CN107346017B - 基于频域匹配滤波的脉冲压缩雷达密集目标模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达仿真测试设备雷达目标回波模拟领域，具体涉及基于频域匹配滤波的脉冲压缩雷达密集目标模拟方法。本发明通过密集目标实时模拟方法可以花费较少的设备逻辑资源，灵活的产生标准多目标信号，以测试雷达的多目标检测分辨精度；可模拟产生基于密集目标的成片杂波目标信号，以检测雷达信号处理的抗杂波检测能力；可模拟产生基于密集目标的灵巧噪声干扰信号，以检测雷达信号处理的抗灵巧噪声干扰能力。

Description

基于频域匹配滤波的脉冲压缩雷达密集目标模拟方法

技术领域

本发明属于雷达仿真测试设备雷达目标回波模拟领域，具体涉及基于频域匹配滤波的脉冲压缩雷达密集目标模拟方法。

背景技术

随着现代雷达技术日新月异的发展，雷达波形设计越来越复杂，多采用种捷变频、非线性调频、相位编码、大带宽等多种技术设计波形，获得更好的目标搜索、跟踪及抗干扰、反隐身性能。随之带来的雷达系统设计、研制、调试、检测难度也越来越大。如果仅靠外场试验的方式，在满足现代战争复杂的电子对抗环境要求下，需要耗费巨大的人力物力及时间。现代雷达系统仿真模拟技术的发展，正好可以解决此问题，雷达目标回波信号模拟系统在雷达研制、性能评估，以及日常功能检测和操作人员的培训领域得到了广泛应用。

传统的雷达目标回波模拟技术多采用基于声表面波或光纤等模拟延时转发方式，但存在带宽、目标模拟精度、信号质量等多方面的问题。现在，主要采用基于数字射频存储技术(DRFM)的延时转发方式和基于DDS技术的直接频率合成注入方式。现有的延时转发方式是指通过微波接收通道、射频采样存储等技术将雷达激励存储下来，延迟一段时间后读出，则得到一定延迟的目标回波信号，再通过微波发射通道向雷达天线阵面辐射，从而实现雷达目标回波模拟。此方法模拟目标的真实程度受制并依赖于射频接收通道，且目标信号特性可控性不强，当接收信号干扰较多时，模拟目标信号作用受限，并不能满足雷达试验、研制时作为标准测试信号的需求。基于现有DDS技术的注入方式是指系统根据雷达所提供的时序及波形参数利用DDS技术直接产生中频目标模拟信号，再经过延时、叠加产生单个或多个脉冲，最后上变频至射频段辐射输出，从而实现雷达目标回波模拟。此方法模拟目标信号特征可控性强，但实现方法复杂，消耗FPGA逻辑资源多。且由于脉冲压缩雷达特性，当实现多目标模拟时直接产生的调频脉冲信号经过脉冲压缩后目标过于稀疏，仅单纯的延时叠加无法模拟真实情况中密集多目标距离较近或成片杂波目标的情况。

因此，研究一种方法能够更加真实、精确可控地模拟脉冲压缩雷达密集目标回波的应用是非常有必要的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于频域匹配滤波的脉冲压缩雷达密集目标模拟方法，以实现目标特性可控的密集目标实时模拟功能。本发明通过密集目标实时模拟方法可以花费较少的设备逻辑资源，灵活的产生标准多目标信号，以测试雷达的多目标检测分辨精度；可模拟产生基于密集目标的成片杂波目标信号，以检测雷达信号处理的抗杂波检测能力；可模拟产生基于密集目标的灵巧噪声干扰信号，以检测雷达信号处理的抗灵巧噪声干扰能力。

本发明的技术方案是：一种基于频域匹配滤波的脉冲压缩雷达密集目标模拟方法，其特征在于：包括步骤如下，

步骤一、产生标准目标模拟脉冲信号、成片杂波目标脉冲信号或灵巧噪声干扰脉冲信号步骤，并将三组信号合成一组、或将其两组组合、或只用单组模拟脉冲信号输入步骤二；

步骤二、将步骤一输入的信号变为加入多普勒频率调制及雷达设计波形S(t)所调制的零中频调频信号；所述步骤二的具体步骤是：首先将由多普勒频率所引起的幅度起伏调制到目标模拟脉冲信号上；然后对距离和多普勒频率调制后的脉冲信号进行频域匹配滤波逆脉冲压缩处理实现雷达波形调制，即将距离和频率调制后的脉冲信号X(t)转换为频域X(ω)，再通过雷达逆脉冲压缩频域滤波器S(ω)匹配滤波，变换成雷达发射原始调频信号的目标反射回波的零中频调频信号y(t)＝IFFT(X(ω)*S^*(ω))；

步骤三，对零中频调频信号进行上变频处理产生射频目标模拟信号。

根据如上基于频域匹配滤波的脉冲压缩雷达密集目标模拟方法，其特征在于：所述的标准目标模拟脉冲信号根据设定目标数量、目标距离，产生一组与距离对应延时为T的目标模拟脉冲信号。

根据如上基于频域匹配滤波的脉冲压缩雷达密集目标模拟方法，其特征在于：所述的步骤一中成片杂波目标脉冲信号产生步骤为：首先设置高斯杂波的谱参数,均值f,方差σ；然后根据谱参数及功率谱密度函数得到模拟成片杂波的频域信号最后，将信号转到时域X＝ifft(Y),即可得到杂波目标脉冲信号。

根据如上基于频域匹配滤波的脉冲压缩雷达密集目标模拟方法，其特征在于：所述的步骤一中灵巧噪声干扰脉冲信号产生步骤为；首先生成PN码伪随机序列x(n)；然后让x(n)通过一个中频带宽线性滤波器h(n)，其带宽为接收机中放带宽ΔB_R，生成高斯噪声调制信号序列u(t)；最后代入噪声调频信号的表达式：并且进行100次的积累后求平均值得到噪声调频干扰信号，对其进行快速傅里叶变换后，求出功率谱，由此得到噪声调幅干扰的频域信号Y(ω)；最后，将信号转到时域X＝ifft(Y),即可得到噪声干扰脉冲信号。

根据如上基于频域匹配滤波的脉冲压缩雷达密集目标模拟方法，其特征在于：所述的步骤三具体步骤为：首先将调频信号数字上变频处理，即将零中频调频信号经过内插、滤波，进行数字上变频处理，转换成模拟中频目标回波信号；然后将模拟中频目标回波信号模拟混频转换为射频目标模拟信号，即模拟中频目标回波信号与一本、二本信号模拟混频至射频f0，二次混频转换为射频目标模拟信号

本发明方法有益效果如下：本方法目标信号特性参数控制灵活，管理性强，既能产生中频模拟信号，也能产生射频模拟信号。能很好的适应于雷达试验、研制时作为标准多模拟目标测试信号的多样性需求。本方法根据脉冲压缩雷达的波形特性，采用对目标模拟脉冲信号进行频域匹配滤波的逆脉冲压缩处理，生成高精度密集目标模拟宽带调频信号，再上变频为射频信号输出。模拟目标信号特征可控性强，距离延时精度高，不受制且不依赖于射频接收通道干扰环境的影响。克服了传统延时转发方法中多目标模拟时直接产生的调频脉冲信号脉压后目标过于稀疏的问题，实现了模拟真实情况中近距离成片密集目标同时出现的情况。本方法与DDS注入式模拟方法相比，多目标模拟时不是简单的标准目标信号重复多次延时存储幅度叠加，而是通过频域匹配滤波的逆脉冲压缩处理，使得目标模拟信号不受硬件平台逻辑资源有限的影响，可产生成片密集模拟目标信号，更接近真实杂波及噪声干扰的环境，更有利于研制过程中雷达信号处理算法的验证。

附图说明

图1延时产生目标模拟脉冲信号；

图2频域滤波逆脉压处理产生目标模拟调频信号；

图3上变频处理产生目标模拟射频信号。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1至图3，本发明的一种基于频域匹配滤波的脉冲压缩雷达密集目标模拟方法，基于雷达发射信号的特性采用频域匹配滤波逆脉冲压缩处理方法，及高速DAC+DSP+FPGA的硬件架构实现，包括步骤如下：

1、产生目标模拟脉冲信号。根据设定目标数量、目标距离，产生一组与距离对应延时为T的目标模拟脉冲信号。即对目标模拟脉冲信号进行距离调制。延时T即对应多个模拟目标之间的距离，具体对应关系为延时1us对应距离滞后150米。最终产生目标模拟脉冲信号X(w)。下面详细描述针对具体应用所产生目标模拟脉冲信号。

1)产生标准两目标脉冲信号。即根据目标距离延时产生两个标准的矩形脉冲信号叠加，矩形脉冲宽度为1us。信号形式如下：

X(t)＝[u(t)-u(t-T₁)]+[u(t)-u(t-T₂)]，T₁，T₂对应两个目标的延时距离。该信号可以灵活的产生标准多目标信号，以测试雷达的多目标检测分辨精度；如在检测过程中，可以根据模拟精度实时调整雷达系统参数，不用通过雷达实际开机后采集数据分析，提高了设计效率。

2)产生成片杂波目标脉冲信号。以基于高斯分布的雷达杂波为例，产生基于高斯分布的雷达杂波脉冲生成步骤如下：首先，设置高斯杂波的谱参数,均值f,方差σ；然后，根据谱参数及功率谱密度函数得到模拟成片杂波的频域信号最后，将信号转到时域X＝ifft(Y),即可得到杂波目标脉冲信号。这样模拟产生基于密集目标的成片杂波目标信号，可以检测雷达信号处理的抗杂波检测能力；通过不同杂波的验证，可以在设计早期验证雷达系统的抗杂波能力，进而缩短雷达的研发周期。

3)产生灵巧噪声干扰脉冲信号。首先，生成PN码伪随机序列x(n)；接下来让x(n)通过一个中频带宽线性滤波器h(n)，其带宽为接收机中放带宽ΔB_R，生成高斯噪声调制信号序列u(t)；最后代入噪声调频信号的表达式：并且进行100次的积累后求平均值得到噪声调频干扰信号，对其进行快速傅里叶变换后，求出功率谱，由此得到噪声调幅干扰的频域信号Y(ω)。最后，将信号转到时域X＝ifft(Y),即可得到噪声干扰脉冲信号。上述PN序列伪随机码有优良的自相关函数，是狭义的伪噪声序列，而且易于产生和复制。上述伪随机PN序列采用线性反馈移位寄存器产生。设置特征多项式系数为[53 6 2 1 0]，它决定了移位寄存器的反馈连接和序列的结构，即实现的多项式为P(z)＝z⁵³+z⁶+z²+z¹+1。这样可模拟产生基于密集目标的灵巧噪声干扰信号，以检测雷达信号处理的抗灵巧噪声干扰能力。现有抗灵巧噪声干扰的检测方式是雷达系统完成调试后，在调试场放置干扰机，设计人员只能通过采集的信号后期分析对雷达信号处理抗干扰算法进行验证。而本发明的方法，可以使设计人员在实验室模拟外部干扰机的干扰信号，试验时不需要采用外部干扰机，即可完成雷达灵巧噪声干扰的检测，可以在设计初期就进行抗干扰算法验证。

本步骤中的三组信号可以单组模拟送入步骤2中，也可以将其三组信号合成一组、或将其两组组合后输入步骤2中，这样可以在设计过程中，设计人员可以对雷达信号所处的真实复杂环境进行设计、分析和验证，综合提高设计人员在设计阶段的试验效率，且本步骤中，目标模拟特性可以直接通过软件设置修改，十分便捷。

2、产生多普勒频率调制及雷达设计波形S(t)所调制的零中频调频信号。首先将由多普勒频率所引起的幅度起伏调制到目标模拟脉冲信号上。即使得脉冲信号具有目标多普勒频率引起的PRI之间的多普勒相位变化信息。然后对距离和多普勒频率调制后的脉冲信号进行频域匹配滤波逆脉冲压缩处理实现雷达波形调制，即距离和频率调制后的脉冲信号X(t)转换为频域X(ω)，通过雷达逆脉冲压缩频域滤波器S(ω)匹配滤波，变换成雷达发射原始调频信号的目标反射回波的零中频调频信号y(t)＝IFFT(X(ω)*S^*(ω))，即模拟雷达目标回波信号产生具有一定脉宽的零中频调频信号。在步骤一种产生脉冲信号十分便捷，本步骤也可以通过简单算法将步骤一种的信号变为零中频调频信号。在本领域中，直接产生具有步骤一中目标特性的零中频调频信号难度十分大，比如现有的采用DDS直接产生或延时转发技术产生，数据处理量都非常大，设备资源消耗很大，不容易实现，且目标模拟特性难以修改。

3、对零中频调频信号进行上变频处理产生射频目标模拟信号。首先将调频信号数字上变频处理，即将零中频调频信号经过内插、滤波，进行数字上变频处理，转换成模拟中频目标回波信号。然后将模拟中频目标回波信号模拟混频转换为射频目标模拟信号，即模拟中频目标回波信号与一本、二本信号模拟混频至射频f0，二次混频转换为射频目标模拟信号

Claims (3)

1.一种基于频域匹配滤波的脉冲压缩雷达密集目标模拟方法，其特征在于：包括步骤如下，

步骤一、产生标准目标模拟脉冲信号、成片杂波目标脉冲信号或灵巧噪声干扰脉冲信号步骤，成片杂波目标脉冲信号产生步骤为：首先设置高斯杂波的谱参数,均值f,方差σ；然后根据谱参数及功率谱密度函数得到模拟成片杂波的频域信号最后，将信号转到时域X＝ifft(Y),即可得到杂波目标脉冲信号；灵巧噪声干扰脉冲信号产生步骤为；首先生成PN码伪随机序列x(n)；然后让x(n)通过一个中频带宽线性滤波器h(n)，其带宽为接收机中放带宽ΔB_R，生成高斯噪声调制信号序列u(t)；最后代入噪声调频信号的表达式：并且进行100次的积累后求平均值得到噪声调频干扰信号，对其进行快速傅里叶变换后，求出功率谱，由此得到噪声调幅干扰的频域信号Y(ω)；最后，将信号转到时域X＝ifft(Y),即可得到噪声干扰脉冲信号；并将三组信号合成一组、或将其两组组合、或只用单组模拟脉冲信号输入步骤二；

步骤二、将步骤一输入的信号变为加入多普勒频率调制及雷达设计波形S(t)所调制的零中频调频信号；所述步骤二的具体步骤是：首先将由多普勒频率所引起的幅度起伏调制到目标模拟脉冲信号上；然后对距离和多普勒频率调制后的脉冲信号进行频域匹配滤波逆脉冲压缩处理实现雷达波形调制，即将距离和频率调制后的脉冲信号X(t)转换为频域X(ω)，再通过雷达逆脉冲压缩频域滤波器S(ω)匹配滤波，变换成雷达发射原始调频信号的目标反射回波的零中频调频信号y(t)＝IFFT(X(ω)*S^*(ω))；

步骤三、对零中频调频信号进行上变频处理产生射频目标模拟信号。

2.根据权利要求1基于频域匹配滤波的脉冲压缩雷达密集目标模拟方法，其特征在于：所述的标准目标模拟脉冲信号根据设定目标数量、目标距离，产生一组与距离对应延时为T的目标模拟脉冲信号。

3.根据权利要求1基于频域匹配滤波的脉冲压缩雷达密集目标模拟方法，其特征在于：所述的步骤三具体步骤为：首先将调频信号数字上变频处理，即将零中频调频信号经过内插、滤波，进行数字上变频处理，转换成模拟中频目标回波信号；然后将模拟中频目标回波信号模拟混频转换为射频目标模拟信号，即模拟中频目标回波信号与一本、二本信号模拟混频至射频f0，二次混频转换为射频目标模拟信号