CN107144834B - 一种高重频脉冲雷达扩展测距范围的波形设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种高重频脉冲雷达扩展测距范围的波形设计方法，本发明涉及高重频脉冲雷达扩展测距范围的波形设计方法。本发明为了解决高重频脉冲雷达由脉冲周期重复引起的距离模糊，以及避免在无模糊测距范围增大的同时占空比和平均功率下降的问题。本发明包括：一：确定脉间调相因子α以及速度范围与目标真实速度和距离折叠次数的对应关系；二：对线性调频脉冲信号进行脉间相位调制，得到脉内线性调频脉间相位调制脉冲信号；三：雷达发射脉内线性调频脉间相位调制脉冲信号，对接收到的目标反射的回波进行距离处理，得到目标的视在距离；四：进行脉间多普勒处理，并根据速度结果解距离模糊得到目标真实距离。本发明属于雷达信号设计与处理领域。

Description

一种高重频脉冲雷达扩展测距范围的波形设计方法
技术领域
本发明涉及扩展高重频脉冲雷达测距范围的波形设计方法，属于雷达信号设计与处理领域。
背景技术
脉冲体制雷达的距离折叠问题一直以来是PD雷达关注的重要问题。脉冲-多普勒体制雷达的距离模糊和速度模糊问题是一对固有的矛盾，延长信号周期可以扩大距离探测范围，但同时也会使测速范围缩小进而导致速度模糊。雷达对目标进行探测时，远距离的折叠回波经距离折叠进入检测区域，淹没检测区域的目标，造成目标检测困难。这种模糊现象在高重频脉冲雷达中更为明显。高重频信号具有大的平均功率，能够增大雷达的作用范围。同时高重频脉冲雷达具有大的无模糊测速能力，但高的脉冲重复频率在获得以上优越性能的同时也会带来高的测距模糊；当减小脉冲重复频率时，雷达在增大无模糊测距范围的同时，会带来占空比和平均功率减小的问题。
解决折叠回波问题的波形设计的思路是对发射信号的脉冲进行标记以在回波处理中解模糊，这种标记的方法可以采用脉间频率编码、相位编码等。
发明内容
本发明的目的是为了解决高重频脉冲雷达由脉冲周期重复引起的距离模糊的问题，以及避免在无模糊测距范围增大的同时占空比和平均功率下降的问题，而提出一种高重频脉冲雷达扩展测距范围的波形设计方法。
本发明的目的是距离高度模糊情况下，设计一种脉内调频脉间调相信号通过参数设计和信号处理方法，将不同距离折叠回波在多普勒维进行分离，从而扩大无模糊测距范围。该方法主要针对高重频脉冲雷达距离模糊问题，根据探测环境的目标速度范围和高重频脉冲雷达测速范围，考虑将速度探测区间分成若干部分，设计脉冲波形参数，使远距离扩展杂波在多普勒谱上搬移到不同区域，并使不同折叠次数回波的多普勒测量范围不重叠，从而做到将折叠回波在多普勒维进行分离。这种波形设计方法，可以灵活设计参数在特定情况下提高无模糊测距范围，又能保持高占空比和平均功率。可以根据目标速度范围，灵活调整脉间调相因子，使不同折叠次数的回波在多普勒域分离开，进而调整测距和测速范围。
一种高重频脉冲雷达扩展测距范围的波形设计方法包括以下步骤：
步骤一：根据雷达探测环境中目标最大速度为V1和高重频脉冲信号的最大探测速度V，确定脉间调相因子α，以及确定速度范围与目标真实速度和距离折叠次数的对应关系；
步骤二：根据步骤一确定的参数α，对线性调频脉冲信号进行脉间相位调制，得到脉内线性调频脉间相位调制脉冲信号；
步骤三：雷达发射脉内线性调频脉间相位调制脉冲信号，对接收到的目标反射的回波进行距离处理，得到目标的视在距离；
步骤四：对步骤三得到的距离处理结果，进行脉间多普勒处理，并根据速度结果解距离模糊得到目标真实距离。
本发明的有益效果为：
本发明方法在保证高的占空比和平均功率的同时解决高重频雷达的距离模糊问题。高重频的一个重要优势是能够为脉冲雷达提供无模糊测速能力。当检测环境中目标最大速度远小于高重频雷达的最大测速范围时，可通过采用脉内线性调频脉间相位调制信号通过灵活设置脉间调相因子，在多普勒维解距离模糊，进而扩大雷达的无模糊测距范围。同时又能保持高的占空比和平均功率。
本发明波形设计方法得到的脉内线性调频脉间相位调制信号的无模糊测距范围比相同脉冲重复频率的线性调频脉冲信号增大M倍，无模糊测速范围缩小为1/M，占空比和平均功率相同。值得注意的是，虽然无模糊测速范围减小，但是当前探测环境中目标最大速度仅为无模糊测速范围的1/M，即测速范围的减少并不影响雷达对当前环境中目标的检测，M由探测环境中目标最大速度和信号最大无模糊测速范围决定。可以灵活设计参数在特定情况下提高无模糊测距范围，又能保持高占空比和平均功率。本发明得到的脉内线性调频脉间相位调制信号和与它具有同样测距测速范围的线性调频脉冲信号相比具有更大的占空比和平均功率，是后者的M倍。
附图说明
图1为本发明所设计信号示意图，图中B为线性调频脉冲信号的带宽，f为信号频率，为线性调频脉冲的相位编码值：
图2为折叠回波与发射信号示意图，τd为回波时间延迟；
图3为雷达回波的多普勒处理结果，其中包含位于不同距离折叠范围拥有最大可检测速度的目标；
图4为线性调频脉冲仿真实验结果图；
图5为本发明所设计信号仿真实验结果图。
具体实施方式
具体实施方式一：一种高重频脉冲雷达扩展测距范围的波形设计方法按照以下步骤实施：
高重频脉冲信号能实现很大的无模糊测速范围，设为：0～V，假设当前探测情况下目标最大速度为V1，且V1＜V，多普勒探测范围有部分浪费。这时采用脉内线性调频脉间调相脉冲信号，根据速度关系进行参数设计，使不同折叠距离回波的多普勒频率搬移到不同区域，在多普勒维对不同折叠距离的回波进行分离。
脉内线性调频脉间相位调制脉冲信号的处理过程与线性调频信号处理过程基本一致。脉内进行相关处理得到距离信息，脉间多普勒处理得到速度信息，最后根据处理结果进行解模糊计算。
步骤一：根据目标最大速度为V1和高重频脉冲信号的最大探测速度V，确定脉间调相因子α；
步骤二：根据步骤一确定的参数α，对线性调频脉冲信号进行脉间相位调制，得到脉内线性调频脉间相位调制脉冲信号；
步骤三：雷达发射脉内线性调频脉间相位调制脉冲信号，对接收到的目标反射的回波进行距离相关处理，此结果为目标的视在距离；
步骤四：对步骤三得到的距离处理结果，进行脉间多普勒处理，并根据速度结果解距离模糊；根据处理得到的速度和步骤一确定的速度范围与目标真实速度和距离折叠次数的对应关系，得到目标真实速度与距离折叠次数，结合步骤三得到的目标的视在距离，得到目标的真实距离；
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中根据雷达探测环境中目标最大速度为V1和高重频脉冲信号的最大探测速度V，确定参数α，以及确定速度范围与目标真实速度和距离折叠次数的对应关系的具体过程为：
设取M为小于M'的最大整数，取α＝1/M。
设目标最大速度是多普勒最大探测速度的1/M'，取M为小于M'的最大整数，因此可将多普勒范围分为M部分，通过参数设计，使不同折叠次数的回波分别落入不同区域，进而无模糊测距范围扩大了M倍。
无模糊距离范围的目标回波的速度范围为-V1～V1，距离折叠次数为m的目标回波对应的速度范围是-V1+mαV～V1+mαV，由FFT变换原理可知，多普勒频率无模糊范围为-fp/2～fp/2，当频率为fp/2～fp时，将模糊至-fp/2～0部分，其中fp为脉冲重复频率。所以折叠回波相对应的速度区间-V1+mαV～V1+mαV中，超过V小于2V-V1的部分将平移至-V～-V1部分，具体划分方法见表2及图3。为使折叠回波的多普勒频率区间不产生混叠，该信号的最大可解距离折叠次数为M。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中根据步骤一确定的α，对线性调频脉冲信号进行脉间相位调制，得到脉内线性调频脉间相位调制脉冲信号的具体过程为：
如图1所示，本发明采用的信号是脉内线性调频脉间相位调制脉冲信号，脉冲信号采用线性调频脉冲，为解决脉冲周期重复引起的距离模糊问题，对脉冲信号之间进行二次相位调制，本发明采用信号形式如下：
其中n为相干积累周期内调频脉冲序号，N为相干积累周期数，k为调频斜率，T为调频周期，t为时间，Tp为脉冲重复周期，f0为载频。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三中雷达发射脉内线性调频脉间相位调制脉冲信号，对接收到的目标反射的回波进行距离处理，得到目标的视在距离具体为：
将每个脉冲重复周期的目标回波用相应脉冲重复周期的发射脉冲的匹配滤波器进行滤波，得到距离处理结果，所述距离处理结果为目标的视在距离R0。
当目标回波为距离折叠回波时，进行上述处理时，距离处理之后的结果比无模糊回波的结果多一项相位项，此相位项会对多普勒处理结果产生影响。图2所示为折叠1次回波示意图。设回波距离折叠次数为m，经过距离处理后，由脉间调相产生的相位偏差和频移如下式所示：
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤四中对步骤三得到的距离处理结果，进行脉间多普勒处理，并根据速度结果解距离模糊得到目标真实距离的具体过程为：
对相参积累时间内N个脉冲的同一个距离单元的数据做傅里叶变换，得到速度处理结果。将速度结果参照步骤1确定的速度范围与目标真实速度和距离折叠次数的对应关系得到目标的真实速度和距离折叠次数m，结合步骤三得到的目标的视在距离R0，得到目标的真实距离Rx，其中，c为光速。
脉间多普勒处理时，(3)式中第一项会使回波的多普勒频率产生频移，频移量如式(4)，1/Tp为多普勒测量范围，可知频移量相对于多普勒测量范围的大小由脉间调相因子和折叠次数决定。当回波无距离模糊时，脉冲间的相位调制在距离处理过程中相互抵消，不会对速度处理结果产生影响。
步骤一中假设高重频脉冲信号的最大探测速度V，当前探测情况下目标最大速度为V1，设为取M为小于M'的最大整数，设α＝1/M，则
其中，fsum为多普勒处理的多普勒频率范围大小。
由(5)式可知，第m次折叠回波的待检测速度范围的回波落入速度谱的-V1+mαV～V1+mαV区域，其中超过V小于2V-V1的部分将搬移至-V～-V1部分，不同折叠次数回波的多普勒频率在信号处理之后不会产生混叠，由此可以根据回波的多普勒频率确定目标的折叠次数。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
由以上分析可知，不同折叠次数的回波的多普勒频率会产生不同的搬移，为了能在多普勒维对模糊回波进行区分，要求折叠回波搬移后多普勒区域不发生重叠。显然无模糊测速范围相应地缩小，缩小倍数由最大探测折叠次数决定。通过参数设计，可以使各折叠距离内一定速度范围的回波在多普勒谱上不重叠，这样可以在多普勒维进行距离折叠回波的分离，进而扩大无模糊测距范围，虽然无模糊测速范围减小，但因为高重频无模糊测速范围比当前检测环境中目标的最大速度大很多，设置参数时可以保证目标最大速度可以被无模糊检测即可。同时，脉冲信号仍能保持高的占空比和平均功率。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
信号参数如表1所示，高重频雷达最大探测速度为3000m/s，设目标最大速度为：340m/s，根据参数可知无模糊测距范围折叠次数为8，脉间调相因子为0.125，多普勒维区域与折叠次数的对应关系如表2和图3所示，图3为目标所在距离单元的多普勒处理结果，展示了每个折叠距离范围内拥有最大速度的目标的多普勒处理结果，说明了位于不同距离折叠范围内目标的多普勒速度将搬移至不同区间。仿真实验中在不同距离折叠范围内设置5个目标，目标信息如表3所示。
表1信号参数设置
表2多普勒维区域与折叠次数对应关系
表3目标距离速度信息
由表3可知，目标1是无模糊距离内目标，其它目标的距离分别经1、3、5、6次折叠后模糊距离与目标1相同，且各目标具有相同的速度。若采用线性调频脉冲信号进行探测，信号处理之后，所有目标将重合为一点，产生模糊，如附图4。采用脉内线性调频脉间相位调制脉冲信号处理结果如附图5，结果显示在距离维可以得到各目标的模糊距离信息，根据回波多普勒频率落入的区间可以得到目标的折叠次数和速度信息，进而得到目标真实的距离速度信息。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种高重频脉冲雷达扩展测距范围的波形设计方法，其特征在于：所述高重频脉冲雷达扩展测距范围的波形设计方法包括以下步骤：
步骤一：根据雷达探测环境中目标最大速度为V1和高重频脉冲信号的最大探测速度V，确定脉间调相因子α，以及确定速度范围与目标真实速度和距离折叠次数的对应关系；
步骤二：根据步骤一确定的脉间调相因子α，对线性调频脉冲信号进行脉间相位调制，得到脉内线性调频脉间相位调制脉冲信号；
步骤三：雷达发射脉内线性调频脉间相位调制脉冲信号，对接收到的目标反射的回波进行距离处理，得到目标的视在距离；
步骤四：对步骤三得到的距离处理结果，进行脉间多普勒处理，并根据速度结果解距离模糊得到目标真实距离；
所述步骤一中根据雷达探测环境中目标最大速度为V1和高重频脉冲信号的最大探测速度V，确定参数α，以及确定速度范围与目标真实速度和距离折叠次数的对应关系的具体过程为：
设取M为小于M'的最大整数，取α＝1/M；
无模糊距离范围的目标回波的速度范围为-V1～V1，距离折叠次数为m的目标回波对应的速度范围是-V1+mαV～V1+mαV，其中超过V小于2V-V1的部分将平移至-V～-V1部分；
所述步骤二中根据步骤一确定的脉间调相因子α，对线性调频脉冲信号进行脉间相位调制，得到脉内线性调频脉间相位调制脉冲信号的具体过程为：
脉内线性调频脉间相位调制脉冲信号为：
其中n为相干积累周期内调频脉冲序号，N为相干积累周期数，k为调频斜率，T为调频周期，t为时间，Tp为脉冲重复周期，f0为载频。
2.根据权利要求1所述的一种高重频脉冲雷达扩展测距范围的波形设计方法，其特征在于：所述步骤三中雷达发射脉内线性调频脉间相位调制脉冲信号，对接收到的目标反射的回波进行距离处理，得到目标的视在距离具体为：
将每个脉冲重复周期的目标回波用相应脉冲重复周期的发射脉冲的匹配滤波器进行滤波，得到距离处理结果，所述距离处理结果为目标的视在距离R0。
3.根据权利要求2所述的一种高重频脉冲雷达扩展测距范围的波形设计方法，其特征在于：所述步骤四中对步骤三得到的距离处理结果，进行脉间多普勒处理，并根据速度结果解距离模糊得到目标真实距离的具体过程为：
对相参积累时间内N个脉冲同一个距离单元的数据做傅里叶变换，得到速度处理结果；根据速度处理结果和步骤一确定的速度范围与目标真实速度和距离折叠次数的对应关系得到目标的真实速度和距离折叠次数m，结合步骤三得到的目标的视在距离R0，得到目标的真实距离Rx，其中，c为光速。
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