CN107783093A - 一种基于单重复频率脉冲雷达的解距离模糊和距离遮挡的方法 - Google Patents

一种基于单重复频率脉冲雷达的解距离模糊和距离遮挡的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单重复频率脉冲雷达的解距离模糊和距离遮挡的方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：对原始发射信号进行调制，添加一组相位旋转因子，构造新的发射信号；步骤二：获得回波信号后，构造一组旋转因子对回波信号进行预解调，得到一组信号；步骤三：对预解调后的信号进行脉冲压缩或其他距离处理；步骤四：构造一组中心频率不同的滤波器对距离处理结果进行滤波，这一组滤波器的输出就是不同距离范围的目标回波信号处理结果。本发明用单重复频率的脉冲信号经过旋转因子的调制来解决距离模糊和距离遮挡的问题，对于采用不同调制方式不同参数的单脉冲重复频率信号的雷达都适用，能够简单有效的同时解决距离模糊和距离遮挡问题。

Description

一种基于单重复频率脉冲雷达的解距离模糊和距离遮挡的 方法
技术领域
本发明属于雷达信号设计和目标探测技术领域，涉及一种雷达目标探测的距离模糊问题和距离遮挡问题的解决方法。
背景技术
脉冲雷达测距存在两个问题，一是发射信号的周期重复导致距离模糊问题，即当目标距离超过最大无模糊距离时，其回波出现在非本周期内，使得所测距离不是真实距离；二是由于收发共置导致的距离遮挡问题，即雷达发射电磁波时无法接收回波，从而无法探测这一时间的回波对应的目标。
距离模糊常用的解决方法是使用多脉冲重复频率的发射信号来探测目标，并用中国余数定理、同余数表和一维集等方法来求解目标真实距离，该方法运算量比较大；还有一种方法是通过改变脉冲间的宽度和相位来扩展最大无模糊范围，这种方法多用于气象雷达中[参考文献M.SACHIDANANDA，D.S.ZRNIC，Unambiguous Range Extension by OverlayResolution in Staggered PRT Technique， JOURNAL OF ATMOSPHERIC AND OCEANICTECHNOLOGY， 2003，Vol.20，pp673-684]。关于距离遮挡的问题，普遍的做法是减少发射脉冲的占空比，但是这样就会导致发射功率下降，雷达探测性能下降。NADAV LEVANON提出的用高脉冲重复频率的脉间二相编码可以同时解决这两个问题，但是该方法使用的是窄脉冲，其单个脉冲周期的发射功率低，对探测性能有一定的影响，并且其使用的相位编码信号的性能容易受到多普勒频移的影响[参考文献NADAV LEVANON，Mitigating RangeAmbiguity in High PRF Radar using Inter-Pulse Binary Coding，IEEE TRANSACTIONSON AES，2009， Vol.45，No.2，pp687-697]。上述的方法都需要对不同的信号不同的参数进行复杂的设计和计算，或者需要寻找合适的编码，寻找一种适用于不同信号的解决方法仍然有一定的难度。
发明内容
针对雷达在探测目标时存在距离模糊和距离遮挡的问题，本发明提供了一种基于单重复频率脉冲雷达的解距离模糊和距离遮挡的方法，该方法不需要雷达发射多重复频率的脉冲，并且对于采用不同调制方式不同参数的单脉冲重复频率信号的雷达都适用，能够有效的同时解决距离模糊和距离遮挡问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于单重复频率脉冲雷达的解距离模糊和距离遮挡的方法，包括如下步骤：
步骤一：对原始发射信号进行调制，添加一组相位旋转因子，构造新的发射信号。本步骤中，根据以下方法产生新的可以进行解距离模糊和距离遮挡的发射信号e(t)：
设原始发射信号s(t)的脉冲宽度为Tr，脉冲周期为Tp，脉冲积累周期为T，一个脉冲积累周期有N个脉冲si(t),i＝0,1,…,N-1，i表示一个脉冲积累周期中的第i个脉冲，则原始发射信号可表示为t始终表示时间。
如图1所示，在原始信号s(t)上添加相位旋转因子ψ来构造新的发射信号，一个脉冲积累周期中的N个脉冲的旋转因子各不相同，每个脉冲内的旋转因子保持一致，表示为ψi＝exp(-jπαi2),i＝0,1,…,N-1，其中j为虚数单位，α是调制因子，和脉冲周期Tp一起控制频率偏移的程度，需要根据系统所需的有效多普勒范围来确定，i是一个积累周期中脉冲的序号。
因此，新的发射信号为
步骤二：获得回波信号后，构造一组旋转因子对回波信号进行预解调，得到一组信号。本步骤中，根据以下方法对回波信号进行预解调：
假设一个目标的回波时延为τ，多普勒频移为fd，根据步骤一构造的新的发射信号e(t)，令第i个发射脉冲的回波信号表示为ri(t)，那么一个积累周期中的N个发射脉冲的回波信号可表示为：
当一个脉冲周期中存在的目标不是该脉冲周期的发射脉冲对应的回波时，就出现了距离模糊现象，普通的处理方法无法得到真实的目标距离。
如图2所示，假设一个脉冲周期中存在M种对应于不同发射脉冲的目标，第m个目标表示为{τm,fdm}，其中τm为该目标延时，fdm为该目标多普勒频移。假设接收信号的第n个脉冲周期中的第m个目标对应于发射信号中的第nm个发射脉冲snm，那么接收信号第n个脉冲周期中的目标回波可表示为：
假设共接收了L个脉冲周期的回波，则回波信号可表示为
构造一组预解调旋转因子，共P个，m'为预解调旋转因子的序号，则有：
将预解调旋转因子与回波相乘得到：
该公式中n表示接收信号的脉冲周期序号，m表示目标序号，m'表示预解调的旋转因子序号，nm表示第m个目标对应的发射脉冲序号。相乘结果由两部分C1m和C2m组成，C1m恰是目标m的原始信号回波形式， C2m是附加项，对原始信号附加了频率偏移，频率偏移的大小与调制因子α和脉冲周期Tp成正比。C2m可表示为：
其中l＝m'-nm为预解调旋转因子的序号与目标回波对应的发射脉冲序号之差，当l＝0时，附加的C2m的频率偏移为零，当差值l不同时，频率偏移不同。
根据C2m的表达式，如图2所示构造一组序号为0～P-1的旋转因子，与回波信号相乘，对应于不同的发射脉冲x的回波就会偏移到不同的频率范围上，偏移的中心频率为f0(x)＝(x-1)α/Tp。而在同一脉冲周期中的对应于序号为x的发射脉冲的回波就是在距离范围 (x-1)Rmax～xRmax,x＝1,2,…,P中的目标回波，其中Rmax表示原发射信号的最大无模糊距离，x的最大值为P，由构造的预解调旋转因子个数决定，而有效的预解调旋转因子个数P不能超过发射脉冲个数N。这样不同距离范围内的目标回波就会被搬移到不同的频率范围上。
步骤三：对预解调后的信号进行脉冲压缩或其他距离处理。本步骤中，根据以下方法进行距离处理：
距离处理针对不同的原始信号而不同，本发明采用的距离处理方法与原始发射信号保持一致。
步骤四：构造一组中心频率不同的滤波器对距离处理结果进行滤波，这一组滤波器的输出就是不同距离范围的目标回波信号处理结果。本步骤中，根据以下方法来进行滤波以获得不同距离范围的目标回波信号：
根据步骤二的处理结果，需要一组滤波器来分离有不同频率偏移的信号，滤波器的个数为Q个，并且满足Q＝P，滤波器的中心频率和带宽由调制因子α来控制，并与脉冲积累周期成正比，整体处理流程如图3所示。Q个滤波器的中心频率分别为 f0(q)＝(q-1)α/Tp,q＝1,2,···,Q，带宽均不能超过Bmax＝α/Tp。这样不同滤波器的输出就是不同距离范围(q-1)Rmax～qRmax,q＝1,2,…,Q的目标信号，q表示滤波器的序号。
需要注意的是在后续的速度处理时，不同距离范围的目标需要减去对应的滤波器的中心频率。
本发明具有如下优点：
本发明用单重复频率的脉冲信号经过旋转因子的调制来解决距离模糊和距离遮挡的问题，相对于多重复频率脉冲信号计算量少，并且对于采用不同调制方式不同参数的单脉冲重复频率信号的雷达都适用，能够简单有效的同时解决距离模糊和距离遮挡问题。
附图说明
图1是新发射信号构造方法的示意图。
图2是步骤二中预解调的旋转因子的构造方法示意图。
图3是第一种预解调方法和滤波器设计的示意图。
图4是原始发射信号为单脉冲的多目标处理结果的距离多普勒图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
如图1所示，本实施方式提供了一种基于高频地波雷达的静止目标双路径回波信息实现电离层高度估计方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：对原始发射信号进行再调制，添加相位旋转因子获得新的发射信号。
以原始发射信号为简单脉冲为例，原始信号的表达式为：其中Tp为脉冲周期，Tr为脉冲宽度。
按照图1构造的新的发射信号为：
参数设置分别为：脉冲宽度Tr＝2×10-4s，脉冲周期Tp＝3.6×10-3s，一个脉冲积累周期中有N＝5个脉冲周期，积累周期T＝0.018s，采样频率fs＝50kHz，载频f0＝5MHz，由公式Rmax＝cTp/2可知原始发射信号的最大无模糊探测距离为540km，那么N个不同的距离范围为540n～540(n+1)km,n＝0,1,…,N-1。由公式Rmin＝cTr/2可知最小可探测距离为30km，那么会被遮挡的目标位置为0-30km以及 (540-30n)～(540+30n)km,n＝1,2,…,N-1。此处取α＝0.04，因此五个距离范围的中心频率分别是0Hz、11.11Hz、22.22Hz、33.33Hz以及44.44Hz。
步骤二和步骤三一起进行处理，设置五个仿真目标，其距离速度参数如表1所示。
表1
目标 距离/km 速度/(m/s)
A 20 0
B 700 40
C 1200 40
D 1640 -30
E 2500 -30
根据五个目标的中心频率，经v＝fdλ/2＝fd/2·c/f0计算可知其中心多普勒速度分别位于333.33m/s、666.66m/s、999.99m/s、1333.33m/s 以及1666.66m/s。
步骤二和步骤三的处理结果如图4所示，可以看出不同距离范围的目标有不同的频率偏移。
步骤四：进行滤波处理。由图3可知，我们需要N＝5个滤波器，其中心频率在步骤二中已经给出。根据步骤二和三的处理结果，如图 4所示，其中的5个方框代表了5个滤波器的通带范围，可以看出经过滤波器处理后，每个距离范围中都只剩下了不模糊的真实目标，并且真实目标的距离和速度都可以正确得到，目标的真实速度为当前速度减去对应距离范围的中心多普勒速度。

Claims (5)

1.一种基于单重复频率脉冲雷达的解距离模糊和距离遮挡的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一：对原始发射信号进行调制，添加一组相位旋转因子，构造新的发射信号；
步骤二：获得回波信号后，构造一组旋转因子对回波信号进行预解调，得到一组信号；
步骤三：对预解调后的信号进行脉冲压缩或其他距离处理；
步骤四：构造一组中心频率不同的滤波器对距离处理结果进行滤波，这一组滤波器的输出就是不同距离范围的目标回波信号处理结果。
2.根据权利要求1所述的基于单重复频率脉冲雷达的解距离模糊和距离遮挡的方法，其特征在于所述步骤一的具体步骤如下：
设原始发射信号s(t)的脉冲宽度为Tr，脉冲周期为Tp，脉冲积累周期为T，一个脉冲积累周期有N个脉冲si(t),i＝0,1,…,N-1，i表示一个脉冲积累周期中的第i个脉冲，则原始发射信号表示为t表示时间；
在原始信号s(t)上添加相位旋转因子ψ构造新的发射信号，一个脉冲积累周期中的N个脉冲的旋转因子各不相同，每个脉冲内的旋转因子保持一致，表示为ψi＝exp(-jπαi2),i＝0,1,…,N-1，其中j为虚数单位，α是调制因子；
新的发射信号为
3.根据权利要求1所述的基于单重复频率脉冲雷达的解距离模糊和距离遮挡的方法，其特征在于所述步骤二中，根据以下方法对回波信号进行预解调：
假设一个目标的回波时延为τ，多普勒频移为fd，根据步骤一构造的新的发射信号e(t)，令第i个发射脉冲的回波信号表示为ri(t)，那么一个积累周期中的N个发射脉冲的回波信号表示为：
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假设一个脉冲周期中存在M种对应于不同发射脉冲的目标，第m个目标表示为{τm,fdm}，其中τm为该目标延时，fdm为该目标多普勒频移；假设接收信号的第n个脉冲周期中的第m个目标对应于发射信号中的第nm个发射脉冲snm，那么接收信号第n个脉冲周期中的目标回波表示为：
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公式中n表示接收信号的脉冲周期序号，m表示目标序号，m'表示预解调的旋转因子序号，nm表示第m个目标对应的发射脉冲序号，C1m是目标m的原始信号回波形式，C2m是附加项，表示为：
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其中l＝m'-nm为预解调旋转因子的序号与目标回波对应的发射脉冲序号之差，当l＝0时，附加的C2m的频率偏移为零，当差值l不同时，频率偏移不同；
根据C2m的表达式，构造一组序号为0～P-1的旋转因子，与回波信号相乘，对应于不同的发射脉冲x的回波就会偏移到不同的频率范围上，偏移的中心频率为f0(x)＝(x-1)α/Tp，而在同一脉冲周期中的对应于序号为x的发射脉冲的回波就是在距离范围(x-1)Rmax～xRmax,x＝1,2,…,P中的目标回波，其中Rmax表示原发射信号的最大无模糊距离，x的最大值为P。
4.根据权利要求1所述的基于单重复频率脉冲雷达的解距离模糊和距离遮挡的方法，其特征在于所述步骤三中，采用的距离处理方法与原始发射信号保持一致。
5.根据权利要求1所述的基于单重复频率脉冲雷达的解距离模糊和距离遮挡的方法，其特征在于所述步骤四中，滤波器的中心频率为f0(q)＝(q-1)α/Tp,q＝1,2,…,Q，带宽均不能超过Bmax＝α/Tp，q表示滤波器的序号，Q为滤波器的个数。
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