CN107064898A - 微动目标正交极化雷达波形的生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微动目标正交极化雷达波形的生成方法，包括生成基本波形、调制参数设置、微动相位调制、极化散射调制、雷达波形合成及天线极化发射。本发明以微动周期为一个调制周期，周期内每个脉冲的相位利用微动多普勒频率进行调制，再经正交极化双通道分别对每个脉冲的幅度利用动态极化散射系数进行调制，波形合成后得到微动目标极化雷达波形，最后经水平极化和垂直极化天线辐射。该方法能够根据设定的目标类型和微动形式，可以产生同时在幅度、多普勒频率和极化域受到微动效应调制的包含多个点散射体信号的雷达波形。

Description

微动目标正交极化雷达波形的生成方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种微动目标正交极化雷达波形的生成方法。

背景技术

目标的微运动(或微动)是指：除目标主体的平移运动之外，目标或目标的任何结构部件的摆动、旋转或翻滚等运动。这种微运动引起雷达回波在幅度、多普勒频率和极化域受到附加的调制，使回波信号包含了与特定目标相关的专属信息和特征。目前，基于雷达回波的微动目标信号处理和特征提取技术已经广泛地应用在机械部件转动状态检测、发动机故障诊断、飞行器设计及其空气动力特性分析、人员运动及健康状态监测、空间目标探测与识别等民用和军用领域中。

在各种雷达系统设计和雷达信号处理技术开发过程中，回波信号模拟或回波模拟器可以提供关键的验证模型和测试数据，可有效地缩短产品研发周期和降低研发成本。但是，现有的微动目标雷达信号模拟或产生方法主要涉及在幅度域和多普勒频率域产生微动目标的雷达回波信号，还缺乏可以产生在极化域也受到微动效应调制的雷达波形的方法。

发明内容

本发明的发明目的是：为了解决现有技术中存在的以上问题，本发明提出了一种微动目标正交极化雷达波形的生成方法，根据设定的目标类型和微动形式，可以产生同时在幅度、多普勒频率和极化域受到微动效应调制的包含多个点散射体信号的雷达波形。

本发明的技术方案是：一种微动目标正交极化雷达波形的生成方法，包括以下步骤：

步骤S1、生成基本波形

将目标表示为多散射中心模型，散射中心总数为N，微动周期为T_p；雷达基本波形采用调频脉冲串信号，参数设置为载波频率为f_c，脉冲时间宽度为τ，调制带宽为Δ，采样频率为f_s，脉冲重复间隔为T_r；在一个调频脉冲重复周期内，信号s[n]的序列长度为f_sT_r，幅度序列为α[n]，调频相位序列为β[n]，n＝0,1,2,...,f_sT_r-1，将s[n]写为解析信号表示为：

其中，矩形信号当

步骤S2、信号处理，包括以下分步骤：

S21、调制参数设置

以微动周期T_p为一个调制周期，一个微动周期内的均匀脉冲数为M，设定调制周期数为L，则雷达发射脉冲总数为L×M，总观测时间为L×T_p；

S22、微动相位调制

在每个微动周期T_p内，对于第m个脉冲的调频相位序列β[n-mT_r]，在每个调频相位序列点n上叠加对应的微动相位值，得到第i个散射中心的相位调制序列φ_i[n,m]表示为：

其中，n＝0,1,...,Mf_sT_r-1，m＝1,2,...,M，i＝1,2,...,N，为第i个散射中心的微动相位值；

S23、生成解析信号

对步骤S22中的第i个散射中心的相位调制序列φ_i[n,m]进行相位查找表操作，经第i个查找表后的相位调制序列Φ_i[n,m]表示为：

Φ_i[n,m]＝cos(φ_i[n,m])+jsin(φ_i[n,m])；

S24、极化散射调制

对步骤S22中第m个脉冲的幅度序列α[n-mT_r]分别在水平极化通道和垂直极化通道进行调制，得到水平极化通道和垂直极化通道第i个散射中心的幅度调制序列和分别表示为：

其中，和分别为水平极化和垂直极化动态散射系数；

步骤S3、雷达波形合成

将经过步骤S22的相位调制和步骤S23的幅度调制的N个散射中心分别在水平极化通道和垂直极化通道进行目标脉冲波形合成，得到水平极化通道和垂直极化通道在第m个脉冲的目标波形G_h[n,m]和G_v[n,m]，分别表示为：

步骤S4、天线极化发射

将步骤S3中的合成波形G_h[n,m]和G_v[n,m]进行数模转换和上变频后分别经水平极化和垂直极化的天线进行辐射。

进一步地，所述步骤S22中第i个散射中心的相位值φ_i[m]具体表示为：

其中，λ为波长。

进一步地，所述步骤S22中第i个散射中心在第m个脉冲的微动距离r_i[m]具体表示为：

r_i[m]＝b_i+l_i sin(2πf_pm+ψ_i)

其中，b_i为微动运动平均位置，l_i为微动运动偏移平均位置的最大距离偏移量，为微动频率，ψ_i为微动起始相位。

进一步地，所述步骤S22中相位调制序列的振动系数设定为

f_m＝f_v、ψ_i＝0、b_i＝0，其中，γ和η分别为微动目标质心在全局坐标系中的俯仰角和方位角，γ_p和η_p分别为微动目标质心在参考坐标系中的俯仰角和方位角，参考坐标系原点位于目标中心，坐标轴与雷达坐标系分别平行，f_v表示振动频率，D_v为振动幅度。

进一步地，所述步骤S22中相位调制序列的旋转系数选设定为f_m＝f_c、 其中e_c为罗德里格斯公式，n_LOS为雷达视线方向，P_i为散射中心在参考坐标系中的坐标。

进一步地，所述步骤S23中对步骤S22中的第i个散射中心的相位调制序列φ_i[n,m]进行相位查找表操作具体为计算每个相位采样点n对应的相位值的余弦值与正弦值，生成信号的实部与虚部。

进一步地，所述步骤S24中对步骤S22中第m个脉冲的幅度序列α[n-mT_r]分别在水平极化通道和垂直极化通道进行调制，具体为在每个幅度序列点n上调制对应的极化散射值，极化散射值分别为和其中和分别为利用雷达对目标测量得到的第i个散射中心在目标姿态角θ_k下对应的水平和垂直极化散射系数，θ_k为目标姿态角，定义为目标中心对称轴与雷达视线方向的夹角，可表示目标姿态数为K＝L×M。

进一步地，所述步骤S3中将经过步骤S22的相位调制和步骤S23的幅度调制的N个散射中心分别在水平极化通道和垂直极化通道进行目标脉冲波形合成，具体为在每个微动周期T_p内，对于第m个脉冲，每个散射中心的相位调制序列和幅度调制序列在每个采样点n上相乘后进行叠加。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的微动目标正交极化雷达波形的生成方法能够准确地模拟微动目标的微多普勒特征，输出各种具有微动特性的雷达波形，为模拟微动目标提供基本信号；

2、本发明采用双通道正交极化调制波形，相互干扰小，包络调制波形能够描述微动目标的极化散射受到姿态调制的特性；

3、本发明能够根据设定的目标类型和微动形式，可以产生同时在幅度、多普勒频率和极化域受到微动效应调制的包含多个点散射体信号的雷达波形。

附图说明

图1是本发明的微动目标正交极化雷达波形的生成方法流程示意图。

图2是本发明中微动相位调制器示意图。

图3是本发明中极化散射调制器示意图。

图4是本发明中波形合成器示意图。

图5是本发明中具有进动的目标多散射中心模型结构示意图。

图6(a)是本发明的进动相位系数序列中最大微动偏移量l_i的序列示意图。

图6(b)是本发明的进动相位系数序列中微动平均位置b的序列示意图。

图6(c)是本发明的进动相位系数序列中微动初相的序列示意图。

图7(a)是本发明的幅度调制序列中每个散射中心水平极化的散射系数示意图。

图7(b)是本发明的幅度调制序列中每个散射中心垂直极化的散射系数示意图。

图8(a)是本发明的雷达波形信号时频图中水平极化雷达波形的时频示意图。

图8(b)是本发明的雷达波形信号时频图中垂直极化雷达波形的时频示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明的微动目标正交极化雷达波形的生成方法流程示意图。一种微动目标正交极化雷达波形的生成方法，包括以下步骤：

步骤S1、生成基本波形

将目标表示为多散射中心模型，散射中心总数为N，微动周期为T_p；雷达基本波形采用调频脉冲串信号，参数设置为载波频率为f_c，脉冲时间宽度为τ，调制带宽为Δ，采样频率为f_s，脉冲重复间隔为T_r；在一个调频脉冲重复周期内，信号s[n]的序列长度为f_sT_r，幅度序列为α[n]，调频相位序列为β[n]，n＝0,1,2,...,f_sT_r-1，将s[n]写为解析信号表示为：

其中，矩形信号当

本发明以产生2个微动周期内的线性调频矩形脉冲串信号为例，目标为对称平底钝锥刚体，高为1.5m，底部直径为0.4m。如图5所示，为本发明中具有进动的目标多散射中心模型结构示意图。多散射中心由尖冠及底部边缘上的散射中心组成，总数N＝5，目标作锥旋运动，即绕过目标质心O的空间向量Cax锥旋，锥旋频率为f_p＝1Hz；散射中心在本地坐标系的坐标分别为P₁＝[-0.2,0,-0.5]^T，P₂＝[0,0,-0.5]^T，P₃＝[0.2,0,-0.5]^T，P₄＝[0.04,0,0.7]^T，P₅＝[-0.04,0,0.7]^T。雷达基本波形采用线性调频矩形脉冲串信号，载波频率为f_c＝10GHz，脉冲时间宽度为τ＝100us，调频带宽为Δ＝1GHz，采样频率为f_s＝2GHz，脉冲重复间隔为T_r＝1/2000Hz。一个调频脉冲重复周期内，信号的序列长度为f_sT_r＝5×10⁵，幅度序列为α[n]＝1，相位序列为M个脉冲串信号可表示为其中，n＝0,1,...,Mf_sT_r-1，m＝1,2,...,M。

步骤S2、信号处理，包括以下分步骤：

S21、调制参数设置

针对每个散射中心，以微动周期T_p为一个调制周期，一个微动周期内的均匀脉冲数为M，设定调制周期数为L，则雷达发射脉冲总数为L×M，总观测时间为L×T_p，脉冲重复间隔为T_r，T_p＝M×T_r，并由奈奎斯特采样定理满足

本发明以产生2个微动周期内的线性调频矩形脉冲串信号为例，以微动周期T_p＝1s为一个调制周期，调制周期数为L＝2，一个微动周期内的均匀脉冲数为M＝2000，雷达发射脉冲总数为L×M＝4000，总观测时间为L×T_p＝2s。

S22、微动相位调制

如图2所示，为本发明中微动相位调制器示意图。在每个微动周期T_p内，对于第m个脉冲的调频相位序列β[n-mT_r]，在每个调频相位序列点n上叠加对应的微动相位值，得到第i个散射中心的相位调制序列φ_i[n,m]表示为：

其中，n＝0,1,...,Mf_sT_r-1，m＝1,2,...,M，i＝1,2,...,N，为第i个散射中心的微动相位值；

第i个散射中心的相位值φ_i[m]具体表示为：

其中，λ为波长。

第i个散射中心在第m个脉冲的微动距离r_i[m]具体表示为：

r_i[m]＝b_i+l_i sin(2πf_pm+ψ_i)

其中，b_i为微动运动平均位置，l_i为微动运动偏移平均位置的最大距离偏移量，f_p＝1/T_p为微动频率，ψ_i为微动起始相位。本发明通过设置b_i、l_i、f_p、和ψ_i，即可设置特定的微动形式。

本发明以产生2个微动周期内的线性调频矩形脉冲串信号为例，计算第m个脉冲对应的进动相位调制序列系数选择为

f_m＝f_p，其中e_c为罗德里格斯公式，n_LOS为雷达视线方向，P_i为散射中心在参考坐标系中的坐标。如图6(a)所示，为本发明的进动相位系数序列中最大微动偏移量l_i的序列示意图。如图6(b)所示，为本发明的进动相位系数序列中微动平均位置b的序列示意图。如图6(c)所示，为本发明的进动相位系数序列中微动初相的序列示意图。

S23、生成解析信号

在每个微动周期T_p内，对步骤S22中的第i个散射中心的相位调制序列φ_i[n,m]进行相位查找表操作，计算每个相位采样点n对应的相位值的余弦值与正弦值，生成信号的实部与虚部，经第i个查找表后的相位调制序列表示为：

Φ_i[n,m]＝cos(φ_i[n,m])+jsin(φ_i[n,m])

本发明以产生2个微动周期内的线性调频矩形脉冲串信号为例，对步骤S22中的第i个散射中心的相位调制序列φ_i[n,m]进行查找表操作，具体为计算每个相位采样点n对应的相位值的余弦值与正弦值，来重建信号的实部与虚部，经第i个查找表后的相位调制序列为Φ_i[n,m]＝cos(φ_i[n,m])+jsin(φ_i[n,m])。

S24、极化散射调制

如图3所示，为本发明中极化散射调制器示意图。对步骤S22中第m个脉冲的幅度序列α[n-mT_r]分别在水平极化通道和垂直极化通道进行调制，得到水平极化通道和垂直极化通道第i个散射中心的幅度调制序列和分别表示为：

其中，和分别为水平极化和垂直极化动态散射系数。

每个极化通道的调制方法为在每个幅度序列点n上调制对应的极化散射值，极化散射值分别为和其中和分别为利用雷达对目标测量得到的第i个散射中心在目标姿态角θ_k下对应的水平和垂直极化散射系数。θ_k为目标姿态角，定义为目标中心对称轴与雷达视线方向的夹角，可表示目标姿态数为K＝L×M。

本发明以产生2个微动周期内的线性调频矩形脉冲串信号为例，对于第m个脉冲内的幅度序列α[n-mT_r]，分别在水平极化通道和垂直极化通道进行调制，在第n个幅度序样点调制的极化散射值均为和得到水平极化通道和垂直极化通道第i个散射中心的幅度调制序列和如图7(a)所示，为本发明的幅度调制序列中每个散射中心水平极化的散射系数示意图。如图7(b)所示，为本发明的幅度调制序列中每个散射中心垂直极化的散射系数示意图。

步骤S3、目标脉冲波形合成

将经过步骤S22的相位调制和步骤S23的幅度调制的N个散射中心分别在水平极化通道和垂直极化通道进行目标脉冲波形合成，得到水平极化通道和垂直极化通道在第m个脉冲的目标波形G_h[n,m]和G_v[n,m]，分别表示为：

如图4所示，为本发明中波形合成器示意图。其中G_h[n,m]和G_v[n,m]的合成方法为在每个微动周期T_p内，对于第m个脉冲，每个散射中心的相位调制序列和幅度调制序列在每个采样点n上相乘后进行叠加。

本发明以产生2个微动周期内的线性调频矩形脉冲串信号为例，在每个微动周期T_p内，对于第m个脉冲，将经过步骤S22的相位调制和步骤S23的幅度调制的N个散射中心分别在水平极化通道和垂直极化通道进行目标脉冲波形合成，每个散射中心的相位调制序列和幅度调制序列在每个幅度样点n上相乘后进行叠加，分别得到两个通道在第m个脉冲的目标波形为和利用窗长为512点高斯窗重叠率为50％的短时傅里叶变换分析合成得到的水平极化和垂直极化波形，得到两个极化通道下散射中心的时频分析图像。如图8(a)所示，为本发明的雷达波形信号时频图中水平极化雷达波形的时频示意图。如图8(b)所示，为本发明的雷达波形信号时频图中垂直极化雷达波形的时频示意图。散射中心微多普勒频率正是以正弦形式周期性变化，与锥旋周期一致。从强度上可以看出散射中心在主极化分量下强于交叉极化分量，并在某些采样点下存在间断，这是由于姿态的变化或遮挡效应引起的。

步骤S4、天线极化发射

将步骤S3中的合成波形G_h[n,m]和G_v[n,m]进行数模转换和上变频后分别经水平极化和垂直极化的天线进行辐射。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种微动目标正交极化雷达波形的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、生成基本波形

将目标表示为多散射中心模型，散射中心总数为N，微动周期为T_p；雷达基本波形采用调频脉冲串信号，参数设置为载波频率为f_c，脉冲时间宽度为τ，调制带宽为Δ，采样频率为f_s，脉冲重复间隔为T_r；在一个调频脉冲重复周期内，信号s[n]的序列长度为f_sT_r，幅度序列为α[n]，调频相位序列为β[n]，n＝0,1,2,...,f_sT_r-1，将s[n]写为解析信号表示为：

其中，矩形信号当

步骤S2、信号处理，包括以下分步骤：

S21、调制参数设置

以微动周期T_p为一个调制周期，一个微动周期内的均匀脉冲数为M，设定调制周期数为L，则雷达发射脉冲总数为L×M，总观测时间为L×T_p；

S22、微动相位调制

在每个微动周期T_p内，对于第m个脉冲的调频相位序列β[n-mT_r]，在每个调频相位序列点n上叠加对应的微动相位值，得到第i个散射中心的相位调制序列φ_i[n,m]表示为：

其中，n＝0,1,...,Mf_sT_r-1，m＝1,2,...,M，i＝1,2,...,N，为第i个散射中心的微动相位值；

S23、生成解析信号

对步骤S22中的第i个散射中心的相位调制序列φ_i[n,m]进行相位查找表操作，经第i个查找表后的相位调制序列Φ_i[n,m]表示为：

Φ_i[n,m]＝cos(φ_i[n,m])+jsin(φ_i[n,m])；

S24、极化散射调制

对步骤S22中第m个脉冲的幅度序列α[n-mT_r]分别在水平极化通道和垂直极化通道进行调制，得到水平极化通道和垂直极化通道第i个散射中心的幅度调制序列和分别表示为：

其中，和分别为水平极化和垂直极化动态散射系数；

步骤S3、雷达波形合成

将经过步骤S22的相位调制和步骤S23的幅度调制的N个散射中心分别在水平极化通道和垂直极化通道进行目标脉冲波形合成，得到水平极化通道和垂直极化通道在第m个脉冲的目标波形G_h[n,m]和G_v[n,m]，分别表示为：

步骤S4、天线极化发射

将步骤S3中的合成波形G_h[n,m]和G_v[n,m]进行数模转换和上变频后分别经水平极化和垂直极化的天线进行辐射。

2.如权利要求1所述的微动目标正交极化雷达波形的生成方法，其特征在于，所述步骤S22中第i个散射中心的相位值φ_i[m]具体表示为：

其中，λ为波长。

3.如权利要求1所述的微动目标正交极化雷达波形的生成方法，其特征在于，所述步骤S22中第i个散射中心在第m个脉冲的微动距离r_i[m]具体表示为：

r_i[m]＝b_i+l_isin(2πf_pm+ψ_i)

其中，b_i为微动运动平均位置，l_i为微动运动偏移平均位置的最大距离偏移量，为微动频率，ψ_i为微动起始相位。

4.如权利要求2或3所述的微动目标正交极化雷达波形的生成方法，其特征在于，所述步骤S22中相位调制序列的振动系数设定为f_m＝f_v、ψ_i＝0、b_i＝0，其中，γ和η分别为微动目标质心在全局坐标系中的俯仰角和方位角，γ_p和η_p分别为微动目标质心在参考坐标系中的俯仰角和方位角，参考坐标系原点位于目标中心，坐标轴与雷达坐标系分别平行，f_v表示振动频率，D_v为振动幅度。

5.如权利要求2或3所述的微动目标正交极化雷达波形的生成方法，其特征在于，所述步骤S22中相位调制序列的旋转系数选设定为f_m＝f_c、其中e_c为罗德里格斯公式，n_LOS为雷达视线方向，P_i为散射中心在参考坐标系中的坐标。

6.如权利要求1所述的微动目标正交极化雷达波形的生成方法，其特征在于，所述步骤S23中对步骤S22中的第i个散射中心的相位调制序列φ_i[n,m]进行相位查找表操作具体为计算每个相位采样点n对应的相位值的余弦值与正弦值，生成信号的实部与虚部。

7.如权利要求1所述的微动目标正交极化雷达波形的生成方法，其特征在于，所述步骤S24中对步骤S22中第m个脉冲的幅度序列α[n-mT_r]分别在水平极化通道和垂直极化通道进行调制，具体为在每个幅度序列点n上调制对应的极化散射值，极化散射值分别为和其中和分别为利用雷达对目标测量得到的第i个散射中心在目标姿态角θ_k下对应的水平和垂直极化散射系数。

8.如权利要求1所述的微动目标正交极化雷达波形的生成方法，其特征在于，所述步骤S3中将经过步骤S22的相位调制和步骤S23的幅度调制的N个散射中心分别在水平极化通道和垂直极化通道进行目标脉冲波形合成，具体为在每个微动周期T_p内，对于第m个脉冲，每个散射中心的相位调制序列和幅度调制序列在每个采样点n上相乘后进行叠加。