CN109765528B - 一种非线性调频信号的实时生成方法及装置 - Google Patents

一种非线性调频信号的实时生成方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非线性调频NLFM信号的实时生成方法，包括：根据系统参数确定信号的信号参数；其中，所述信号参数至少包括：信号带宽、信号脉宽和峰值旁瓣比PSLR；根据所述PSLR确定功率谱密度函数；对所述功率谱密度函数进行计算，得到群延时向量；根据系统采样率计算频率轴向量；根据所述信号脉宽计算时间轴向量；利用所述频率轴向量和所述时间轴向量对所述群延时向量进行线性插值计算，得到瞬时频率向量；对所述瞬时频率向量进行积分，得到相位向量；根据相位向量确定信号时域离散向量；根据所述信号时域离散向量生成数字信号，并将所述数字信号进行数模转换，得到NLFM信号。

Description

一种非线性调频信号的实时生成方法及装置
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种非线性调频(Non-LinearFrequency Modulation，NLFM)信号的实时生成方法及装置。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)能够全天时，全天候，全球对地观测，应用广泛。目前，线性调频(Linear Frequency Modulation，LFM)信号是SAR系统中最常用的发射波形，将这种波形通过匹配滤波后，生成的响应函数，经归一化后的峰值旁瓣比(Peak Side Lobe Ratio，PSLR)为-13分贝(decibel，dB)。为了抑制旁瓣的高度，通常采用加权窗函数、自适应滤波和优化算法，但是，这些方法会使匹配滤波器失配，降低输出的信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)。
相比于LFM信号，NLFM信号的脉冲压缩结果可以获得很低的PSLR，并且，这一过程并没有损失输出SNR。通过相关实验，NLFM信号可以避免SNR的1～2dB损失，相当于节省天线发射功率25％，对于能量紧缺的雷达系统中，采用NLFM信号作为发射波形可以提升系统性能。
目前常用的技术手段是通过地面处理计算得到信号的离散值，再把该信号的离散值保存到现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)的只读存储器(Read-Only Memory，ROM)。在使用时读取ROM保存的离散数据，进行数模转换，生成NLFM信号。而这种方法需要先采集信号并保存后，才能调用并转换生成NLFM信号，受制于ROM有限的存储空间，这种存储模式导致NLFM信号只能用于科学实验，无法进行工程推广。
因此，如何缩短生成NLFM信号的时间，实现NLFM信号的实时生成是目前亟待解决的难题。
发明内容
本发明实施例提供一种NLFM信号的实时生成方法和装置。
本发明实施例提供一种NLFM信号的实时生成方法，包括：
根据系统参数确定信号的信号参数；其中，所述信号参数至少包括：信号带宽、信号脉宽和峰值旁瓣比PSLR；
根据所述PSLR确定功率谱密度函数；
对所述功率谱密度函数进行计算，得到群时延向量；
根据系统采样率计算频率轴向量；
根据所述信号脉宽计算时间轴向量；
利用所述频率轴向量和所述时间轴向量对所述群时延向量进行线性插值计算，得到瞬时频率向量；
对所述瞬时频率向量进行积分，得到相位向量；
根据相位向量确定信号时域离散向量；
根据所述信号时域离散向量生成数字信号，并将所述数字信号进行数模转换，得到NLFM信号。
上述方案中，所述根据所述PSLR确定功率谱密度函数，包括：
根据所述PSLR获得与所述PSLR对应的窗函数，根据所述窗函数确定功率谱密度函数。
上述方案中，对所述功率谱密度函数进行计算，得到群时延向量，包括：
对所述功率谱密度函数进行离散积分，得到群时延向量。
上述方案中，所述利用所述频率轴向量和所述时间轴向量对所述群时延向量进行线性插值计算，得到瞬时频率向量，包括：
将所述群时延向量拆分为n个群时延子向量，n为大于1的正整数；
利用所述频率轴向量和所述时间轴向量对所述n个群时延子向量分别进行线性插值计算，得到n个瞬时频率向量；
所述对所述瞬时频率向量进行积分，得到相位向量，包括：
分别对所述n个瞬时频率向量进行积分，将积分的结果拼接，得到所述相位向量。
本发明实施例提供一种NLFM信号的实时生成装置，包括：
初始化模块，用于根据系统参数确定信号的信号参数；其中，所述信号参数至少包括：信号带宽、信号脉宽和峰值旁瓣比PSLR；
功率谱密度函数确定模块，用于根据所述PSLR确定功率谱密度函数；
群时延向量计算模块，用于对所述功率谱密度函数进行计算，得到群时延向量；
频率轴向量计算模块，用于根据系统采样率计算频率轴向量；
时间轴向量计算模块，用于根据所述信号脉宽计算时间轴向量；
瞬时频率向量计算模块，用于利用所述频率轴向量和所述时间轴向量对所述群时延向量进行线性插值计算，得到瞬时频率向量；
相位向量计算模块，用于对所述瞬时频率向量进行积分，得到相位向量；
离散向量计算模块，用于根据相位向量确定信号时域离散向量；
转换模块，用于根据所述信号时域离散向量生成数字信号，并将所述数字信号进行数模转换，得到NLFM信号。
上述方案中，所述功率谱密度函数确定模块，具体用于：根据所述PSLR获得与所述PSLR对应的窗函数，根据所述窗函数确定功率谱密度函数。
上述方案中，所述群时延向量计算模块，具体用于：对所述功率谱密度函数进行离散积分，得到群时延向量。
上述方案中，所述瞬时频率向量计算模块，还用于将所述群时延向量拆分为n个群时延子向量，n为大于1的正整数；利用所述频率轴向量和所述时间轴向量对所述n个群时延子向量分别进行线性插值计算，得到n个瞬时频率向量；
所述相位向量计算模块，还用于分别对所述n个瞬时频率向量进行积分，将积分的结果拼接，得到所述相位向量。
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方案中任一NLFM信号的实时生成方法的步骤。
本发明实施例提供的NLFM信号的实时生成方法，根据系统参数确定信号的信号参数；其中，所述信号参数至少包括：信号带宽、信号脉宽和峰值旁瓣比PSLR；根据所述PSLR确定功率谱密度函数；对所述功率谱密度函数进行计算，得到群时延向量；根据系统采样率计算频率轴向量；根据所述信号脉宽计算时间轴向量；利用所述频率轴向量和所述时间轴向量对所述群时延向量进行线性插值计算，得到瞬时频率向量；对所述瞬时频率向量进行积分，得到相位向量；根据相位向量确定信号时域离散向量；根据所述信号时域离散向量生成数字信号，并将所述数字信号进行数模转换，得到NLFM信号；实现了通过计算和数模转换直接生成NLFM信号的技术效果，将计算结果直接转换为NLFM信号，优化了计算结果保存和调用转换的步骤，提高了生成NLFM信号的速度，实现了实时生成NLFM信号的技术效果。
附图说明
附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。
图1为本发明实施例一种NLFM信号的实时生成方法流程示意图；
图2为本发明实施例一种NLFM信号的实时生成装置结构示意图；
图3为本发明实施例一种时域信号生成方法流程示意图；
图4为本发明实施例中线性插值算法的平面效果示意图；
图5为本发明实施例一种基于FPGA硬件实现的装置结构示意图；
图6为本发明实施例一种基于SAR系统实现的生成NLFM信号的时序结构示意图；
图7为本发明实施例示波器采集的模拟信号结果的时域信号实部图像；
图8为本发明实施例进行脉冲压缩后的时域信号实部图像。
具体实施方式
为了能够更加详尽地了解本发明实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本发明实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本发明实施例。
本发明实施例提供一种NLFM信号的实时生成方法，如图1所示，包括：
步骤101，根据系统参数确定信号的信号参数；其中，所述信号参数至少包括：信号带宽、信号脉宽和峰值旁瓣比PSLR。其中，所述系统为雷达系统，所述信号为系统发射的信号。
在一些实施例中，所述雷达系统参数为SAR系统的参数。
在一些实施例中，所述信号为雷达发射信号。
具体地，系统参数指SAR系统中关于信号的参数，包括：信噪比和距离向分辨率。其中，所述信噪比为雷达系统输出的信噪比，用于决定信号的脉冲宽度，即用于决定信号脉宽；所述距离向分辨率是指分辨两个不同距离目标的最小间隔，用于决定信号带宽。
在本发明实施例中，B表示信号带宽，Tp表示信号脉宽。
步骤102，根据所述PSLR确定功率谱密度函数。
在一些实施例中，所述步骤102包括：根据所述PSLR获得与所述PSLR对应的窗函数，根据所述窗函数确定功率谱密度函数。
这里，根据所述PSLR获得与所述PSLR对应的窗函数，可以通过预先设置的PSLR与窗函数的对应关系获得。
在一些实施例中，PSLR与窗函数的对应关系可以设置于对应表中，在需要获得窗函数时，以需求的PSLR为索引，在对应表中找到与需求的PSLR值相同的PSLR对应的窗函数。
其中，窗函数可以包括：汉明(Hamming)窗、凯塞(Kaiser)窗及泰勒(Taylor)窗。
步骤103，对所述功率谱密度函数进行计算，得到群时延向量。
在一些实施例中，所述步骤103包括：对所述功率谱密度函数进行离散积分，得到群时延向量。
具体的，可以按表达式(1)，根据功率谱密度函数计算群时延：
Figure GDA0002732869520000061
其中，f表示频率，P(f)表示以频率为自变量的功率谱密度函数，C为反比例系数，可以用表达式(2)表示：
Figure GDA0002732869520000062
在硬件实现过程中，可以用离散积分的形式，将群时延表示为群时延向量
Figure GDA0002732869520000063
其中，
Figure GDA0002732869520000064
可以用表达式(3)表示：
Figure GDA0002732869520000065
其中，0≤i≤N-1，gi表示G(f)的离散值，N为采样点数，
Figure GDA0002732869520000066
其中
Figure GDA0002732869520000067
表示向下取整。
在一些实施例中，可以选择Taylor窗函数作为功率谱密度函数，对应的群时延函数G(f)可以通过表达式(4)表示：
Figure GDA0002732869520000068
其中，Fm为泰勒窗系数，
Figure GDA0002732869520000069
为等高的旁瓣数，m为计算过程量。
步骤104，根据所述系统采样率计算频率轴向量。
根据系统采样率Fs计算频率轴向量
Figure GDA00027328695200000610
其中，
Figure GDA00027328695200000611
可以通过表达式(5)表示：
Figure GDA00027328695200000612
其中，0≤i≤N-1，
Figure GDA0002732869520000071
系统采样率Fs为系统设计时设定的默认值，在一些实施例中，可以通过系统参数确定系统采样率Fs。
步骤105，根据所述信号脉宽计算时间轴向量。
时间轴
Figure GDA0002732869520000072
向量可以通过表达式(6)表示：
Figure GDA0002732869520000073
其中，0≤i≤N-1，
Figure GDA0002732869520000074
步骤106，利用所述频率轴向量和所述时间轴向量对所述群时延向量进行线性插值计算，得到瞬时频率向量。
根据频率轴向量
Figure GDA0002732869520000075
时间轴向量
Figure GDA0002732869520000076
和群时延向量
Figure GDA0002732869520000077
进行线性插值计算瞬时频率向量
Figure GDA0002732869520000078
其中，
Figure GDA0002732869520000079
可以通过表达式(7)表示：
Figure GDA00027328695200000710
其中，interp1函数为1维线性插值函数，在1维坐标平面内根据
Figure GDA00027328695200000711
对应横纵坐标对应关系，线性插值算出横坐标为
Figure GDA00027328695200000712
的对应的纵坐标为
Figure GDA00027328695200000713
进一步地，横坐标为ti处对应的纵坐标
Figure GDA00027328695200000714
可以用表达式(8)表示：
Figure GDA00027328695200000715
这里ti落在区间[gp,gq]之间，0≤q≤i≤p≤N-1，fp和fq分别为横坐标gp和gq对应的纵坐标。
步骤107，对所述瞬时频率向量进行积分，得到相位向量。
根据瞬时频率向量积分得到信号相位向量
Figure GDA00027328695200000716
Figure GDA00027328695200000717
可以通过表达式(9)表示：
Figure GDA0002732869520000081
其中，当i＝0时，φ0＝0，
当1≤i≤N-1时，
Figure GDA0002732869520000082
在一些实施例中，所述步骤106，包括：
将所述群时延向量
Figure GDA0002732869520000083
拆分为n个群时延子向量，n为大于1的正整数。
利用所述频率轴向量
Figure GDA0002732869520000084
和所述时间轴向量
Figure GDA0002732869520000085
对所述n个群时延子向量分别进行线性插值计算，得到n个瞬时频率向量。
所述步骤107，包括：
分别对所述n个瞬时频率向量进行积分，将积分的结果拼接，得到所述相位向量
Figure GDA0002732869520000086
在一些实施例中，以n＝2时为例：利用所述步骤106得到的2个瞬时频率值计算信号相位向量，计算对应的
Figure GDA0002732869520000087
和
Figure GDA0002732869520000088
其中0≤h≤i≤N-1，先设定φ0＝0和φh+1＝0,则可按所述步骤107分别计算
Figure GDA0002732869520000089
和
Figure GDA00027328695200000810
最后把
Figure GDA00027328695200000811
的最后数值作为
Figure GDA00027328695200000812
的初始化数值为
Figure GDA00027328695200000813
最后把
Figure GDA00027328695200000814
和
Figure GDA00027328695200000815
直接拼接成完整的相位向量
Figure GDA00027328695200000816
即可。
步骤108，根据相位向量确定信号时域离散向量。
具体的，所述信号时域离散向量
Figure GDA00027328695200000817
可以通过表达式(10)表示：
Figure GDA00027328695200000818
其中，0≤i≤N-1，Si＝exp(j2πφi)。
步骤109，根据所述信号时域离散向量生成数字信号，并将所述数字信号进行数模转换，得到NLFM信号。
数模转换就是将离散的数字量转换为连接变化的模拟量。在一些实施例中，可以通过数字模拟转换器(Digital to analog converter，DAC)进行数模转换。
实时生成是指在限定时间内生成，所述限定时间的范围根据实际需要来决定。在本发明实施例中，NLFM信号的实时生成，其限定时间范围是以雷达系统的计算机处理速度和通信传输速度为标准来衡量的，通常需要达到微秒级。
本发明实施例提供一种NLFM信号的实时生成装置，如图2所示，包括：初始化模块301、功率谱密度函数确定模块302、群时延向量计算模块303、频率轴向量计算模块304、时间轴向量计算模块305、瞬时频率向量计算模块306、相位向量计算模块307、离散向量计算模块308及转换模块309。其中，
所述初始化模块301，用于根据系统参数确定信号的信号参数；其中，所述信号参数至少包括：信号带宽、信号脉宽和峰值旁瓣比PSLR。
在本发明实施例中，B表示信号带宽，Tp表示信号脉宽。
所述功率谱密度函数确定模块302，用于根据所述PSLR确定功率谱密度函数。
在一些实施例中，所述功率谱密度函数确定模块302，具体用于：根据所述PSLR获得与所述PSLR对应的窗函数，根据所述窗函数确定功率谱密度函数。
这里，根据所述PSLR获得与所述PSLR对应的窗函数，可以通过预先设置的PSLR与窗函数的对应关系获得。
在一些实施例中，PSLR与窗函数的对应关系可以设置于对应表中，在需要获得窗函数时，以需求的PSLR为索引，在对应表中找到与需求的PSLR值相同的PSLR对应的窗函数。
其中，窗函数可以包括：Hamming窗、Kaiser窗及Taylor窗。
所述群时延向量计算模块303，用于对所述功率谱密度函数进行计算，得到群时延向量。
在一些实施例中，所述群时延向量计算模块303具体用于：对所述功率谱密度函数进行离散积分，得到群时延向量。
具体的，可以按表达式(1)，根据功率谱密度函数计算群时延。
在硬件实现过程中，可以用离散积分的形式，将群时延表示为群时延向量
Figure GDA0002732869520000101
其中，
Figure GDA0002732869520000102
可以用表达式(3)表示。
在一些实施例中，可以选择Taylor窗函数作为功率谱密度函数，对应的群时延函数G(f)可以通过表达式(4)表示。
所述频率轴向量计算模块304，用于根据系统采样率计算频率轴向量。
在一些实施例中，所述频率轴向量计算模块304，具体用于：
根据系统采样率Fs计算频率轴向量
Figure GDA0002732869520000103
其中，
Figure GDA0002732869520000104
可以通过表达式(5)表示。
所述时间轴向量计算模块305，用于根据所述信号脉宽计算时间轴向量。
在一些实施例中，时间轴
Figure GDA0002732869520000105
向量可以通过表达式(6)表示。
所述瞬时频率向量计算模块306，用于利用所述频率轴向量和所述时间轴向量对所述群时延向量进行线性插值计算，得到瞬时频率向量。
在一些实施例中，所述瞬时频率向量计算模块306，具体用于：
根据频率轴向量
Figure GDA0002732869520000106
时间轴向量
Figure GDA0002732869520000107
和群时延向量
Figure GDA0002732869520000108
进行线性插值计算瞬时频率向量
Figure GDA0002732869520000109
其中，可以通过表达式(7)表示。
其中，interp1函数为1维线性插值函数，在1维坐标平面内根据
Figure GDA00027328695200001010
对应横纵坐标对应关系，线性插值算出横坐标为
Figure GDA00027328695200001011
的对应的纵坐标为
Figure GDA00027328695200001012
进一步地，横坐标为ti处对应的纵坐标
Figure GDA00027328695200001013
可以用表达式(8)表示。
所述相位向量计算模块307，用于对所述瞬时频率向量进行积分，得到相位向量。
在一些实施例中，所述相位向量计算模块307，具体用于：
根据瞬时频率向量积分得到信号相位向量
Figure GDA0002732869520000111
其中，
Figure GDA0002732869520000112
可以通过表达式(9)表示。
在一些实施例中，所述瞬时频率向量计算模块306，还用于：
将所述群时延向量
Figure GDA0002732869520000113
拆分为n个群时延子向量，n为大于1的正整数。
利用所述频率轴向量
Figure GDA0002732869520000114
和所述时间轴向量
Figure GDA0002732869520000115
对所述n个群时延子向量分别进行线性插值计算，得到n个瞬时频率向量。
所述相位向量计算模块307，还用于：
分别对所述n个瞬时频率向量进行积分，将积分的结果拼接，得到所述相位向量
Figure GDA0002732869520000116
所述离散向量计算模块308，用于根据相位向量确定信号时域离散向量。具体的，所述信号时域离散向量
Figure GDA0002732869520000117
可以通过表达式(10)表示。
所述转换模块309，用于根据所述信号时域离散向量生成数字信号，并将所述数字信号进行数模转换，得到NLFM信号。
本发明实施例提供一种时域信号生成方法，可以应用于硬件实现中，如图3所示，该方法包括以下步骤：
步骤401、根据需求初始化信号参数。
在本发明实施例中，所述步骤401根据需求初始化信号参数，包括：根据信噪比和距离向分辨率等系统参数确定所需的信号参数，所述信号参数包括信号带宽B、信号脉宽Tp和PSLR，根据PSLR确定功率谱密度函数。
步骤402、根据功率谱密度函数计算群时延向量。
具体的，可以按下式，根据所述步骤401确定的功率谱密度函数计算群时延
Figure GDA0002732869520000118
其中，P(f)表示功率谱密度函数，一些实施例中，可以采用窗函数(如Hamming窗，Kaiser窗，Taylor窗等)作为功率谱密度函数，其中C为反比例系数，
Figure GDA0002732869520000121
在一些实施例中，在硬件实现过程中，可以用离散积分的形式，群时延可以表示为群时延向量
Figure GDA0002732869520000122
其中，0≤i≤N-1，gi表示G(f)的离散值，N为采样点数，
Figure GDA0002732869520000123
其中
Figure GDA0002732869520000124
表示向下取整。
在一些实施例中，采用泰勒窗作为功率谱密度函数，对应的群时延函数可以表示为
Figure GDA0002732869520000125
其中，Fm为泰勒窗系数，
Figure GDA0002732869520000126
为等高的旁瓣数，m为计算过程量。
步骤403、根据群时延向量进行线性插值确定瞬时频率向量。
具体的，
根据设定的信号脉宽，信号带宽，和系统采样率Fs计算频率轴向量
Figure GDA0002732869520000127
为
Figure GDA0002732869520000128
其中，0≤i≤N-1，
Figure GDA0002732869520000129
时间轴
Figure GDA00027328695200001210
向量为
Figure GDA00027328695200001211
其中，0≤i≤N-1，
Figure GDA00027328695200001212
根据频率轴向量
Figure GDA00027328695200001213
时间轴向量
Figure GDA00027328695200001214
和群时延向量
Figure GDA00027328695200001215
进行线性插值计算瞬时频率向量
Figure GDA00027328695200001216
为
Figure GDA00027328695200001217
这里
Figure GDA00027328695200001218
表示1维线性插值算子，特别地，在1维坐标平面内根据
Figure GDA0002732869520000131
对应横纵坐标对应关系，线性插值算出横坐标为
Figure GDA0002732869520000132
的对应的纵坐标为
Figure GDA0002732869520000133
进一步地，横坐标为ti处对应的纵坐标
Figure GDA0002732869520000134
为
Figure GDA0002732869520000135
这里ti落在区间[gp,gq]之间，且0≤q≤i≤p≤N-1，fp和fq分别为横坐标gp和gq对应的纵坐标，对应关系如图4所示，G(f)的离散值曲线在坐标系中，根据ti确定
Figure GDA0002732869520000136
特别地这里为了并行处理，可以分块进行插值。
步骤404、根据瞬时频率向量积分得到信号相位向量
Figure GDA0002732869520000137
具体包括：
当i＝0时，φ0＝0
当i＝1时，
Figure GDA0002732869520000138
当i＝2时，
Figure GDA0002732869520000139
……
当1≤i≤N-1时，
Figure GDA00027328695200001310
特别地，这里我们可以分块并行计算，利用所述步骤403分块计算的瞬时频率值计算信号相位向量，如分成2块计算
Figure GDA00027328695200001311
和
Figure GDA00027328695200001312
其中0≤h≤i≤N-1，先设定φ0＝0和φh+1＝0,则可按所述步骤404的积分过程分块计算
Figure GDA00027328695200001313
和
Figure GDA00027328695200001314
然后把
Figure GDA00027328695200001315
的最后数值作为
Figure GDA00027328695200001316
的初始化数值，得到
Figure GDA00027328695200001317
最后把
Figure GDA00027328695200001318
和
Figure GDA00027328695200001319
直接拼接成完整的相位向量
Figure GDA00027328695200001320
即可。
步骤405、根据信号相位向量得到NLFM信号。
在一些实施例中，所述步骤405包括：根据信号相位确定信号时域离散向量。
在一些实施例中，信号时域离散向量
Figure GDA0002732869520000141
可以表示为
Figure GDA0002732869520000142
其中，0≤i≤N-1，Si＝exp(j2πφi)。
本发明实施例提供一种基于FPGA硬件实现的装置，如图5所示，所述装置包括：初始化模块51、群时延向量计算模块52、瞬时频率向量计算模块53、积分模块54、转换模块55，其中，
初始化模块51为根据需求初始化信号参数，
如根据信噪比和距离向分辨率等系统参数确定所需的信号参数，所述信号参数包括信号带宽B、信号脉宽Tp和PSLR，根据PSLR确定功率谱密度函数。在实际应用中，可以根据上位机串口发送的指令参数确定信号参数。
群时延向量计算模块52为根据设定的功率谱密度函数计算群时延向量。
具体的，可以按下式，根据所述功率谱密度函数计算群时延
Figure GDA0002732869520000143
其中，f表示频率，P(f)表示以频率为自变量的功率谱密度函数，一些实施例中，可以采用窗函数(如Hamming窗，Kaiser窗，Taylor窗等)作为功率谱密度函数，其中C为反比例系数，
Figure GDA0002732869520000144
在一些实施例中，在硬件实现过程中，可以用离散积分的形式，群时延可以表示为群时延向量
Figure GDA0002732869520000145
其中，0≤i≤N-1，gi表示G(f)的离散值，N为采样点数，
Figure GDA0002732869520000146
其中
Figure GDA0002732869520000147
表示向下取整。
在一些实施例中，采用泰勒窗作为功率谱密度函数，对应的群时延函数可以表示为
Figure GDA0002732869520000148
其中，Fm为泰勒窗系数，
Figure GDA0002732869520000151
为等高的旁瓣数，m为计算过程量。
瞬时频率向量计算模块53为根据群时延向量进行线性插值确定瞬时频率向量。在一些实施例中，所述瞬时频率向量计算模块53可以包含多个块(BLOCK)。
具体的，
根据设定的信号脉宽，信号带宽，和系统采样率Fs计算频率轴向量
Figure GDA0002732869520000152
为
Figure GDA0002732869520000153
其中，0≤i≤N-1，
Figure GDA0002732869520000154
时间轴
Figure GDA0002732869520000155
向量为
Figure GDA0002732869520000156
其中，0≤i≤N-1，
Figure GDA0002732869520000157
根据频率轴向量
Figure GDA0002732869520000158
时间轴向量
Figure GDA0002732869520000159
和群时延向量
Figure GDA00027328695200001510
进行线性插值计算瞬时频率向量
Figure GDA00027328695200001511
为
Figure GDA00027328695200001512
这里
Figure GDA00027328695200001513
表示1维线性插值算子，特别地，在1维坐标平面内根据
Figure GDA00027328695200001514
对应横纵坐标对应关系，线性插值算出横坐标为
Figure GDA00027328695200001515
的对应的纵坐标为
Figure GDA00027328695200001516
进一步地，横坐标为ti处对应的纵坐标
Figure GDA00027328695200001517
为
Figure GDA00027328695200001518
这里ti落在区间[gp,gq]之间，0≤q≤i≤p≤N-1，fp和fq分别为横坐标gp和gq对应的纵坐标。
瞬时频率向量计算模块53为根据瞬时频率向量积分得到信号相位向量
Figure GDA0002732869520000161
具体地，
当i＝0时，φ0＝0
当i＝1时，
Figure GDA0002732869520000162
当i＝2时，
Figure GDA0002732869520000163
……
当1≤i≤N-1时，
Figure GDA0002732869520000164
特别地，这里我们可以分块平行计算信号相位向量，如分成2块计算
Figure GDA0002732869520000165
和
Figure GDA0002732869520000166
其中0≤h≤i≤N-1，先设定φ0＝0和φh+1＝0,则可按所述步骤404的积分过程分块计算
Figure GDA0002732869520000167
和
Figure GDA0002732869520000168
然后把
Figure GDA0002732869520000169
的最后数值作为
Figure GDA00027328695200001610
的初始化数值，得到
Figure GDA00027328695200001611
最后把
Figure GDA00027328695200001612
和
Figure GDA00027328695200001613
直接拼接成完整的相位向量
Figure GDA00027328695200001614
即可。
积分模块54为
根据信号相位确定信号时域离散向量。在一些实施例中，所述积分模块54可以包含多个用于进行积分计算的积分块。
在一些实施例中，信号时域离散向量
Figure GDA00027328695200001615
可以表示为
Figure GDA00027328695200001616
其中，0≤i≤N-1，Si＝exp(j2πφi)，信号时域离散向量
Figure GDA00027328695200001617
即为FPGA计算所得的数字信号。
转换模块55为用于将所述信号的离散值生成系列数字信号，并将所述系列数字信号进行数模转换，得到NLFM信号。
具体的，所述转换模块55将所述信号的离散值所生成的数字信号转化为模拟信号，形成满足相应的NLFM信号。在本实施例中，所述转换模块55可以通过DAC实现并转化为模拟信号。
本发明实施例提供一种基于SAR系统实现的生成NLFM信号的时序结构，所述时序结构如图6所示，具体包括：
在某时刻接收到上位机发射的串口指令后，在下一个脉冲重复时间(pulserepetition time,PRT)开始前先初始化信号参数；为了不冲掉存储在FPGA的RAM中的下个PRT发射的雷达波形数据，以下个PRT信号发射窗口结束为开始计算时刻，开始执行计算过程；计算信号，在计算完成对应的NLFM信号后，等待输出，在下下个PRT的信号发射窗口对应模拟NLFM信号输出。
根据计算时序和FPGA硬件架构，选择初始化参数为：信号带宽80Mhz,信号脉宽20us。选定-40dB泰勒窗函数作为初始化的功率谱密度函数，且系统的采样率为90MHz。其用示波器采集对应的输出的模拟信号结果，其时域信号实部如图7所示，进行脉冲压缩结果如图8所示。输出的NLFM信号的性能指标实测值与理论值的对比结果如表1所示：
指标参数 理论值 实测值
PSLR(dB) -39.2 -39.1
3-dB主瓣宽度(采样点) 1.23 1.23
积分旁瓣比(dB) -29.9 -29.1
表1
从上表可以看出其实测值接近理论值，说明了本发明在实际应用中生成的NLFM信号精度接近理论值，具有高精度的技术效果。
本发明实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储上述实施例中提供的计算程序，以完成前述方法所述步骤。计算机可读存储介质可以是易失性存储器或非易失性存储器，也可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(ROM，Read Only Memory)、可编程只读存储器(PROM，Programmable Read-OnlyMemory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM，Erasable Programmable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM，Electrically Erasable Programmable Read-OnlyMemory)、磁性随机存取存储器(FRAM，ferromagnetic random access memory)、快闪存储器(Flash Memory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM，Compact Disc Read-OnlyMemory)；磁表面存储器可以是磁盘存储器或磁带存储器。易失性存储器可以是随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(SRAM，Static Random Access Memory)、同步静态随机存取存储器(SSRAM，Synchronous Static Random Access Memory)、动态随机存取存储器(DRAM，Dynamic Random Access Memory)、同步动态随机存取存储器(SDRAM，Synchronous Dynamic Random Access Memory)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(DDRSDRAM，Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory)、增强型同步动态随机存取存储器(ESDRAM，Enhanced Synchronous Dynamic Random AccessMemory)、同步连接动态随机存取存储器(SLDRAM，SyncLink Dynamic Random AccessMemory)、直接内存总线随机存取存储器(DRRAM，Direct Rambus Random Access Memory)。本发明实施例描述的计算机可读存储介质旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器也可以是包括上述存储器之一或任意组合的各种设备，如移动电话、计算机、智能家电、服务器等。
本发明实施例提供的一种NLFM信号的实时生成方法和基于FPGA实现的装置，根据需求初始化信号参数；根据设定的功率谱密度函数计算群时延向量；根据群时延向量进行线性插值确定瞬时频率向量；根据瞬时频率向量积分得到信号相位；根据信号相位确定时域信号的离散值；如此，大大降低信号设计的复杂度，是一种适合FPGA实时生成的NLFM信号，进一步的，相对于LFM信号能节省发射功率，降低SNR损失，从而提高系统性能。
以上所述仅为本发明的简化的实施例而已，并不限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种非线性调频NLFM信号的实时生成方法，其特征在于，所述方法包括：
根据系统参数确定信号的信号参数；其中，所述信号参数至少包括：信号带宽、信号脉宽和峰值旁瓣比PSLR；
根据所述PSLR确定功率谱密度函数；
对所述功率谱密度函数进行计算，得到群时延向量；
根据系统采样率Fs计算频率轴向量
Figure FDA0002732869510000011
其中，
Figure FDA0002732869510000012
0≤i≤N-1，
Figure FDA0002732869510000013
根据所述信号脉宽计算时间轴向量
Figure FDA0002732869510000014
其中，
Figure FDA0002732869510000015
0≤i≤N-1，
Figure FDA0002732869510000016
利用所述频率轴向量和所述时间轴向量对所述群时延向量进行线性插值计算，得到瞬时频率向量；
对所述瞬时频率向量进行积分，得到相位向量
Figure FDA0002732869510000017
其中，
Figure FDA0002732869510000018
当i＝0时，φ0＝0，
当1≤i≤N-1时，
Figure FDA0002732869510000019
根据相位向量确定信号时域离散向量；
根据所述信号时域离散向量生成数字信号，并将所述数字信号进行数模转换，得到NLFM信号；
其中，所述对所述功率谱密度函数进行计算，得到群时延向量，包括：
根据
Figure FDA0002732869510000021
计算群时延；
其中，G(f)表示群时延函数，f表示频率，P(f)表示以频率为自变量的功率谱密度函数，C为反比例系数，
Figure FDA0002732869510000022
其中，B表示信号带宽；
用离散积分的形式，将所述群时延表示为群时延向量
Figure FDA0002732869510000023
Figure FDA0002732869510000024
其中，0≤i≤N-1，gi表示G(f)的离散值，N为采样点数，
Figure FDA0002732869510000025
Tp表示信号脉宽，Fs表示系统采样率；
选择Taylor窗函数作为功率谱密度函数，对应的群时延函数
Figure FDA0002732869510000026
其中，Fm为泰勒窗系数，
Figure FDA0002732869510000027
为等高的旁瓣数，m为计算过程量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述PSLR确定功率谱密度函数，包括：
根据所述PSLR获得与所述PSLR对应的窗函数，根据所述窗函数确定功率谱密度函数。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对所述功率谱密度函数进行计算，得到群时延向量，包括：
对所述功率谱密度函数进行离散积分，得到群时延向量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述利用所述频率轴向量和所述时间轴向量对所述群时延向量进行线性插值计算，得到瞬时频率向量，包括：
将所述群时延向量拆分为n个群时延子向量，n为大于1的正整数；
利用所述频率轴向量和所述时间轴向量对所述n个群时延子向量分别进行线性插值计算，得到n个瞬时频率向量；
所述对所述瞬时频率向量进行积分，得到相位向量，包括：
分别对所述n个瞬时频率向量进行积分，将积分的结果拼接，得到所述相位向量。
5.一种非线性调频NLFM信号的实时生成装置，其特征在于，所述装置包括：
初始化模块，用于根据系统参数确定信号的信号参数；其中，所述信号参数至少包括：信号带宽、信号脉宽和峰值旁瓣比PSLR；
功率谱密度函数确定模块，用于根据所述PSLR确定功率谱密度函数；
群时延向量计算模块，用于对所述功率谱密度函数进行计算，得到群时延向量；
频率轴向量计算模块，用于根据系统采样率Fs计算频率轴向量
Figure FDA0002732869510000031
其中，
Figure FDA0002732869510000032
0≤i≤N-1，
Figure FDA0002732869510000033
时间轴向量计算模块，用于根据所述信号脉宽计算时间轴向量
Figure FDA0002732869510000034
其中，
Figure FDA0002732869510000035
0≤i≤N-1，
Figure FDA0002732869510000036
瞬时频率向量计算模块，用于利用所述频率轴向量和所述时间轴向量对所述群时延向量进行线性插值计算，得到瞬时频率向量；
相位向量计算模块，用于对所述瞬时频率向量进行积分，得到相位向量
Figure FDA0002732869510000037
其中，
Figure FDA0002732869510000038
当i＝0时，φ0＝0，
当1≤i≤N-1时，
Figure FDA0002732869510000039
离散向量计算模块，用于根据相位向量确定信号时域离散向量；
转换模块，用于根据所述信号时域离散向量生成数字信号，并将所述数字信号进行数模转换，得到NLFM信号；
其中，所述对所述功率谱密度函数进行计算，得到群时延向量，包括：
根据
Figure FDA0002732869510000041
计算群时延；
其中，G(f)表示群时延函数，f表示频率，P(f)表示以频率为自变量的功率谱密度函数，C为反比例系数，
Figure FDA0002732869510000042
其中，B表示信号带宽；
用离散积分的形式，将所述群时延表示为群时延向量
Figure FDA0002732869510000043
Figure FDA0002732869510000044
其中，0≤i≤N-1，gi表示G(f)的离散值，N为采样点数，
Figure FDA0002732869510000045
Tp表示信号脉宽，Fs表示系统采样率；
选择Taylor窗函数作为功率谱密度函数，对应的群时延函数
Figure FDA0002732869510000046
其中，Fm为泰勒窗系数，
Figure FDA0002732869510000047
为等高的旁瓣数，m为计算过程量。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述功率谱密度函数确定模块，具体用于：根据所述PSLR获得与所述PSLR对应的窗函数，根据所述窗函数确定功率谱密度函数。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述群时延向量计算模块，具体用于：对所述功率谱密度函数进行离散积分，得到群时延向量。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述瞬时频率向量计算模块，还用于将所述群时延向量拆分为n个群时延子向量，n为大于1的正整数；利用所述频率轴向量和所述时间轴向量对所述n个群时延子向量分别进行线性插值计算，得到n个瞬时频率向量；
所述相位向量计算模块，还用于分别对所述n个瞬时频率向量进行积分，将积分的结果拼接，得到所述相位向量。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4任一项所述方法的步骤。
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