CN109164440B - 一种多频雷达测距的方法 - Google Patents

一种多频雷达测距的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多频雷达测距的方法，雷达只需要发射三个不同频率的复正弦信号，这些复正弦波信号经目标反射后，三根接收天线分别接收回波信号，得到回波信号后，对其中一个回波信号进行去噪。对累加后的信号进行取模，估计出最大值位置，对应信号的到达时间，将信号到达时间换算为目标距离的粗估计值，进而得到目标的距离模糊数。根据三个接收信号的相位差，利用中国余数定理计算模糊的目标距离精估计值，结合距离模糊数，得到目标的高精度无模糊距离。相较于现有的雷达测距方法，本发明的雷达系统的复杂度低，测距精度高且不存在距离模糊。

Description

一种多频雷达测距的方法
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种多频雷达测距的方法。
背景技术
传统的多频连续波雷达通过发射多个不同载波频率的复正弦信号进行测距。通过设计不同载波频率之间的频率差，并利用中国余数定理，可以解决距离模糊的问题，对于远距离目标，为了避免距离模糊问题，需要增加发射信号的个数。
传统方法的缺点在于：第一、对于远距离目标，发射信号个数较多，增加了雷达系统复杂性；第二、较多的发射信号数量导致系统抗噪性能下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多频雷达测距的方法，其雷达系统的复杂度低，测距精度高且不存在距离模糊问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种多频雷达测距的方法，其包括以下步骤：
步骤1、假设存在一个目标，雷达发射的3个复正弦波信号分别为：si(t)＝exp(j2πfit)，i＝1,...,3，其中，fi为发射信号的频率，fi＝f0+Δfi，i＝1,...,3，其中，f0为基准频率，
Figure BDA0001818590380000021
Δf为最大差频，Γi为互质的整数；计算雷达的最大无模糊距离
Figure BDA0001818590380000022
其中，Rui＝MΓi，M＝gcd(Rui)，gcd(·)表示求最大公约数；
步骤2、计算目标距离模糊数的估计值；
步骤2.1、雷达发射的3个复正弦波连续信号si(t)经过目标反射后，3个接收天线分别接收回波信号，得到回波信号xi(t)，i＝1,...,3；
步骤2.2、对回波信号xi(t)进行频率估计，分别估计目标运动引起的多普勒频率
Figure BDA0001818590380000023
i＝1,...,3，构造补偿信号
Figure BDA0001818590380000024
与原信号相乘，得到
Figure BDA0001818590380000025
Figure BDA0001818590380000026
i＝1,...,3；
步骤2.3、对其中一路信号
Figure BDA0001818590380000027
进行去噪处理，得到去噪后的信号
Figure BDA0001818590380000028
对
Figure BDA0001818590380000029
进行相干累加，累加长度为发射信号长度；对累加后的信号进行取模找到最大值位置
Figure BDA00018185903800000210
换算成目标距离的粗估计值
Figure BDA00018185903800000211
其中，c为光速，Ts为采样间隔；
将目标距离的粗估计值
Figure BDA00018185903800000212
除以雷达的最大无模糊距离Ru并取整，得到距离模糊数的估计值
Figure BDA00018185903800000213
步骤3、计算模糊的目标距离精估计值；
对于
Figure BDA00018185903800000214
i＝1,...,3，利用中国余数定理计算出模糊的目标距离精估计值
Figure BDA00018185903800000215
步骤4、根据根据步骤2得到的目标距离模糊数的估计值和步骤3得到的模糊的目标距离精估计值，可以计算得到目标的高精度无模糊距离
Figure BDA0001818590380000031
所述步骤3中，所述目标距离精估计值
Figure BDA0001818590380000032
的计算如下：
定义Ra＝miRui+R0i，其中
Figure BDA0001818590380000033
表示基准频率接收信号的相位
Figure BDA0001818590380000034
与第i个频率接收信号的相位
Figure BDA0001818590380000035
之间的差值换算成的距离，定义
Figure BDA0001818590380000036
计算
Figure BDA0001818590380000037
设Si,1表示
Figure BDA0001818590380000038
中第一个分量
Figure BDA00018185903800000313
即
Figure BDA0001818590380000039
定义S＝S2,1∩S3,1，则S只包含唯一的元素m1；如果
Figure BDA00018185903800000310
则
Figure BDA00018185903800000311
i＝2，3；
最后，计算模糊的目标距离精估计值
Figure BDA00018185903800000312
采用上述方案后，采用本发明方法进行雷达测距时，雷达只需要发射三个不同频率的复正弦信号，这些复正弦波信号经目标反射后，三根接收天线分别接收回波信号，得到回波信号后，对其中一个回波信号进行去噪。对累加后的信号进行取模，估计出拐点位置，对应信号的到达时间，将信号到达时间换算为目标距离的粗估计值，进而得到目标的距离模糊数。根据三个接收信号的相位差，利用中国余数定理计算模糊的目标距离精估计值，结合距离模糊数，得到目标的高精度无模糊距离。相较于现有的雷达测距方法，该方法利用相干累加估计出目标的模糊数，优点有两个：第一，不需要额外增加发射信号的个数以扩展无模糊距离，雷达系统复杂度低；第二，可以选择较大的发射信号之间的频率差，提高测距精度。
附图说明
图1是本发明的工作流程图；
图2是本发明实施例的回波信号相干累加结果示意图；
图3是本发明实施例与传统方法测距精度的对比示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明揭示了一种多频雷达测距的方法，其具体包括以下步骤：
步骤1、假设存在一个目标，雷达发射的3个复正弦波信号分别为：si(t)＝exp(j2πfit)，i＝1,...,3，其中，fi为发射信号的频率，fi＝f0+Δfi，i＝1,...,3，其中，f0为基准频率，
Figure BDA0001818590380000041
Δf为最大差频，Γi为互质的整数；计算雷达的最大无模糊距离
Figure BDA0001818590380000042
其中，Rui＝MΓi，M＝gcd(Rui)，gcd(·)表示求最大公约数；
步骤2、计算目标距离模糊数的估计值；
步骤2.1、雷达发射的3个复正弦波连续信号si(t)经过目标反射后，3个接收天线分别接收回波信号，得到回波信号xi(t)，i＝1,...,N；
步骤2.2、对回波信号xi(t)进行频率估计，分别估计目标运动引起的多普勒频率
Figure BDA0001818590380000051
i＝1,...,3，构造补偿信号
Figure BDA0001818590380000052
与原信号相乘，得到
Figure BDA0001818590380000053
Figure BDA0001818590380000054
i＝1,...,3；
步骤2.3、对信号
Figure BDA0001818590380000055
进行去噪处理，得到去噪后的信号
Figure BDA0001818590380000056
对于
Figure BDA0001818590380000057
中一路信号进行相干累加，即信号的实部和虚部分别相加，累加长度为发射信号长度。对累加后的信号进行取模找到最大值位置
Figure BDA0001818590380000058
换算成目标距离的粗估计值
Figure BDA0001818590380000059
其中，c为光速，Ts为采样间隔。
将目标距离的粗估计值
Figure BDA00018185903800000510
除以雷达的最大无模糊距离Ru并取整，得到距离模糊数的估计值
Figure BDA00018185903800000511
步骤3、计算模糊的目标距离精估计值；
对于
Figure BDA00018185903800000512
i＝1,...,3，利用中国余数定理计算出模糊的目标距离精估计值
Figure BDA00018185903800000513
方法如下：定义Ra＝miRui+R0i，其中
Figure BDA00018185903800000514
表示基准频率接收信号的相位
Figure BDA00018185903800000515
与第i个频率接收信号的相位
Figure BDA00018185903800000516
之间的差值换算成的距离，定义
Figure BDA00018185903800000517
计算
Figure BDA00018185903800000518
设Si,1表示
Figure BDA00018185903800000519
中第一个分量
Figure BDA00018185903800000520
即，
Figure BDA00018185903800000521
定义S＝S2,1∩S3,1，S只包含唯一的元素m1。如果
Figure BDA00018185903800000522
则
Figure BDA00018185903800000523
i＝2,3。最后计算模糊的目标距离精估计值
Figure BDA0001818590380000061
步骤4、根据根据步骤2得到的目标距离模糊数的估计值和步骤3得到的模糊的目标距离精估计值，可以计算得到目标的高精度无模糊距离
Figure BDA0001818590380000062
如图2所示为本发明一具体实施例的三个不同频率复正弦信号的回波信号相干累加结果示意图，利用该信号进行雷达测距所得到的结果与传统的雷达测距方法进行比较，其比较结果如图3所示。从图3可知，本发明的雷达测距方法的测距精度要臂传统方法高。
以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种多频雷达测距的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1、假设存在一个目标，雷达发射的3个复正弦波信号分别为：si(t)＝exp(j2πfit)，i＝1,...,3，其中，fi为发射信号的频率，fi＝f0+Δfi，i＝1,...,3，其中，f0为基准频率，
Figure FDA0003081066190000011
Δf为最大差频，Γi为互质的整数；计算雷达的最大无模糊距离
Figure FDA0003081066190000012
其中，Rui＝MΓi，M＝gcd(Rui)，gcd(·)表示求最大公约数；
步骤2、计算目标距离模糊数的估计值；
步骤2.1、雷达发射的3个复正弦波连续信号si(t)经过目标反射后，3个接收天线分别接收回波信号，得到回波信号xi(t)，i＝1,...,3；
步骤2.2、对回波信号xi(t)进行频率估计，分别估计目标运动引起的多普勒频率
Figure FDA0003081066190000013
i＝1,...,3，构造补偿信号
Figure FDA0003081066190000014
与原信号相乘，得到
Figure FDA0003081066190000015
Figure FDA0003081066190000016
i＝1,...,3；
步骤2.3、对其中一路信号
Figure FDA0003081066190000017
进行去噪处理，得到去噪后的信号
Figure FDA0003081066190000018
对
Figure FDA0003081066190000019
进行相干累加，累加长度为发射信号长度；对累加后的信号进行取模找到最大值位置
Figure FDA00030810661900000110
换算成目标距离的粗估计值
Figure FDA00030810661900000111
其中，c为光速，Ts为采样间隔；
将目标距离的粗估计值
Figure FDA00030810661900000112
除以雷达的最大无模糊距离Ru并取整，得到距离模糊数的估计值
Figure FDA00030810661900000216
步骤3、计算模糊的目标距离精估计值；
对于
Figure FDA0003081066190000021
i＝1,...,3，利用中国余数定理计算出模糊的目标距离精估计值
Figure FDA0003081066190000022
步骤4、根据根据步骤2得到的目标距离模糊数的估计值和步骤3得到的模糊的目标距离精估计值，可以计算得到目标的高精度无模糊距离
Figure FDA0003081066190000023
2.根据权利要求1所述的一种多频雷达测距的方法，其特征在于：所述步骤3中，所述目标距离精估计值
Figure FDA0003081066190000024
的计算如下：
定义Ra＝miRui+R0i，其中
Figure FDA0003081066190000025
表示基准频率接收信号的相位
Figure FDA0003081066190000026
与第i个频率接收信号的相位
Figure FDA0003081066190000027
之间的差值换算成的距离，定义
Figure FDA0003081066190000028
计算
Figure FDA0003081066190000029
设Si,1表示
Figure FDA00030810661900000217
中第一个分量
Figure FDA00030810661900000210
即
Figure FDA00030810661900000211
定义S＝S2,1∩S3,1，则S只包含唯一的元素
Figure FDA00030810661900000212
如果
Figure FDA00030810661900000213
则
Figure FDA00030810661900000214
i＝2,3；
最后，计算模糊的目标距离精估计值
Figure FDA00030810661900000215
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