CN107247254A - 一种非线性调频信号去斜处理方法 - Google Patents

一种非线性调频信号去斜处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种非线性调频信号去斜处理方法，该去斜处理方法通过在非线性调频信号与线性调频信号混频去斜处理、低速率A/D采样后，进行频谱扩展和线性频率调制以恢复原回波信号，将恢复的回波信号与原发射参考信号进行匹配滤波便能够得到目标一维距离像，从而实现了非线性调频信号的去斜处理，使得本发明提供的方法能够降低宽带非线性调频信号对接收机A/D采样、传输设备的要求，对于宽带雷达系统而言具有重要的现实意义。

Description

一种非线性调频信号去斜处理方法
技术领域
本发明涉及雷达(声纳)信号处理技术领域，特别涉及一种非线性调频信号去斜处理方法。
背景技术
线性调频信号(LFM)与非线性调频信号(NLFM)都是利用非线性相位调制来获得大时宽带宽积的雷达(声呐)信号，线性调频信号由于其具有易产生、可去斜处理等优点而被广泛应用。但是线性调频信号脉冲压缩后旁瓣较高，在应用中，通常采用加窗的方法来抑制旁瓣，但加窗在降低旁瓣的同时会展宽主瓣并造成信噪比损失。非线性调频(NLFM)信号由于不需要采用加窗的方式降低旁瓣，这样就避免了因加权处理而引入的信噪比损失和分辨率下降等问题,但是，传统去斜方法对线性调频信号进行混频去斜处理后是一个单频信号，可以直接进行傅里叶变换得到目标一维距离像，而非线性调频信号去斜处理后是一个有带宽的信号，通过傅里叶变换无法得到目标一维距离像，由此可知，传统去斜方法对非线性调频信号并不适用，在宽带雷达系统中宽带非线性调频信号对雷达接收机A/D采样、存储传输设备提出较高的要求。
为了得到高分辨率，宽带雷达通常发射极宽带宽的线性调频信号，在接收端去斜处理(参考文献：Caputi W J.Stretch:A time-transformation technique[J].IEEETransactions on Aerospace and Electronic Systems,1971(2):269-278.)后进行低速率A/D采样处理，而标准的去斜处理方法不适用于非线性调频信号。Yeh L,Wong K T,Mir HS.等人证明了标准的去斜处理方法仅适用于线性调频信号，不适用于其他恒模多项式相位信号(参考文献：Yeh L,Wong K T,Mir H S.Viable/inviable polynomial-phasemodulations for"stretch processing"[J].IEEE Transactions on Aerospace andElectronic Systems,2012,48(1):923-926.)。Mir H S,Wong U K T等人提出了一种针对非线性调频信号(NLFM)低速率采样处理方法，但是该方法需知道非线性调频信号的相位函数,然后计算接收窗内每个时延时刻混频后信号的相位值,实现过程复杂且计算量巨大(参考文献：Mir H S,Wong U K T.Low-rate sampling technique for range–windowedradar/sonar using nonlinear frequency modulation[J].IEEE Transactions onAerospace and Electronic Systems,2015,51(3):1972-1979.)
在雷达系统中，宽带非线性调频信号对硬件实现和使用环境的要求较高，由于信号带宽的增加会给接收机的检波带来很大的压力，此时相比于可使用去斜处理方法的线性调频信号，需要更高速的A/D转换器以及更高速的数据存储，这极大地限制了雷达的成像分辨率。
发明内容
本发明的目的在于，为解决非线性调频信号处理对雷达系统的硬件要求比较高的技术问题，提出一种非线性调频信号去斜处理方法，利用该去斜处理方法降低了对雷达接收机A/D采样率、传输量的要求，实现了宽带非线性调频雷达信号的低速率采样处理，本发明所提出的方法同时也适用于线性调频信号的去斜处理。
为达到上述目的，本发明提出的一种非线性调频信号去斜处理方法，该方法的具体处理步骤包括:
步骤1)将基带非线性调频信号调制至雷达射频工作频率后生成发射信号，接收发射信号对应的回波信号；
步骤2)利用线性调频信号对非线性调频信号回波进行去斜处理，对去斜处理后的回波信号进行A/D采样；
步骤3)将A/D采样后的回波数据进行傅里叶变换到频域形式，在频域进行频谱扩展至奈奎斯特采样率，即在频域进行补零至奈奎斯特采样率，频谱扩展处理后进行傅里叶逆变换到时域形式；
步骤4)将时域形式的信号进行线性调频，将线性调频后的信号与发射参考信号进行匹配滤波，得到目标一维距离像，所述的发射参考信号与步骤1)中发射信号的形式相同。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的基带非线性调频信号表示为：
其中，非线性调频信号调频函数表示为f(t)＝f0+Kt+fe(t)，K为去斜参考线性调频信号调频率，B为非线性调频信号带宽，Tp为非线性调频信号脉冲宽度，K的正负取决于非线性调频信号频率变化趋势,fe(t)为频率偏移函数，即为某个时刻非线性调频信号实际频率与去斜参考线性调频信号频率之差。f0为非线性调频信号去斜处理后的中心频率。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的发射信号表示为：
其中，Tp为非线性调频信号脉冲宽度，fc为非线性调频信号的载频。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的回波信号表示为：
其中，τ＝2r/c，r为目标与雷达接收机之间的距离，c表示光速，σ为目标的反射系数。发射信号se(t)经传输后，距离r处的目标回波信号为sr(t)，而信号sr(t)是目标对信号se(t)的延时。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤2)具体包括：将回波信号sr(t)与去斜参考线性调频信号sref(t)进行混频，然后取下边带滤波后进行低速率A/D采样；
所述的去斜参考线性调频信号表示为：
其中，选取的去斜参考线性调频信号的时间宽度为采样窗时间长度Tref，调频率|K|＝B/Tp，B为非线性调频信号带宽，Tp为非线性调频信号脉冲宽度，K的正负取决于非线性调频信号频率变化趋势,对应时延为τ0＝2Rref/c，Rref为去斜参考距离：
混频并滤波后的信号表示为：
经过与线性调频信号混频去斜处理后，信号带宽变为2|fe(t)|max，定义非线性调频信号线性度为L＝|fe(t)|max/B，它反映了非线性调频信号偏移去斜参考线性调频信号的程度，当L＜0.5时，雷达接收机所需的带宽就小于非线性调频信号带宽，达到了降低A/D采样率的效果，非线性调频信号线性度L越小，对雷达接收机A/D采样率要求也就降低的越多。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的步骤4)具体包括：利用线性调频参考信号对经傅里叶逆变换后的信号进行线性频率调制，所述的线性调频参考信号表示为：
线性频率调制后的信号表示为：
然后，以原发射信号作为参考信号，将线性频率调制后恢复出的原回波信号与该参考信号进行匹配滤波，得到目标一维距离像表示为：
s0＝IFFT(FFT(sm))*conj{FFT(s)}
其中，conj表示求共轭，FFT表示傅里叶变换，IFFT表示傅里叶逆变换。
本发明的一种非线性调频信号去斜处理方法优点在于：
本发明的方法通过在非线性调频信号与线性调频信号混频去斜处理、低速率A/D采样后，进行频谱扩展和线性频率调制以恢复原回波信号，将恢复的回波信号与原发射参考信号进行匹配滤波便能够得到目标一维距离像.从而使得本发明提供的方法能够降低宽带非线性调频信号对接收机A/D采样、传输设备的要求，使非线性调频信号的去斜处理易于实现，且该方法不仅适用于非线性调频信号去斜处理，也同样适用于线性调频信号，对于宽带雷达系统而言具有重要的现实意义。
附图说明
图1为本发明提供的一种非线性调频信号去斜处理方法流程图；
图2为本发明中的海明窗窗函数的频谱；
图3为本发明中的海明窗窗函数产生的非线性调频信号调频特性；
图4为本发明中的回波信号频率时间示意图；
图5为本发明中的去斜处理后回波信号频率时间示意图；
图6为本发明中的频域补零；
图7为本发明中的基于去斜处理的非线性调频信号一维成像仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种非线性调频信号去斜处理方法进行详细说明。
如图1所示，为本发明提出的非线性调频信号去斜处理方法流程图。该处理方法具体实施步骤包括:
步骤1)将基带非线性调频信号调制至雷达射频工作频率后生成发射信号，接收发射信号对应的回波信号；
步骤2)利用线性调频信号对回波信号进行去斜处理，对去斜处理后的回波信号进行A/D采样；
步骤3)将A/D采样后的回波数据进行傅里叶变换到频域形式，在频域进行频谱扩展至奈奎斯特采样率，即在频域补零至奈奎斯特采样率，频谱扩展处理后进行傅里叶逆变换到时域形式；
步骤4)将时域形式的信号进行线性调频，将线性调频后的信号与发射参考信号进行匹配滤波，得到目标一维距离像，所述的发射参考信号与步骤1)中发射信号的形式相同。
基于上述非线性调频信号去斜处理方法，下面以实际应用为例，具体阐述本发明方法的具体实施过程：步骤1)将基带非线性调频信号s(t)调制至雷达射频工作频率后生成发射信号se(t)，发射信号经距离r处的目标反射的回波信号为sr(t)。在本实施例中，所述的非线性调频信号可通过海明窗窗函数设计，也可由其他调频函数或方法产生非线性调频信号。本文中所采用的海明窗窗函数频谱如图2所示，所设计的非线性调频信号调频特性如图3所示，设计的非线性调频信号带宽为200MHz,脉冲宽度为20us。
所述的基带非线性调频信号表示为：
所述的发射信号表示为：
其中，Tp为非线性调频信号脉冲宽度，非线性调频信号调频函数表示为f(t)＝f0+Kt+fe(t)，K为去斜参考线性调频信号调频率，B为非线性调频信号带宽，K的正负取决于非线性调频信号频率变化趋势,t表示时间，fe(t)为频率偏移函数，即为一个时刻非线性调频信号实际频率与去斜参考线性调频信号频率之差,f0为去斜处理后信号的中心频率，fc为非线性调频信号的载频。
发射信号se(t)经传输后，距离r处的目标回波信号为sr(t)，信号sr(t)是目标对信号se(t)的延时；因此，所述的回波信号可表示为：
其中，τ＝2r/c，r为目标与雷达接收机之间的距离，c表示光速，σ为目标的反射系数。
在本实施例中，选取四个目标的距离分别为[1800200020102115],反射系数分别为[1213]，回波信号的时频图如图4所示。
步骤2)对非线性调频信号回波进行去斜处理，对去斜处理后的回波信号进行低速率A/D采样：即将回波信号sr(t)与去斜参考线性调频信号sref(t)进行去斜处理，然后取下边带滤波后进行A/D采样。选取去斜参考线性调频信号的时间宽度为采样窗时长Tref，其调频率K＝B/Tp，B为非线性调频信号带宽，Tp为非线性调频信号脉冲宽度，对应时延为τ0＝2Rref/c，Rref为去斜参考距离。
所述的去斜参考线性调频信号表示为：
混频并滤波后的信号表示为：
经过与线性调频信号混频去斜处理后，信号带宽变为2|fe(t)|max，定义非线性调频信号线性度为L＝|fe(t)|max/B，它反映了非线性调频信号偏移去斜参考线性调频信号的程度，当L＜0.5时，雷达接收机所需的带宽就小于非线性调频信号带宽，达到了降低A/D采样率的效果，L越小，雷达接收机A/D采样率也就降低的越多。
在本实施例中，采样窗选取的长度为600m，采样窗时长Tref为24us,参考距离Rref选取为2000m，回波信号经过去斜后的信号时频图如图5所示，从图中可以看出，经过线性调频信号去斜后，该回波信号的带宽大大降低,对雷达接收机A/D采样率和数据传输存储要求大大降低。
对于传统去斜方法对非线性调频信号并不适用的问题，本发明的方法通过在非线性调频信号与线性调频信号混频去斜处理、低速率A/D采样后，进行频谱扩展和线性频率调制以恢复原回波信号，将恢复的回波信号与原发射参考信号进行匹配滤波便能够得到目标一维距离像，从而实现了非线性调频信号的去斜处理。
步骤3)如图6所示，将A/D采样后的回波数据进行傅里叶变换到频域形式，在频域进行频谱扩展至奈奎斯特采样频率，具体实施方法：在频域进行补零至奈奎斯特采样频率，频谱扩展处理后再傅里叶逆变换到时域形式；
步骤4)将时域形式的信号进行线性频率调制以恢复出原回波信号，将恢复出的回波信号与发射参考信号进行匹配滤波。所述的步骤4)具体包括：利用线性调频参考信号对经傅里叶逆变换后的信号进行线性调制，所述的线性调频参考信号表示为：
线性调制后的信号表示为：
然后，以发射信号作为参考信号，将线性调制后恢复出的原回波信号与该参考信号进行匹配滤波，即可得到目标一维距离像，该目标一维距离像表示为：
s0＝IFFT(FFT(sm))*conj{FFT(s)} (8)
其中，conj表示求共轭，FFT表示傅里叶变换，IFFT表示傅里叶逆变换。
从图7仿真的一维距离像可以看出，4个点目标能够清晰分辨出来，且旁瓣较低，无需进行加权抑制旁瓣。由此可知，本发明提供的上述去斜处理方法在实现对非线性调频信号脉冲压缩的同时，降低了宽带非线性调频信号雷达接收机采样率和传输量，实现了宽带非线性调频信号去斜低采样率处理功能。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种非线性调频信号去斜处理方法，其特征在于，包括：
步骤1)将基带非线性调频信号调制至雷达射频工作频率后生成发射信号，接收发射信号对应的回波信号；
步骤2)利用线性调频信号对回波信号进行去斜处理，对去斜处理后的回波信号进行低速率A/D采样；
步骤3)将A/D采样后的回波数据进行傅里叶变换到频域形式，在频域进行频谱扩展至奈奎斯特采样频率后进行傅里叶逆变换到时域形式；
步骤4)将时域形式的信号进行线性频率调制，将线性频率调制后恢复的回波信号与发射参考信号进行匹配滤波，得到目标一维距离像，所述的发射参考信号与步骤1)中发射信号的形式相同。
2.根据权利要求1所述的非线性调频信号去斜处理方法，其特征在于，所述的基带非线性调频信号表示为：
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其中，非线性调频信号调频函数表示为f(t)＝f0+Kt+fe(t)，K为去斜参考线性调频信号调频率，B为非线性调频信号带宽，Tp为非线性调频信号脉冲宽度，K的正负取决于非线性调频信号频率变化趋势,t表示时间，fe(t)为频率偏移函数，即为一个时刻非线性调频信号实际频率与去斜参考线性调频信号频率之差,f0为非线性调频信号去斜处理后的中心频率。
3.根据权利要求2所述的非线性调频信号去斜处理方法，其特征在于，所述的发射信号表示为：
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其中，Tp为非线性调频信号脉冲宽度，fc为非线性调频信号的载频。
4.根据权利要求3所述的非线性调频信号去斜处理方法，其特征在于，所述的回波信号表示为：
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其中，τ＝2r/c，r为目标与雷达接收机之间的距离，c表示光速，σ为目标的反射系数。
5.根据权利要求4所述的非线性调频信号去斜处理方法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括：将回波信号与去斜参考线性调频信号进行混频，然后取下边带滤波后进行低速率A/D采样；所述的去斜参考线性调频信号表示为：
<mrow> <msub> <mi>s</mi> <mi>ref</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <msub> <mi>f</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>jK&amp;pi;</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msup> <mo>,</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mi>ref</mi> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mi>ref</mi> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow>
其中，选取的去斜参考线性调频信号的时间宽度为采样窗时间长度Tref，对应时延为τ0＝2Rref/c，Rref为去斜参考距离；
混频并滤波后的信号表示为：
<mrow> <msub> <mi>s</mi> <mi>d</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msup> <mi>&amp;sigma;e</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <msub> <mi>f</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <msub> <mi>f</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;K</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <munderover> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <mrow> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;tau;</mi> </mrow> </munderover> <msub> <mi>f</mi> <mi>e</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>dt</mi> </mrow> </msup> <mo>,</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mi>p</mi> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mi>p</mi> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow>
6.根据权利要求5所述的非线性调频信号去斜处理方法，其特征在于，所述的步骤4)具体包括：利用线性调频参考信号对经傅里叶逆变换后的信号进行线性频率调制以恢复出原回波信号，所述的线性调频参考信号表示为：
<mrow> <msub> <mi>s</mi> <mi>u</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mi>jK&amp;pi;</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msup> <mo>,</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mi>ref</mi> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <msub> <mi>T</mi> <mi>ref</mi> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow>
线性频率调制后的信号表示为：
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然后，以发射信号作为参考信号，将线性频率调制后恢复出的原回波信号与该参考信号进行匹配滤波，得到目标一维距离像表示为：
s0＝IFFT(FFT(sm))*conj{FFT(s)}
其中，conj表示求共轭，FFT表示傅里叶变换，IFFT表示傅里叶逆变换。
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