CN110035029A - 一种基于偏移正交幅度调制ofdm信号的脉冲压缩方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于偏移正交幅度调制OFDM信号的脉冲压缩方法，应用于雷达技术领域，针对现有基于LFM信号脉冲压缩距离旁瓣高以及基于CP‑OFDM信号脉冲压缩需要设置CP而带来的频谱资源浪费的问题；本发明的方法首先建立了基于OQAM‑OFDM信号的雷达回波模型，然后通过对目标回波信号进行解调，并基于干扰近似法推导了脉冲压缩的具体过程，实现了无距离旁瓣脉冲压缩。
Description
技术领域
本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种雷达脉冲压缩技术。
背景技术
OFDM信号由于具有抗干扰能力强、频谱利用率高等优势被众多学者所关注及研究，并已经被成功应用于SAR成像，目标检测和跟踪等领域。脉冲压缩作为目标检测的核心步骤，基于OFDM信号的脉冲压缩方法已经得到了广泛的研究。通常OFDM信号需要设置循环前缀(CP)来抵抗由于多径效应而引起的符号间干扰，导致频谱资源浪费。除此之外，OFDM信号使用的是矩形窗滤波器，这将导致严重的带外泄露从而引起不可避免的子载波间干扰。而偏移正交幅度调制OFDM(OQAM-OFDM)信号作为OFDM信号的一种替代信号，采用了具有良好频域聚焦特性的原型滤波器，带外能量泄露低，使其能够有效克服多径效应，避免了CP的使用，提升了频谱利用率，从而使其在雷达和通信系统中有着广阔的应用前景。
目前，有许多学者研究如何将OQAM-OFDM信号应用于通信系统中，而只有一部分学者研究将其应用于雷达领域。如在文献“Using filter bank multicarrier signals forradar imaging，2014 IEEE/ION Position，Location and Navigation Symposium-PLANS2014，152-157，2014”中，将OQAM-OFDM信号应用于SAR成像，验证了该信号应用于雷达系统的可行性，深入分析了多普勒频偏与多径效应对OQAM-OFDM信号的影响。在文献“基于多载波信号的多基地雷达研究，硕士学位论文，天津大学，2017”中，分析了OQAM-OFDM信号作为单基地、多基地外辐射源雷达照射源的性能，包括平均模糊函数、模糊函数-3dB投影面积等，分析了改变发射站和接收站的部署对多基地雷达系统的距离分辨性能的影响。表明与OFDM类似，OQAM-OFDM信号的平均模糊函数也呈图钉型，可以作为雷达照射源使用。但是以上文章都只是简单的将原来的OFDM信号替换为OQAM-OFDM信号，且仍然采用传统的匹配滤波的方法实现脉冲压缩。而OQAM-OFDM信号本身具有的良好特性没有得到足够的重视和深入的研究，如何利用OQAM-OFDM信号来实现无距离旁瓣脉冲压缩的方法还没有人研究。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于偏移正交幅度调制OFDM信号的脉冲压缩方法，有效解决了在实际应用中传统匹配滤波方法存在的高距离旁瓣问题以及由于OFDM信号设置循环前缀而带来的频谱资源浪费的问题。
本发明采用的技术方案为：一种基于偏移正交幅度调制OFDM信号的脉冲压缩方法，包括：
S1、雷达发射机发射OQAM-OFDM信号；
S2、雷达接收机接收信号，并对接收信号进行离散采样；
S3、根据步骤S2得到的离散后的接收信号，对调制在各子载波上的实权重进行估计；
S4、根据步骤S3得到的调制在各子载波上的实权重估计结合干扰近似法，计算各距离分辨单元的雷达RCS系数的估计值。
进一步地，步骤S4包括以下步骤：
S41、根据干扰近似法以及步骤S3得到的调制在各子载波上的实权重，得到各个距离分辨单元的加权雷达RCS系数的傅里叶变换估计；
S42、通过对各距离分辨单元的加权雷达RCS系数的傅里叶变换估计，进行离散逆傅里叶变换，得到各距离分辨单元的加权雷达RCS系数的估计值；
S43、根据各距离分辨单元的加权雷达RCS系数的估计值，得到各距离分辨单元的雷达RCS系数的估计值。
更进一步地，步骤S43所述各距离分辨单元的雷达RCS系数的估计值，计算式为：
其中，gr表示第r个距离分辨单元的雷达RCS系数，表示第r个距离分辨单元的加权雷达RCS系数br的估计值，表示噪声估计值，Rr表示第r个距离分辨单元到雷达的距离，fc表示载频，K表示子载波数目，c表示光速。
进一步地，步骤S42所述各距离分辨单元的加权雷达RCS系数的估计值，计算式为：
其中，K表示子载波数目，br表示第r个距离分辨单元的加权雷达RCS系数，R表示距离分辨单元总数，为噪声。
进一步地，步骤S3所述的对调制在各子载波上的实权重进行估计，表达式为：
其中，νi表示接收信号离散后的第i个数据，h()为雷达发射机使用的原型滤波器，K表示子载波数目，m为符号序号。
进一步地，当雷达发射机使用的原型滤波器相应在信号最大时延内保持不变，个目标的加权雷达RCS系数在不同符号期间保持不变，且多载波调制系统中子载波间隔远小于1/τmax时，步骤S3所述的对调制在各子载波上的实权重进行估计，表达式为：
其中，B(k)表示第r个距离分辨单元的加权雷达RCS系数的傅里叶变换，dk(m)表示第k个子载波上的实权重，p表示子载波序号，q表示符号序号，当(k,m)≠(p,q)时，是一个纯虚数，ωk(m)为雷达接收机解调的噪声信号，表示整数。
进一步地，步骤S2所述接收信号为R个距离分辨单元的雷达回波信号的叠加。
本发明的有益效果：本发明的方法首先建立了以OQAM-OFDM信号为发射信号的雷达发射接收系统模型，然后通过对接收信号解调来估计发射端的实权重，再利用估计的实权重，并结合干扰近似法实现雷达脉冲压缩，从而解决了传统匹配滤波方法存在的高距离旁瓣问题以及基于CP-OFDM信号的脉冲压缩方法需要设置循环前缀而引起的频谱资源浪费问题；本发明的优点是提出的基于OQAM-OFDM信号的脉冲压缩方法可以实现零距离旁瓣脉冲压缩并且各距离分辨单元之间没有任何能量串扰；同时本发明可以应用于雷达检测跟踪、SAR成像等领域。
附图说明
图1为本发明的方案流程图。
图2是本发明具体实施方式中归一化目标距离像点扩展函数图。
图3是本发明具体实施方式中当存在7个目标时的雷达距离像恢复图。
图4是本发明具体实施方式中当存在多个目标时距离像恢复的均方误差图。
具体实施方式
为了方便描述本发明的内容，首先对以下术语进行解释：
术语1：脉冲压缩
脉冲压缩是指发射宽脉冲并对回波进行处理以获得窄脉冲的过程。
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图1所示为本发明的方案流程图，本发明的一种基于偏移正交幅度调制OFDM信号的脉冲压缩方法，包括以下步骤：
S1、雷达发射机发射OQAM-OFDM信号；
雷达系统发送端的基带等效发送信号可以写为：
其中，K为子载波数目，M为符号数目，k表示第k个子载波、m为第m个符号周期，h(t)为系统发送端使用的原型滤波器，dk(m)为调制在第m个符号、第k个子载波上的实权重，T为符号周期。将基带等效发送信号s(t)加载到载频为fc的载波上经由雷达发射天线发射出去。
S2、雷达接收机接收信号，并对接收信号进行离散采样；
雷达系统接收端的回波信号是R个距离分辨单元的雷达回波信号的叠加，可以表示为：
其中，gr为第r个距离分辨单元的雷达散射截面积(RCS)系数，Rr为第r个距离分辨单元到雷达的距离，ω(t)为高斯加性白噪声，c表示光速。
假设雷达与最近的一个距离分辨单元的距离为R0，则有Rr＝R0+rγ，γ＝c/2B为雷达距离分辨率，B为OQAM-OFDM发射信号的带宽。在接收端对回波信号进行离散采样，假设采样间隔Ts＝1/B，由于在离雷达最近的一个距离分辨单元产生的回波回到雷达接收机之前没有其他距离分辨单元的回波到达雷达接收机，因而从第一个回波回到接收机的时间t0＝2R0/c开始对接收信号进行采样。从而接收信号在离散时间域可以表示为：
其中，为第r个距离分辨单元的加权雷达RCS系数，si为式(1)雷达发射信号s(t)的离散采样值，νi为式(2)雷达接收端对接收信号ν(t)的离散采样值，ωi为式(2)雷达接收端对接收机噪声ω(t)的离散采样值。
S3、根据步骤S2得到的离散后的接收信号，对调制在各子载波上的实权重进行估计；
通过对接收信号νi进行解调可以得到对各子载波上的实权重dk(m)的估计如下式：
将式(3)带入上式可得：
其中，
ωk(m)为雷达系统接收端解调的噪声信号。
当信号时延τ较小时，可以假设原型滤波器响应在信号最大时延内保持不变，即h(i)≈h(i-τ),τ≤R，则式(5)可以重新写为
其中，
另外，假设雷达探测的目标为慢速运动目标，则各目标的加权雷达RCS系数br在不同符号期间保持不变，有B(p,m)＝B(p)。除此之外，已知当(k,m)≠(p,q)时，是一个纯虚数，并且由于OQAM-OFDM信号采用的原型滤波器具有良好的频率聚焦性和时间聚焦性，只在|k-p|≤1&|m-q|≤1时具有较大的数值，否则，可以认为近似等于零。则式(7)可以被写为：
对于多载波调制系统，当子载波间隔Δf远小于1/τmax时，有B(k)≈B(k+1)≈B(k-1)。因此上式可以写为
S4、根据步骤S3得到的调制在各子载波上的实权重估计结合干扰近似法，计算各距离分辨单元的雷达RCS系数的估计值。
结合式(11)，利用干扰近似法可以得到：
将式(11)带入上式可以得到：
将上式进行离散傅里叶变换可以得到：
把式(13)带入式(14)中，第r个距离分辨单元的加权雷达RCS系数br的估计值可以写成：
其中，为噪声。由于Rr和fc由雷达系统参数所决定，可以视为已知，则第r个距离分辨单元的雷达RCS系数gr的估计值可以写为：
至此，基于OQAM-OFDM信号的雷达脉冲压缩过程已经完成。从上式可以看出，只受gr和噪声估计值的影响，其他距离分辨单元的回波能量对它没有影响，说明在脉冲压缩过程中没有产生距离旁瓣能量串扰。
本发明的效果通过以下仿真对比试验进一步说明：
仿真场景1：考虑在雷达探测范围内只存在一个点目标，其加权雷达RCS系数为bc，其他距离分辨单元内不存在目标。发射信号带宽B＝200MHz，采样频率fs＝BMHz，发射信号载波频率fc＝9GHz，子载波数目K＝1024，距离分辨单元数目R＝128，发射信号符号数2M＝2，点目标RCS系数gc＝5+5i。从而，符号周期为T＝K/B＝5.12μs，采样间隔为Ts＝1/B＝5ns。为验证本发明所提方法的有效性，仿真时将本发明提出的方法与传统的基于线性调频信号(LFM)的匹配滤波脉冲压缩方法和基于CP-OFDM信号的脉冲压缩方法进行对比，并将三种发射信号的发射能量都进行归一化以便于比较。
三种信号脉冲压缩的归一化目标距离像点扩展函数如图1所示。
由图1可以看出，基于LFM信号的脉冲压缩方法的旁瓣明显比另外两种信号高。而基于CP-OFDM信号和基于OQAM-OFDM信号的脉冲压缩方法都可以实现零距离旁瓣，并且没有旁瓣能量串扰。但是基于CP-OFDM信号的脉冲压缩方法需要发射循环前缀，这将导致频谱利用率的降低，相反由于不需要设置循环前缀，基于OQAM-OFDM信号的脉冲压缩方法则可以提升频谱利用率。
仿真场景2：考虑在雷达探测范围内除了存在目标还存在加性高斯白噪声，信噪比为10dB。考虑三种情况，情况一为在雷达探测范围内只存在一个目标，目标RCS系数gc＝5+5i；情况二为在雷达探测范围内存在7个均匀分布的目标，它们的RCS系数随机产生；情况三为雷达探测范围内每个距离分辨单元都存在目标，即有R个目标，它们的RCS系数服从均值为0，方差为5的高斯分布。其余仿真参数与仿真场景1相同，用距离像恢复的均方误差来衡量距离像恢复的性能，蒙特卡洛仿真试验次数为100次。
当在雷达探测范围内存在7个均匀分布的目标时，其距离像恢复结果如图2所示。
三种情况的距离像恢复的均方误差如图3所示。
图2中，红色圆圈是目标的真实幅度，蓝色的点是距离像恢复的结果。可以看出，当存在多个目标时也能顺利的完成距离像恢复，并且没有任何旁瓣能量串扰。虽然当存在高斯噪声时，旁瓣较没有噪声时要高，但仍然比无噪声时基于LFM信号的旁瓣要低。
由图3可以看出，随着目标数目的增加，距离像恢复的均方误差逐渐增大。这是因为目标数量越多，接收信号的能量越大，意味着在相同接收信噪比下，噪声功率将越大。由式(13)可以看出，在其他条件不变的情况下，距离像恢复的均方误差将随着噪声功率的增加而增加。因而当目标数目增加时，距离像恢复的均方误差增大是正常的。另外很明显，即使目标数目很多，距离像恢复的均方误差值都很小，这证明了本发明提出的方法具有很好的性能。
综上，通过本发明具体实施方式可以看出，本发明可以很好的完成脉冲压缩，实现距离像恢复。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。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权利要求范围之内。
Claims (7)
1.一种基于偏移正交幅度调制OFDM信号的脉冲压缩方法，其特征在于，包括：
S1、雷达发射机发射OQAM-OFDM信号；
S2、雷达接收机接收信号，并对接收信号进行离散采样；
S3、根据步骤S2得到的离散后的接收信号，对调制在各子载波上的实权重进行估计；
S4、根据步骤S3得到的调制在各子载波上的实权重估计结合干扰近似法，计算各距离分辨单元的雷达RCS系数的估计值。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏移正交幅度调制OFDM信号的脉冲压缩方法，其特征在于，步骤S4包括以下步骤：
S41、根据干扰近似法以及步骤S3得到的调制在各子载波上的实权重，得到各个距离分辨单元的加权雷达RCS系数的傅里叶变换估计；
S42、通过对各距离分辨单元的加权雷达RCS系数的傅里叶变换估计，进行离散逆傅里叶变换，得到各距离分辨单元的加权雷达RCS系数的估计值；
S43、根据各距离分辨单元的加权雷达RCS系数的估计值，得到各距离分辨单元的雷达RCS系数的估计值。
3.根据权利要求2所述的一种基于偏移正交幅度调制OFDM信号的脉冲压缩方法，其特征在于，步骤S43所述各距离分辨单元的雷达RCS系数的估计值，计算式为：
其中，gr表示第r个距离分辨单元的雷达RCS系数，表示第r个距离分辨单元的加权雷达RCS系数br的估计值，表示噪声估计值，Rr表示第r个距离分辨单元到雷达的距离，fc表示载频，K表示子载波数目，c表示光速。
4.根据权利要求2所述的一种基于偏移正交幅度调制OFDM信号的脉冲压缩方法，其特征在于，步骤S42所述各距离分辨单元的加权雷达RCS系数的估计值，计算式为：
其中，K表示子载波数目，br表示第r个距离分辨单元的加权雷达RCS系数，R表示距离分辨单元总数，为噪声。
5.根据权利要求1所述的一种基于偏移正交幅度调制OFDM信号的脉冲压缩方法，其特征在于，步骤S3所述的对调制在各子载波上的实权重进行估计，表达式为：
其中，νi表示接收信号离散后的第i个数据，h()为雷达发射机使用的原型滤波器，K表示子载波数目，m为符号序号。
6.根据权利要求5所述的一种基于偏移正交幅度调制OFDM信号的脉冲压缩方法，其特征在于，当雷达发射机使用的原型滤波器相应在信号最大时延内保持不变，各目标的加权雷达RCS系数在不同符号期间保持不变，且多载波调制系统中子载波间隔远小于1/τmax时，步骤S3所述的对调制在各子载波上的实权重进行估计，表达式为：
其中，B(k)表示第r个距离分辨单元的加权雷达RCS系数的傅里叶变换，dk(m)表示第k个子载波上的实权重，p表示子载波序号，q表示符号序号，当(k,m)≠(p,q)时，是一个纯虚数，ωk(m)为雷达接收机解调的噪声信号，表示整数。
7.根据权利要求1所述的一种基于偏移正交幅度调制OFDM信号的脉冲压缩方法，其特征在于，步骤S2所述接收信号为R个距离分辨单元的雷达回波信号的叠加。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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