CN109946654B - 雷达阵元-脉冲编码与处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了雷达阵元‑脉冲编码与处理方法，具体是在多输入多输出雷达发射阵元和发射脉冲之间进行联合相位编码设计。本技术方案通过在发射阵元和发射脉冲之间加载相位编码信息，并在接收端采用相应的解码处理，在发射‑接收二维空间进行联合信号处理，最终实现不同发射脉冲对应的回波信号的区分，实现目标距离参数解模糊。该技术解决了脉冲雷达体制中回波信号时间维混叠问题，有着广泛的雷达应用需求。

Description

雷达阵元-脉冲编码与处理方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体涉及雷达阵元-脉冲编码与处理方法。

背景技术

雷达的信息载体是无线电波，不论是可见光或是无线电波，在本质上都是电磁波，差别在于它们各自的频率和波长不同。雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息。

现有技术中，相控阵雷达通过改变相位实现波束指向控制，具体是利用大量分别控制的小型天线单元排列成天线阵列，每个天线单元都由独立的移相开关控制，通过控制各天线单元发射的相位，合成不同相位波束。相控阵雷达中，各天线单元发射的电磁波以干涉原理合成一个接近笔直的雷达主瓣。

多输入多输出(Multiple input multiple output，MIMO)雷达是把无线通信系统中的多个输入和多个输出技术引入到雷达领域，并和数字阵列技术相结合而产生的一种新体制雷达。MIMO雷达采用了波形分集技术，使得各个阵元发射的基带波形是互相独立的，通常MIMO雷达的波形是互相正交的，此时MIMO雷达的发射能量在空间中均匀分布，可实现对空间的均匀照射。

频率分集阵(Frequency Diverse Array,FDA)雷达，其发射阵元之间存在频率差异。当发射的基带信号完全一致时，由于发射载频的差异，FDA的发射方向图具有距离/时间-角度依赖关系，而当发射的基带信号满足互相正交时，其发射导向矢量中包含了目标的距离和角度信息，能够解决目标距离角度参数联合估计的问题。

但是，上述多种现有的雷达类型并不具有实现区分不同发射脉冲的回波信号的能力。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题。本发明提供了一种雷达阵元-脉冲编码(Element-PulseCoding，EPC)与处理方法，具体的实施方式如下：

本发明实施例提供一种雷达阵元-脉冲编码与处理方法，其特征在于，包括发射端处理和接收端处理，其中，所述发射端处理包括：

根据发射阵元和发射脉冲进行阵元-脉冲编码设计，生成阵元-脉冲相位编码信号；

获取所述发射阵元在所述发射脉冲下发射的正交基带信号；

根据所述阵元-脉冲相位编码信号和所述正交基带信号生成发射信号；

所述接收端处理包括：

接收射频信号，对所述射频信号进行处理得到数字接收信号；

对所述数字接收信号进行多路波形匹配滤波，得到原始数据矢量；

根据所述阵元-脉冲相位编码信号构建解码矢量；

根据所述解码矢量和所述原始数据矢量，得到接收信号；

对所述接收信号进行发射-接收二维信号处理，得到目标无模糊参数。

在一个具体的实施例中，根据发射阵元和发射脉冲进行阵元-脉冲编码设计，生成阵元-脉冲相位编码信号；包括：

将所述发射阵元数设为M，一次相干处理时间内的脉冲数设为K；

对第m个所述发射阵元的第k个发射脉冲构建编码模型；

所述编码模型的表达式为：c_m,k＝exp{j2πγ(m-1)(k-1)}；

根据所述编码模型生成所述阵元-脉冲相位编码信号；

其中，M为大于1的整数，K为大于1的整数，m＝1,2,…,M，k＝1,2,…,K，γ为编码参数，所述编码参数为任意实数。

在一个具体的实施例中，根据所述阵元-脉冲相位编码和所述正交基带信号生成发射信号；包括：

构建发射模型，所述发射模型的表达式为：

其中，

为脉冲函数，T_p为脉冲持续时间，t∈(0,T_r)为脉冲重复时间内的时间变量，t_k∈(0,KT_r)为整个相干处理时间内的时间变量，且满足t_k＝(k-1)T_r+t，k＝1,2,…,K为脉冲序号，f₀为工作频率，c_m,k为阵元-脉冲相位编码信号，

为所述发射阵元发射的正交基带信号；

将所述阵元-脉冲相位编码信号和所述正交基带信号带入所述发射模型，生成所述发射信号。

在一个具体的实施例中，对所述数字接收信号进行多路波形匹配滤波，得到原始数据矢量；包括：

对N个接收阵元接收到的所述数字接收信号分别用M个发射阵元的发射波形进行匹配滤波，得到MNx1维的回波信号；

对所述MNx1维的回波信号构建原始数据矢量模型；

所述原始数据矢量模型的表达式为：x_k(t)＝[x_1,1,k(t),x_1,2,k(t),…,x_n,m,k(t),…,x_N,M,k(t)]^T；

根据所述原始数据矢量模型生成所述原始数据矢量；

其中，M为发射阵元数，N为接收阵元数，K为一个相干处理时间内的脉冲数，k为脉冲序号。

在一个具体的实施例中，根据所述阵元-脉冲相位编码信号构建解码矢量，包括：

根据所述阵元-脉冲相位编码信号，构建编码矩阵C，

根据所述编码矩阵得到编码矢量，所述编码矢量为：c_k＝[c_1,k,c_2,k,…,c_M,k]^T；

根据所述编码矢量对第m个所述发射阵元的第k个发射脉冲构建所述解码矢量模型，所述解码矢量模型的表达式为：

根据所述解码矢量模型得到所述解码矢量；

其中，M为发射阵元数，1_N为全1的列矢量，N为接收阵元数，K为脉冲数，k脉冲序号。

在一个具体的实施例中，根据所述解码矢量和所述原始数据矢量，得到接收信号，包括：

根据所述解码矢量模型和所述原始数据矢量模型构建解码模型；

所述解码模型的表达式为：

根据所述解码模型，得到所述接收信号；

其中，diag{}表示对角化运算，上标H表示共轭转置运算。

在一个具体的实施例中，所述发射阵元数为M，设置编码系数a，所述编码参数为：γ＝a/M。

在一个具体的实施例中，对所述接收信号进行发射-接收二维信号处理，得到目标无模糊参数，包括：

对所述接收信号进行发射-接收二维信号处理，得到所述接收信号对应的等效发射频率和接收频率；

所述等效发射频率为：

所述接收频率为：

根据所述等效发射频率和所述接收频率计算得到所述目标无模糊参数，所述目标无模糊参数包括p₀和θ₀；

其中，γ为编码参数，p₀为距离模糊区，θ₀为角度，d_T为发射阵元间距，d_R为接收阵元间距，λ₀为波长。

在一个具体的实施例中，所述雷达阵元是天线阵元，天线模块和天线子阵中的一种。

本发明的有益效果为：

本发明技术方案提出一种雷达阵元-脉冲编码与处理方法，通过在发射阵元和发射脉冲之间加载相位编码设计，对不同阵元、不同脉冲的基带信号的初始相位进行编码调制，得到所述多通道发射信号，并在接收端采用相应的解码处理，最终实现不同发射脉冲对应的回波信号的区分，实现目标距离参数解模糊。该技术解决了脉冲雷达体制中回波信号时间维混叠问题，有着广泛的雷达应用需求。

附图说明

图1(a)-图1(b)为本发明提供的信号处理方法的流程图；

图2为本发明提供的发射信号包络与相位编码示意图；

图3为本发明提供的发射阵元的信号处理流程示意图；

图4为本发明提供的接收阵元的信号处理流程示意图；

图5是本发明提供的雷达距离模糊目标分布示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

本发明首次公开了雷达阵元脉冲编码(EPC)技术，在雷达发射阵元和发射脉冲之间加载相位编码信息，且各个阵元发射的基带波形是互相正交的，称之为EPC-MIMO雷达。如图1(a)-图5所示，本发明提供雷达阵元波形编码方法，雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息，由许多相同的单个天线(如对称天线)按一定规律排列组成的天线系统为雷达系统的一部分，本实施例中的雷达阵元是天线阵元、天线模块和天线子阵中的一种。

雷达中包括接收端和发射端，一个接收端称为一个接收阵元，一个发射端称为一个发射阵元。雷达中包括多个接收阵元和多个发射阵元，其中接收阵元数设为N，发射阵元数设为M，首先对发射端处理进行解释说明，具体为：

如图1(a)-图2所示，其中，每一个发射阵元发射的正交基带信号用

表示，该正交基带信号不随脉冲而变化。需要说明的是，每一个发射阵元发射的正交基带信号的波形是独立的，也即M个发射阵元发射的M个正交基带信号的波形各不相同；

同时，确定正交基带信号的对应的发射阵元以及该发射阵元的发射脉冲；事实上，每一个发射阵元在任意一个发射脉冲均有一个对应的相位，本申请通过对多个发射阵元中的某一发射阵元对应的某一个脉冲的初始相位进行编码设计，生成针对该发射阵元的固定脉冲的阵元-脉冲相位编码信号；具体的，一个发射阵元在一个相干处理时间内发射的脉冲数为K，每一个脉冲发射一组信号，也就是说，一个发射单元在一个相干处理时间内可以发射K个脉冲信号，每一个脉冲对应的发射信号各不相同，本申请技术方案针对每一个发射阵元的每一个脉冲对应的发射信号的初始相位进行编码，具体为：首先确定发射信号对应于第m个发射阵元的第k个脉冲，其中,m＝1,2,…,M,k＝1,2,…,K；其次，设置编码参数γ，编码参数可以是任意实数，或者居于0-1之间的任意实数。编码参数的设定与阵列的构型、目标分辨能力以及抗干扰性能相关，本实施例提供一种编码参数的确定方法：根据发射阵元的阵列构型、目标分辨能力和抗干扰性能设置编码系数a(具体设置方法不是本案的关注点，在此不做详细说明)，确定发射阵元数M，那么编码参数γ＝a/M，通过改变编码参数可以改善雷达系统的目标分辨能力以及抗干扰能力；编码参数也可以根据经验或者实际需要来设定。

有了编码参数之后，对第m个所述发射阵元的第k个发射脉冲构建编码模型，编码模型的表达式为：

c_m,k＝exp{j2πγ(m-1)(k-1)} (1)

在编码参数确定的基础上，可以通过上述表达式计算得到同一个发射阵元m在不同的脉冲所对应的发射信号的阵元-脉冲相位编码信号，以及不同的发射阵元在不同的脉冲下所对应的发射信号的阵元-脉冲相位编码信号，只要确定了发射阵元序号和该发射阵元的某一脉冲序号，就可以得到对应的阵元-脉冲相位编码信号。

如图2所示，通过对雷达系统中，全部的发射阵元对应的任何一个脉冲进行阵元-脉冲相位编码，可以构建编码矩阵C，编码矩阵C可以表示为：

需要说明的是，编码矩阵C中的发射阵元数M和一个相干时间内的脉冲数K的大小关系不受约束，且编码矩阵C中的列矢量之间正交和非正交均可。

得到阵元-脉冲相位编码信号之后，如图3所示，将正交基带信号和阵元-脉冲相位编码信号输入波形发生器的输入端，波形发生器内设置有发射模型，发射模型的表达式为：

其中，

为脉冲函数，T_p为脉冲持续时间，t∈(0,T_r)为脉冲重复时间内的时间变量，t_k∈(0,KT_r)为整个相干处理时间内的时间变量，且满足t_k＝(k-1)T_r+t，k＝1,2,…,K为脉冲序号，f₀为工作频率，c_m,k为阵元-脉冲相位编码信号，

为每个发射阵元发射的正交基带信号；

通过阵元-脉冲编码信号和正交基带信号的互相调制，波形发生器输出发射信号，并由发射阵元发射出去。至此，雷达系统的信号编码及发射过程结束，每一个发射的射频信号均通过独立的射频通道发射到自由空间中。

综上可知，本技术方案不同与传统的脉冲相位调制方法，正交基带信号不依赖于发射脉冲的序号k，仅与发射阵元有关，并且相位编码在不同的发射阵元，以及同一发射阵元的不同脉冲之间均有差异，该差异点能够用于对不同脉冲发射的信号进行区分。正交基带信号和相位编码共同决定雷达波形发生器的输出信号，经过上述变频后得到最终的射频信号。

接下来，对接收端处理进行说明：

如图1(b)、图4、图5所示，在接收链路，接收端具体为接收阵元，接收阵元接收射频信号，仍然以M个发射阵元，N个接收阵元为例进行说明，每一个接收阵元均接收M个发射阵元发射的射频信号，射频信号经过低噪声放大器、混频器、带通滤波器、模数转换器等处理，得到数字接收信号；接下来，数字接收信号经过多路正交波形的匹配滤波，得到原始数据矢量，然后对原始数据矢量进行解码处理，解码处理过程与上述发射端处理中的编码处理过程相对应，如图4所示，举例说明：N个接收阵元分别接收M个发射阵元在第k个脉冲发射的射频信号，每一个接收阵元对应的数字接收信号都要经过M个波形匹配滤波器进行波形分离处理，分离后的数据排列成NMx1维的回波信号形式，任意的发射-接收的信号排列形式都不会影响本申请提供的EPC-MIMO雷达区分不同脉冲回波信号的能力，每一维对应一个发射-接收对，将NMx1维的回波信号构成一个行矩阵，然后对该行矩阵进行转置运算，得到原始数据矢量，原始数据矢量的表达式为：

x_k(t)＝[x_1,1,k(t),x_1,2,k(t),…,x_n,m,k(t),…,x_N,M,k(t)]^T (4)

其中，M为发射阵元数，N为接收阵元数，K为一个相干处理时间内的脉冲数，k为脉冲序号。公式(4)对应第k个接收脉冲，对于任意的一对发射-接收阵元，也就是给m和n赋值，x_n,m,k(t)为距离-脉冲维的回波数据。

然后，根据阵元-脉冲相位编码信号构建解码矢量，具体的：数字接收信号从射频信号而来，第m个发射阵元在第k个脉冲发射该射频信号，通过对数字接收信号进行解析，能够获知该数字接收信号对应的脉冲序号k。

对于第k个接收脉冲，构造解码矢量，解码矢量的表达式为：

其中，1_N为全1的列矢量，c_k为编码矢量；编码矢量从编码矩阵C而来，具体的，令编码矩阵

编码矢量c_k＝[c_1,k,c_2,k,…,c_M,k]^T，其中，上标T表示转置运算。

对第m个所述发射阵元的第k个发射脉冲构建编码模型；建立解码模型，解码模型的表达式为：

其中，x_k(t)为原始数据矢量，g_k为解码矢量，diag{g_k}为对解码矢量进行对角化运算，上标H表示共轭转置运算，由此可知，将原始数据矢量和解码矢量带入该解码模型中，能够得到解码后的接收信号。经过解码处理后，数据的维数没有发生变化，并且，虽然相位编码是在发射阵元-发射脉冲之间加载的，经过解码处理后，信号发射导向矢量并不随脉冲序号k而变化。进一步的，经过解码处理后，传统的阵列信号处理方法，如数字波束形成、自适应波束置零、超分辨参数估计、空时自适应处理等，在该雷达体制下也可以很好兼容。

进一步的，对所述接收信号进行发射-接收二维信号处理，得到目标无模糊参数，具体的，发射-接收二维信号处理是一种现有的将信号以频率的形式表达的变换处理方式，在此不做详细说明，经过发射-接收二维信号处理得到等效发射频率和接收频率，建立等效发射频率和接收频率的表达式；

等效发射频率的表达式为：

接收频率的表达式为：

其中，γ为编码参数，p₀为距离模糊区，θ₀为角度，d_T为发射阵元间距，d_R为接收阵元间距，λ₀为波长。

通过表达式(7)和(8)，能结算得到距离模糊区p₀以及角度θ₀，也即目标无模糊参数；

举例而言，如图5所示，设置编码参数γ＝0.25，发射阵元间距和接收阵元间距均为半波长λ₀，假定存在4个距离模糊的目标信号，它们的空间角度完全相同，均为θ₀，但是它们位于不同的距离模糊区域，即分别位于p₀＝1、p₀＝2、p₀＝3、p₀＝4对应距离模糊区。如图5可见，在联合发射-接收空间频率域，这四个距离模糊的目标是完全分开的，在同一接收频率下，它们的归一化发射频率彼此不同。由此可知，本申请技术方案能够实现不同距离模糊区对应的不同脉冲回波信号的分辨，该分辨能力是在联合发射-接收二维空间中获得的。

可知，本发明提供的信号处理方法中所涉及的在发射阵元与发射脉冲之间加载相位编码，对接收到的射频信号进行逆向解码，能够实现不同距离模糊区目标的分离，且无论目标的角度是否相同。

综上所述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方案及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种雷达阵元-脉冲编码与处理方法，其特征在于，包括发射端处理和接收端处理，其中，所述发射端处理包括：

根据发射阵元和发射脉冲进行阵元-脉冲编码设计，生成阵元-脉冲相位编码信号；包括：

将所述发射阵元数设为M，一次相干处理时间内的脉冲数设为K；

对第m个所述发射阵元的第k个发射脉冲构建编码模型；

所述编码模型的表达式为：c_m,k＝exp{j2πγ(m-1)(k-1)}；

根据所述编码模型生成所述阵元-脉冲相位编码信号；

其中，M为大于1的整数，K为大于1的整数，m＝1,2,…,M，k＝1,2,…,K，γ为编码参数，所述编码参数为任意实数；

获取所述发射阵元在所述发射脉冲下发射的正交基带信号；

根据所述阵元-脉冲相位编码信号和所述正交基带信号生成发射信号；

所述接收端处理包括：

接收射频信号，对所述射频信号进行处理得到数字接收信号；

对所述数字接收信号进行多路波形匹配滤波，得到原始数据矢量；包括：

对N个接收阵元接收到的所述数字接收信号分别用M个发射阵元的发射波形进行匹配滤波，得到MNx1维的回波信号；

对所述MNx1维的回波信号构建原始数据矢量模型；

所述原始数据矢量模型的表达式为：x_k(t)＝[x_1,1,k(t),x_1,2,k(t),…,x_n,m,k(t),…,x_N,M,k(t)]^T；

根据所述原始数据矢量模型生成所述原始数据矢量；

其中，M为发射阵元数，N为接收阵元数，K为一个相干处理时间内的脉冲数，k为脉冲序号；

根据所述阵元-脉冲相位编码信号构建解码矢量；包括：

根据所述阵元-脉冲相位编码信号，构建编码矩阵C，

根据所述编码矩阵得到编码矢量，所述编码矢量为：c_k＝[c_1,k,c_2,k,…,c_M,k]^T；

根据所述编码矢量对第m个所述发射阵元的第k个发射脉冲构建所述解码矢量模型，所述解码矢量模型的表达式为：

根据所述解码矢量模型得到所述解码矢量；

其中，M为发射阵元数，1_N为全1的列矢量，N为接收阵元数，K为脉冲数，k脉冲序号；

根据所述解码矢量和所述原始数据矢量，得到接收信号；

对所述接收信号进行发射-接收二维信号处理，得到目标无模糊参数，包括：对所述接收信号进行发射-接收二维信号处理，得到所述接收信号对应的等效发射频率和接收频率；

所述等效发射频率为：

所述接收频率为：

根据所述等效发射频率和所述接收频率计算得到所述目标无模糊参数，所述目标无模糊参数包括p₀和θ₀；

其中，γ为编码参数，p₀为距离模糊区，θ₀为角度，d_T为发射阵元间距，d_R为接收阵元间距，λ₀为波长。

2.根据权利要求1所述的雷达阵元-脉冲编码与处理方法，其特征在于，根据所述阵元-脉冲相位编码和所述正交基带信号生成发射信号；包括：

构建发射模型，所述发射模型的表达式为：

其中，

为脉冲函数，T_p为脉冲持续时间，t∈(0,T_r)为脉冲重复时间内的时间变量，t_k∈(0,KT_r)为整个相干处理时间内的时间变量，且满足t_k＝(k-1)T_r+t，k＝1,2,…,K为脉冲序号，f₀为工作频率，c_m,k为阵元-脉冲相位编码信号，

为所述发射阵元发射的正交基带信号；

将所述阵元-脉冲相位编码信号和所述正交基带信号带入所述发射模型，生成所述发射信号。

3.根据权利要求1所述的雷达阵元-脉冲编码与处理方法，其特征在于，根据所述解码矢量和所述原始数据矢量，得到接收信号，包括：

根据所述解码矢量模型和所述原始数据矢量模型构建解码模型；

所述解码模型的表达式为：

根据所述解码模型，得到所述接收信号；

其中，diag{}表示对角化运算，上标H表示共轭转置运算。

4.根据权利要求1所述的雷达阵元-脉冲编码与处理方法，其特征在于，所述发射阵元数为M，设置编码系数a，所述编码参数为：γ＝a/M。

5.根据权利要求1所述的雷达阵元-脉冲编码与处理方法，其特征在于，所述雷达阵元是天线阵元，天线模块和天线子阵中的一种。

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