CN109782244A - 基于单目标三角线性调频连续波雷达信号处理方法 - Google Patents

Abstract

基于单目标三角线性调频连续波雷达信号处理方法，雷达产生多周期对称三角线性调频连续波，并发射出去；将雷达接收的回波信号与本振信号混频并经低通滤波器获得上调频段差频和下调频段差频信号；对上调频段差频信号和下调频段差频信号进行FFT处理，获得差频频谱，将多个周期的差频频谱累加，设置门限，获得超过门限的频点，找到相等的频点置零，消除固定杂波；将剩余频点建立与速度距离关系，获得目标距离和速度；将信号经过剩余频点的带通滤波器，获得目标角度。本发明采用同一周期杂波在上调频段和下调频段的频点位置不变，因此通过设置门限，比较频点，将频点相同的置为零，这样可以很好消去杂波，并且不降低信噪比，易于实现。

Description

基于单目标三角线性调频连续波雷达信号处理方法

技术领域

本发明属于雷达领域，具体涉及一种基于单目标三角线性调频连续波雷达信号处理方法。

背景技术

连续波雷达是一种以连续波信号为发射信号来获得目标的距离、速度和角度信息的雷达体制，这种雷达技术有着悠久的历史。连续波雷达主要有如下几大优点：

(1)没有距离盲区

因为连续波雷达可以做到发射信号和接收信号同时作用，所以也就没有脉冲雷达体制存在的距离盲区缺陷。这无疑对探测近距离目标来说，是一个很重要的优点。

(2)较高的距离分辨率

雷达的距离分辨率与雷达发射信号的带宽有关，带宽越大，雷达的距离分辨率也就越高。在连续波雷达的后端信号处理部分，常常处理的对象是目标的回波信号与发射信号混频之后得到的差拍信号，再用适合的采样率对差拍信号进行采样，最后进行傅里叶变换。这样的处理过程就决定了连续波雷达可以很容易达到较高的距离分辨率。

(3)低截获和抗干扰

连续波战场侦察雷达发射功率低，具有天然的能量低截获优势。而低截获通常是抗干扰的重要前提。而另一方面采用大时宽信号，更利于调制宽带波形，实现信号低截获。

(4)结构简单、成本低

连续波雷达发射信号属于大时宽信号，峰值功率不高，所以就不需要用到大功率、高电压的器件，这样也很大程度地降低了雷达结构的复杂性。由于雷达结构简单，所以连续波雷达的制作成本和维护成本都很低。

连续波雷达大致可以分为两种，简单未调制连续波和调制连续波，简单未调制连续波只能测量目标速度，不能测量距离信息；为获得目标距离信息常采用频率调制的方式，而线性调频连续波容易实现，所以通常采用线性调频连续波雷达，但由于多普勒频率的原因，线性调频连续波雷达会出现距离速度耦合问题，因此采用对称三角波线性调频连续波信号，利用多普勒频率在上调频段和下调频段的偏移方向不同，可以消除距离速度耦合。但是由于杂波的影响，很难正确测出动目标的距离、速度和角度信息，通常采用差频信号的下一周期信号的频谱减去上一周期信号的频谱，由于杂波为静目标，不会产生多普勒频率，两个周期的频点完全一样，通过相减，可以完全消除。但是动目标的频谱也基本相似，并且存在噪声，经过相减后，能量基本抵消，将会淹没在噪声中，很难用于后续测量。

发明内容

为了克服上述缺点，本发明的目的在于提供基于单目标三角线性调频连续波雷达信号处理方法。

为达到上述目的，本发明采用以下方案予以实现：

基于单目标三角线性调频连续波雷达信号处理方法，包括以下步骤：

步骤一：雷达产生多周期对称三角线性调频连续波，并发射出去；

步骤二：雷达接收回波信号，回波信号包括目标回波信号、杂波和噪声；

步骤三：将雷达接收的回波信号与本振信号混频并经低通滤波器获得上调频段差频和下调频段差频信号；

步骤四：对上调频段差频信号和下调频段差频信号进行FFT处理，获得差频频谱，将多个周期的差频频谱累加，设置门限，获得超过门限的频点，对比上调频段频点和下调频段频点，找到相等的频点置零，消除固定杂波；

步骤五：将剩余频点建立与速度距离关系，获得目标距离和速度；

步骤六：将信号经过剩余频点的带通滤波器，采用MUSIC方法获得目标角度。

本发明进一步的改进在于，步骤一的具体过程为：

雷达产生对称三角线性调频连续波s_t(t)为：

s_t(t)＝A₁ exp[j2π(ft±0.5μt²)]t∈T

同相分量s_it(t)和正交分量s_qt(t)分别为：

s_it(t)＝A₁ cos[2π(ft±0.5μt²)]t∈T

s_qt(t)＝A₁ sin[2π(ft±0.5μt²)]t∈T

其中A₁为发射信号幅度，f为载波频率，正负号代表调制上调频段和下调频段斜率的情况，μ＝B/T为调频斜率，T为上调频段和下调频段的周期，B为调频带宽，j为复数表达，t为调频时间，将上调频信号s_itup(t)、调频段和下调频段信号s_itdown(t)分开写，用同相分量作分析：

s_itup(t)＝A₁ cos[2π(ft+0.5μt²)]t∈T

s_itdown(t)＝A₁ cos[2π(ft-0.5μt²)]t∈T。

本发明进一步的改进在于，步骤二的具体过程为：

回波信号s_r(t)为：

s_r(t)＝s₁(t)+s_clutter(t)+s_noise(t)

其中s₁(t)为目标回波信号，s_noise(t)高斯白噪声信号，s_clutter(t)为瑞利杂波信号；

回波信号同相分量上调频段s_irup(t)和下调频段信号s_irdown(t)为：

s_irup(t)＝kA₁ cos{2π[f(t-τ(t)+0.5μ(t-τ(t))²]}+s_iclutter1(t)+s_inoise1(t)t∈T

s_irdown(t)＝kA₁ cos{2π[f(t-τ(t)-0.5μ(t-τ(t))²]}+s_iclutter2(t)+s_inoise2(t)t∈T其中k为衰减系数，信号延时τ(t)＝2(R+vt)/c，R为目标初始距离，v为目标速度，c为光速。

本发明进一步的改进在于，步骤三的具体过程为：

将回波信号和本振信号混频，即将回波信号和本振信号相乘，通过低通滤波器，获得上调频段差频频谱s_ibup(f)和下调频段差频频谱s_ibdown(f)：

将τ(t)带入得：

整理得：

同理得：

本发明进一步的改进在于，步骤四的具体过程为：

对上调频段差频信号s_ibup(f)和下调频段差频信号s_ibdown(f)做傅里叶变换：

将多个周期的上调频段差频信号和下调频段差频信号累加，设置门限，找出大于门限的动目标频点和杂波频点，将上调频段和下调频段频点相同的频点幅度设为0，消除杂波。

本发明进一步的改进在于，步骤五的具体过程为：

消除杂波频点后，剩余频点为动目标频点，上调频段动目标频点f_iup和下调频段动目标频点f_idown为:

由于c是光速，T为上、下调频时间，所以上调频段动目标频点f_iup和下调频段动目标频点f_idown写为：

f_idown写作相反数用作分析：

由上分析得：

本发明进一步的改进在于，步骤六的具体过程为：

将消去杂波的信号频谱进行反傅里叶变换，设置一个能够通过动目标频点的带通滤波器，将信号经过通过带通滤波器，滤除噪声和因为噪声没有完全消除的杂波，使动目标信号能量最强，采用MUSIC方法获得目标角度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)相比与下一周期信号频谱减去上一周期信号频谱来消除杂波，本发明采用同一周期杂波在上调频段和下调频段的频点位置不变，因此通过设置门限，比较频点，将频点相同的置为零，这样可以很好消去杂波，并且不降低信噪比。

(2)本发明采用的去杂波方法更易于实现，与后续的信号处理Chirp-z相结合，可以很好的测出单目标的距离和速度，将消去杂波频点的信号经过一个带通滤波器，采用MUSIC方法可以准确的得到单目标角度。

附图说明

图1为信号处理流程图。

图2为差频信号上、下调频段频谱图。其中，(a)为上调频段，(b)为下调频段。

图3为消去杂波的差频信号上、下调频段频谱图。其中，(a)为上调频段，(b)为下调频段。

图4为消去杂波的差频信号上、下调频段Chirp-z频谱图。其中，(a)为上调频段，(b)为下调频段。

图5为单目标距离幅度图。其中，(a)为上调频段，(b)为下调频段。

图6为单目标角度幅度图。

图7为采用下一周期减去上一周期频谱图。其中，(a)为上调频段，(b)为下调频段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明的方法包括以下步骤：

步骤一：雷达产生对称三角线性调频连续波，并发射出去；具体过程如下：

雷达产生对称三角线性调频连续波st(t)为：

s_t(t)＝A₁ exp[j2π(ft±0.5μt²)]t∈T

同相分量s_it(t)和正交分量s_qt(t)分别为：

s_it(t)＝A₁ cos[2π(ft±0.5μt²)]t∈T

s_qt(t)＝A₁ sin[2π(ft±0.5μt²)]t∈T

其中A₁为发射信号幅度，f为载波频率，正负号代表调制上、下调频斜率的情况，μ＝B/T为调频斜率，T为上、下调频的周期。B为信号有效带宽，j为复数表达，t为调频时间，将上调频信号s_itup(t)、下调频信号s_itdown(t)分开写，用同相分量作分析：

s_itup(t)＝A₁ cos[2π(ft+O.5μt²)]t∈T

s_itdown(t)＝A₁ cos[2π(ft-0.5μt²)]t∈T

步骤二：雷达接收回波信号，回波信号包括目标回波信号、杂波和噪声；具体过程如下：

回波信号s_r(t)为：

s_r(t)＝s₁(t)+s_clutter(t)+s_noise(t)

其中s₁(t)为目标回波信号，s_noise(t)高斯白噪声信号，s_clutter(t)为瑞利杂波信号，可以认为是一静目标。

回波信号同相分量上调频信号s_irup(t)、下调频信号s_irdown(t)为：

s_irup(t)＝kA₁ cos{2π[f(t-τ(t)+0.5μ(t-τ(t))²]}+s_iclutter1(t)+s_inoise1(t)t∈T

s_irdown(t)＝kA₁ cos{2π[f(t-τ(t)-0.5μ(t-τ(t))²]}+s_iclutter2(t)+s_inoise2(t)t∈T

其中k为衰减系数，τ(t)＝2(R+vt)/c为信号延时，R为目标初始距离，v为目标速度，c为光速；其中k为衰减系数，τ(t)＝2(R+vt)/c，R为目标初始距离，v为目标速度，c为光速；

步骤三：将回波信号与本振信号混频并经低通滤波器获得上调频段差频信号、下调频段差频信号；具体过程如下：

将回波信号和本振信号混频，即将回波信号和本振信号相乘，通过低通滤波器，获得差频信号，即上调频段差频信号s_ibup(t)和下调频段差频信号s_ibdown(t)：

将τ(t)带入得：

整理可得：

同理可得：

由上式可知，差频信号可以看作是一个线性调频信号。

步骤四：对上调频段差频信号和下调频段差频信号进行FFT处理，即进行傅里叶变换，获得上调频段差频频谱s_ibup(f)和下调频段差频频谱s_ibdown(f)，将多个周期的差频频谱累加，提高信噪比，设置门限，获得超过门限频点，对比上调频段频点和下调频段频点，找到相等的频点置零，消除固定杂波；

对上调频段差频信号s_ibup(f)和下调频段差频信号s_ibdown(f)做傅里叶变换：

将多个周期的上调频段差频信号和下调频段差频信号累加，提高信噪比，设置门限，可以找出大于门限的动目标频点和杂波频点，由于杂波为静目标回波信号，所以上调频段和下调频段频点相同，将该频点幅度设为0，可消除杂波。

步骤五：将剩余频点建立与速度距离关系，获得目标距离和速度；具体过程如下：

消除杂波频点后，剩余频点为动目标频点，上调频段动目标频点f_iup和下调频段动目标频点f_idown为:

由于c是光速，非常大，则c²更大，T为上、下调频时间，一般为ms级，所以上调频段动目标频点f_iup和下调频段动目标频点f_idown可写为：

f_idown通常为负数，常写作相反数用作分析：

由上分析可得：

步骤六：将信号经过剩余频点的带通滤波器，采用MUSIC方法获得目标角度。具体过程如下：

消除杂波频点后，将信号做反傅里叶变换，设置一个可以通过动目标频点的带通滤波器，采用MUSIC方法获得目标角度。

下面通过一个实施例基于matlab对其仿真对本发明进行仿真验证。

本发明处理流程参见图1，由于连续波雷达的隔离问题，本实验采用两套相同的天线阵列流形，天线阵列是由32个定向天线阵元组成的均匀圆阵，能够同时收发的阵元数为8，任一组相邻的8个阵元组成的弧阵，称为一个扇区，故共有32个扇区，可以实现360度覆盖。通过对32根天线进行编号，以编号数字几开始的扇区称为第几扇区，并将编号为1和编号为32的天线连接处定义为绝对零度角。

首先对于发射信号处理，因为是定向天线，所以当相邻天线发射时，不能保证对于360度方向都能探测到目标，故采用间隔为8的4根天线发射信号，模拟全向发射。对于单目标来说，当信号探测到目标时，产生反射信号，由于目标角度未知，所以接收天线接收信号时，也模拟全向接收，即采用间隔为8的4根天线进行接收。这时将产生两种情况。

情况一：当反射信号到达接收天线时，若4根天线中的某一根接收到信号时，其信号强度远超其它三根天线，则转到以此天线为中心的相邻的8根天线，实现定向接收；

情况二：当反射信号到达接收天线时，若4根天线中的相邻两根天线接收到信号强度基本相同，并且远超其它两根根天线，选择两根天线中任意一根，并加上两天线间的七根天线，组成一个扇区，实现定向接收。

实验参数设置如下：天线发射功率为0.1W，载频f＝5.725GHz，调频带宽为40MHz，上调频段和下调频段周期为1ms，采样频率为fs＝120MHz，光速c＝3×10⁸m/s，噪声为高斯白噪声，信噪比为-13dB，快拍数为60000，目标距离R1＝3000m，rcs1＝0.01m²，目标绝对角度为60度，目标速度50m/s，杂波距离为R2＝4000m，rcs2＝0.1m²，杂波绝对角度为45度,选用扇区号为1的8根天线接收。

由参数设置如图2显示，接收回波幅度相当小，并且杂波幅度大于信号幅度，杂波产生严重干扰，参见图2(a)和图2(b)。设置门限，找到动目标和杂波频点，将杂波频点设置为零，可得到如图3所示的差频频谱图，从图3(a)和图3(b)可以看到，回波信号的最大幅度值为动目标频点，杂波频点幅度值变得很小，由于噪声原因不能完全消除。消除杂波后，对动目标信号频点做Chirp-z变换，得到如图4所示的频率幅度图，由于多普勒频率的影响，动目标信号频点在上调频段和下调频段的频移是对称的。将频率转换为距离坐标，如图5中的图5(a)和图5(b)所示，找到上调频段和下调频段目标回波信号频点，通过公式 计算可得动目标距离为R1＝3001m，通过公式计算可得速度为v＝50.06m/s。将消去杂波的信号频谱进行反傅里叶变换，然后通过带通滤波器，滤除噪声和因为噪声没有完全消除的杂波，使动目标信号能量最强，采用MUSIC算法计算出动目标角度，如图6所示，可以准确测得角度为60度。

图7为采用下一周期频谱减去上一周期频谱的杂波对消图，从图7(a)和图7(b)，发现信号完全淹没在噪声中，无法正确测量动目标信号的距离、速度和角度信息。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于单目标三角线性调频连续波雷达信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：雷达产生多周期对称三角线性调频连续波，并发射出去；

步骤二：雷达接收回波信号，回波信号包括目标回波信号、杂波和噪声；

步骤三：将雷达接收的回波信号与本振信号混频并经低通滤波器获得上调频段差频和下调频段差频信号；

步骤四：对上调频段差频信号和下调频段差频信号进行FFT处理，获得差频频谱，将多个周期的差频频谱累加，设置门限，获得超过门限的频点，对比上调频段频点和下调频段频点，找到相等的频点置零，消除固定杂波；

步骤五：将剩余频点建立与速度距离关系，获得目标距离和速度；

步骤六：将信号经过剩余频点的带通滤波器，采用MUSIC方法获得目标角度。

2.根据权利要求1所述的基于单目标三角线性调频连续波雷达信号处理方法，其特征在于，步骤一的具体过程为：

雷达产生对称三角线性调频连续波s_t(t)为：

s_t(t)＝A₁exp[j2π(ft±0.5μt²)] t∈T

同相分量s_it(t)和正交分量s_qt(t)分别为：

s_it(t)＝A₁cos[2π(ft±0.5μt²)] t∈T

s_qt(t)＝A₁sin[2π(ft±0.5μt²)] t∈T

其中A₁为发射信号幅度，f为载波频率，正负号代表调制上调频段和下调频段斜率的情况，μ＝B/T为调频斜率，T为上调频段和下调频段的周期，B为调频带宽，j为复数表达，t为调频时间，将上调频信号s_itup(t)、调频段和下调频段信号s_itdown(t)分开写，用同相分量作分析：

s_itup(t)＝A₁cos[2π(ft+0.5μt²)] t∈T

s_itdown(t)＝A₁cos[2π(ft-0.5μt²)] t∈T。

3.根据权利要求1所述的基于单目标三角线性调频连续波雷达信号处理方法，其特征在于，步骤二的具体过程为：

回波信号s_r(t)为：

s_r(t)＝s₁(t)+s_clutter(t)+s_noise(t)

其中s₁(t)为目标回波信号，s_noise(t)高斯白噪声信号，s_clutter(t)为瑞利杂波信号；

回波信号同相分量上调频段s_irup(t)和下调频段信号s_irdown(t)为：

s_irup(t)＝kA₁cos{2π[f(t-τ(t)+0.5μ(t-τ(t))²]}+s_iclutter1(t)+s_inoise1(t) t∈T

s_irdown(t)＝kA₁cos{2π[f(t-τ(t)-0.5μ(t-τ(t))²]}+s_iclutter2(t)+s_inoise2(t) t∈T

其中k为衰减系数，信号延时τ(t)＝2(R+vt)/c，R为目标初始距离，υ为目标速度，c为光速。

4.根据权利要求1所述的基于单目标三角线性调频连续波雷达信号处理方法，其特征在于，步骤三的具体过程为：

将回波信号和本振信号混频，即将回波信号和本振信号相乘，通过低通滤波器，获得上调频段差频频谱s_ibup(f)和下调频段差频频谱s_ibdown(f)：

将τ(t)带入得：

整理得：

同理得：

5.根据权利要求1所述的基于单目标三角线性调频连续波雷达信号处理方法，其特征在于，步骤四的具体过程为：

对上调频段差频信号s_ibup(f)和下调频段差频信号s_ibdown(f)做傅里叶变换：

将多个周期的上调频段差频信号和下调频段差频信号累加，设置门限，找出大于门限的动目标频点和杂波频点，将上调频段和下调频段频点相同的频点幅度设为0，消除杂波。

6.根据权利要求1所述的基于基于单目标三角线性调频连续波雷达信号处理方法，其特征在于，步骤五的具体过程为：

消除杂波频点后，剩余频点为动目标频点，上调频段动目标频点f_iup和下调频段动目标频点f_idown为：

由于c是光速，T为上、下调频时间，所以上调频段动目标频点f_iup和下调频段动目标频点f_idown写为：

f_idown写作相反数用作分析：

由上分析得：

7.根据权利要求1所述的基于基于单目标三角线性调频连续波雷达信号处理方法，其特征在于，步骤六的具体过程为：

将消去杂波的信号频谱进行反傅里叶变换，设置一个能够通过动目标频点的带通滤波器，将信号经过通过带通滤波器，滤除噪声和因为噪声没有完全消除的杂波，使动目标信号能量最强，采用MUSIC方法获得目标角度。