CN107831476A

CN107831476A - 雷达信号降采样率的装置及方法

Info

Publication number: CN107831476A
Application number: CN201710956700.1A
Authority: CN
Inventors: 王岩飞; 李和平; 韩松
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2018-03-23
Anticipated expiration: 2037-10-13
Also published as: CN107831476B

Abstract

本发明公开了一种雷达信号降采样率的装置及方法。其中，雷达信号降采样率的装置，包括：雷达信号产生器，产生一组在时间和频率上编码的探测信号；雷达收发系统，发射雷达信号产生器产生的探测信号和接收目标的回波信号；雷达数据采样器，对雷达的回波信号进行数据采样，将模拟信号转换为数字信号；以及雷达信号解算器，根据发射的编码的探测信号进行解算，将数字信号恢复为回波信号。不需要通过多通道技术实现，也不需要增加脉冲发射频率，具有实现方便、灵活、一致性好的优点，有效降低了雷达信号的采样率，并简化了雷达系统，降低了成本。

Description

雷达信号降采样率的装置及方法

技术领域

本公开属于雷达技术领域，涉及一种雷达信号降采样率的装置及方法。

背景技术

雷达是通过发射探测信号并接收目标的反射信号来获取目标信息的一种无线电遥感探测设备。在雷达探测中，为了提高测量精度，需要增加探测信号的频带宽度，由此导致了雷达信号模数转换技术难度的增加。通常，对于雷达发射的探测信号带宽为f_B，按照奈奎斯特采样定理，其采样频率f_s应当大于2倍的f_B，否则会导致采样后的信号产生频谱混叠，无法准确的还原真实信号。例如，对于1GHz带宽的探测信号，对其回波信号的采样频率应当不小于2GHz。随着探测精度要求的不断提高，带宽的不断增加，模数转换的技术难度会变得越来越大。

在现有的雷达系统中，采用了不同的技术手段来解决由于雷达系统带宽增加而带来的技术难题。多通道技术就是其中的一种技术手段，通过将接收通道从频带上分解为多个子带通道并用以接收不同的子带信号，最终形成完整的回波信号。其中，可以根据分解后的子带信号的带宽的减少来降低采样率，从而达到降低模数转换技术难度的目的。然而，多通道技术带来了系统复杂、多通道同时工作、性能一致性要求高等问题。步进频率技术是另外一种降低采样率的技术手段，通过将发射信号分解为多个子带，每次发射一个子带信号并接收回波信号，经过多次发射和接收后，将接收的各子带回波信号合成为完整的回波信号。由于每次发射的子带信号带宽减少，因此采样率也可以相应降低，并且只需要一个接收通道，系统相对简单。然而，由于分不同的发射脉冲获取各子带的回波信号，一方面会带来信号时间变化因素的影响，另一方面会导致雷达发射脉冲频率的增加；此外，还涉及去斜接收等技术。因此，现有技术中存在降采样率实现困难、雷达系统复杂的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种雷达信号降采样率的装置及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种雷达信号降采样率的装置，包括：雷达信号产生器，产生一组在时间和频率上编码的探测信号；雷达收发系统，发射雷达信号产生器产生的探测信号和接收目标的回波信号；雷达数据采样器，对雷达的回波信号进行数据采样，将模拟信号转换为数字信号；以及雷达信号解算器，根据发射的编码的探测信号进行解算，将数字信号恢复为回波信号。

在本公开的一些实施例中，该雷达信号降采样率的装置还包括：雷达信号处理器，对解算获取的回波信号进行处理，实现雷达目标探测。

在本公开的一些实施例中，雷达信号产生器针对探测信号的时间和频率编码要求进行特定的设计：采用存储器加数模转换器的方式，将频率编码和时间编码需求形成的探测信号波形存储在存储器中，通过数模转换器电路形成发射脉冲信号；或者采用实时计算的方式，通过硬件电路实时生成频率和时间编码的一组脉冲信号，经过数模转换器电路形成探测信号。

在本公开的一些实施例中，雷达信号解算器根据发射的探测信号的时间和频率编码来调整解算方案，采用DSP、CPU、FPGA形式的器件或者模块来实现，或者采用软件、硬件或软硬件结合的方式实现对频谱混叠信号的解算恢复。

在本公开的一些实施例中，雷达收发系统包括：雷达发射机，将探测信号进行上变频和放大操作，并进行发射；雷达天线，将雷达发射机发射的探测信号转换为电磁波向目标辐射，并接收目标反射的电磁波，转化为回波信号；以及雷达接收机，将回波信号进行下变频和放大操作。

根据本公开的另一个方面，提供了一种利用上述任一种雷达信号降采样率的装置的雷达信号降采样率的方法，包括：利用雷达信号产生器产生一组在时间和频率上编码的探测信号；利用雷达收发系统发射探测信号和接收目标的回波信号；利用雷达数据采样器对雷达的回波信号进行数据采样，将模拟信号转换为数字信号；以及利用雷达信号解算器，根据发射的编码的探测信号进行解算，将数字信号恢复为回波信号。

在本公开的一些实施例中，利用雷达信号产生器产生一组在时间和频率上编码的探测信号包括：利用雷达信号产生器，将宽带信号分解为N个子带信号，将各个子带信号按照一定的时间间隔组合，进行时间和频带编码，产生一组探测脉冲信号。

在本公开的一些实施例中，宽带信号的带宽为f_B，将其分为N个子带，对应的信号表示为P_n，n＝1，2，…，N，N≥2；设定发射的各个子带的脉冲信号的时间宽度是相同的，并以其时间宽度单位进行了归一化，假设一组探测脉冲信号的发射脉冲的个数为M，发射的脉冲组为T＝[S₁ 0S₂ 00S₃ 0…0S_M]，其中，S_m，m＝1，2，…，M表示发射的各个子带的脉冲信号；0，00，…，0…0均表示接收窗口；将发射的各个子带的脉冲信号S_m，m＝1，2，…，M设定为P_n，n＝1，2，…，N，N≥2，此时，N＝M，发射的脉冲组T的长度L包括脉冲发射时间和接收窗口时间，每一个脉冲的目标回波持续时间为K，则多脉冲编码探测表示为：

R＝AX

R＝[R₁，R₂，…，R_L+K-M]^T

X＝[X₁₁，X₁₂，…，X_1K，X₂₁，…，X_2K，X₃₁，…X_MK]^T

其中，矩阵R表示回波信号矩阵；R_L+K-M表示第L+K-M个接收窗口观测获取的回波信号；矩阵X表示1，2，…，M个发射脉冲分别对应的K个回波信号段，为目标反射信号，当发射信号S_m1＝S_m2时，对应的回波信号X_m1k＝X_m2k；A是由发射的脉冲组T确定的观测矩阵，用于确定各个发射脉冲的回波信号对不同接收窗口的回波贡献。

在本公开的一些实施例中，根据发射的编码的探测信号进行解算，将数字信号恢复为回波信号满足：

其中，表示获得的X的解算结果。

在本公开的一些实施例中，利用雷达数据采样器对雷达的回波信号进行数据采样，将模拟信号转换为数字信号包括：利用雷达采样器在接收时间窗口对回波信号进行降低采样率采样，进行降低采样率采样低于奈奎斯特采样定理的要求，对于雷达发射的探测信号带宽为f_B，按照奈奎斯特采样定理，对其回波信号的采样频率f_s ⁰＞2f_B；而将探测信号分为N个子带进行编码、发射以及回波信号接收后，选择的采样频率f_s满足：f_s ⁰/N≤f_s＜f_s ⁰。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的雷达信号降采样率的装置及方法，具有以下有益效果：

通过将雷达发射信号分解为子带信号，在时间上编排成一组脉冲信号通过单通道进行发射和接收，对接收信号采取低采样率采样的工作方式，并通过对采样信号的解算处理解决低采样率采样引起的频谱混叠问题，不需要通过多通道技术实现，也不需要增加脉冲发射频率，信号的产生和采样无须增加额外的设备，信号的解算可以通过软件实现，或者采用专门硬件芯片如FPGA等实现，具有实现方便、灵活、一致性好的优点，有效降低了雷达信号的采样率，并简化了雷达系统，降低了成本。

附图说明

图1为根据本公开实施例雷达信号降采样率的装置的结构示意图。

图2为根据本公开实施例雷达信号降采样率的装置的具体结构示意图。

图3为根据本公开实施例雷达信号降采样率的方法流程图。

【符号说明】

100-雷达信号降采样率的装置；

10-雷达信号产生器； 30-雷达数据采样器；

20-雷达收发系统；

201-雷达发射机； 202-雷达天线；

203-雷达接收机；

40-雷达信号解算器； 50-雷达信号处理器。

具体实施方式

本公开提供了一种雷达信号降采样率的装置及方法，通过将雷达发射信号分解为子带信号，在时间上编排成一组脉冲信号通过单通道进行发射和接收，对接收信号采取低采样率采样的工作方式，并通过对采样信号的解算处理解决低采样率采样引起的频谱混叠问题，具有实现方便、灵活、一致性好的优点，有效降低了雷达信号的采样率，并简化了雷达系统，降低了成本。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种雷达信号降采样率的装置。

图1为根据本公开实施例雷达信号降采样率的装置的结构示意图。图2为根据本公开实施例雷达信号降采样率的装置的具体结构示意图。

结合图1和图2所示，本公开的雷达信号降采样率的装置100，包括：雷达信号产生器10，产生一组在时间和频率上编码的探测信号；雷达收发系统20，发射雷达信号产生器10产生的探测信号和接收目标的回波信号；雷达数据采样器30，对雷达的回波信号进行数据采样，将模拟信号转换为数字信号；雷达信号解算器40，根据发射的编码的探测信号进行解算，将数字信号恢复为回波信号；以及雷达信号处理器50，对解算获取的回波信号进行处理，实现雷达目标探测。

下面参照图2所示，对本实施例中的雷达信号降采样率的装置的各个部分进行详细介绍。

本实施例中，雷达收发系统20至少包括：雷达发射机201，将探测信号进行上变频和放大操作，并进行发射；雷达天线202，将雷达发射机201发射的探测信号转换为电磁波向目标辐射，并接收目标反射的电磁波，转化为回波信号；以及雷达接收机203，将回波信号进行下变频和放大操作。

本实施例中，雷达收发系统20可以是通常雷达系统。雷达发射机201可以采用固态器件或真空器件。雷达接收机203可以采用超外差形式、直接解调形式、或者直接射频采样形式进行接收。雷达天线202可以采用微带天线形式、波导缝隙天线形式、或者喇叭天线形式进行收发；雷达天线可以采用不同天线分别收发、或者共用天线进行收发。

本实施例中，雷达信号产生器10区别于常规的雷达信号产生器，需要针对探测信号的时间和频率编码要求进行专门的设计。比如说，可以采用存储器加数模转换器(DA)的方式，将频率编码和时间编码需求形成的探测信号波形存储在存储器中，通过DA电路形成发射脉冲信号。由于需要产生的探测信号由一组发射脉冲信号组成，因此可以采用存储量足够大的存储器。另外，也可以采用实时计算的方式，通过硬件电路实时生成频率和时间编码的一组脉冲信号，经过DA电路形成探测信号。

本实施例中，雷达数据采样器30可以结合通常的雷达数据采样器来实现，可以采用模数转换器(AD)的方式实现。

本实施例中，雷达信号解算器40可以根据发射的探测信号的时间和频率编码来调整解算方案，可以采用DSP、CPU、FPGA形式的器件或者模块来实现，也可以采用软件、硬件或软硬件结合的方式实现对频谱混叠信号的解算恢复。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种雷达信号降采样率的方法。

图3为根据本公开实施例雷达信号降采样率的方法流程图。

参照图3所示，本公开的雷达信号降采样率的方法，包括：

步骤S302：利用雷达信号产生器产生一组在时间和频率上编码的探测信号；

本步骤中，利用雷达信号产生器产生一组在时间和频率上编码的探测信号包括：利用雷达信号产生器，将宽带信号分解为N个子带信号，将各子带信号按照一定的时间间隔组合，进行时间和频带编码，产生一组探测脉冲信号。

本实施例中，假设雷达发射的探测信号带宽为f_B，将其分为N个子带，对应的信号表示为P_n，n＝1，2，…，N，N≥2；P_n可以是线性调频信号。

本实施例中，为了便于说明，设定发射的各个子带的脉冲信号的时间宽度是相同的，并以其时间宽度单位进行了归一化，假设一组探测脉冲信号的发射脉冲的个数为M，发射的脉冲组为T＝[S₁ 0S₂ 00S₃ 0…0S_M]，其中，S_m，m＝1，2，…，M表示发射的各个子带的脉冲信号；0，00，…，0…0均表示接收窗口；

将所述发射的各个子带的脉冲信号S_m，m＝1，2，…，M设定为P_n，n＝1，2，…，N，N≥2，此时，N＝M，发射的脉冲组T的长度L包括脉冲发射时间和接收窗口时间，每一个脉冲的目标回波持续时间为K，则多脉冲编码探测可以表示为：

R＝AX (1)

R＝[R₁，R₂，…，R_L+K-M]T (2)

X＝[X₁₁，X₁₂，…，X_1K，X₂₁，…，X_2K，X₃₁，…X_MK]^T (3)

发射的脉冲组T就是对发射脉冲的编码，其选择确定的观测矩阵A要求能够从接收窗口中观测到的信号中恢复出目标的完整回波信号。

步骤S304：利用雷达收发系统发射探测信号和接收目标的回波信号；

步骤S306：利用雷达数据采样器对雷达的回波信号进行数据采样，将模拟信号转换为数字信号；

本步骤中，利用雷达数据采样器对雷达的回波信号进行数据采样，将模拟信号转换为数字信号包括：利用雷达采样器在接收时间窗口对回波信号进行降低采样率采样；

本实施例中，进行降低采样率采样可以低于奈奎斯特采样定理的要求：对于雷达发射的探测信号带宽为f_B，按照奈奎斯特采样定理，对其回波信号的采样频率f_s ⁰＞2f_B；；将其分为N个子带，按照步骤S302进行编码，经过步骤S304进行发射和回波信号接收后，选择的采样频率f_s满足：f_s ⁰/N≤f_s＜f_s ⁰。

步骤S308：利用雷达信号解算器，根据发射的编码的探测信号进行解算，将数字信号恢复为回波信号；

本实施例中，采用低采样频率对L+K-M个接收窗口的回波信号R＝[R₁，R₂，…，R_L+K-M]^T采样，并结合由发射的脉冲组T确定的观测矩阵A，获得目标反射信号X的精准估计，其表达式如下：

其中，表示获得的X的解算结果。

尽管降低采样率会导致信号频谱的混叠，但通过对发射脉冲的合理编码以及对其回波信号的处理，可以恢复出各个子带发射脉冲的回波，将子带回波信号进行合成，即可获得雷达目标的完整回波信号，实现信号的无失真恢复。需要说明的是，对于信号的解算，也可以采用其他合适的方法实现对雷达目标完整回波信号的恢复。

步骤S310：利用雷达信号处理器对解算获取的回波信号进行处理，实现雷达目标探测。

综上所述，本公开提供了一种雷达信号降采样率的装置及方法，通过将雷达发射信号分解为子带信号，在时间上编排成一组脉冲信号通过单通道进行发射和接收，对接收信号采取低采样率采样的工作方式，并通过对采样信号的解算处理解决低采样率采样引起的频谱混叠问题，不需要通过多通道技术实现，也不需要增加脉冲发射频率，信号的产生和采样无须增加额外的设备，信号的解算可以通过软件实现，或者采用专门硬件芯片如FPGA等实现，具有实现方便、灵活、一致性好的优点，有效降低了雷达信号的采样率，并简化了雷达系统，降低了成本。

当然，根据实际需要，本公开的雷达信号降采样率的装置及方法还包含其他的方法和步骤，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。

应当注意，为了使本公开的实施方式更容易理解，上面的描述省略了对于本领域的技术人员来说是公知的、并且对于本公开的实施方式的实现可能是必需的更具体的一些技术细节。例如，上面的描述省略了对现有的雷达系统的一般性描述。应该理解，根据本公开的实施例的雷达系统除了以上描述的发射机、接收机、天线之外，还可以具有现有的雷达系统所具有的其他部件或者组件，如雷达配电等。上述说明仅仅是示意性的而不是限制性的。在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种雷达信号降采样率的装置，包括：

雷达信号产生器，产生一组在时间和频率上编码的探测信号；

雷达收发系统，发射雷达信号产生器产生的探测信号和接收目标的回波信号；

雷达数据采样器，对雷达的回波信号进行数据采样，将模拟信号转换为数字信号；以及

雷达信号解算器，根据发射的编码的探测信号进行解算，将数字信号恢复为回波信号。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括：

雷达信号处理器，对解算获取的回波信号进行处理，实现雷达目标探测。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述雷达信号产生器针对探测信号的时间和频率编码要求进行特定的设计：

采用存储器加数模转换器的方式，将频率编码和时间编码需求形成的探测信号波形存储在存储器中，通过数模转换器电路形成发射脉冲信号；或者

采用实时计算的方式，通过硬件电路实时生成频率和时间编码的一组脉冲信号，经过数模转换器电路形成探测信号。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述雷达信号解算器根据发射的探测信号的时间和频率编码来调整解算方案，采用DSP、CPU、FPGA形式的器件或者模块来实现，或者采用软件、硬件或软硬件结合的方式实现对频谱混叠信号的解算恢复。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述雷达收发系统包括：

雷达发射机，将探测信号进行上变频和放大操作，并进行发射；

雷达天线，将雷达发射机发射的探测信号转换为电磁波向目标辐射，并接收目标反射的电磁波，转化为回波信号；以及

雷达接收机，将回波信号进行下变频和放大操作。

6.一种利用权利要求1至5任一项所述的装置的雷达信号降采样率的方法，包括：

利用雷达信号产生器产生一组在时间和频率上编码的探测信号；

利用雷达收发系统发射探测信号和接收目标的回波信号；

利用雷达数据采样器对雷达的回波信号进行数据采样，将模拟信号转换为数字信号；以及

利用雷达信号解算器，根据发射的编码的探测信号进行解算，将数字信号恢复为回波信号。

7.根据权利要求6所述的雷达信号降采样率的方法，其中，所述利用雷达信号产生器产生一组在时间和频率上编码的探测信号包括：利用雷达信号产生器，将宽带信号分解为N个子带信号，将各个子带信号按照一定的时间间隔组合，进行时间和频带编码，产生一组探测脉冲信号。

8.根据权利要求7所述的雷达信号降采样率的方法，其中，

所述宽带信号的带宽为f_B，将其分为N个子带，对应的信号表示为P_n，n＝1，2，...，N，N≥2；

设定发射的各个子带的脉冲信号的时间宽度是相同的，并以其时间宽度单位进行了归一化，假设一组探测脉冲信号的发射脉冲的个数为M，发射的脉冲组为T＝[S₁0S₂00S₃0...0S_M]，其中，S_m，m＝1，2，...，M表示发射的各个子带的脉冲信号；0，00，...，0...0均表示接收窗口；

将所述发射的各个子带的脉冲信号S_m，m＝1，2，...，M设定为P_n，n＝1，2，...，N，N≥2，此时，N＝M，发射的脉冲组T的长度L包括脉冲发射时间和接收窗口时间，每一个脉冲的目标回波持续时间为K，则多脉冲编码探测表示为：

R＝AX

R＝[R₁，R₂，...，R_L+K-M]^T

X＝[X₁₁，X₁₂，...，X_1K，X₂₁，...，X_2K，X₃₁，...X_MK]^T

其中，矩阵R表示回波信号矩阵；R_L+K-M表示第L+K-M个接收窗口观测获取的回波信号；矩阵X表示1，2，...，M个发射脉冲分别对应的K个回波信号段，为目标反射信号，当发射信号S_m1＝S_m2时，对应的回波信号X_m1k＝X_m2k；A是由发射的脉冲组T确定的观测矩阵，用于确定各个发射脉冲的回波信号对不同接收窗口的回波贡献。

9.根据权利要求8所述的雷达信号降采样率的方法，其中，所述根据发射的编码的探测信号进行解算，将数字信号恢复为回波信号满足：

其中，表示获得的X的解算结果。

10.根据权利要求6至9任一项所述的雷达信号降采样率的方法，其中，所述利用雷达数据采样器对雷达的回波信号进行数据采样，将模拟信号转换为数字信号包括：

利用雷达采样器在接收时间窗口对回波信号进行降低采样率采样，所述进行降低采样率采样低于奈奎斯特采样定理的要求，对于雷达发射的探测信号带宽为f_B，按照奈奎斯特采样定理，对其回波信号的采样频率f_s ⁰＞2f_B；而将探测信号分为N个子带进行编码、发射以及回波信号接收后，选择的采样频率f_s满足：f_s ⁰/N≤f_s＜f_s ⁰。