CN107861116A - 一种雷达测距的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种雷达测距的优化方法，其主要思路为：确定雷达，所述雷达检测范围内存在目标，且从雷达发射的信号中确定长码信号和短码信号，进而分别确定信号I型和信号II型；分别计算得到t'时刻信号I型长码信号sIf(t')、时刻信号I型短码信号t'时刻信号II型长码信号sIIf(t')和时刻信号II型短码信号根据t'时刻信号I型长码信号sIf(t')、时刻信号I型短码信号t'时刻信号II型长码信号sIIf(t')和时刻信号II型短码信号计算得到第一远距测距结果R11、第一近距测距结果R12、第二远距测距结果R21和第二近距测距结果R22，进而计算得到雷达检测范围内的目标距离。
Description
技术领域
本发明涉及雷达测距领域，特别涉及一种雷达测距的优化方法，适用于实际工程应用。
背景技术
现代雷达普遍采用线性调频脉冲信号解决雷达作用距离和测距分辨率的问题，而采用线性调频信号带来多普勒距离耦合问题，目标速度较快时误差会更大。本文研究测距雷达是机械扫描，只测距，替代激光等测距设备，具有全天时，全天候优点，与一般雷达不同在于它只测距，通过发射一次电磁波就能准确测距。
一般雷达都通过雷达搜索到目标后建立目标航迹，通过公式修正的方法来解决多普勒距离耦合问题，但以上方法必须经过多个周期，对于专用的测距设备来说是远远不够的，测距设备只需要一次发射就必须准确测出，实现难度很大。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种雷达测距的优化方法，该种雷达测距的优化方法能够消除多普勒频率对距离影响的同时又能实现近距远距测量，并且能通过发射一次电磁波就能准确测距，具有简单、有效、远距近距兼顾的优点。
为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种雷达测距的优化方法，包括如下步骤：
步骤1，确定雷达，所述雷达检测范围内存在目标，且从雷达发射的信号中确定长码信号和短码信号，进而分别确定信号I型和信号II型；
步骤2，分别计算得到t'时刻信号I型长码信号sIf(t')、时刻信号I型短码信号t'时刻信号II型长码信号sIIf(t')和时刻信号II型短码信号其中，t'、分别为时间变量；
步骤3，根据t'时刻信号I型长码信号sIf(t')、时刻信号I型短码信号t'时刻信号II型长码信号sIIf(t')和时刻信号II型短码信号计算得到第一远距测距结果R11、第一近距测距结果R12、第二远距测距结果R21和第二近距测距结果R22；
步骤4，根据第一远距测距结果R11、第一近距测距结果R12、第二远距测距结果R21和第二近距测距结果R22，计算得到雷达检测范围内的目标距离。
本发明的有益效果：
本发明应用到专用雷达测距设备中，天线在转动中，通过在光电系统或其他低精度雷达导引下，按照相应的时序控制关系，通过发射一次电磁波就能准确测距，如果没有导引信息，也能通过发射一次电磁波准确测出固定目标的距离；与一般雷达不同在于它只测距，通过发射一次电磁波就能准确测距，而且具有远距和近距兼顾的特点，跟激光相比具有全天时、全天候特点，可以取代激光功能，而且本方法简单、实用、可靠、测距精度高等特点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的一种雷达测距的优化方法流程图；
图2为本发明方法实现发射波形时域和频域图；
图3为本发明方法实现的时序控制图；
图4为本发明方法实现的多普勒距离耦合示意图。
具体实施方式
参照图1，为本发明的一种雷达测距的优化方法流程图；其中所述雷达测距的优化方法，包括以下步骤：
步骤1，确定雷达，所述雷达检测范围内存在目标，且从雷达发射的信号中确定长码信号和短码信号，进而分别确定信号I型和信号II型。
具体地，参照图2，为本发明方法实现发射波形时域和频域图；t时刻雷达发射线性调频脉冲信号为s(t)：
其中，rect表示矩形窗函数，|t|≤Te/2，t为满足|t|≤Te/2条件的任意一个时刻；Te为雷达发射线性调频脉冲信号的脉冲宽度，f0为雷达发射线性调频脉冲信号的中心频率，μ为调频斜率，B为雷达发射线性调频脉冲信号的调频带宽。
假设雷达威力的最远距离为Rf，雷达威力最近距离为Rn，则Rf>Rn；设定雷达测量距离为R，t时刻雷达发射线性调频脉冲信号中满足R<Rf的线性调频信号为长码信号，因为长码信号脉冲宽度较长，用于测量雷达检测范围内的远区目标；t时刻雷达发射线性调频脉冲信号中满足R>Rn的线性调频信号为短码信号，因为短码信号脉冲宽度较短，用于测量雷达检测范围内的近区目标。
雷达先发射N个脉冲后再发射N'个脉冲，先发射的N个脉冲中包括正斜率线性调频脉冲的长码信号和负斜率线性调频脉冲的短码信号，并定义为信号I型；后发射N'个脉冲中包括负斜率线性调频脉冲的长码信号和正斜率线性调频脉冲的短码信号，并定义为信号II型，N与N'取值相等；先发射的N个脉冲和后先发射的N'个脉冲正负斜率可以互换，即N个脉冲中长码信号为负斜率线性调频脉冲，短码信号为正斜率线性调频脉冲，N'个脉冲中长码信号为正斜率线性调频脉冲，短码信号为负斜率线性调频脉冲。
根据信号I型和信号II型所示信号可以看出采用正负斜率相反的脉冲信号，同时同一发射脉冲内采用长短码信号。采用长、短两种宽度的线性调频脉冲信号，兼顾最小处理距离和雷达作用威力的矛盾，长脉冲信号负责对远区空域的搜索，短脉冲信号负责对近空域的搜索。为了充分利用发射机功率，两种脉冲宽度的回波信号共用接收时段，发射信号的时域和频域包络如图2所示。
步骤2，分别计算得到t'时刻信号I型长码信号sIf(t')、时刻信号I型短码信号t'时刻信号II型长码信号sIIf(t')和时刻信号II型短码信号
具体地，计算得到t'时刻信号I型长码信号sIf(t')，其表达式为
其中，rect表示矩形窗函数，|t'|≤Te1/2，t'为满足|t'|≤Te1/2条件的任意一个时刻；Te1为长码信号脉冲宽度，这个参数由雷达最远距离计算时综合雷达所有参数后决定；f0为雷达发射线性调频脉冲信号的中心频率，可根据雷达发射频段决定；μ1为长码信号调频斜率，B1为长码信号调频带宽。
计算得到时刻信号I型短码信号其表达式为：
其中，rect表示矩形窗函数， 为满足条件的任意一个时刻；Te2为短码信号脉冲宽度，这个参数由计算雷达近距补盲时综合雷达所有参数后决定；f0为雷达发射线性调频脉冲信号的中心频率，μ2为短码信号调频斜率，μ2与μ1符号相反，即长码信号调频斜率μ1与短码信号调频斜率μ2相反，B2为长码信号调频带宽。
则根据本发明波形设计方法，t'时刻信号II型长码信号sIIf(t')，其表达式为：
其中，rect表示矩形窗函数，|t'|≤Te1/2，Te1为长码信号脉冲宽度，这个参数由计算雷达最远距离时综合雷达所有参数后决定；f0为雷达发射线性调频脉冲信号的中心频率，μ1为长码信号调频斜率，B1为长码信号调频带宽。
时刻信号II型短码信号其表达式为：
其中，rect表示矩形窗函数，Te2为短码信号脉冲宽度，这个参数由计算雷达近距补盲时综合雷达所有参数后决定；f0为雷达发射线性调频脉冲信号的中心频率，μ2为短码信号调频斜率，μ2与μ1符号相反，即长码信号调频斜率μ1与短码信号调频斜率μ2相反，B2为长码信号调频带宽。
如图3所示B2比雷达发射线性调频脉冲信号的中心频率f0高4M，B1比雷达发射线性调频脉冲信号的中心频率f0少4M，所以B2-B1＝8M，这个值可以根据雷达接收机带宽进行调节，通过频域的不同能很好的区分出长码信号和短码信号。
步骤3，根据t'时刻信号I型长码信号sIf(t')、时刻信号I型短码信号t'时刻信号II型长码信号sIIf(t')和时刻信号II型短码信号计算得到第一远距测距结果R11、第一近距测距结果R12、第二远距测距结果R21和第二近距测距结果R22。
具体地，对t'时刻信号I型长码信号sIf(t')进行中频正交采样、脉冲压缩、动目标监测(MTD)、恒虚警检测(CFAR)，得到的结果为第一远距测距结果R11。
然后对时刻信号I型短码信号进行中频正交采样、脉冲压缩、动目标监测(MTD)、恒虚警检测(CFAR)，得到的结果为第一近距测距结果R12。
I型信号接收完毕后进入电磁波信号II型信号发射流程，II型信号发射后进入信号II型电磁波接收流程，电磁波碰到目标后由接收天线负责接收，经过滤波、放大、混频、中放、检波后进入信号处理机，对II型信号进行处理，
首先对t'时刻信号II型长码信号sIIf(t')进行中频正交采样、脉冲压缩、动目标监测(MTD)、恒虚警检测(CFAR)，得到的结果为第二远距测距结果R21，然后对时刻信号II型短码信号进行中频正交采样、脉冲压缩、动目标监测(MTD)、恒虚警检测(CFAR)，得到的结果为第二近距测距结果R22。
步骤4，根据第一远距测距结果R11、第一近距测距结果R12、第二远距测距结果R21和第二近距测距结果R22，计算得到雷达检测范围内的目标距离。
具体地，雷达检测范围内的目标存在于雷达远区或雷达近区，如果雷达远区存在目标，则雷达远区目标距离为(R11+R21)/2；如果雷达近区存在目标，则雷达近区目标距离为(R12+R22)/2。
根据图1，当信号处理机检测出目标距离后，上报雷达测距结果给雷达终端，雷达终端在界面上显示出雷达距离。
本发明提出的专用的雷达测距方法，很好的解决了线性调频信号距离多普勒耦合对测距误差的影响，图4就能很好解释线性调频信号距离多普勒耦合现象产生的原因以及本发明如果消除的距离多普勒的影响，图4包含(a)(b)(c)(d)，(a)(b)(c)(d)表示了存在多普勒频率时雷达接收的回波信号时间波形和频率函数，其中雷达接收的回波信号的频率函数f(t)是从原点到(T,B)点的曲线，当存在一个正的多普勒频率fd时，该曲线向上移动的距离是fd，雷达接收的回波信号在脉冲的起始位置t＝0时对应的瞬时频率为fd，而在脉冲的结束位置对应的瞬时频率为B+fd。假设雷达接收的回波信号多普勒频率是正的，那么雷达接收的回波信号的频率函数相对于发射的频率函数向上平移了一个距离fd；在时域波形上表现为雷达接收的回波信号在脉冲的起始位置的频率为fd，而在脉冲结束位置的频率为B+fd，总的频率宽度B不变；当这样的回波信号进入匹配滤波器时，因为匹配滤波器的带宽是从0到B，那么雷达接收的回波信号中频率超过B的部分不能通过匹配滤波器。
由于信号的压缩滤波器是由时间倒置的信号复共轭构成的，因而脉冲压缩过程相当于一个反方向的频率调制；在(a)中将雷达接收的回波信号的频率函数用正的斜坡函数表示，而压缩滤波器的频率函数用负的斜坡函数表示。在t＝0时刻，顺时频率很高的频率分量进入压缩滤波器时，通过速率相同的反方向频率调制，在t＝T时刻，信号的频率变为0，可以看出任何一个瞬时频率分量同频相加，形成一个主瓣，而在其它时刻，由于信号不能形成同相同频相加，形成旁瓣。
如(b)所示，如果雷达接收的回波信号中包含了一个正的多普勒fd，信号的前沿对应的瞬时频率为fd。信号进入滤波器以后，经过反方向的频率调制，信号瞬时频率被反方向调制到0频率的时间被滞后了一个时间Tfd/B；如(c)所示，当多普勒频率fd为负时，雷达接收的回波信号峰值出现的时刻将提前Tfd/B。当存在多普勒频率时，雷达接收的回波信号的峰值出现的时刻相对于t＝T存在一个时间误差，误差的大小为Tfd/B；如图(d)所示，如果雷达接收的回波信号中不包含多普勒频率fd，那么雷达接收的回波信号的峰值出现的时刻相对于t＝T不存在时间差。由于多普勒的存在，造成时间信号峰值移动的效应被称为“多普勒-距离”耦合。可以看出这种耦合与fd/B的比值有关fd/B越大，这种耦合的影响越小。
本发明采用正负斜率的方式将由于“多普勒-距离”耦合引起的距离误差消掉，举例说明：假设目标速度ν＝200m/s，带宽Β＝1.5M，射频中心5.6G，目标速度为200m/s，脉冲宽度T＝90us，c＝3×108m/s，则
假设目标真实距离为R，正斜率线性调频信号产生的距离误差为负值△R1＝-67.2m，测距值为R1＝R-67.2，负斜率线性调频信号产生的距离误差为正值△R2＝67.2m，测距值为R2＝R+67.2，所以测距雷达如果消掉多普勒频率对距离的影响，只需(R1+R2)/2＝R。
结合实际应用，该测距雷达在光电系统或其他低精度雷达导引下，按照相应的时序控制关系，发射本文提出的发射波形以及采用本文的处理方法就能准确测出目标距离。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种雷达测距的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，确定雷达，所述雷达检测范围内存在目标，且从雷达发射的信号中确定长码信号和短码信号，进而分别确定信号I型和信号II型；
步骤2，分别计算得到t'时刻信号I型长码信号sIf(t')、时刻信号I型短码信号t'时刻信号II型长码信号sIIf(t')和时刻信号II型短码信号其中，t'、分别为时间变量；
步骤3，根据t'时刻信号I型长码信号sIf(t')、时刻信号I型短码信号t'时刻信号II型长码信号sIIf(t')和时刻信号II型短码信号计算得到第一远距测距结果R11、第一近距测距结果R12、第二远距测距结果R21和第二近距测距结果R22；
步骤4，根据第一远距测距结果R11、第一近距测距结果R12、第二远距测距结果R21和第二近距测距结果R22，计算得到雷达检测范围内的目标距离。
2.如权利要求1所述的一种雷达测距的优化方法，其特征在于，在步骤1中，所述从雷达发射的信号中确定长码信号和短码信号，其过程为：
设定t时刻雷达发射线性调频脉冲信号为s(t)：
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其中，rect表示矩形窗函数，|t|≤Te/2，t为满足|t|≤Te/2条件的任意一个时刻；Te为雷达发射线性调频脉冲信号的脉冲宽度，f0为雷达发射线性调频脉冲信号的中心频率，μ为调频斜率，B为雷达发射线性调频脉冲信号的调频带宽；
设定雷达威力的最远距离为Rf，雷达威力最近距离为Rn，则Rf>Rn；设定雷达测量距离为R，t时刻雷达发射线性调频脉冲信号中满足R<Rf的线性调频信号为长码信号，长码信号用于测量雷达检测范围内的远区目标；t时刻雷达发射线性调频脉冲信号中满足R>Rn的线性调频信号为短码信号，短码信号用于测量雷达检测范围内的近区目标；
所述信号I型和信号II型，其确定过程为：
雷达先发射N个脉冲后再发射N'个脉冲，先发射的N个脉冲中包括正斜率线性调频脉冲的长码信号和负斜率线性调频脉冲的短码信号，并定义为信号I型；后发射N'个脉冲中包括负斜率线性调频脉冲的长码信号和正斜率线性调频脉冲的短码信号，并定义为信号II型；其中，N、N'分别为大于0的正整数，N与N'取值相等。
3.如权利要求2所述的一种雷达测距的优化方法，其特征在于，在步骤2中t'时刻信号I型长码信号sIf(t')、时刻信号I型短码信号t'时刻信号II型长码信号sIIf(t')和时刻信号II型短码信号其表达式分别为：
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其中，rect表示矩形窗函数，|t'|≤Te1/2，t'为满足|t'|≤Te1/2条件的任意一个时刻；Te1为长码信号脉冲宽度，f0为雷达发射线性调频脉冲信号的中心频率，μ1为长码信号调频斜率，B1为长码信号调频带宽，为满足条件的任意一个时刻；Te2为短码信号脉冲宽度，μ2为短码信号调频斜率，μ2与μ1符号相反，e表示指数函数，j表示虚数单位。
4.如权利要求3所述的一种雷达测距的优化方法，其特征在于，在步骤3中，第一远距测距结果R11、第一近距测距结果R12、第二远距测距结果R21和第二近距测距结果R22，其得到过程为：
对t'时刻信号I型长码信号sIf(t')进行中频正交采样、脉冲压缩、动目标监测、恒虚警检测，得到的结果为第一远距测距结果R11；
对时刻信号I型短码信号进行中频正交采样、脉冲压缩、动目标监测、恒虚警检测，得到的结果为第一近距测距结果R12；
对t'时刻信号II型长码信号sIIf(t')进行中频正交采样、脉冲压缩、动目标监测、恒虚警检测，得到的结果为第二远距测距结果R21；
然后对时刻信号II型短码信号进行中频正交采样、脉冲压缩、动目标监测、恒虚警检测，得到的结果为第二近距测距结果R22。
5.如权利要求4所述的一种雷达测距的优化方法，其特征在于，在步骤4中，所述雷达检测范围内的目标距离，其得到过程为：
雷达检测范围内的目标存在于雷达远区或雷达近区，如果雷达远区存在目标，则雷达远区目标距离为(R11+R21)/2；如果雷达近区存在目标，则雷达近区目标距离为(R12+R22)/2。
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