CN106814359B - 一种机场跑道异物检测雷达信号预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机场跑道异物检测雷达信号预处理方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1、建立理想中频信号的信号模型，并引入相位误差函数和相位误差的指数函数建立实测中频信号的信号模型；S2、根据中频信号相位误差计算得到相位误差函数值，并根据相位误差函数值得到相位误差的指数函数值；S3、根据实测中频信号的信号模型和相位误差函数的指数函数值计算得到雷达发射信号非线性校正后的中频信号；S4、在距离频域对雷达发射信号非线性校正后的中频信号和相位误差的指数函数值进行匹配滤波；S5、根据匹配滤波后的中频信号和相位误差的指数函数值计算得到频率偏移校正后的中频信号。本发明可校正线性调频信号存在的频率偏移。

Description

一种机场跑道异物检测雷达信号预处理方法

技术领域

本发明涉及机场安全防护技术领域。更具体地，涉及一种机场跑道异物检测雷达信号预处理方法。

背景技术

机场跑道异物(Foreign Object Debris，FOD)，指可能损伤航空器的某种外来物质、碎屑或物体，如金属零件、碎石块、纸屑、树叶等。FOD严重影响飞机的安全，据保守估计，每年全球因FOD造成的损失约为30-40亿美元。近年来，随着民航事业的不断发展，FOD的自动监测也引起了世界范围内的关注。

目前存在的FOD监测系统，如英国的Tarsier，以色列的FODetect，美国的FODFinder等系统主要采用毫米波雷达或毫米波雷达/光学复合模式。毫米波雷达具有高分辨率和小尺寸的优点，可全天候、全天时自动监测机场跑道上的异物，比较适合安装于机场跑道附近，能够准确地探测到机场跑道上的外来异物。上述FOD监测系统均采用线性调频连续波雷达体制，这种体制的雷达发射功率低，接收机灵敏度高，探测距离远，无距离盲区，能够检测到小目标。

现有技术中使用线性调频连续波雷达体制的FOD监测系统通常采用合成孔径雷达进行成像。合成孔径雷达(sythetic aperture radar,SAR)是一种高分辨率成像雷达，高分辨率包含两个方面的含义：方位向高分辨率和距离向高分辨率。它通过采用合成孔径原理提高雷达的方位分辨率，并依靠脉冲压缩技术提高距离分辨率。方位向和距离向的高分辨率都可通过匹配滤波来实现的，其中匹配滤波的实现主要有频域处理方法和时域处理方法。其中距离向的压缩还可采用谱分析法(又称去斜率)，该方法首先将回波信号与具有同样调频斜率的共轭信号相乘获得差频信号，此差频信号的频率反映了目标与参考点之间的距离，再经FFT变换后，就能实现对线性调频信号的脉冲压缩。

为实现高分辨率，合成孔径雷达通常发射具有匹配滤波特性的线性调频信号。

理想情况下，发射和接收的线性调频信号的调频斜率是一条斜线，经过去斜率操作后，获得一个理想的与余弦信号，该余弦信号的频率就对应了去斜率结果后的一条水平线。工程应用中，线性调频信号通常采用VCO方式产生，而VCO受温度影响较大，会产生频率偏移，这种频率偏移会使调频斜率发生变形，不再是一条理想的斜线，图1示出了理想线性调频信号和存在频率偏移的线性调频信号的波形以及去斜率后的结果。通过去斜率得到的中频信号就不再是理想的余弦信号，而是存在一定的相位干扰，这会严重影响合成孔径成像的结果，因此在合成孔径成像之前需要对回波数据进行预处理操作。

通常需要对线性调频信号进行修正，主要有硬件修正和软件修正。硬件修正一般采用锁相环方式来稳定VCO源的输出，但这种方法容易受外界影响，比如温度；还有一种方式即采用DDS，但与VCO相比，DDS的带宽实现能力有限。软件修正一般是通过去斜率得到的中频信号来估计频率非线性度，用此方法来对实测数据进行补偿。但这种方法只适用于短距离校正，无法实现长距离校正。

因此，需要提供一种能够有效地校正线性调频信号存在的频率偏移，消除频率偏移对成像结果带来的模糊效应的机场跑道异物检测雷达信号预处理方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机场跑道异物检测雷达信号预处理方法，以在合成孔径成像之前对回波数据进行预处理，校正线性调频信号存在的频率偏移，消除频率偏移对成像结果带来的模糊效应，进而提高合成孔径成像分辨率。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种机场跑道异物检测雷达信号预处理方法，包括如下步骤：

S1、建立理想目标回波信号经混频后得到的理想中频信号的信号模型，并引入相位误差函数和相位误差的指数函数建立存在频率偏移的目标回波信号经混频后得到的实测中频信号的信号模型；

S2、根据中频信号相位误差计算得到相位误差函数值，并根据相位误差函数值得到相位误差的指数函数值；

S3、根据实测中频信号的信号模型和相位误差函数的指数函数值计算得到雷达发射信号非线性校正后的中频信号；

S4、在距离频域对雷达发射信号非线性校正后的中频信号和相位误差的指数函数值进行匹配滤波；

S5、根据匹配滤波后的中频信号和相位误差的指数函数值计算得到频率偏移校正后的中频信号。

优选地，步骤S1中，

理想中频信号的信号模型为：

其中，f_c为雷达发射信号的载波频率，α＝B/T为雷达发射信号的扫频斜率，B为雷达发射信号的信号带宽，T为雷达发射信号的扫频周期，τ为回波时延；

存在频率偏移的目标回波信号经混频后得到的实测中频信号的信号模型为：

其中，ε(t)为相位误差函数，s_ε(t)为相位误差的指数函数。

优选地，步骤S2的具体过程为：

目标的回波时延为τ＝2R/c，其中R为目标与雷达间的距离，c为自由空间中的光速，则中频信号相位误差函数为：

ε_if(t,τ)＝ε(t)-ε(t-τ)≈τε'(t)

由实测中频信号的相位与理想中频信号的相位相减得到中频信号相位误差ε_if(t,τ)，通过中频信号相位误差函数计算得到相位误差函数的导数值ε'，再对相位误差函数的导数值ε'积分得到相位误差函数值：ε＝∫ε'dt；

根据相位误差函数值ε得到相位误差的指数函数值s_ε。

优选地，步骤S3的具体过程为：

将实测中频信号的信号模型乘以相位误差的指数函数的共轭得到雷达发射信号非线性校正后的中频信号：

优选地，步骤S4中，

对雷达发射信号非线性校正后的中频信号进行匹配滤波得到的匹配滤波后的中频信号为：

其中，ε_RVP(t)为残余视频相位误差函数；

对相位误差的指数函数值进行匹配滤波得到匹配滤波后的相位误差的指数函数值为：

优选地，步骤S5的具体过程为：

将匹配滤波后的中频信号乘以匹配滤波后的相位误差的指数函数值得到频率偏移校正后的中频信号：

s_if4(t)＝s_{if 3}s_εRVP＝exp(j2π(f_cτ+αtτ))。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案在合成孔径成像之前对回波数据进行预处理，校正了线性调频信号存在的频率偏移，消除了频率偏移对成像结果带来的模糊效应，避免了因频率偏移导致的图像扭曲，进而提高了目标检测精度以及合成孔径成像分辨率，为机场日常工作与安全维护提供可靠的技术支持。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出理想线性调频信号和存在频率偏移的线性调频信号的波形以及去斜率后的结果示意图。

图2示出机场跑道异物检测雷达信号预处理方法的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图2所示，本发明公开的机场跑道异物检测雷达信号预处理方法，包括如下步骤：

S1、建立理想目标回波信号经混频后得到的理想中频信号的信号模型，并引入相位误差函数和相位误差的指数函数建立存在频率偏移的目标回波信号经混频后得到的实测中频信号的信号模型；

S2、根据中频信号相位误差计算得到相位误差函数值，并根据相位误差函数值得到相位误差的指数函数值；

S3、根据实测中频信号的信号模型和相位误差函数的指数函数值计算得到雷达发射信号非线性校正后的中频信号；

S4、在距离频域对雷达发射信号非线性校正后的中频信号和相位误差的指数函数值进行匹配滤波；

S5、根据匹配滤波后的中频信号和相位误差的指数函数值计算得到频率偏移校正后的中频信号。

本方案中，步骤S1的具体过程为：

合成孔径雷达的理想发射信号为线性调频信号，合成孔径雷达的理想发射信号的信号模型为：

其中，f_c为载波频率，α＝B/T为扫频斜率，B为信号带宽，T为扫频周期；

合成孔径雷达的理想发射信号经目标反射后，雷达接收的理想目标回波信号的信号模型为：

其中，τ为回波时延；

则雷达接收的理想目标回波信号经混频后得到的理想中频信号的信号模型为：

当合成孔径雷达的发射信号存在频率偏移时，发射信号的波形不再是理想的Chirp信号，在理想线性调频信号基础上引入一个时变相位误差来表示频率偏移，引入相位误差函数和相位误差的指数函数的存在频率偏移的发射信号的信号模型为：

其中，ε(t)为相位误差函数，s_ε(t)为相位误差的指数函数；

则，引入相位误差函数和相位误差的指数函数的存在频率偏移的目标回波信号经混频后得到的实测中频信号的信号模型为：

其中，ε(t-τ)表示相位误差函数在t-τ时刻的取值，s_ε(t-τ)^*表示相位误差的指数函数在t-τ时刻的取值的共轭。

本方案中，步骤S2的具体过程为：

步骤S2是进行相位误差估计，目标的回波时延为τ＝2R/c，其中R为目标与雷达间的距离，c为自由空间中的光速，由中值定理可得中频信号相位误差函数为：

ε_if(t,τ)＝ε(t)-ε(t-τ)≈τε'(t) (6)

其中，中频信号相位误差ε_if(t,τ)由实测中频信号的相位(即式(5))与理想中频信号(即式(3))的相位相减得到，则可通过中频信号相位误差函数计算得到相位误差函数的导数值ε'，再对相位误差函数的导数值ε'积分就可得相位误差函数值：

ε＝∫ε'dt (7)

根据相位误差函数值ε可得到相位误差的指数函数值s_ε。

本方案中，步骤S3的具体过程为：

步骤S3是进行发射信号非线性校正，将实测中频信号的信号模型(式(5))乘以相位误差的指数函数的共轭s_ε(t)^*得到雷达发射信号非线性校正后的中频信号s_if2(t)：

这样就消除了由发射信号引入的非线性影响。

本方案中，步骤S4的具体过程为：

步骤S4是进行距离影响校正，为了消除不同距离目标的影响，采用合成孔径成像中残余视频相位处理方法，即在距离频域进行匹配滤波，对雷达发射信号非线性校正后的中频信号进行匹配滤波得到匹配滤波后的中频信号s_if3(t)：

其中，ε_RVP(t)为残余视频相位误差函数；

同时，对相位误差的指数函数值s_ε进行匹配滤波得到匹配滤波后的相位误差的指数函数值s_εRVP：

本方案中，步骤S5的具体过程为：

步骤S5是进行接收非线性校正，将匹配滤波后的中频信号s_if3(t)乘以匹配滤波后的相位误差的指数函数值s_εRVP，就可消除频率偏移影响，获得频率偏移校正后的中频信号s_if4(t)：

s_if4(t)＝s_{if 3}s_εRVP＝exp(j2π(f_cτ+αtτ)) (11)

即可获得理想的中频信号。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (2)

1.一种机场跑道异物检测雷达信号预处理方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、建立理想目标回波信号经混频后得到的理想中频信号的信号模型，并引入相位误差函数和相位误差的指数函数建立存在频率偏移的目标回波信号经混频后得到的实测中频信号的信号模型，所述理想中频信号的信号模型为：

其中，f_c为雷达发射信号的载波频率，α＝B/T为雷达发射信号的扫频斜率，B为雷达发射信号的信号带宽，T为雷达发射信号的扫频周期，τ为回波时延；

存在频率偏移的目标回波信号经混频后得到的实测中频信号的信号模型为：

其中，ε(t)为相位误差函数，s_ε(t)为相位误差的指数函数；

S2、根据中频信号相位误差计算得到相位误差函数值，并根据相位误差函数值得到相位误差的指数函数值，进一步包括：

目标的回波时延为τ＝2R/c，其中R为目标与雷达间的距离，c为自由空间中的光速，则中频信号相位误差函数为：

ε_if(t,τ)＝ε(t)-ε(t-τ)≈τε'(t)

由实测中频信号的相位与理想中频信号的相位相减得到中频信号相位误差ε_if(t,τ)，通过中频信号相位误差函数计算得到相位误差函数的导数值ε'，再对相位误差函数的导数值ε'积分得到相位误差函数值：ε＝∫ε'dt；

根据相位误差函数值ε得到相位误差的指数函数值s_ε；

S3、根据实测中频信号的信号模型和相位误差函数的指数函数值计算得到雷达发射信号非线性校正后的中频信号，进一步包括：

将实测中频信号的信号模型乘以相位误差的指数函数的共轭得到雷达发射信号非线性校正后的中频信号：

S4、在距离频域对雷达发射信号非线性校正后的中频信号和相位误差的指数函数值进行匹配滤波，其中，对雷达发射信号非线性校正后的中频信号进行匹配滤波得到的匹配滤波后的中频信号为：

其中，ε_RVP(t)为残余视频相位误差函数；

对相位误差的指数函数值进行匹配滤波得到匹配滤波后的相位误差的指数函数值为：

S5、根据匹配滤波后的中频信号和相位误差的指数函数值计算得到频率偏移校正后的中频信号。

2.根据权利要求1所述的机场跑道异物检测雷达信号预处理方法，其特征在于，步骤S5进一步包括：

将匹配滤波后的中频信号乘以匹配滤波后的相位误差的指数函数值得到频率偏移校正后的中频信号：

s_if4(t)＝s_if3s_εRVP＝exp(j2π(f_cτ+αtτ))。