CN108169746B - 线性调频脉冲半主动雷达导引头信号处理方法 - Google Patents

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CN108169746B CN201711396651.7A CN201711396651A CN108169746B CN 108169746 B CN108169746 B CN 108169746B CN 201711396651 A CN201711396651 A CN 201711396651A CN 108169746 B CN108169746 B CN 108169746B
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Abstract

本发明提出了一种线性调频脉冲半主动雷达导引头信号处理方法，属于雷达信息技术领域，主要为对线性调频(Linear Frequency Modulation，LFM)脉冲半主动雷达导引头接收到的直达波信号与回波信号进行时间同步截取处理，然后对截取处理后的直波信号与目标回波信号分别进行动目标检测(Moving Target Detection，MTD)和恒虚警(Constant False Alarm，CFAR)检测处理，获得直波与回波中经过截取后距离、速度信息，进而综合直波与回波的检测结果获得回波相对于直波的时间延时、多普勒频差，实现对目标的距离和速度测量。

Description

线性调频脉冲半主动雷达导引头信号处理方法
技术领域
本发明涉及雷达信息技术领域，特别是一种线性调频脉冲半主动雷达导引头信号处理方法。
背景技术
在雷达导引头系统中，半主动体制雷达导引头通过后向天线接收地面雷达照射的直达波，即直波，通过前向天线接收地面雷达照射目标反射形成的回波信号。通过对直波、回波进行信号处理，获得目标速度、距离、角度等信息，从而对目标进行探测与跟踪。线性调频脉冲雷达采用宽脉冲发射以提高平均发射功率，实现较大的作用距离；而接收时采用脉冲压缩获得窄脉冲，以提高距离分辨率，较好的解决了雷达作用距离与距离分辨率之间的矛盾。
雷达依据接收信号相对发射信号的时延来测量目标距离，要求发射机和接收机之间要保持严格的时间同步。然而对于半主动式雷达导引头，地面雷达发射信号的起始时刻对于导弹是未知的，所以分别对直波信号、回波信号处理得到的时延信息并不表示相应的地面雷达到导弹的距离、地面雷达到目标与弹目距离的距离和，所以对于半主动雷达导引头系统，时间同步是必不可少的。通过时间同步使接收站接收的直波与回波有相同的时间基准，从而可靠的进行距离测量。
实现时间同步常用的方法有直接法和间接法。直接法是将发射机的发射触发脉冲经过数据链如无线电、电缆、光缆等传送到接收机以实现时间同步。数据链通道可以是微波中继、卫星通信、有线传输和短波通信等。间接法是在发射和接收站各设置一个高稳定度时钟，以时钟作为时间基准实现时间同步。用作时间基准的时钟可以是原子钟或高稳定石英晶体振荡器。而对于雷达导引头系统来说，导弹上可利用的资源、空间相对比较少，直接法与间接法同步所需额外的资源、设备在弹上无法提供，所以上述两种方法不适合在半主动雷达导引头中使用。
发明内容
本发明提出了一种线性调频脉冲半主动雷达导引头信号处理方法。
实现本发明的技术解决方案为：一种线性调频脉冲半主动雷达导引头信号处理方法，具体步骤为：
步骤1、分别对雷达导引头接收的直波信号、回波信号进行AD采样以及正交数字下变频处理，得到处理后的直波信号和回波信号；
步骤2、根据发射信号波形参数确定脉冲压缩的滤波器hMF，对处理后的直波信号和回波信号分别进行脉冲压缩，得到脉冲压缩后的直波信号和回波信号；
步骤3、对步骤2得到的脉冲压缩后的直波信号和回波信号截取，得到截取后的直波信号和回波信号；
步骤4、将步骤3截取后的直波信号和截取后的回波信号分别进行数据重排得到直波信号重排后二维数据矩阵与回波信号重排后二维数据矩阵；
步骤5、对步骤4得到的重排后的直波信号Xz与回波信号Xr分别做动目标检测处理，得到直波距离-多普勒二维结果和回波距离-多普勒二维结果；
步骤6、分别对直波距离-多普勒二维结果和回波距离-多普勒二维结果进行恒虚警检测，判断直波信号和回波信号中是否存在有用信号，若有，记录直波信号中信号所在的距离单元以及多普勒单元，回波信号中信号所在的距离单元以及多普勒单元，进行步骤7；若无，本次处理终止；
步骤7、根据直波信号和回波信号中信号所在的距离单元取值差值得到需要测量的距离信息；根据直波信号中信号的多普勒单元取值和回波信号中信号的多普勒单元取值以及多普勒分辨率得到直波信号中信号的多普勒频率和回波信号中信号的多普勒频率；
步骤8、根据发射信号的波长、回波信号中信号的多普勒频率与直波信号中信号的多普勒频率差值得到需要测量的速度信息。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明不需要雷达导引头增加额外的硬件资源来实现时间同步，减少了硬件成本。利用信号处理的方法来实现线性调频脉冲雷达导引头系统的时间同步，成本较低，手段灵活，能够尽最大可能的发挥半主动雷达导引头的潜力。(2)本发明通过对直波信号和回波信号脉冲压缩与动目标检测处理，能够同时测距、测速。(3)本发明通过先进行脉冲压缩，然后再按脉冲重复间隔截取信号，降低了脉宽内有用信号信号处理损失。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为本发明半主动线性调频雷达导引头空间坐标示意图。
图2为本发明线性调频脉冲半主动雷达导引头信号处理方法流程图。
图3脉冲压缩后直波信号、回波信号数据截取示意图。
图4为本发明截取后的直波信号、回波信号数据重排示意图。
图5为本发明截取后直波信号、回波信号脉冲压缩结果和时间同步信号时序图。
图6为本发明回波信号目标运动信息检测结果图。
图7为本发明直波信号目标运动信息检测结果图。
下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
具体实施方式
结合图1所示，本发明中线性调频半主动雷达导引头空间模型使用了2个坐标系，分别是：
地面坐标系：以地面雷达为坐标原点，输入弹目坐标装订信息时所参考的坐标系；
弹目坐标系：原点位于目标质心，ox轴为弹目连线方向，导弹指向目标为正，oz轴在包含有ox的铅垂面内且ox到oz为顺时针方向，oy轴构成右手坐标系。
坐标系中，个参数分别为：
R1:照射雷达到目标的初始距离。
R2:导弹到目标的初始距离。
R3:照射雷达到导弹的初始距离。
VM:导弹的速度矢量。
VT:目标的速度矢量。
φ:VT与R1的夹角。
θ:VM与R3的夹角。
导引头需要测量的距离为回波与直波中信号时延差对应的距离R＝R1+R2-R3，速度为回波与直波中信号多普勒频差对应的速度V＝V1+V2-V3。其中V1＝VT cosφ，V2＝VT+VM，V3＝VM cosθ。
本发明的一种线性调频脉冲半主动雷达导引头信号处理方法，具体步骤为：
步骤1、分别对雷达导引头接收的直波信号、回波信号进行AD采样以及正交数字下变频处理，得到处理后的直波信号和回波信号；处理后的直波信号和回波信号具体为：
Sz＝[sz(1),sz(2),...,sz(i),...,sz(I)]T (1)
Sr＝[sr(1),sr(2),...,sr(i),...,sr(I)]T (2)
其中，Sz表示处理后的直波信号，Sr表示处理后的回波信号，sz(i)表示正交数字下变频后的第i点直波时域数据，sr(i)表示正交数字下变频后的第i点回波时域数据，I表示采样点数。
步骤2、根据发射波形参数确定脉冲压缩的滤波器hMF，对处理后的直波信号和回波信号分别进行脉冲压缩，得到脉冲压缩后的直波信号和回波信号。
对于线性调频脉冲压缩滤波器，一般选为S*(-t)，其中S(t)表示发射信号，S*(t)表示对信号S(t)取共轭。由发射线性调频脉冲的脉宽T和AD采样率fs确定滤波器hMF的长度L，滤波器hMF的长度L为：
L＝T×fs (3)
滤波器的系数为：
hMF＝[h(1),h(2),...,h(L)]T (4)
其中h(n)表示滤波器第n点取值；
对直波、回波分别进行脉冲压缩，即将直波信号、回波信号分别与滤波器卷积，得到
Figure GDA0003198453960000041
得到脉冲压缩后的直波信号和回波信号，脉冲压缩后的直波信号Yz为：
Yz＝[yz(1),yz(2),...yz(i),...,yz(I)]T (5)
脉冲压缩后的回波信号Yr为：
Yr＝[yr(1),yr(2),...yr(i),...,yr(I)]T (6)
其中yz(i)表示直波脉冲压缩后的第i点数据，yr(i)表示回波脉冲压缩后的第i点数据。
步骤3、设计一个时间同步脉冲信号，该脉冲的重复周期与发射波形的脉冲重复周期相同，重复周期数量与发射波形中包含的脉冲重复周期数量相同，结合图3所示，对步骤2得到的脉冲压缩后直波信号Yz、回波信号Yr截取，具体为以设计时间同步脉冲信号的开始时刻作为直波信号与回波信号的开始时刻，脉冲压缩后直波信号与回波信号从开始时刻每N点作为一个脉冲重复周期内数据，截取后的直波信号、回波信号分别为：
Yz,cut＝[Y1,z,cut,Y2,z,cut,...Ym,z,cut,...,YM,z,cut]T (7)
Yr,cut＝[Y1,r,cut,Y2,r,cut,...Ym,r,cut,...,YM,r,cut]T (8)
其中，
Ym,z,cut＝[yz,cut(m,1),yz,cut(m,2),...yz,cut(m,n),...,yz,cut(m,N)]T (9)
Ym,r,cut＝[yr,cut(m,1),yr,cut(m,2),...yr,cut(m,n),...,yr,cut(m,N)]T (10)
Ym,z,cut、Ym,r,cut分别表示截取后直波信号与回波信号第m个脉冲重复周期数据，yz,cut(m,n)、yr,cut(m,n)分别表示截取后直波信号与回波信号第m个脉冲重复周期内第n点数据，M表示信号脉冲重复周期的个数，N表示每个脉冲重复周期信号的采样点数。
步骤4、结合图4所示，将步骤3截取后的直波信号Yz,cut与截取后的回波信号Yr,cut分别进行数据重排得到直波信号与回波信号重排后二维数据矩阵。
结合图4所示，Ym,cut表示截取后直波信号、回波信号第m个脉冲重复周期数据，ycut(m,n)表示截取后直波信号、回波信号中第m个脉冲重复周期内第n点数据，Xn表示数据重排后第n列数据。将截取后的信号第m个脉冲重复周期的N点数据Ym,cut组成二维数据的第m行，每个脉冲重复周期数据的第n点组成二维数据的第n列，得到M×N的二维数据矩阵。其中：
Xz＝[X1,z,X2,z,...Xn,z,...,XN,z]T (11)
Xr＝[X1,r,X2,r,...Xn,r,...,XN,r]T (12)
Xz和Xr表示重排后的直波信号与回波信号，其中，Xn,z,Xn,r分别表示直波信号与回波信号第n个距离单元数据，具体为：
Xn,z＝[yz,cut(1,n),yz,cut(2,n),...yz,cut(m,n),...,yz,cut(M,n)]T (13)
Xn,r＝[yr,cut(1,n),yr,cut(2,n),...yr,cut(m,n),...,yr,cut(M,n)]T (14)
步骤5、结合图2所示，对步骤4得到的重排后的直波信号Xz与回波信号Xr分别做动目标检测处理，得到直波距离-多普勒二维结果Fz和回波距离-多普勒二维结果Fr，其中Fz＝[F1,z,F2,z,...Fn,z,...,FN,z]T，Fr＝[F1,r,F2,r,...Fn,r,...,FN,r]T，Fn,z,Fn,r分别表示第n个距离单元直波动目标检测结果和回波动目标检测结果，即
Fn,z＝FFT(Xn,z)＝FFT([yz,cut(1,n),yz,cut(2,n),...yz,cut(m,n),...,yz,cut(M,n)]T)(15)
Fn,r＝FFT(Xn,r)＝FFT([yr,cut(1,n),yr,cut(2,n),...yr,cut(m,n),...,yr,cut(M,n)]T)(16)
步骤6、分别对直波距离-多普勒二维结果Fz，回波距离-多普勒二维结果Fr进行恒虚警检测，判断直波信号和回波信号中是否存在有用信号，若有，记录直波信号中信号所在的距离单元NR,z以及多普勒单元NV,z，回波信号中信号所在的距离单元NR,r以及多普勒单元NV,r，进行步骤7；若无，本次处理终止。
步骤7、根据直波信号和回波信号中信号所在的距离单元取值差值NR,r-NR,z得到需要测量的距离信息R，具体为：
Figure GDA0003198453960000061
其中，R表示需要测量的距离信息，ΔR表示距离门间隔，c表示光速，Tr表示脉冲重复周期，NR,z为直波信号中信号所在的距离单元，NR,r为回波信号中信号所在的距离单元；
根据回波信号中信号的多普勒单元取值NV,r和直波信号中信号的多普勒单元取值NV,z以及多普勒分辨率Δfd得到回波信号中信号的多普勒频率fdr和直波信号中信号的多普勒频率fdz，其中fdr＝NV,r×Δfd，fdz＝NV,z×Δfd。
步骤8、根据发射信号的波长λ、回波信号中信号的多普勒频、直波信号中信号的多普勒频差得到需要测量的速度信息V，得到目标的运动信息。需要测量的速度信息V具体为：
V＝(NV,r-NV,z)×Δfd×λ (18)
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
本实施例对线性调频脉冲半主动雷达导引头进行中频回波与信号处理建模仿真。建模假设导弹与目标分别沿弹目连线运动，建模的坐标系如图1所示，仿真参数如表1：
表1仿真参数
Figure GDA0003198453960000071
按照图2处理流程，仿真得到步骤2中直波信号与回波信号脉冲压缩结果，产生的时间同步脉冲信号与其时序关系如图3所示。然后对脉冲压缩后的直波信号与回波分别进行截取，截取后结果如图5所示，其中幅度大的是直波信号，幅度小的是回波信号。将截取后直波与回波脉冲压缩结果进行动目标检测处理，得到的结果如图6和图7所示，得到的峰值用(x,y)表示分别为：直波(24125,32)，回波(1824,102)。
由仿真参数，可以得到最大不模糊距离Ruamb＝cTr＝153600m，距离门间隔ΔR＝c/fs＝6m。最大不模糊多普勒频率为fuamb＝1/Tr＝1.953kHz，多普勒分辨率Δfd＝1/(128×Tr)＝15.2Hz。以时间同步脉冲起始为基准，求得回波与直波中信号延时对应的距离差R＝(1824-24125)×ΔR+cTr＝19794m；由动目标检测结果得到回波与直波中信号模糊多普勒频率分别为
f'dr＝102×Δfd＝1550.4Hz
f'dz＝(32-128)×Δfd＝-1459.2Hz
模糊单元数
Figure GDA0003198453960000081
可以根据真实目标的多普勒频率fd和最大不模糊多普勒fuamb求得(注：fix(x)表示x向靠近零取整)。由仿真参数求得回波模糊单元数35，直波模糊单元数为-24，所以由动目标检测结果得到的回波多普勒频率为fdr＝35×fuamb+f'dr＝69.905kHz，直波多普勒频率为fdz＝-24×fuamb+f'dz＝-48.331kHz。
仿真结果对比如表2所示：
表2仿真结果对比
Figure GDA0003198453960000082
从仿真结果来看，距离测量误差为6m，不超过一个距离门间隔；多普勒频率测量误差为16Hz，接近一个多普勒分辨率；测量结果表明本发明的信号处理算法能够正确有效的测距与测速。

Claims (7)

1.一种线性调频脉冲半主动雷达导引头信号处理方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1、分别对雷达导引头接收的直波信号、回波信号进行AD采样以及正交数字下变频处理，得到处理后的直波信号和回波信号；
步骤2、根据发射信号波形参数确定脉冲压缩的滤波器h MF ，对处理后的直波信号和回波信号分别进行脉冲压缩，得到脉冲压缩后的直波信号和回波信号；
步骤3、对步骤2得到的脉冲压缩后的直波信号和回波信号截取，得到截取后的直波信号和回波信号；
步骤4、将步骤3截取后的直波信号和截取后的回波信号分别进行数据重排得到直波信号重排后二维数据矩阵与回波信号重排后二维数据矩阵；
步骤5、对步骤4得到的重排后的直波信号与回波信号分别做动目标检测处理，得到直波距离-多普勒二维结果和回波距离-多普勒二维结果；
步骤6、分别对直波距离-多普勒二维结果和回波距离-多普勒二维结果进行恒虚警检测，判断直波信号和回波信号中是否存在有用信号，若有，记录直波信号中信号所在的距离单元以及多普勒单元，回波信号中信号所在的距离单元以及多普勒单元，进行步骤7；若无，本次处理终止；
步骤7、根据直波信号和回波信号中信号所在的距离单元取值差值得到需要测量的距离信息；根据直波信号中信号的多普勒单元取值和回波信号中信号的多普勒单元取值以及多普勒分辨率得到直波信号中信号的多普勒频率和回波信号中信号的多普勒频率；其中：根据直波信号和回波信号中信号所在的距离单元取值差值得到需要测量的距离信息，具体为：
Figure 960002DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 784739DEST_PATH_IMAGE002
表示需要测量的距离信息，
Figure 310529DEST_PATH_IMAGE003
表示距离门间隔，
Figure 234623DEST_PATH_IMAGE004
表示光速，
Figure 462342DEST_PATH_IMAGE005
表示脉冲重复周期，
Figure 762873DEST_PATH_IMAGE006
为直波信号中信号所在的距离单元，
Figure 408749DEST_PATH_IMAGE007
为回波信号中信号所在的距离单元；
步骤8、根据发射信号的波长、回波信号中信号的多普勒频率与直波信号中信号的多普勒频率差值得到需要测量的速度信息。
2.根据权利要求1所述的线性调频脉冲半主动雷达导引头信号处理方法，其特征在于，步骤1中处理后的直波信号和回波信号具体为：
Figure 503744DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 422022DEST_PATH_IMAGE009
表示处理后的直波信号，
Figure 57402DEST_PATH_IMAGE010
表示处理后的回波信号，
Figure 557785DEST_PATH_IMAGE011
表示正交数字下变频后的第
Figure 151577DEST_PATH_IMAGE012
点直波时域数据，
Figure 229255DEST_PATH_IMAGE013
表示正交数字下变频后的第
Figure 481376DEST_PATH_IMAGE012
点回波时域数据，
Figure 960899DEST_PATH_IMAGE014
表示采样点数。
3.根据权利要求1所述的线性调频脉冲半主动雷达导引头信号处理方法，其特征在于，步骤2中根据发射信号波形参数确定脉冲压缩的滤波器h MF ，对处理后的直波信号和回波信号分别进行脉冲压缩，具体步骤为：
步骤2-1、由发射线性调频脉冲的脉宽
Figure 787909DEST_PATH_IMAGE015
和AD采样率
Figure 352883DEST_PATH_IMAGE016
确定滤波器h MF 的长度
Figure 408695DEST_PATH_IMAGE017
，滤波器h MF 的长度
Figure 742724DEST_PATH_IMAGE017
为：
Figure 475057DEST_PATH_IMAGE018
滤波器的系数为：
Figure 261747DEST_PATH_IMAGE019
其中
Figure 386829DEST_PATH_IMAGE020
表示滤波器第
Figure 903261DEST_PATH_IMAGE021
点取值；
步骤2-2、将直波信号、回波信号分别与滤波器卷积得到脉冲压缩后的直波信号和回波信号，其中，脉冲压缩后的直波信号
Figure 947440DEST_PATH_IMAGE022
为：
Figure 565635DEST_PATH_IMAGE023
脉冲压缩后的回波信号
Figure 212517DEST_PATH_IMAGE024
为：
Figure 786717DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 611585DEST_PATH_IMAGE026
表示直波信号脉冲压缩后的第
Figure 966343DEST_PATH_IMAGE012
点数据，
Figure 26703DEST_PATH_IMAGE027
表示回波信号脉冲压缩后的第
Figure 53478DEST_PATH_IMAGE012
点数据。
4.根据权利要求1所述的线性调频脉冲半主动雷达导引头信号处理方法，其特征在于，步骤3中对步骤2得到的脉冲压缩后的直波信号和回波信号截取，得到截取后的直波信号和回波信号，具体步骤为：
步骤3-1、设计一个时间同步脉冲信号，该时间同步脉冲信号的重复周期与发射波形的脉冲重复周期相同，重复周期数量与发射波形中包含的脉冲重复周期数量相同；
步骤3-2、以设计时间同步脉冲信号的开始时刻作为直波信号与回波信号的开始时刻，将脉冲压缩后的直波信号与回波信号从开始时刻起每N点的数据作为一个脉冲重复周期内数据，得到截取后的直波信号
Figure 439460DEST_PATH_IMAGE028
、回波信号
Figure 484777DEST_PATH_IMAGE029
，具体为：
Figure 473461DEST_PATH_IMAGE030
(7)
Figure 835304DEST_PATH_IMAGE031
(8)
其中，
Figure 392187DEST_PATH_IMAGE032
Figure 455958DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 999066DEST_PATH_IMAGE034
分别表示截取后直波信号与回波信号第
Figure 136786DEST_PATH_IMAGE035
个脉冲重复周期数据，
Figure 723625DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 946796DEST_PATH_IMAGE037
分别表示截取后直波信号与回波信号第
Figure 949387DEST_PATH_IMAGE035
个脉冲重复周期内第
Figure 816980DEST_PATH_IMAGE038
点数据，M表示信号脉冲重复周期的个数，N表示每个脉冲重复周期信号的采样点数。
5.根据权利要求1所述的线性调频脉冲半主动雷达导引头信号处理方法，其特征在于，步骤4中将步骤3截取后的直波信号和截取后的回波信号分别进行数据重排，具体方法为：
分别将截取后的直波信号与回波信号第m个脉冲重复周期的N点数据
Figure 715666DEST_PATH_IMAGE033
Figure 550767DEST_PATH_IMAGE034
组成二维数据的第m行，每个脉冲重复周期数据的第n点组成二维数据的第n列，得到直波信号与回波信号M×N的二维数据矩阵，具体为：
Figure 29153DEST_PATH_IMAGE039
Figure 282411DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 86419DEST_PATH_IMAGE041
分别表示重排后的直波信号二维数据矩阵与回波信号二维数据矩阵，其中，
Figure 408816DEST_PATH_IMAGE042
分别表示直波信号与回波信号第
Figure 956472DEST_PATH_IMAGE043
个距离单元数据，具体为：
Figure 798657DEST_PATH_IMAGE044
Figure 367041DEST_PATH_IMAGE045
。
6.根据权利要求1所述的线性调频脉冲半主动雷达导引头信号处理方法，其特征在于，步骤7中回波信号中信号的多普勒频率和直波信号中信号的多普勒频率分别为：
Figure 52101DEST_PATH_IMAGE046
Figure 278814DEST_PATH_IMAGE047
其中，
Figure 834560DEST_PATH_IMAGE048
表示回波信号中信号的多普勒单元，
Figure 370584DEST_PATH_IMAGE049
表示直波信号中信号的多普勒单元，
Figure 277360DEST_PATH_IMAGE050
表示多普勒分辨率，
Figure 42185DEST_PATH_IMAGE051
表示回波信号中信号的多普勒频率，
Figure 983596DEST_PATH_IMAGE052
表示直波信号中信号的多普勒频率。
7.根据权利要求1所述的线性调频脉冲半主动雷达导引头信号处理方法，其特征在于，步骤8中需要测量的速度信息V具体为：
Figure 956100DEST_PATH_IMAGE053
其中，
Figure 428801DEST_PATH_IMAGE048
表示回波信号中信号的多普勒单元，
Figure 121950DEST_PATH_IMAGE049
表示直波信号中信号的多普勒单元，
Figure 449026DEST_PATH_IMAGE050
表示多普勒分辨率，
Figure 326852DEST_PATH_IMAGE054
表示发射信号的波长。
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