3所示，包括以下步骤：

步骤S100，从采样时刻t_acq起对M₁个连续周期回波进行采样，并对得到的M₁个采样点s₁进行累加；

t_acq表示距离向处第一个数字样本的采样时刻，由雷达最小探测距离R_min决定：

其中c表示光速。

由雷达方程(所用雷达方程式参见文献“丁鹭飞，耿富录编著，雷达原理，西安电子科技大学出版社，2002，pp.128-132”)可知，对于自由空间中的某给定目标来说，其SNRρ定义为目标回波功率与噪声功率的比值，与1/R⁴成正比，即：

其中，R表示雷达到目标的距离，A表示与雷达系统、噪声温度、给定目标的散射截面积等参数有关的常量。

因此，对采样点s₁来说，由式(2)可知，其SNRρ₁为：

为了获得期望的SNRρ′₁，需经过M₁个采样点的累加，则：

步骤S200，继续对从采样时刻t_acq起，经过延时△t后的采样时刻t_acq+(n-1)△t进行M_n个连续周期回波采样，并对得到的M_n个采样点s_n进行累加。

n表示距离向处的采样点序号，且n＝2,3,…,N+1。N表示距离向处采样点的总数，由雷达探测范围R_w决定，且：

延时△t表示顺序等效采样的时间间隔，且△t＝1/f_se，其中f_se表示顺序等效采样的采样率。

优选的，为了满足奈奎斯特采样定理要求且为做到足够的波形保真，一般要求采样频率是超宽带脉冲信号中心频率f₀的10倍左右，如文献“费元春，超宽带雷达理论与技术，国防工业出版社，2010，pp.45-46”所述。因此本发明中△t设计为

即可满足要求。

对于采样时刻t_acq+(n-1)△t获取的M_n个采样点s_n来说，此时对应的雷达探测距离R_n为：

积累后的SNRρ′_n为积累前的SNRρ_n的M_n倍：

为了在所有距离向处得到一致的目标SNR，即令ρ′_n＝ρ′₁，则结合式(3)、式(4)和式(7)可推导得到：

在实际应用过程中，如果M_n不是整数，需对M_n做四舍五入处理。

需要说明的是，M_n需要满足以下条件：在M_n个连续周期时间内，运动目标应处在一个雷达距离单元内，即：

其中v表示运动目标速度，T表示雷达脉冲重复周期，σ表示雷达距离单元。

步骤300，令n＝n+1并重复步骤S200直至雷达探测范围内样本采样结束。

之后将N+1个累加后的采样点按照顺序进行组合即可重构出一个周期的信号波形。

此处所用组合重构周期信号波形的方法为现有方法。

以下结合优选实施例对本发明提供方法进行详细说明。

假设某超宽带成像雷达采用的超宽带脉冲的中心频率f₀为2GHz，脉冲重复周期T为1us，雷达分辨率σ为0.2m，测距范围R_w为30m，雷达最小探测距离R_min为3m，运动目标速度v为1m/s，参见图4，具体实施步骤如下：

步骤S100，在距离向处第一个数字样本的采样时刻t_acq对M₁个连续周期回波进行采样，并对得到的M₁个采样点s₁进行累加。假设经过积累目标回波SNR得到10倍的改善，即M₁＝10，且

步骤S200，将前一个采样时刻进行

延时后，在采样时刻t_acq+(n-1)△t对M_n个连续周期回波进行采样，并对得到的M_n个采样点s_n进行累加。其中n＝2,3,…,N+1，且

步骤S210：利用式(9)对式(8)所示的M_n进行判断，如果

成立，则执行步骤S300；如果

不成立，则令

后执行步骤S300。

步骤S300：令n＝n+1，并对所得n值进行判断，如果n＝N+1，则采样结束。如果n≠N+1，则执行步骤S200。

之后将N+1个累加后的采样点。按照顺序进行组合即可重构出一个周期的信号波形。此处所用波形重构方法是现有常用方法。

图5、图6为按背景技术部分中提到的常规脉冲积累方法对同一样本进行处理，所得积累脉冲数和所有距离向处的目标SNR；图7、图8为采用本发明提供采样方法得到的积累脉冲数和所有距离向处的目标SNR。显然，常规脉冲积累方法在所有距离向处积累的脉冲数相同，导致近距离目标回波SNR高，而远距离SNR低，无法补偿信号传播过程中造成的损失；而本发明提供方法如式(8)所示的公式M_n即表示第n个样本点(不同的样本点对应于不同的距离向)需要积累的脉冲数，显然n不同，积累的脉冲数目M_n就不同，从而实现对不同距离向处的回波进行不同脉冲数目的积累，使得所有距离向处的目标SNR得到提高并保持一致，达到补偿信号传播损失的目的。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (1)

1.一种用于提高目标信噪比的超宽带雷达等效采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100：从距离向处第一个数字样本的采样时刻t_acq起对M₁个连续周期回波进行采样，并对得到的M₁个采样点s₁进行累加；

步骤S200，继续对从采样时刻t_acq起，经过延时Δt后的采样时刻t_acq+(n-1)Δt进行M_n个连续周期回波采样，并对得到的M_n个采样点s_n进行累加，且在M_n个连续周期时间内，运动目标处在一个雷达距离单元内；

M_n由下式计算：

如果M_n不是整数，需对M_n做四舍五入处理；M_n即表示第n个样本点需要积累的脉冲数；不同的样本点对应于不同的距离向；n不同，积累的脉冲数目M_n就不同，从而实现对不同距离向处的回波进行不同脉冲数目的积累；

步骤S300，令n＝n+1并重复步骤S200直至雷达探测范围内样本采样结束后，得到N+1个累加后的采样点；

所述

其中，R_min为雷达最小探测距离，c为光速；

所述步骤S200还包括以下步骤：

步骤S210：对M_n进行判断，如果

则执行步骤S300；如果

不成立，则令

后执行步骤S300；

所述延时

其中，f₀为超宽带脉冲信号中心频率。

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