CN107436428A - 基于调制板的uhf雷达频谱搬移方法 - Google Patents

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王洋
邵羽
叶志红
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Abstract

本发明涉及一种基于调制板的UHF雷达频谱搬移方法，属于电磁场微波技术领域。该方法基于雷达接收机处的调制板，分别利用频率调制和滤波器的思想设计响应信号，解决UHF雷达的频谱搬移问题，实现对雷达入射信号功率的整体“抹平”以及白化效果，达到雷达接收机无法恢复，不能检测远距离目标的目的。本发明对单频信号和线性调频信号类的雷达入射信号均可进行频谱搬移，搬移后的频谱响应在原接收机匹配滤波器之后，雷达接收机输出功率大幅度降低，降低远距离目标检测概率或者淹没雷达信号，有望应用于RCS控制技术中。

Description

基于调制板的UHF雷达频谱搬移方法
技术领域
本发明属于电磁场微波技术领域，涉及一种基于调制板的特高频(Ultra HighFrequency,UHF)雷达频谱搬移方法。
背景技术
雷达利用经过调制的电波和定向天线发射一束电磁能量用于探测目标的距离、速度、角度等特征。UHF(300MHz～3000MHz)雷达广泛应用于战略预警的陆、海、空各类探测系统，由于利用其电波波长相对较长的特点，可以检测超远距离的移动目标。在UHF频段，主要威胁来自于远距离雷达系统，它们工作方式灵活、带宽较大(>20％)，这对工程师在设计RCS材料时提出了相当高的挑战。近年来，随着电磁场微波学科的技术发展，出现了一批雷达散射截面(Radar Cross-Section,RCS)控制技术。其中，基于电磁超材料的频谱搬移技术解决了 RCS材料设计的问题。但是，传统RCS控制技术面临着带宽、波形选择和材料设计的难题，受限于工作方式、频率、带宽、波形等方面。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于调制板的UHF雷达频谱搬移方法，基于雷达接收机处的调制板，分别利用频率调制和滤波器的思想设计响应信号，解决UHF雷达的频谱搬移问题，实现对雷达入射信号功率的整体“抹平”以及白化效果，达到雷达接收机无法恢复，不能检测远距离目标的目的。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于调制板的UHF雷达频谱搬移方法，该方法具体为：
当雷达接收机使用匹配滤波器w(t)＝s(t)时，目标回波输出功率为：
其中，ξ0表示信号发射、传播、反射和接收各阶段增益的综合效果，假设为时不变的常数；s(t)表示来波信号，即入射信号；s*(t)表示入射信号的共轭信号；h(t)表示调制板的调制信号；T表示周期；t表示时间；
即调制信号h(t)在周期内积分接近于0时，雷达接收机的输出功率将大大降低；
当特高频(UltraHigh Frequency,UHF)雷达的调制波形为脉冲压缩信号时，输出序列表示为：
其中，y(t)表示反射信号；表示卷积运算；
输出序列的频域表达式为：
其中，ifft表示傅里叶反变换；P(ω)表示接受信号频谱；S(ω)表示来波信号的频谱响应； H(ω)表示调制信号的频谱响应；Y(ω)表示反射信号的频谱响应；S*(ω)表示S(ω)频谱搬移后的频谱响应；即H(ω)实现对S(ω)频谱搬移后，乘积Y(ω)·S*(ω)幅度较小且不成明显谐波规律时，匹配滤波器输出影响p(t)不具有明显大功率值，则雷达接收机难以判断目标有无；
综上所述，对调制板的调制信号h(t)或H(ω)进行设计，能有效降低目标回波在雷达接收机处输出的功率，从而降低目标被检测到的概率。
本发明的有益效果在于：本发明基于调制板设计的频率调制响应信号和白化响应信号，对单频信号和线性调频(Linear Frequency Modulation,LFM)信号类的雷达入射信号均可进行频谱搬移，搬移后的频谱响应在原接收机匹配滤波器之后，雷达接收机输出功率大幅度降低，降低远距离目标检测概率或者淹没雷达信号，有望应用于RCS控制技术中。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为基于调制板的频谱搬移原理图；
图2为单频信号入射，点频信号响应及反射回波的的波形与频谱图；(a)为时域图，(b)为频域图；
图3为LFM信号入射，单频调制信号及反射回波的的波形与频谱图；(a)为时域图，(b) 为频域图；
图4为点频信号入射时，方波调制信号、反射回波的的波形与频谱图；(a)为时域图，(b) 为频域图；
图5为LFM信号入射时，方波调制信号、反射回波的波形与频谱图；(a)为时域图，(b) 为频域图；
图6单频信号入射，白化信号调制及反射回波的波形与频谱图；(a)为时域图，(b)为频域图；
图7LFM信号入射，白化信号调制及反射回波的波形与频谱图；(a)为时域图，(b)为频域图；
图8单频信号入射，恒模响应信号调制及反射回波的时域波形与频谱图；(a)为时域图， (b)为频域图；
图9LFM信号入射，恒模响应信号调制及反射回波的时域波形与频谱图；(a)为时域图， (b)为频域图；
图10单频信号入射，二相信号响应及反射回波的时域波形与频谱图；(a)为时域图，(b) 为频域图；
图11LFM信号入射，二相信号响应及反射回波的时域波形与频谱图；(a)为时域图，(b) 为频域图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
UHF雷达的频谱搬移原理如图1所示。当来波信号s(t)照射到调制板上时，调制板将与入射信号相互作用，并以调制信号h(t)调制，从而形成反射信号y(t)，二者关系可表示为：
y(t)＝s(t)·h(t)
其中，h(t)可视为调制板的调制信号。与一般所说滤波器响应的卷积作用不同，调制板可实现类似于模拟调制中时域相乘的效果。根据傅里叶变换，公式可变换为：
其中，S(ω)、H(ω)、Y(ω)分别代表来波信号、调制信号、反射信号的频谱响应,表示卷积运算。
假设雷达接收机使用匹配滤波器w(t)＝s(t)，则理想情况下的回波信号输出功率为：
其中，ξ0代表了信号发射、传播、反射和接收各阶段增益之综合效果，假设为时不变的常数。
在传统的雷达信号分析中，往往使用目标物体的RCS来表示目标物体的反射系数，该系数表示照射在该物体上的入射波与反射波在功率上的数学关系。本发明中，回波的时域波形不再是入射信号与反射系数的简单相乘，而是与正弦波函数、方波函数或者一个复杂时变信号等调制信号相乘。因而，在雷达接收机不变的情况下，目标回波输出功率为：
由公式可知，只要调制信号在周期内积分接近于0，那么雷达接收机的输出功率将大大降低。
假设UHF雷达的调制波形为脉冲压缩信号，那么输出序列可以用卷积来表示：
公式的频域表达式为：
p(t)＝ifft[P(ω)]
p(t)＝ifft[P(ω·S*(f))]
当利用调制板频域响应H(ω)实现对S(ω)频谱搬移为后，乘积Y(ω)·S*(ω)幅度较小且不成明显谐波规律时，滤波器输出影响p(t)则不具有明显大功率值，那么雷达接收机难以判断目标有无。综上所述，对调制板的调制信号h(t)或H(ω)进行设计，可以有效地降低目标回波在雷达接收机处输出的功率，从而降低目标被检测到的概率。
以美国现役远程监控雷达，L波段AN/FPS-124为参考，采用建模仿真方法对本发明中的频谱搬移技术进行验证。实现的反射回波频谱搬移及功率衰减如表1所示。
表1 频谱搬移各类方法的性能比较与反射信号特点对比
图2仿真了单频信号作为入射信号、点频信号作为响应信号时的时域波形和频谱。结果表明：反射回波与入射信号的频谱不发生重叠，且信号频谱发生了0.5MHz的频谱偏移，这说明该反射信号在雷达接收机输出的信号功率期望值很低。实际上，仿真计算归一化的输出幅度最大值为3.9811e-004，约为(-68dB)(以发射信号和回波信号幅度为归一化标准)。
图3画出了仿真LFM信号作为入射信号、响应信号及反射回波的时域波形和频谱。可以看到，响应信号的叠加使得反射回波与入射信号的频谱不重叠。仿真计算的归一化输出幅度最大值为0.0155，换算为功率损失36dB，目标几乎不可能被探测到。
图4给出了单频信号作为入射信号、方波作为响应信号时，时域信号的变化特征和反射信号的频谱搬移情况。结果表明：方波信号作为调制信号时，反射信号的频谱左右搬移了 0.5MHz，归一化输出幅度最大值为2.6316e-004，即功率损失约-72dB。
图5给出了LFM作为入射信号、方波作为响应信号时，反射回波的时域和频谱图。结果表明：LFM信号在时域上表现为频率越高，波形逐渐变密集；频域上其形状接近矩形马鞍状，线性调频为宽带信号，频谱宽度为频率变化范围。当选择方波作为调制信号时，反射回波的频谱左右搬移了0.5MHz，频谱被展宽。仿真计算的归一化输出幅度最大值为0.0011，即功率损失约-60dB，这是因为调制中出现了谐波成分。
图6画出了仿真的单频信号作为入射信号，白化响应信号及反射回波的时域波形和频谱。从图中可以看到，当入射信号为一单频点的连续波时，使用白化信号对其进行调制，反射回波的波形和频谱均具有高斯白噪声的特点，这说明该反射信号在雷达接收机输出的信号功率期望值在整个频带呈平均分布。实际上，仿真计算归一化的输出幅度最大值为0.0175，约为 (-35dB)。
图7画出了仿真的线性调频(LFM)信号作为入射信号、白化响应信号及反射回波的波形和频谱。从图中可以看到，与图7单频信号类似，反射回波的波形和频谱均具有高斯白噪声的特点；然而，相比于单频信号，仿真计算归一化的输出幅度最大值为0.0384，约为(-28dB) (以发射信号和回波信号幅度为归一化标准)，其归一化输出幅度较单频信号高。这是由于 LFM信号的带宽比单频信号大，信号功率谱密度较低的原因。
图8与图9表示了入射波分别为单频和LFM信号时，使用恒模白化信号对其进行调制的波形和频谱。从图中可以看到，恒模白化响应信号对入射信号的频谱搬移效果较理想，实现了反射信号的白化效果，在接收机接收范围最大输出幅度分别为0.0172和0.0369，输出功率分别损失35和29dB。
图10与图11表示了入射波分别为单频和LFM信号时，使用二相恒模白化信号对其进行调制的效果。从图中可以看到，恒模白化响应信号对入射信号的频谱搬移效果较理想，实现了反射信号的白化效果；但是从时域图看到，回波信号还存在着LFM波形的包络特征。从频谱上看，在接收机接收范围最大输出幅度分别为0.0182和0.0401，输出功率分别损失35和 28dB，实现了对反射信号的白化效果。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.基于调制板的UHF雷达频谱搬移方法，其特征在于：对调制板的调制信号h(t)或H(ω)进行设计，以有效降低目标回波在雷达接收机处输出的功率，从而降低目标被检测到的概率；该方法具体为：
当雷达接收机使用匹配滤波器w(t)＝s(t)时，目标回波输出功率为：
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>&amp;xi;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <mi>T</mi> </msubsup> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>h</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mi>s</mi> <mo>*</mo> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> <mo>|</mo> <mo>=</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>&amp;xi;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <mi>T</mi> </msubsup> <mi>h</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> <mo>|</mo> </mrow>
其中，ξ0表示信号发射、传播、反射和接收各阶段增益的综合效果，假设为时不变的常数；s(t)表示来波信号，即入射信号；s*(t)表示入射信号的共轭信号；h(t)表示调制板的调制信号；T表示周期；t表示时间；
即调制信号h(t)在周期内积分接近于0时，雷达接收机的输出功率将大大降低；
当特高频(UltraHigh Frequency,UHF)雷达的调制波形为脉冲压缩信号时，输出序列表示为：
<mrow> <mi>p</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>y</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CircleTimes;</mo> <msup> <mi>s</mi> <mo>*</mo> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，y(t)表示反射信号；表示卷积运算；
输出序列的频域表达式为：
<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>p</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>i</mi> <mi>f</mi> <mi>f</mi> <mi>t</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>=</mo> <mi>i</mi> <mi>f</mi> <mi>f</mi> <mi>t</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>S</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CircleTimes;</mo> <mi>H</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mi>S</mi> <mo>*</mo> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中，ifft表示傅里叶反变换；P(ω)表示接受信号频谱；S(ω)表示来波信号的频谱响应；H(ω)表示调制信号的频谱响应；Y(ω)表示反射信号的频谱响应；S*(ω)表示S(ω)频谱搬移后的频谱响应；即H(ω)实现对S(ω)频谱搬移后，乘积Y(ω)·S*(ω)幅度较小且不成明显谐波规律时，匹配滤波器输出影响p(t)不具有明显大功率值，则雷达接收机难以判断目标有无。
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