CN106908773B - 连续脉冲雷达的信号时域循环编码和恢复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种连续脉冲雷达的信号时域循环编码和恢复方法。该连续脉冲雷达的信号时域循环编码方法包括：根据连续脉冲雷达系统的最远作用距离Rmax获得子脉冲组的持续时间Tst；根据连续脉冲雷达系统的距离向分辨率ρr获得基带信号频率范围；依据子脉冲组的持续时间Tst确定子脉冲分组参数；以及根据子脉冲分组参数，进行子脉冲序列的循环编码，得到连续脉冲雷达的信号编码序列T。该连续脉冲雷达的信号时域循环编码恢复方法，包括：求解回波信号表达式矩阵，得到单脉冲发射信号在每个接收窗口的回波信号。本发明能够保证恢复出来的各个窗口的信号性噪比基本一致；发射信号能量的利用率达到了67％；同时信号的恢复过程运算量较小。

Description

连续脉冲雷达的信号时域循环编码和恢复方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种连续脉冲雷达的信号时域循环编码和恢复方法。
背景技术
轻小型化是合成孔径雷达(Synthesis Aperture Radar，简称SAR)的一个重要发展方向。轻小型化研究的重点为：如何在保证雷达性能的前提下缩小雷达的重量、尺寸和功耗。调频连续波合成孔径雷达是应用于高度计的调频连续波与合成孔径雷达相结合的结果，其去斜接收体制和超大脉宽机制极大地降低了对系统数字处理部分和发射机的要求，从而实现系统的小型化。但是由于其采用两个天线(一个天线用于发射，另外一个天线用于接收)的隔离度难以做高，所以限制了调频连续波合成孔径雷达的作用距离。连续脉冲雷达是一种新机制合成孔径雷达，它结合了脉冲合成孔径雷达和调频连续波雷达的优点，按照预定脉冲编码方式发射一组连续脉冲信号，在脉冲间隔接收回波，然后通过信号处理的方式合成单脉冲回波。采用这种工作方式，解决了收发隔离度难以提高的问题，同时发射的多个脉冲回波经过恢复处理得到的单脉冲回波等效于提高发射信号的峰值功率或者平均功率，直接提高了雷达的作用距离。
连续脉冲雷达的关键技术在于连续脉冲的编码方法。编码方法的基本设计准则为：能够从连续脉冲回波信号中恢复整个原始脉冲信号的回波。在满足此条件的基础上，一种好的信号编码方法保证恢复出来的各个窗口的信号性噪比基本一致。此外，信号恢复的复杂度也是编码方法必须要考虑的方面。但目前的编码方法还不能满足这些需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种连续脉冲雷达的信号时域循环编码和恢复方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种连续脉冲雷达的信号时域循环编码方法，包括：根据连续脉冲雷达系统的最远作用距离Rmax获得子脉冲组的持续时间Tst；根据连续脉冲雷达系统的距离向分辨率ρr获得基带信号频率范围；依据子脉冲组的持续时间Tst确定子脉冲分组参数；以及根据子脉冲分组参数，进行子脉冲序列的循环编码，得到连续脉冲雷达的信号编码序列T。
在本发明的一些优选实施例中，所述子脉冲分组参数包括：连续脉冲分成的子脉冲组数M、每个子脉冲组中的子脉冲数N、每个子脉冲组中的接收窗口数P，满足：
M＝N+2
Figure BDA0001260249790000021
其中，每个子脉冲组中的发射窗口数为N；每一个窗口(发射窗口或接收窗口)的宽度为Ts。
在本发明的一些优选实施例中，所述根据子脉冲分组参数，进行子脉冲序列的循环编码，得到连续脉冲雷达的信号编码序列的步骤中：M＝7；连续脉冲的信号编码序列T分为七组：
组1的编码为：1；0；1；0；1；0；1；0；0；1；0；0；
组2的编码为：-1；0；1；0；1；0；1；0；0；1；0；0；
组3的编码为：1；0；-1；0；1；0；1；0；0；1；0；0；
组4的编码为：1；0；1；0；-1；0；1；0；0；1；0；0；
组5的编码为：1；0；1；0；1；0；-1；0；0；1；0；0；
组6的编码为：1；0；1；0；1；0；1；0；0；-1；0；0；
组7的编码为：1；0；1；0；1；0；1；0；0；1；0；0；
其中，每个子脉冲的信号形式相同，“1”表示发射0°相移的子脉冲，“-1”表示发射180°相移的子脉冲，“0”表示接收窗口，每个“1”、“-1”、“0”占用相同的时间宽度。
在本发明的一些优选实施例中，所述根据连续脉冲雷达系统的最远作用距离Rmax获得连续脉冲的持续时间Tst包括：计算回波信号相对于发射信号的最远延时τF，
Figure BDA0001260249790000031
其中，c为光速；则子脉冲组的持续时间Tst满足：Tst≥τF。
在本发明的一些优选实施例中，所述根据连续脉冲雷达系统的距离向分辨率ρr获得基带信号频率范围包括：计算发射信号的带宽Br：
Figure BDA0001260249790000032
则发射信号的基带信号频率范围为：
Figure BDA0001260249790000033
根据本发明的另一个方面，还提供了一种连续脉冲雷达的信号时域循环编码恢复方法，用于对上述的信号时域循环编码方法所获取的编码进行恢复，包括：求解回波信号表达式矩阵，得到单脉冲发射信号在每个接收窗口的回波信号，其中，回波信号表达式矩阵由每组每个接收窗口的回波信号表达式联立获得，每个接收窗口的回波信号是由之前发射的多个子脉冲经过地物散射后的回波信号叠加而成。
在本发明的一些优选实施例中，每个子脉冲的完整回波的接收窗口的数目S满足：S≤N+P。
在本发明的一些优选实施例中，所述求解回波信号表达式矩阵，得到单脉冲发射信号在每个接收窗口的回波信号为：
Figure BDA0001260249790000034
其中：
就是单脉冲发射信号在每个接收窗口的回波信号；
X为每个子脉冲的完整回波，X＝[x1，…，xs，…，xS]T；
Y为观测向量，Y＝[G(1，1)，G(1，2)，…，G(m，p)，…，G(M-1，P)，G(M，P)]T；
A是由编码方式决定的(M×P)×S的二维矩阵，
Figure BDA0001260249790000036
其中，T[l]为连续编码序列T中的第l个元素，T[l-q]为连续编码序列T中的第l-q个元素。
在本发明的一些优选实施例中，所述回波信号表达式矩阵为：Y＝AX+N，其中，N为(M×P)个接收窗口的噪声向量，N＝[N(1，1)，N(1，2)，…，N(m，p)，…，N(M-1，P)，N(M，P)]T。
在本发明的一些优选实施例中，所述求解回波表达式矩阵，得到单脉冲发射信号在每个接收窗口的回波信号的步骤之后还包括：对单脉冲发射信号在每个接收窗口的回波信号进行归一化处理，得到经过均衡处理后的单脉冲发射信号的回波信号。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明连续脉冲雷达的信号时域循环编码和恢复方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)能够恢复完整的回波信号；
本发明提供的连续脉冲雷达的信号时域循环编码和恢复方法能够恢复出单脉冲的完整回波信号。
(2)保证恢复出来的各个窗口的信号性噪比基本一致；
本发明提供的连续脉冲雷达的信号时域循环编码和恢复方法在恢复完整的回波信号的同时，保证了每个窗口恢复的回波信号信噪比基本一致。
(3)在信号恢复的过程中，发射信号能量的利用率达到了67％；
按照本发明的分组方式，发射信号能量的理论利用率为：0.5833；使用本发明给出的方法发射信号的能量利用率为：0.3896(按照第5个窗口的回波进行估计)；相对比例为：67％。
(4)信号的恢复过程简单，只涉及到数字信号的加减运算，不包括归一化。
本发明的信号的恢复过程非常简单，只需要根据信号的编码方式列出每个接收窗口中回波信号表达式，然后求解这个方程组即可。在后面会列出具体的信号恢复表达式，如果不考虑归一化处理，那么它们只涉及到信号的加减运算，非常适合FPGA的实时实现。
附图说明
图1为根据本发明实施例连续脉冲雷达的信号时域循环编码方法的流程示意图。
图2为本发明实施例连续脉冲雷达的信号时域循环编码恢复方法的流程示意图。
图3示出连续脉冲循环编码形式和接收回波的编号。
图4示出经过成像处理得到的雷达图像。
具体实施方式
本发明提供了一种连续脉冲雷达信号时域循环编码和恢复方法。这种编码方式一方面能够从断续的回波信号中恢复原始回波信号；另外提高发射能量的利用率。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种连续脉冲雷达的信号时域循环编码方法。
图1为根据本发明实施例连续脉冲雷达的信号时域循环编码方法的流程示意图。如图1所示，本实施例连续脉冲雷达的信号时域循环编码方法包括：
步骤S102，根据连续脉冲雷达系统参数获得发射信号的基带信号频率范围和子脉冲组的持续时间Tst；
本实施例中，连续脉冲雷达系统参数包括：距离向分辨率ρr和最远作用距离Rmax。
则发射信号的带宽Br按照下式计算：
Figure BDA0001260249790000051
式(1)中：ρr为距离向分辨率，c为光速。
据此，发射信号的基带信号频率范围为：
Figure BDA0001260249790000052
则回波信号相对于发射信号的最远延时τF按照下式计算：
Figure BDA0001260249790000053
式(1)中：Rmax为连续脉冲雷达系统的最远作用距离。
据此，确定子脉冲组的持续时间Tst≥τF。
步骤S104，依据子脉冲组的持续时间Tst确定子脉冲分组参数，该子脉冲分组参数包括：连续脉冲分成的子脉冲的组数M、每组子脉冲中的子脉冲数N、每组子脉冲中的发射窗口数N、每组子脉冲中的接收窗口数P；
作为一种具体的实现方式，图2给出了实际飞行试验中设计出来的连续脉冲编码形式。连续脉冲分成7组，每组5个子脉冲，共计发射35个子脉冲。
在这种情况下，每个子脉冲的时间宽度为Ts必须满足：
Figure BDA0001260249790000061
其中：12表示总的窗口数，即5个发射窗口和7个接收窗口总共12个窗口。
本领域技术人员应当清楚，虽然本实施例采用将连续脉冲分为7组，每组5个子脉冲的形式，但本发明并不以此为限。在本公开的通用形式中，可以将连续脉冲分为M组，每组N个子脉冲，其中的M、N满足M＝N+2既可。
同样，本领域技术人员应当清楚，在本公开的通用形式中，发射窗口的数目和每组中子脉冲的数目相同，设每组子脉冲中接收窗口有P个，则每个子脉冲时间宽度Ts满足：
Figure BDA0001260249790000062
步骤S106，根据子脉冲分组参数，进行子脉冲序列的循环编码，获得连续脉冲雷达的信号编码序列T。
本实施例中，请继续参照图3，SendSignal表示发射信号，Echo表示接收信号。每个子脉冲的信号形式相同，“1”表示发射0°相移的子脉冲，“-1”表示发射180°相移的子脉冲。“0”表示接收窗口，每个“1”、“-1”、“0”占用相同的时间宽度。连续脉冲雷达的信号编码如表1所示。
表1连续脉冲编码序列
Figure BDA0001260249790000063
Figure BDA0001260249790000071
至此，连续脉冲雷达的信号时域循环编码完成。
以下介绍如何从回波数据中恢复数据。图2为本发明实施例连续脉冲雷达的信号时域循环编码恢复方法的流程示意图。如图2所示，本实施例连续脉冲雷达的信号时域循环编码恢复方法包括：
步骤S202，由每组每个接收窗口的回波信号表达式联立为矩阵表达式，获得回波信号表达式矩阵；
回到图2，每组有7个接收窗口(对应每组子脉冲中接收窗口的数目)，每个接收窗口的回波信号是由之前发射的多个子脉冲经过地物散射后的回波信号叠加而成。
设每个子脉冲的完整回波由11个接收窗口组成。本领域技术人员可以理解的是，此处的组成每个子脉冲的完整回波的接收窗口的数目S与子脉冲分组数据中子脉冲的数目有关，即当前子脉冲的回波必须保证在下一个组同样位置的子脉冲发射前接收完毕，否则存在混叠，上述限定条件换用数学方式表达，即S≤N+P。
定义连续脉冲的信号编码序列为：T＝[101010…100100]，其中1或-1表示发射窗口，0表示接收窗口。
每个子脉冲的完整回波用X＝[x1，x2，…，x11]T表示，其中数目“11”对应于组成每个子脉冲的完整回波的接收窗口的数目。
观测向量Y表示为：Y＝[G(1，1)，G(1，2)，…，G(7，6)，G(7，7)]T，G(m，n)为第m组第p个接收窗口的回波信号，其中：m＝1，2，3，4，5，6，7；p＝1，2，3，4，5，6，7；
则49个接收窗口(共有M组，每组P个接收窗口)的噪声用向量N表示为：N＝[N(1，1)，N(1，2)，…，N(7，6)，N(7，7)]T。
则X和Y的关系如下：
Y＝AX+N (3)
其中：A是由编码方式决定的49×11矩阵，具体表达式为：
Figure BDA0001260249790000081
Figure BDA0001260249790000082
其中，T[l]为连续编码序列T中的第l个元素，T[l-q]为连续编码序列T中的第l-q个元素。
本实施例中，49个接收窗口对应于连续脉冲分为7组，每组7个接收窗口。在通用形式下，对于连续脉冲分为M组，每组P个接收窗口的情况，接收窗口的数目应当为M×P。
步骤S204：每个接收窗口的回波恢复，即求解回波表达式矩阵，得到单脉冲发射信号在每个接收窗口的回波信号；
联立上面的方程组求解所得：
Figure BDA0001260249790000083
其中：就是单个子脉冲的完整回波信号。
合成后的回波信号相对于单独发射一个子脉冲所得回波信号的信噪比改善情况如表2所示。
表2合成信号的信噪比(dB)改善情况
Echol Echo2 Echo3 Echo4 Echo5 Echo6 Echo7 Echo8 Echo9 Echo10 Echo11
13.57 9.59 11.35 11.35 11.35 11.35 11.35 11.35 11.35 9.59 13.57
根据计算，按照图2所示的分组方式，发射信号能量的理论利用率为：0.5833；使用本发明给出的方法发射信号的能量利用率为：0.3896(按照第5个窗口的回波进行估计)；相对比例为：67％。
步骤S206：对单脉冲发射信号在每个接收窗口的回波信号进行归一化处理，得到经过均衡处理后的单脉冲发射信号的回波信号。
参考图4，给出了信号恢复后单脉冲回波经过成像处理得到的雷达图像。该图像证明了本发明提出的连续脉冲编码方法是可行的。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)步骤8202和S206不是必须的，可以省略；
(2)连续脉冲编码形式还有其他的形式，如：组1的编码还可以为：100101010100，100100101010，101001001010，101010010010等。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明连续脉冲雷达的信号时域循环编码和恢复方法有了清楚的认识。
综上所述，本发明提供的一种连续脉冲雷达的信号时域循环编码和恢复方法能够恢复出单脉冲的完整回波信号，同时具有发射信号能量的利用率高，信号恢复过程简单等优点，具有较好的应用前景。
还需要说明的是，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到[约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种连续脉冲雷达的信号时域循环编码方法，包括：
根据连续脉冲雷达系统的最远作用距离Rmax获得子脉冲组的持续时间Tst；根据连续脉冲雷达系统的距离向分辨率ρr获得基带信号频率范围；
依据子脉冲组的持续时间Tst确定子脉冲分组参数，其中，所述子脉冲分组参数包括连续脉冲分成的子脉冲组数M、每个子脉冲组中的子脉冲数N、每个子脉冲组中的接收窗口数P，满足：
M＝N+2
Figure FDA0002232563130000011
其中，每个子脉冲组中的发射窗口数为N；每一个发射窗口或接收窗口的宽度为Ts；以及
根据子脉冲分组参数，进行子脉冲序列的循环编码，得到连续脉冲雷达的信号编码序列T，其中，所述信号编码序列T每一组编码中发射窗口的位置相同，并且经过180°相移的子脉冲的发射窗口的位置依次循环右移。
2.根据权利要求1所述的信号时域循环编码方法，其中，所述根据子脉冲分组参数，进行子脉冲序列的循环编码，得到连续脉冲雷达的信号编码序列的步骤中：
M＝7：
连续脉冲的信号编码序列T分为七组：
组1的编码为：1；0；1；0；1；0；1；0；0；1；0；0；
组2的编码为：-1；0；1；0；1；0；1；0；0；1；0；0；
组3的编码为：1；0；-1；0；1；0；1；0；0；1；0；0；
组4的编码为：1；0；1；0；-1；0；1；0；0；1；0；0；
组5的编码为：1；0；1；0；1；0；-1；0；0；1；0；0；
组6的编码为：1；0；1；0；1；0；1；0；0；-1；0；0；
组7的编码为：1；0；1；0；1；0；1；0；0；1；0；0；
其中，每个子脉冲的信号形式相同，“1”表示发射0°相移的子脉冲，“-1”表示发射180°相移的子脉冲，“0”表示接收窗口，每个“1”、“-1”、“0”占用相同的时间宽度。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的信号时域循环编码方法，所述根据连续脉冲雷达系统的最远作用距离Rmax获得连续脉冲的持续时间Tst包括：
计算回波信号相对于发射信号的最远延时τF，其中，c为光速；则子脉冲组的持续时间Tst满足：Tst≥τF。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的信号时域循环编码方法，所述根据连续脉冲雷达系统的距离向分辨率ρr获得基带信号频率范围包括：
计算发射信号的带宽Br：
Figure FDA0002232563130000022
则发射信号的基带信号频率范围为：
5.一种连续脉冲雷达的信号时域循环编码恢复方法，用于对利用权利要求1所述的信号时域循环编码方法所获取的编码进行恢复，包括：
求解回波信号表达式矩阵，得到单脉冲发射信号在每个接收窗口的回波信号，其中，回波信号表达式矩阵由每组每个接收窗口的回波信号表达式联立获得，每个接收窗口的回波信号是由之前发射的多个子脉冲经过地物散射后的回波信号叠加而成。
6.根据权利要求5所述的信号时域循环编码恢复方法，其中，每个子脉冲的完整回波的接收窗口的数目S满足：S≤N+P。
7.根据权利要求6所述的信号时域循环编码恢复方法，其中，所述求解回波信号表达式矩阵，得到单脉冲发射信号在每个接收窗口的回波信号为：
Figure FDA0002232563130000024
其中：
Figure FDA0002232563130000025
就是单脉冲发射信号在每个接收窗口的回波信号；
X为每个子脉冲的完整回波，X＝[x1，…，xs，…，xs]T；
Y为观测向量，Y＝[G(1，1)，G(1，2)，…，G(m，p)，…，G(M-1，P)，G(M，P)]T；
A是由编码方式决定的(M×P)×S的二维矩阵，
Figure FDA0002232563130000031
Figure FDA0002232563130000032
其中，T[l]为连续编码序列T中的第l个元素，T[l-q]为连续编码序列T中的第l-q个元素。
8.根据权利要求7所述的信号时域循环编码恢复方法，其中，所述回波信号表达式矩阵为：
Y＝AX+N
其中，N为(M×P)个接收窗口的噪声向量，N＝[N(1，1)，N(1，2)，…，N(m，p)，…，N(M-1，P)，N(M，P)]T。
9.根据权利要求5所述的信号时域循环编码恢复方法，其中，所述求解回波表达式矩阵，得到单脉冲发射信号在每个接收窗口的回波信号的步骤之后还包括：
对单脉冲发射信号在每个接收窗口的回波信号进行归一化处理，得到经过均衡处理后的单脉冲发射信号的回波信号。
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