CN106908771B - 微波暗室中脉冲体制雷达目标探测模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种微波暗室中脉冲体制雷达目标探测模拟方法：第一步，利用间歇收发方式，获取目标回波信号：第二步，目标回波恢复：第三步，脉冲压缩获取目标信息；第四步，目标回波能量补偿信息重构。本发明的有益效果包括：第一，解决了微波暗室中雷达收发分时模式的收发信号耦合问题与收发同时模式中收发信号的遮挡问题。第二，解决了目标回波时域波形的恢复问题。第三，目标信息获取较为精确。第四，目标回波能量补偿与信息重构结果精确。

Description

微波暗室中脉冲体制雷达目标探测模拟方法

【技术领域】

本发明一种微波暗室中脉冲体制雷达目标探测模拟方法，属于雷达电子对抗的仿真领域，具体涉及在微波暗室中模拟脉冲体制雷达信号的收发处理技术，特别是在微波暗室中实现脉冲体制雷达目标探测全过程的模拟与信号恢复方法。

【背景技术】

在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。由于微波暗室空间有限，在静态雷达目标特性测量方面，冲激脉冲或连续波扫频激励的方式成为主要的测量手段，并提供了大量的仿真数据。但是，在实际的雷达电子对抗中，脉冲信号常被作为探测信号用于目标探测。冲激脉冲、扫频波形等难以在暗室中作为等效替代信号，模拟雷达电子对抗的实际过程。因此，在微波暗室中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，模拟雷达目标探测的全过程，是实现暗室中电子对抗仿真需要解决的基本问题。

通常，微波暗室环境有限，雷达与目标距离较近，若使用脉冲信号进行目标探测，在收发同时模式中，发射信号与接收信号将会在接收天线处产生互耦；而收发分时情况下，目标回波将会在发射信号未完全辐射前返回，难以实现回波的有效接收。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是：提供一种微波暗室中脉冲体制雷达目标探测模拟方法，在微波暗室中利用间歇收发方法，实现脉冲雷达信号无耦合收发，根据间歇收发控制信号的参数，对目标回波信号进行恢复和能量补偿，实现脉冲信号在暗室中进行目标探测的全过程仿真。

本发明一种微波暗室中脉冲体制雷达目标探测模拟方法，采取的技术方案如下：

第一步，利用间歇收发方式，获取目标回波信号

脉冲信号的收发过程等价于用方波信号p(t)与发射脉冲信号s₀(t)相乘，即有s₁(t)＝s₀(t)·p(t)，而回波的目标调制过程相当于将发射信号与目标响应进行卷积。设雷达目标时域冲激响应函数为h(t)，则间歇收发后目标回波信号可等价表示为s₂(t)＝h(t)*(s₀(t)·p(t))，*表示卷积。

第二步，目标回波恢复

根据发射信号带宽等参数，设计低通滤波器，对目标回波信号s₂(t)进行低通滤波，获取间歇收发之后的目标回波。

第三步，脉冲压缩获取目标信息

脉冲压缩，获取间歇收发后目标信息s_h(t)，然后根据间歇收发参数决定是否采用开窗的方法提取目标信息。

第四步，目标回波能量补偿信息重构

根据间歇收发参数，得到脉冲压缩后信号的能量补偿值，通过能量补偿，重构目标探测信息。

其中，所述第一步间歇收发方式下，收发交替工作过程可以抽象为一方波信号p(t)对雷达脉冲信号进行控制，p(t)可表示为

其中τ为发射通道工作时段，T_s为间歇收发周期，δ(·)为单位冲击函数，n表示第n个冲击脉冲函数。

根据傅氏变换性质，p(t)的频域形式为

其中，f_s＝1/T_s，sinc(x)＝sin(πx)/(πx)。可以发现，间歇收发控制信号的频谱为p(t)各时域谐波的组合，且主峰处幅值由收发参数τf_s决定，并决定目标信息重构的能量补偿值。

通过精确的时延和波形控制可以保证实际发射信号的相位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。

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，径向运动速度为v，目标在雷达视线方向投影长度为L。雷达目标时域冲激响应函数为h(t)＝σ₀δ(t-Δt)。假设雷达发射脉冲信号为一线性调频脉冲信号(上调频)。从而，间歇收发条件下，目标回波信号去载频后可表示为：

其中，A为回波幅度，可由回波功率得到，P_t为发射功率，G为天线收发增益，λ为波长，Δt＝2(R-vt)/C，C为电磁波传播速度。rect(·)为矩形窗函数，T_p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。可以发现，目标回波信号由一系列子脉冲信号构成，各段子脉冲宽度与发射通道工作时段τ相等，子脉冲带宽B_Δ＝γτ。

其中，所述第二步目标回波恢复，具体方法如下：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。

根据线性调频LFM信号带宽，设计低通滤波器截止频率刚好覆盖信号带宽，从而间歇收发之后，位于原始LFM信号带宽之外的频谱分量将被有效滤除，进一步可以得到信号时域波形。考虑W(f)为低通滤波器的频谱，理想情况下，滤波器的频谱满足如下条件

从而，经过低通滤波之后，可得

S₃(f)＝W(f)S₂(f) (6)

进一步，可以获得经过低通滤波之后信号的时域形式，如图5所示。

其中，所述第三步脉冲压缩获取目标信息，具体方法如下：在接收机中，根据发射信号可得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。

根据匹配滤波器特点，W(f)在LFM信号带宽内为1，带宽外为0，与H(f)基本相同，因此相乘后可以忽略W(f)。从而，目标回波信号经匹配滤波并取模后输出形式可以表示为

其中|·|表示取模运算，IFFT表示逆傅里叶变换。对|s_h(t)|的主峰位置(n＝0)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：

|s_h(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 (10)

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。

从而，约束条件可写为

一方面T_s越小(f_s越大)，则相邻两个峰值距离越远，越利于目标信息重构，一旦T_s足够小，在距离门内将只能观察到实际目标处的尖峰；另一方面T_s越大则信号辐射能量越小，越不易恢复目标信息。

根据上述分析，当间歇收发频率小于信号带宽时，需要在匹配滤波之后，通过合理的开窗，提取脉冲压缩后的主峰，重构目标信息。开窗的目的主要是为了消除n≠0的峰值。在理想情况下，开窗类似于用矩形通断截取脉压主峰，通断时间对应的距离宽要小于相邻峰的距离，从而

因此，截断之后间歇收发回波的匹配滤波输出为

其中，回波延时Δt可以根据加窗前式(4)中的主峰位置估计得到。这样，就可以利用“间歇”收发方法解决空间有限条件下的长脉冲信号目标探测问题。此外，根据式(9)，当间歇收发周期T_s与完整信号带宽相当时，相邻虚假峰将无法在距离门内观测到。此时，不采用时域截断即可有效获取目标信息。

其中，所述第四步目标回波能量补偿与信息重构，方法如下：

根据间歇控制信号p(t)的频域形式以及所得间歇收发回波匹配滤波输出，可以发现，对于实际目标信息而言，间歇收发匹配滤波输出的主峰(n＝0)反映了真实目标信息。但是由于发射信号的通断，损失了部分信号能量，因此所得目标信息需要进行能量补偿。根据式(8)，取n＝0处的脉压输出信息，并对信号幅度补偿1/τf_s，即可精确的恢复得到目标回波的匹配滤波输出，从而实现暗室中脉冲雷达信号的目标探测模拟过程。恢复后的脉压输出表达式为

本发明的有益效果主要包括：

第一，解决了微波暗室中雷达收发分时模式的收发信号耦合问题与收发同时模式中收发信号的遮挡问题。基于间歇收发方法实现收发通道交替工作，等效于用收发分时方式从时间域对收发通道的耦合信号解耦；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的问题。

第二，解决了目标回波时域波形的恢复问题。通过调制间歇收发参数，使得间歇频率与信号带宽相当，通过低通滤波能够有效获取目标实际回波信号，从而解决了间歇收发后时域波形与理想时域波形的差异问题。

第三，目标信息获取较为精确。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去除“截断”效应，保证了目标信息重构结果可靠。根据间歇收发参数，可以决定是否采用开窗的方法获取目标信息，所得目标信息真实可靠。

第四，目标回波能量补偿与信息重构结果精确。根据间歇收发参数，设置回波能量补偿值，能够精确得到补偿后的目标回波信息，完成微波暗室中目标探测的等效模拟。

【附图说明】

图1是微波暗室与间歇收发工作示意图。

图2是本发明方法实现流程图。

图3(a)是原始目标回波时域波形。

图3(b)是原始目标回波频域波形。

图4(a)是τ＝0.1us，T_s＝0.2us的间歇收发时域波形。

图4(b)是τ＝0.1us，T_s＝0.2us的间歇收发频域波形。

图5(a)是低通滤波后目标回波时域波形。

图5(b)是低通滤波后目标回波频域波形。

图6是重构目标信息与原始目标信息对比示意图。

图7是重构与原始目标信息的信噪比(SNR)对比示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明一种微波暗室中脉冲体制雷达目标探测模拟方法，如图2所示，步骤如下：

第一步，利用间歇收发方法，获取目标回波信号。

间歇收发方式下，收发交替工作过程可以抽象为一方波信号p(t)对雷达脉冲信号进行控制，p(t)可表示为

其中τ为发射通道工作时段，T_s为间歇收发周期，δ(·)为单位冲击函数，n表示第n个冲击脉冲函数。

利用傅氏变换性质，p(t)的频域形式为

其中，f_s＝1/T_s，sinc(x)＝sin(πx)/(πx)。可以发现，间歇收发控制信号的频谱为p(t)各时域谐波的组合，且主峰处幅值由收发参数τf_s决定，并决定目标信息重构的能量补偿值。

通过精确的时延和波形控制可以保证实际发射信号的相位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所示。

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，径向运动速度为v，目标在雷达视线方向投影长度为L。雷达目标时域冲激响应为h(t)＝σ₀δ(t-Δt)。假设雷达发射脉冲信号为一线性调频脉冲信号(上调频)，从而，间歇收发条件下，目标回波信号去载频后可表示为：

其中，A为回波幅度，可由回波功率得到，P_t为发射功率，G为天线收发增益，λ为波长，Δt＝2(R-vt)/C，C为电磁波传播速度。rect(·)为矩形窗函数，T_p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。可以发现，目标回波信号由一系列子脉冲信号构成，各段子脉冲宽度与发射通道工作时段τ相等，子脉冲带宽B_Δ＝γτ。

第二步，低通滤波恢复目标回波。

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。

根据LFM信号带宽，设计低通滤波器截止频率刚好覆盖信号带宽，从而间歇收发之后，位于原始LFM信号带宽之外的频谱分量将被有效滤除，进一步可以得到信号时域波形。考虑W(f)为低通滤波器的频谱，理想情况下，滤波器的频谱满足如下条件

从而，经过低通滤波之后，可得

S₃(f)＝W(f)S₂(f) (21)

进一步，可以获得经过低通滤波之后信号的时域形式，如图5所示。

第三步，脉冲压缩获取目标信息。

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”，匹配滤波后可以通过开窗手段去除“截断”效应，实现目标信息重构。在接收机中，根据发射信号可得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。

根据匹配滤波器特点，W(f)在LFM信号带宽内为1，带宽外为0，与H(f)基本相同，因此相乘后可以忽略W(f)。从而，目标回波信号经匹配滤波并取模后输出形式可以表示为

其中|·|表示取模运算，IFFT表示逆傅里叶变换。对|s_h(t)|的主峰位置(n＝0)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：

|s_h(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 (25)

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。

从而，约束条件可写为

一方面T_s越小(f_s越大)，则相邻两个峰值距离越远，越利于目标信息重构，一旦T_s足够小，在距离门内将只能观察到实际目标处的尖峰；另一方面T_s越大则信号辐射能量越小，越不易恢复目标信息。

根据上述分析，当间歇收发频率小于信号带宽时，需要在匹配滤波之后，通过合理的开窗，提取脉冲压缩后的主峰，重构目标信息。开窗的目的主要是为了消除n≠0的峰值。在理想情况下，开窗类似于用矩形通断截取脉压主峰，通断时间对应的距离宽要小于相邻峰的距离，从而

因此，截断之后间歇收发回波的匹配滤波输出为

其中，回波延时Δt可以根据加窗前式(19)中的主峰位置估计得到。这样，就可以利用“间歇”收发方法解决空间有限条件下的长脉冲信号目标探测问题。此外，根据式(24)，当间歇收发周期T_s与完整信号带宽相当时，相邻虚假峰将无法在距离门内观测到，此时，不采用时域截断即可有效获取目标信息。

第四步，目标回波能量补偿与信息重构。

根据间歇控制信号p(t)的频域形式以及所得间歇收发回波匹配滤波输出，可以发现，对于实际目标信息而言，间歇收发匹配滤波输出的主峰(n＝0)反映了真实目标信息。但是由于发射信号的通断，损失了部分信号能量，因此所得目标信息需要进行能量补偿。根据式(23)，取n＝0处的脉压输出信息，并对信号幅度补偿1/τf_s，即可精确的恢复得到目标回波的匹配滤波输出，从而实现暗室中脉冲雷达信号的目标探测模拟过程。恢复后的脉压输出表达式为

假设目标是点目标，目标与雷达距离为R＝45m，静区反射率电平为-40dB。按照图1所示情景，将雷达收发控制系统与目标置于暗室，使两者的距离为R。雷达长脉冲信号脉宽为T_p＝100us，带宽为B＝5MHz，波长为0.3m，发射功率为1W，天线收发增益为30dB，接收机信噪比为10dB。目标散射截面积为σ₀＝0.1m²，速度为v＝1m/s，匹配滤波后目标等效位于45m处。根据图2所示处理流程，设定间歇收发参数τ＝0.1us，T_s＝0.2us。首先，图3(a)、(b)给出完整LFM脉冲信号的时频域波形。然后，得到的间歇收发回波时频域波形如图4(a)、(b)所示。经过低通滤波，得到滤波后的间歇收发时频域波形如图5(a)、(b)所示，其时频域特性与完整信号的时频域波形基本一致，只有幅度上存在差异。由于间歇收发方法中f_s＝5MHz，与带宽相当，因此，匹配滤波后将观察不到相邻虚假尖峰。进一步，对所得脉压输出进行能量补偿即可获取目标信息，如图6所示。由于存在多普勒，脉压输出峰值位置偏离真实位置45m，但间歇收发方法与完整信号的脉压输出结果基本一致。在不同信噪比条件下，对比间歇收发方法与完整回波信噪比的估计值，得到图7。可以发现，两者信噪比基本一致，从而验证了间歇收发方法的有效性。

Claims (4)

1.一种微波暗室中脉冲体制雷达目标探测模拟方法，其特征在于：该方法步骤如下：

第一步，利用间歇收发方式，获取目标回波信号

脉冲信号的收发过程等价于用间歇控制信号p(t)与发射脉冲信号s₀(t)相乘，即有s₁(t)＝s₀(t)·p(t)，而回波的目标调制过程相当于将发射信号与目标响应进行卷积；设雷达目标时域冲激响应函数为h(t)，则间歇收发后目标回波信号可等价表示为s₂(t)＝h(t)*(s₀(t)·p(t))，*表示卷积；

第二步，目标回波恢复

根据发射信号带宽等参数，设计低通滤波器，对目标回波信号s₂(t)进行低通滤波，获取间歇收发之后的目标回波；

第三步，脉冲压缩获取目标信息

脉冲压缩，获取间歇收发后目标信息s_h(t)，然后根据间歇收发参数决定是否采用开窗的方法提取目标信息；

第四步，目标回波能量补偿信息重构

根据间歇收发参数，得到脉冲压缩后信号的能量补偿值，通过能量补偿，重构目标探测信息；

其中，第一步所述间歇收发方式下，收发交替工作过程可以抽象为一间歇控制信号p(t)对雷达脉冲信号进行控制，p(t)可表示为

其中τ为发射通道工作时段，T_s为间歇收发周期，δ(·)为单位冲击函数，n表示第n个冲击脉冲函数；

根据傅氏变换性质，p(t)的频域形式为

其中，f_s＝1/T_s，sinc(x)＝sin(πx)/(πx)；可以发现，间歇收发控制信号的频谱为p(t)各时域谐波的组合，且主峰处幅值由收发参数τf_s决定，并决定目标信息重构的能量补偿值；

通过精确的时延和波形控制可以保证实际发射信号的相位连续性和幅度一致性，从而确保收发过程等效为间歇控制信号p(t)与雷达发射脉冲信号s₀(t)的乘积；

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，径向运动速度为v，目标在雷达视线方向投影长度为L；雷达目标时域冲激响应函数为h(t)＝σ₀δ(t-Δt)；假设雷达发射脉冲信号为一线性调频脉冲信号；从而，间歇收发条件下，目标回波信号去载频后可表示为：

其中，A为回波幅度，可由回波功率得到，P_t为发射功率，G为天线收发增益，λ为波长，Δt＝2(R-vt)/C，C为电磁波传播速度；rect(·)为矩形窗函数，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；可以发现，目标回波信号由一系列子脉冲信号构成，各段子脉冲宽度与发射通道工作时段τ相等，子脉冲带宽B_Δ＝γτ。

2.根据权利要求1所述的微波暗室中脉冲体制雷达目标探测模拟方法，其特征在于：第二步所述目标回波恢复，具体方法如下：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；

根据线性调频LFM信号带宽，设计低通滤波器截止频率刚好覆盖信号带宽，从而间歇收发之后，位于原始LFM信号带宽之外的频谱分量将被有效滤除，进一步可以得到信号时域波形；考虑W(f)为低通滤波器的频谱，理想情况下，滤波器的频谱满足如下条件

从而，经过低通滤波之后，可得

S₃(f)＝W(f)S₂(f) (6)

进一步，可以获得经过低通滤波之后信号的时域形式。

3.根据权利要求1所述的微波暗室中脉冲体制雷达目标探测模拟方法，其特征在于：第三步所述脉冲压缩获取目标信息，具体方法如下：在接收机中，根据发射信号可得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；

根据匹配滤波器特点，W(f)在LFM信号带宽内为1，带宽外为0，与H(f)基本相同，因此相乘后可以忽略W(f)；从而，目标回波信号经匹配滤波并取模后输出形式可以表示为

其中|·|表示取模运算，IFFT表示逆傅里叶变换；对|s_h(t)|的主峰位置(n＝0)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：

|s_h(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 (10)

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；

从而，约束条件可写为

一方面T_s越小(f_s越大)，则相邻两个峰值距离越远，越利于目标信息重构，一旦T_s足够小，在距离门内将只能观察到实际目标处的尖峰；另一方面T_s越大则信号辐射能量越小，越不易恢复目标信息；

根据上述分析，当间歇收发频率小于信号带宽时，需要在匹配滤波之后，通过合理的开窗，提取脉冲压缩后的主峰，重构目标信息；开窗的目的主要是为了消除n≠0的峰值；在理想情况下，开窗类似于用矩形通断截取脉压主峰，通断时间对应的距离宽要小于相邻峰的距离，从而

因此，截断之后间歇收发回波的匹配滤波输出为

其中，回波延时Δt可以根据加窗前式(4)中的主峰位置估计得到；这样，就可以利用“间歇”收发方法解决空间有限条件下的长脉冲信号目标探测问题；此外，根据式(9)，当间歇收发周期T_s与完整信号带宽相当时，相邻虚假峰将无法在距离门内观测到；此时，不采用时域截断即可有效获取目标信息。

4.根据权利要求1所述的微波暗室中脉冲体制雷达目标探测模拟方法，其特征在于：第四步所述目标回波能量补偿与信息重构，方法如下：

根据间歇控制信号p(t)的频域形式以及所得间歇收发回波匹配滤波输出，可以发现，对于实际目标信息而言，间歇收发匹配滤波输出的主峰(n＝0)反映了真实目标信息；但是由于发射信号的通断，损失了部分信号能量，因此所得目标信息需要进行能量补偿；根据式(8)，取n＝0处的脉压输出信息，并对信号幅度补偿1/τf_s，即可精确的恢复得到目标回波的匹配滤波输出，从而实现暗室中脉冲雷达信号的目标探测模拟过程；恢复后的脉压输出表达式为