CN108646240A - 一种高分辨全极化昆虫雷达探测系统及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高分辨全极化昆虫雷达探测系统，能够得到昆虫朝向信息以及高分辨距离信息。本发明的昆虫雷达测量系统利用步进频实现窄脉冲高分辨，利用正交相位编码实现窄脉冲全极化高隔离度，且编码依赖于步进频的体制。利用步进频合成宽带获取昆虫的高分辨距离像(距离分辨率优于0.2m)，以获取迁飞昆虫的精确距离信息用于定位和统计；通过全极化实时获取昆虫朝向信息以分析昆虫的空中定向机制，能够解决现有昆虫雷达体朝向和空中密度测量性能不足的问题，为迁飞昆虫观测提供技术支持。

Description

一种高分辨全极化昆虫雷达探测系统及其探测方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种高分辨(距离分辨率优于0.2m)全极化昆虫雷达探测系统及其探测方法。

背景技术

现有技术的昆虫雷达可以实现对多种对农业意义重大的迁飞昆虫的检测，但存在诸多不足。首先，现有昆虫雷达分辨率很低，距离分辨单元大都在几十米的量级，与昆虫的密度分布间隔相当，当两只昆虫落入同一个距离分辨单元时，现有昆虫雷达无法进行分辨，因此很难保证对昆虫数目的正确统计，更难以精确定位。如果不考虑全极化的系统设计要求，一般采取调频步进频的体制，通过在一个处理周期内连续发射多个中心频率不同的窄带脉冲，并对一个处理周期内的回波脉冲信号进行合成处理以在合理的硬件实现代价内实现距离高分辨，但窄脉冲高分辨雷达无法获取昆虫的全极化雷达散射截面(RCS)测量，因此无法测量昆虫的头朝向，在分析昆虫定向机制及利用极化信息进行种类鉴别方面存在严重不足。

现有的昆虫雷达虽然可以通过旋转天线获得全极化RCS测量，但数据率很低，实时性较差。此外，现有全极化雷达多数为利用分时发射实现不同通道间的极化隔离，只是实现分时全极化。少数能实现同时全极化的雷达是利用不同通道发射调频率为不同的(正或负)线性调频脉冲信号以实现不同通道间极化隔离。利用正负调频的正交波形设计方式所能实现的极化隔离度取决于发射线性调频脉冲信号的时宽带宽积。对昆虫雷达，其要求探测盲距和最大不模糊距离都很近，因此昆虫雷达的脉冲宽度非常窄且脉冲重复频率较高。为降低数据采集存储及波形发生的压力，昆虫雷达单个脉冲的带宽也要相应减小，这样不仅造成时宽带宽积相应减小，极化隔离度不足；也导致距离分辨率降低。

虽然调频步进频雷达的工作体制可以改善合成信号带宽，但合成宽带并不会导致单个脉冲时宽带宽积的改变，正负调频体制所带来的全极化隔离度性能完全取决于单个脉冲时宽带宽积，因此基于调频步进频体制的高分辨昆虫雷达存在全极化隔离度的问题。由此可见，传统高分辨全极化雷达所采用的单个宽带宽脉冲和正负调频的发射波形体制并不适用于实现昆虫雷达的高分辨全极化功能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高分辨全极化昆虫雷达探测系统及其探测方法，能够得到昆虫朝向信息以及高分辨距离信息。

本发明的高分辨全极化昆虫雷达探测系统，所述全极化雷达的发射体制为步进频工作体制，其中雷达发射的脉冲信号为相位编码信号，所述编码信号的编码周期为一个步进频周期，不同通道之间的相位编码信号相互正交。

其中，所述相位编码信号为四相编码信号。

其中，所述相位编码信号中，编码码元的相位为等差数列分布。

其中，采用遗传算法对不同通道的相位编码信号进行优化，使得不同通道的相位编码信号的相关峰值最小。

其中，所述不同通道的脉冲信号的发射调频率符号不同。

其中，所述全极化雷达不同通道同时发射脉冲信号。

其中，本发明的高分辨全极化昆虫雷达探测系统包括：天线模块、伺服模块、射频模块、数字模块和上位机模块；

伺服模块根据上位机发送的系统配置参数控制天线模块的指向；

所述天线模块采用双极化天线，天线馈源为双端口配置，分别接收射频模块水平H路和垂直V路的射频信号，将射频信号辐射到昆虫目标所在的空中；接收昆虫目标散射的射频回波信号，并将射频回波信号发送到射频模块；

射频模块采用两路发射+两路接收的方式，信号通道分为H路通道和V路通道，两路通道分别接收数字模块发出的中频发射信号，将中频发射信号调制至射频载波得到射频信号分别输送给天线馈源的两个端口；同时H路通道和V路通道两路通道分别接收天线发送的两路射频回波信号，进行功率放大后分别输送给数字模块；

所述数字模块采用调频步进频的体制，并根据上位机模块配置的参数对不同通道的步进频发射脉冲分别编码，同时生成对应通道的中频发射信号，分别输送给射频模块的水平H路和垂直V路通道；所述数字模块还用于接收两个通道的射频回波信号并进行解码，得到两个通道的极化一维距离像数据并上传至上位机模块；

上位机模块用于对不同极化通道进行相应参数配置、系统工作状态显示、预处理结果显示和数据后处理。

本发明还提供了一种高分辨全极化昆虫雷达探测系统的探测方法，采用本发明的高分辨全极化昆虫雷达探测系统，对昆虫进行探测，包括以下步骤：

步骤S1，在上位机模块中设定天线模块指向角度和信号波形参数，配置给数字模块，再由数字模块配置给射频模块和伺服模块；

步骤S2，伺服模块根据输入参数将天线模块指向某个特定角度；

步骤S3，由数字模块根据配置参数按调频步进频信号的方式生成中心频率步进的中频发射信号，输送给射频模块；

步骤S4，由射频模块将中频发射信号功率放大，调制至射频载波，进而输送给天线模块；

步骤S5，天线模块将射频信号辐射到自由空间中，并接收空间中昆虫目标散射的射频回波信号，输送给射频模块；

步骤S6，射频模块对射频回波信号进行功率放大，输送给数字模块；

步骤S7，数字模块接收射频模块发送的射频回波信号并将一个周期的接收信号按调频步进频信号的处理方式进行处理，合成高分辨的一维目标距离像，并进行存储；

步骤S8，上位机模块接收数字模块预处理的数据进行显示，同时对预处理数据进行后处理操作，提取昆虫的全极化散射强度、斜距和角度。

有益效果：

本发明的昆虫雷达测量系统利用步进频实现窄脉冲高分辨，利用正交相位编码实现窄脉冲全极化高隔离度，且编码依赖于步进频的体制。利用步进频合成宽带获取昆虫的高分辨距离像(距离分辨率优于0.2m)，以获取迁飞昆虫的精确距离信息用于定位和统计；通过全极化实时获取昆虫朝向信息以分析昆虫的空中定向机制，能够解决现有昆虫雷达体朝向和空中密度测量性能不足的问题，为迁飞昆虫观测提供技术支持。

本发明的正交编码采用四相编码，利用四相编码实现窄脉冲全极化高隔离度，降低了正交相位码设计过程的复杂度。

本发明在正交相位编码的基础上，对调频率的符号进行编码，提高了极化隔离程度。

本发明雷达系统可以控制不同通道的发射脉冲信号同时发射，能够实现同时全极化，提高了探测效率。

本发明的射频模块采用两路发射+两路接收的方式，能够采用同时全极化或分时全极化的工作模式，H路和V路通道都接功率放大器，保证了系统的探测威力，对昆虫实现快速的、高分辨、全极化的实时探测，为迁飞昆虫的精确密度统计和全极化信息提取提供技术支持。

附图说明

图1为高分辨全极化雷达系统示意图。

图2为本发明中伺服模块结构示意图。

图3为本发明中射频模块的结构组成示意图。

图4为本发明中数字模块的结构组成示意图。

图5为本发明中同时全极化信号波形的示意图。

图6为分时全极化信号波形的示意图。

图7为个体适应度函数随进化代数的变化曲线。

图8为最优设计码自相关与互相关结果比较示意图。

图9为正负调频脉压比较图，图9(a)为自相关脉压结果，图9(b)为互相关脉压结果。

图10为同时全极化一维距离像仿真结果，(a)HH路数据；(b)VV路数据；(c)HV路数据；(d)VH路数据。

图11为分时全极化一维距离像仿真结果，(a)HH路数据；(b)VV路数据；(c)HV路数据；(d)VH路数据。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种高分辨全极化昆虫雷达探测系统，基于对水平极化(H)通道和垂直极化(V)通道的调频步进频发射脉冲信号序列分别进行数字编码实现全极化测量，即通过将步进频工作体制的雷达不同通道的发射脉冲信号进行正交相位编码，编码/解码周期为一个步进频周期，实现了昆虫朝向信息以及高分辨距离信息的探测。

为降低正交相位码设计过程的复杂度，在实现极化隔离的前提下，正交编码可以采用四相编码，对两组长度为N的相位码序列，其每个码的相位都固定在四个数值中，利用四相编码实现窄脉冲全极化高隔离度。

为实现更好的全极化，可以进一步地基于对步进频脉冲序列正交相位编码加正负调频的方法实现同时全极化RCS测量。

本发明雷达系统可以控制不同通道的发射脉冲信号同时发射，提高探测效率。

对正交编码可以进行如下设置，进一步优化全极化效果，实现对昆虫朝向的准确测量：1)步进频周期内的发射脉冲编码不完全相同；2)不同通道的发射脉冲信号对应的相位码可以实现解码处理时的正交相关处理效果最优(即极化隔离度最优)。

为实现全极化，雷达工作模式设计分为两种，同时全极化和分时全极化。

1.对同时全极化，数字模块通过正交相位编码加正负调频的方法实现H通道和V通道的同时发射与同时接收。雷达采用调频步进频波形，对同时全极化发射接收，为提高通道间隔离度，在单个脉冲内按通道不同使用正调频或负调频，在脉间使用相位编码，如图5。

假设两路通道使用的波形码分别为H码和V码，在编码时分别将码的不同元素作为相位调制依次加在一个频率步进周期的中频发射信号上。为保证数字极化隔离的要求，设计准则为当两组码互相关处理时得到相关值的峰值最小，即使用V码构造参考信号，对使用H码构造的回波信号进行正交相关处理，以获得一维距离像时，两组码的相关峰值最小。

为降低正交相位码设计过程的复杂度，对两组长度为N的相位码序列，其每个码的相位都固定在a0、a1、a2、a3四个数值中。为提高不同码序列的正交性，将相位分布设计为均匀离散的形式，即a0与a1、a1与a2、a2与a3、a3与a0的相位差都为π/2。不失一般性的，可以设计a0＝0，a1＝π/2，a2＝π，a3＝3π/2。

采用遗传算法实现编码的最优化设计，遗传算法中优化的适应度函数设为相关处理的峰值的倒数。对设计码长40，初始种群数200，进化代数1000，得到个体适应度函数随进化代数的变化曲线如图7所示，由遗传算法适应度函数的优化曲线中可以看出适应度函数基本收敛，说明达到最优化效果。

设计的码自相关和互相关的结果如图8所示，为最优设计码自相关与互相关结果比较：两者峰值差约4.07倍，对功率约12.2dB，满足数字极化隔离的需求。

设计给出的码长为40时最优H码和V码的相位为：

H码：

V码:

其中，a0,a1,a2,a3分别代表

正负调频处理对提高数字极化隔离度的原理与正交编码类似，即当使用与回波信号相同调频方式的参考信号对回波信号进行脉压处理时，其相关性最好，可以得到明显峰值，而使用与回波调频方式不同的参考信号对回波信号进行互相关脉压处理时，相关性较差，得到的回波脉压结果发散。仿真设定脉宽1us，跳频间隔20MHz，子带带宽50MHz，采样率150MHz，目标位置40m。给出本通道和交叉通道的二维距离脉压结果如图9(a)所示，显示自相关脉压结果。由图9(a)可以看出正负调频带来的峰值功率差(隔离度)约为17.3dB，满足数字极化隔离的需求；图9(b)所示为正负调频脉压比较的互相关脉压结果。

基于上述设计原则和设计结论。在对编码波形进行处理时，首先按照脉内调频形式和编码方式分别构造两种参考信号，与两个通道中每个脉冲周期的回波数据分别进行脉冲压缩操作，进而将处理得到的子带一维距离像按调频步进频信号的处理方式合成高分辨一维距离像。共得到四路数据，其中：

H通道接收且按H码构造参考信号进行处理的数据为HH极化数据；

H通道接收且按V码构造参考信号进行处理的数据为VH极化数据；

V通道接收且按H码构造参考信号进行处理的数据为HV极化数据；

V通道接收且按V码构造参考信号进行处理的数据为VV极化数据。

2.对分时全极化，数字模块在不同时刻依次发射H通道波形或V通道波形，即特定时刻只发射H通道波形或只发射V通道波形，两种波形都为正调频且无编码，如图6所示。处理时按一般步进频信号的处理方式处理，也得到四路数据，其中：

H通道发射且H通道接收的数据为HH极化数据；

H通道发射且V通道接收的数据为HV极化数据；

V通道发射且H通道接收的数据为VH极化数据；

V通道发射且V通道接收的数据为VV极化数据。

HH、HV、VH、VV四路极化数据中包含了昆虫目标的全极化散射信息，可以用于提取昆虫全极化散射矩阵。

由此可见，传统全极化雷达的正负调频可以等效为对调频率的符号进行编码，而本发明提出的编码方式则为对步进频发射周期内不同脉冲的相位进行编码。此外传统全极化雷达为在正负调频的基础上进一步提高极化隔离度，其考虑将不同周期的信号进行二相编码，即对不同周期信号乘以﹢1(不变)或-1(符号翻转)。这种±1的编码方式在解码时，需要对脉冲压缩的得到一维距离像序列进行后处理，因此同通道码相关处理时等效于多个一维距离像相参叠加；正交通道码相关时等效于多个一维距离像相参抵消，其解码处理周期也为多个一维距离像的处理周期之和。而本发明提出的编码方式对应是在合成一维距离像的过程中进行解码处理操作，同通道码相关处理时等效于相位正常的步进频合成宽带；正交通道码相关时等效于相位紊乱的步进频合成宽带，其解码处理周期也为单个一维距离像的处理周期。综上，本发明提出的正交编码方式与传统雷达的正负调频、±1编码存在显著不同，是应用于步进频工作体制和步进频信号处理方式中的一种特殊正交编码方式。

本发明的一种高分辨全极化昆虫雷达测量系统如图1所示，包括：抛物面天线模块1、伺服控制模块2、射频模块3、数字模块4和上位机模块5；

抛物面天线模块1用于发射探测昆虫的射频信号并接收昆虫散射的射频信号；抛物面天线模块1使用双极化天线，天线馈源为双端口配置，分别负责水平H路射频信号的发射接收和垂直V路射频信号的发射接收，分别接收射频模块3水平H路和垂直V路的射频信号，将射频信号辐射到昆虫目标所在的空中；接收昆虫目标散射的射频回波信号，并将射频回波信号发送到射频模块3，实现全极化测量；

伺服控制模块2包括伺服控制芯片和二维转台，二维转台上安装有负载和天线罩，所述负载通过二维转台一起运动，负载包括抛物面天线模块1、射频模块3和数字模块4，二维转台与抛物面天线模块1连接，图2为二维转台连接抛物面天线模块1三维结构示意图，数字模块4与二维转台连接，射频模块3和数字模块4连接，伺服控制模块2完成负载的二维指向调整功能；天线罩起到保护作用且方便拆卸。

射频模块3工作于Ku波段；为保证对昆虫全极化的正确测量，需要雷达的波长大于昆虫体长，并且工作于高频，保证足够高带宽(1GHz以上)，因此折中考虑选择Ku波段作为系统载频工作波段，传统昆虫雷达无此波段；射频模块3跳频本振的频率具有和带宽一致的可控范围，通过数字模块控制实现跳频本振的频率步进，实现高分辨频率步进信号的发射。

如图3所示，射频模块3采用两路发射+两路接收的方式，信号通道分为H路通道和V路通道，两路通道分别接收数字模块发出的中频发射信号，并分别输送给天线的两个接口；同时H路通道和V路通道两路通道分别接收天线接收的两路回波信号，进行放大处理后分别输送给数字模块4。H路和V路通道都接功率放大器，以保证系统的探测威力，具体发射控制由数字模块实现。

特别的，射频模块3的两路发射+两路接收使用同一套本振保证两路发射之间的相参性，保证全极化不同通道信号相位相参，满足根据极化通道信息正确提取极化散射矩阵的必要条件。射频模块用于实现以下功能：(1)对数字模块输入的中频发射信号进行上变频和功率放大；(2)对回波信号进行放大；(3)提供变频所需的固定本振、跳频本振，提供参考时钟给字分机；

数字模块4如图4所示，其中AD表示模数转换单元，DA表示数模转换单元，DSP表示数字信号处理单元。数字模块完成昆虫雷达系统的参数配置、多通道回波数据采集与存储、射频分机控制、回波信号预处理、雷达工作状态监测和天线工作状态监测；为实现全极化测量，数字模块4有两组信号产生/数据采集单元，并在数字模块4中实现对信号波形的编码调制。考虑到对昆虫雷达，由于探测距离较近，因此较高的脉冲重复周期(PRF)导致数据率较高，同时宽带步进频信号的高采样率和全极化多路通道采集都导致采集数据量巨大，一般存储/传输系统难以承受。因此选择在数字模块DSP中对采集回波进行合成高分辨成像预处理，进而对提取的目标高分辨一维距离像数据进行存储，这样可以大大降低数字模块存储和传输的压力。

上位机模块5，负责参数配置、系统工作状态显示、预处理结果显示和数据后处理；

本发明的高分辨全极化雷达系统对昆虫的探测方法，包括以下步骤：

S1：在上位机模块5中设定天线1指向角度和信号波形参数，配置给数字模块4，再由数字模块4配置给射频模块3和伺服模块2；

S2：伺服模块2根据输入参数将天线1指向某个特定角度；

S3：由数字模块4根据配置参数生成中频发射信号，输送给射频模块3；

S4：由射频模块3将中频发射信号功率放大，调制至射频载波，进而输送给天线1；

S5：天线1将射频信号辐射到自由空间中，并接收空间中昆虫目标散射的射频回波信号，输送给射频模块3；

S6：射频模块3对回波信号进行射频接收和功率放大，输送给数字模块4；

S7：数字模块4对接收信号进行数字采样和预处理，生成一维距离像信号，并进行存储；

S8：上位机5接收数字模块4预处理的数据进行显示，同时对预处理数据进行后处理操作，提取昆虫的全极化散射强度、斜距和角度。

为实现高分辨，其中S4中射频模块按步进频信号的方式生成中心频率步进的射频信号，依次发射，S6中射频模块将一个周期的接收信号按步进频信号的处理方式进行接收混频处理，并在S7中由数字模块合成距离像高分辨的一维目标距离像。

天线为双极化天线，天线馈源为双端口配置，分别负责水平H路射频信号的发射接收和垂直V路射频信号的发射接收；射频模块包括水平H路和垂直V路两个通道，分别发射/接收两个通道的极化信息，实现极化特性的物理隔离；数字模块对不同极化通道分别生成带有不同正交相位码和调频率符号(正或负)的中频发射信号，分别输送给射频模块的不同通道，并对两个通道的接收极化数据分别进行处理，提取不同极化的一维距离像数据，实现极化特性数字隔离。

实验验证：按表1中的参数仿真目标接收回波并进行处理。

表1昆虫雷达仿真参数

参数	值	参数	值
				子脉冲时宽	1us	子脉冲采样点数	2048
起始采样距离	32.5m	仿真目标斜距	93.9m
				子脉冲带宽	50MHz	子脉冲采样率	160MHz
子脉冲步进频率	20MHz	子脉冲数目	40

图10给出了分时全极化时的仿真四路一维距离像；图11给出了同时全极化时的思路一维距离像。根据调频步进频信号理论，仿真合成带宽为800MHz，合成距离分辨率为0.1875m，与仿真结果基本一致，验证了系统的高分辨能力。同时思路数据目标尖峰的位置都与设定值一致，验证了全极化的测量能力。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高分辨全极化昆虫雷达探测系统，其特征在于，所述全极化雷达的发射体制为步进频工作体制，其中雷达发射的脉冲信号为相位编码信号，所述编码信号的编码周期为一个步进频周期，不同通道之间的相位编码信号相互正交。

2.如权利要求1所述的一种高分辨全极化昆虫雷达探测系统，其特征在于，所述相位编码信号为四相编码信号。

3.如权利要求1或2所述的一种高分辨全极化昆虫雷达探测系统，其特征在于，所述相位编码信号中，编码码元的相位为等差数列分布。

4.如权利要求3所述的一种高分辨全极化昆虫雷达探测系统，其特征在于，采用遗传算法对不同通道的相位编码信号进行优化，使得不同通道的相位编码信号的相关峰值最小。

5.如权利要求1所述的一种高分辨全极化昆虫雷达探测系统，其特征在于，所述不同通道的脉冲信号的发射调频率符号不同。

6.如权利要求1所述的一种高分辨全极化昆虫雷达探测系统，其特征在于，所述全极化雷达不同通道同时发射脉冲信号。

7.如权利要求1-6所述的一种高分辨全极化昆虫雷达探测系统，其特征在于，包括：天线模块(1)、伺服模块(2)、射频模块(3)、数字模块(4)和上位机模块(5)；

伺服模块(2)根据上位机发送的系统配置参数控制天线模块(1)的指向；

所述天线模块(1)采用双极化天线，天线馈源为双端口配置，分别接收射频模块(3)水平H路和垂直V路的射频信号，将射频信号辐射到昆虫目标所在的空中；接收昆虫目标散射的射频回波信号，并将射频回波信号发送到射频模块(3)；

射频模块(3)采用两路发射+两路接收的方式，信号通道分为H路通道和V路通道，两路通道分别接收数字模块(4)发出的中频发射信号，将中频发射信号调制至射频载波得到射频信号分别输送给天线馈源的两个端口；同时H路通道和V路通道两路通道分别接收天线发送的两路射频回波信号，进行功率放大后分别输送给数字模块(4)；

所述数字模块(4)采用调频步进频的体制，并根据上位机模块(5)配置的参数对不同通道的步进频发射脉冲分别编码，同时生成对应通道的中频发射信号，分别输送给射频模块(3)的水平H路和垂直V路通道；所述数字模块(4)还用于接收两个通道的射频回波信号并进行解码，得到两个通道的极化一维距离像数据并上传至上位机模块(5)；

上位机模块(5)用于对不同极化通道进行相应参数配置、系统工作状态显示、预处理结果显示和数据后处理。

8.一种高分辨全极化昆虫雷达探测系统的探测方法，其特征在于，采用如权利要求7所述的一种高分辨全极化昆虫雷达探测系统，对昆虫进行探测，包括以下步骤：

步骤S1，在上位机模块(5)中设定天线模块(1)指向角度和信号波形参数，配置给数字模块(4)，再由数字模块(4)配置给射频模块(3)和伺服模块(2)；

步骤S2，伺服模块(2)根据输入参数将天线模块(1)指向某个特定角度；

步骤S3，由数字模块(4)根据配置参数按调频步进频信号的方式生成中心频率步进的中频发射信号，输送给射频模块(3)；

步骤S4，由射频模块(3)将中频发射信号功率放大，调制至射频载波，进而输送给天线模块(1)；

步骤S5，天线模块(1)将射频信号辐射到自由空间中，并接收空间中昆虫目标散射的射频回波信号，输送给射频模块(3)；

步骤S6，射频模块(3)对射频回波信号进行功率放大，输送给数字模块(4)；

步骤S7，数字模块(4)接收射频模块(3)发送的射频回波信号并将一个周期的接收信号按调频步进频信号的处理方式进行处理，合成高分辨的一维目标距离像，并进行存储；

步骤S8，上位机模块(5)接收数字模块(4)预处理的数据进行显示，同时对预处理数据进行后处理操作，提取昆虫的全极化散射强度、斜距和角度。