CN110221268B - 一种相位-幅度校准滤波器以及提升短脉冲非相参雷达信号处理性能的方法 - Google Patents

一种相位-幅度校准滤波器以及提升短脉冲非相参雷达信号处理性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相位‑幅度校准滤波器以及提升短脉冲非相参雷达信号处理性能的方法，主要解决辐射信号在不同脉冲之间中心频率的不确定性引起的补偿相参处理性能下降的问题。本发明的基本思想是：针对每一次辐射脉冲波形，耦合提取一路信号作为雷达接收机信号处理的参考信号；利用参考信号，构造相位‑幅度校准滤波器，该滤波器与匹配滤波器结合成一个专门为该次微波脉冲设计的复合滤波器；其中相位‑幅度校准滤波器的模型为：
Figure DDA0002103047680000011
R(t)H＝C(t)＝PSF(t)exp(jζ(‑t))，()H为取共轭算子，PSF(t)是包络的点扩散函数，R(t)为匹配滤波输出；C(t)为相位校准滤波器。

Description

一种相位-幅度校准滤波器以及提升短脉冲非相参雷达信号 处理性能的方法
技术领域
本发明属于短脉冲非相参雷达技术领域，具体涉及一种信号处理性能改善的方法。
背景技术
短脉冲非相参雷达的微波功率源属于真空电子学器件，其产生的微波脉冲信号有峰值功率高、脉冲宽度短的特点。同时，从雷达信号处理角度看，其产生的微波脉冲包络中心存在随机性，每个微波脉冲的起始相位是随机的，中心频率也在脉冲间存在不确定性。因此，重频工作的短脉冲非相参雷达是完全不相参的系统。
前期的研究结果表明，通过匹配滤波器可有效的补偿辐射源的前两项不确定因素，在此基础上可进行补偿相参处理。但是，构造的匹配滤波器无法补偿中心频率的不确定性引起的性能下降的现象，例如，补偿相参的脉冲多普勒处理中仍然存在多普勒污染的现象。
发明内容
本发明的主要目的是解决辐射信号在不同脉冲之间中心频率的不确定性引起的补偿相参处理性能下降的问题。
本发明实现提升短脉冲非相参雷达信号处理性能的基本思想是：针对每一次辐射脉冲波形，耦合提取一路信号作为雷达接收机信号处理的参考信号；利用参考信号，构造相位-幅度校准滤波器；该滤波器与匹配滤波器结合成一个专门为该次微波脉冲设计的复合滤波器。
其中，相位-幅度校准滤波器的设计思想是：在保证信号群延时恒定的基础上，对雷达辐射信号频率抖动引起的瞬时相位走动进行校准，校准后，接收机处理的点目标回波的瞬时相位历程将保持为0。同时，通过峰值位置幅度来归一化校准滤波器输出幅度，校准后，接收机处理的点目标回波的峰值幅度保存一致。在匹配滤波基础上，保证点目标回波通过校准滤波器后，其相位历程和包络形状基本一致，实现了相位和幅度的校准。
进而，本发明提出以下解决方案：
一种基于参考信号的相位-幅度校准滤波器的构造方法，包括：
1)针对每一次辐射脉冲波形，耦合提取一路信号作为雷达接收机信号处理的参考信号，通过快速傅里叶算法变换到数字频域；这里，采用快速傅里叶变换只是一种较佳的算法；
2)参考信号数字频域取模方，得到点目标匹配滤波输出的数字频域，取圆周共轭对称，得到相位校准滤波器数字频域；
3)将点目标匹配滤波输出的数字频域和相位校准滤波器数字频域，对应点相乘并求和，再求倒数得到一个幅度校准系数；
4)将幅度校准系数与相位校准滤波器数字频域相乘，得到相位-幅度校准滤波器数字频域。
一种基于参考信号的相位-幅度校准滤波器，其模型为：
Figure BDA0002103047660000021
其中，R(t)H＝C(t)＝PSF(t)exp(jζ(-t))，()H为取共轭算子，PSF(t)是包络的点扩散函数，R(t)为匹配滤波输出；C(t)为相位校准滤波器。
一种用于提升短脉冲非相参雷达信号处理性能的复合滤波器，其特征在于，包括：
(1)匹配滤波器；其模型为：
R(t)＝PSF(t)exp(2πjfdmt)
其中，PSF(t)是包络的点扩散函数，fdm是随机频率抖动项，fdm＝fm-fc，fm表示第m个微波脉冲中心频率，fc是微波源设计标称的中心频率；
(2)上述的相位-幅度校准滤波器，所述匹配滤波器的输出作为该相位-幅度校准滤波器的输入。
相应的，一种提升短脉冲非相参雷达信号处理性能的方法，将回波信号通过上述的复合滤波器，即获得补偿相参和校准处理的效果。
优选的，回波信号接收通道时序按照以下方式做调整：在参考信号接收通道上进行一次粗对准，即对参考信号数据作一次峰值位置检测，得出峰值位置与预先设定位置之间的偏移量，根据该偏移量将回波信号数据作相应的指针偏移。
优选的，若采用快速傅里叶变换实现复合滤波器，在实现复合滤波器的过程中，还针对长距离波门的回波信号，通过混叠保留的方法，进行分段校准滤波处理。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的相位-幅度校准滤波器，根据每个脉冲获得的参考信号，根据信号的基本的奇偶虚实对称性特点，忽略复杂的频率因素，只关注复基带波形的瞬时相位历程，对雷达辐射信号频率不确定因素引起的瞬时相位走动进行相位校准；在此相位校准的基础上，忽略包络的形状，只关注校准滤波器输出峰值位置的幅度，构造加权因子，归一化该滤波器输出幅度。点目标回波的匹配滤波输出，通过该相位-幅度校准滤波器后，能够保证其瞬时相位历程校准到0；同时，保证输出幅度相同，包络形状基本一致，从而改善了回波信号的相参性。
针对每一次辐射脉冲波形，耦合提取一路信号作为雷达接收机信号处理的参考信号。雷达接收机通过参考信号构造相位-幅度校准滤波器，并且与匹配滤波器相结合成一个复合滤波器。保证点目标回波通过该复合滤波器后，其相位历程和包络形状基本一致。从本质上而言，该复合滤波器是针对该次微波脉冲专门设计的失配滤波器。
该复合滤波器可以通过快速傅里叶变换方法实现，因此算法非常便于实施；同时，对于长距离波门的回波信号可以通过混叠保留的分段校准滤波处理。在相位-幅度校准处理的基础上，短脉冲非相参雷达能够获得更好的相参处理效果。
附图说明
图1为匹配滤波输出的幅度波形。
图2为匹配滤波输出的相位历程波形。
图3为相位校准滤波输出的幅度波形。
图4为相位校准滤波输出的相位历程波形。
图5为相位校准滤波的频域示意图。
图6为相位-幅度联合校准滤波输出的幅度波形。
图7为相位-幅度联合校准滤波的信号处理流程。
图8为系统时序示意图。
图9为粗对准操作的示意图。
图10为硬件上实施校准滤波方法的示意图。
具体实施方式
为了更清楚的理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
短脉冲非相参雷达的辐射信号模型可以表示为：
Figure BDA0002103047660000031
其中t表示雷达的快时间，它的起始位置是每一个驻留起始。g(t)是中心在t＝0位置的微波脉冲包络信号，fm表示第m个微波脉冲中心频率，
Figure BDA0002103047660000032
表示第m个脉冲的参考相位。由于真空电子学器件产生微波脉冲过程中的非相参性因素，每次微波脉冲的包络中心存在随机性，起始相位是随机的，中心频率也在脉冲间存在不确定性。其中tdm表示第m个微波脉冲包络中心的抖动量，
Figure BDA0002103047660000041
是第m个微波脉冲的起始相位项。另外，微波脉冲中心频率可描述为
fm＝fc+fdm (2)
fc是微波源设计标称的中心频率，fdm是随机频率抖动项。由于上述三种因素存在，该雷达属于完全不相参的雷达。
在雷达接收机设计上增加一个射频通道，接收微波源产生的微波脉冲信号，称为参考信号接收通道。将参考信号和雷达回波信号使用同一个本地稳定振荡器进行正交下变频
Figure BDA0002103047660000042
其中本地振荡器的中心频率为fc。前期研究结果已经表明，通过参考信号构造匹配滤波器，能够有效的补偿上述三个因素的前两项。利用参考信号对点目标回波进行匹配处理：
Figure BDA0002103047660000043
其中“*”表示卷积算子，“()H”为取共轭算子，PSF(t)是包络的点扩散函数。从(4)可以看出随机频率抖动项仍然对信号处理有影响。
匹配滤波输出R(t)实际上是参考信号复包络的自相关函数，它满足共轭对称函数的条件：
R(-t)H＝s(-t,m)H*s(t,m)＝R(t) (5)
如果短脉冲非相参雷达参考信号完全符合(3)所表示的模型，那么(4)相位走动过程是线性的斜线，没有其他残余相位影响。实际波形并不是完全符合模型，图1和图2分别是实际波形基带匹配滤波输出的幅度波形和瞬时相位历程波形。图1展示了各次脉冲的幅度函数基本相同。虽然图2展示瞬时相位历程并不是斜线，并且一致性较差，式(4)仍然可以表示为：
R(t)＝PSF(t)exp(jζ(t)) (6)
其中ζ(t)称为相位历程函数。每个脉冲的相位历程函数不完全相同，这是非相参的最主要因素之一。根据(5)，可以得到
ζ(-t)＝-ζ(t) (7)
根据校准的目标和雷达信号处理的基本需求，要求校准滤波器满足以下条件：(1)基本上将各个脉冲的相位历程ζ(t)校准到接近相同，这是校准的核心目的；(2)滤波器引入的群延时应该是完全相同的，这一点是相参处理的基础；(3)应该是一种有限冲击响应(FIR)滤波组方法实现，避免无限冲击响应(IIR)滤波器组方法实现；(4)滤波器尽量引入少的信噪比损失；(5)滤波器的构造应该是便捷的。
由此，根据匹配滤波输出设计了对应的相位校准滤波器：
C(t)＝PSF(t)exp(jζ(-t))＝PSF(t)exp(-jζ(t))＝R(t)H (8)
那么校准滤波器输出为：
U(t)＝R(t)*C(t) (9)
式(9)满足：
U(t)H＝R(t)H*C(t)H＝C(t)*R(t)＝U(t) (10)
式(10)表示U(t)为纯的实函数，为点目标匹配滤波加上校准滤波输出，其瞬时相位历程已经完全校准到0。图3和图4是实际波形的匹配滤波加上相位校准滤波输出结果，包括幅度波形和相位历程波形，可以看出瞬时相位历程已经接近于0。
图5展示了匹配滤波和相位校准滤波处理的频域示意。由于波形频率的偏差，基带信号频谱峰值位置并不在f＝0。匹配滤波是利用波形频谱共轭的滤波器与信号频谱相乘，所得的匹配滤波输出仍然是峰值偏离的。构造的相位校准滤波器的频谱与匹配滤波输出信号的频谱是偶对称的，这两者相乘的结果是校准滤波输出，其频率峰值在f＝0处，也就是将信号中心频率偏离现象得以校准。
从图4可以看出，仅仅从瞬时相位历程角度，波形已经获得的良好的校准。但是实际从图3上也可以看出，相位校准滤波器输出的幅度在每次脉冲有所不同，实际上包络形状也有一定的区别。该脉冲间的幅度调制也会影响脉冲多普勒处理的效果，因此需要在相位校准的基础上对幅度进行校准。幅度校准的思想是：忽略包络的形状，只关注校准滤波器输出峰值位置的幅度，构造加权因子
Figure BDA0002103047660000061
幅度加权后，称为相位-幅度校准滤波器
Figure BDA0002103047660000062
图6为相位-幅度校准滤波器输出的幅度波形，可看出瞬时相位历程和幅度都获得了校准。
实际系统中的信号处理流程是按照图7的方式进行。首先，利用参与信号构造匹配滤波器；其次，通过参考信号本身生成自相关函数，并生成相位-幅度校准滤波器；然后将匹配滤波器和相位-幅度校准滤波器结合一个复合滤波器。最后，将回波信号通过复合滤波器，就获得了补偿相参和校准处理的效果。
图8展示的是短脉冲非相参雷达的系统时序关系，驻留起始信号发出后，微波源产生微波，而后参考接收通道回接收到波形。根据延时的统计平均结果，在一个预计参考信号出现时刻，设定一个以此时刻为中心，宽度为TR的参考信号波门，称为参考信号波门。要求参考信号波门时间内，所有脉冲的波形数据都完全采样到，并且送入数字信号处理器。根据雷达设定的距离，在回波接收通道上采集特定距离的波形数据，送入数字信号处理器。实际执行过程，可在参考信号通道上进行一次粗对准，即为在参加信号数据作一次峰值检测位置检测，找到峰值位置与预先设定位置之间的偏移，将回波信号数据作相应的指针偏移，如图9。
假设基带上信号采样间隔为dt，参考信号采样点数NR＝ceil(TR/dt)，其中ceil(·)是向上取整函数。同样，回波信号波门宽度为TE，对应的采样点数为NE＝ceil(TE/dt)。回波接收波门宽度远比参考波门宽，因此使用分段快速傅里叶变换实现的滤波补偿与校准方法，如图10所示，按照以下步骤进行：
(1)选择一个合适的数据长度L，它要大于3NR，并且为2的幂数，目的是为便于FFT的快速实现；
(2)参考信号后面填充L-NR个0，作为参考信号数组；
(3)将回波信号进行拆分，每个片段长度为L，除了第一个片段之外，其他片段都保留前面片段的后3NR-2个单元的数值，最后一个片段不足用0填充。那么预估分段数为k，满足：
kL-(k-1)(3NR-2)＝NE (13)
计算得到：
Figure BDA0002103047660000071
从而得到k个回波信号数组；
(4)将参考信号数组和k个回波信号数组都使用快速傅里叶算法变换到数字频域；
(5)参考信号数字频域取共轭得到点目标匹配滤波器数字频域；
(6)参考信号数字频域取模方，得到点目标匹配滤波输出的数字频域。在此基础上取圆周共轭对称，得到相位校准滤波器数字频域；
(7)将点目标匹配滤波输出的数字频域和相位校准滤波器数字频域，对应点相乘并求和，并求倒数得到一个幅度校准系数；
(8)将幅度校准系数与相位校准滤波器数字频域相乘，得到相位-幅度校准滤波器数字频域；(9)将匹配滤波频域和相位-幅度校准滤波频域相乘组成一个复合滤波器；
(10)将回波数组的数字频域与复合滤波器数字频域相乘，然后做逆快速傅里叶变换，得到滤波结果的时域。
(11)将每个滤波后的回波片段进行圆周移位，去除由于滤波处理产生的延时，移动量为2NR-2，实际算法可以通过指针偏移实现。
(12)进行滤波后的回波信号拼接，第一个片段的前2NR+1是循环混叠区域，加以舍弃。其他片段的前3NR-2是拆分混叠区域，加以舍弃。按照这种法则将处理结果拼接在一起。

Claims (6)

1.一种基于参考信号的相位-幅度校准滤波器的构造方法，其特征在于，包括：
1)针对每一次辐射脉冲波形，耦合提取一路信号作为雷达接收机信号处理的参考信号，通过快速傅里叶算法变换到数字频域；
2)参考信号数字频域取模方，得到点目标匹配滤波输出的数字频域，取圆周共轭对称，得到相位校准滤波器数字频域；
3)将点目标匹配滤波输出的数字频域和相位校准滤波器数字频域，对应点相乘并求和，再求倒数得到一个幅度校准系数；
4)将幅度校准系数与相位校准滤波器数字频域相乘，得到相位-幅度校准滤波器数字频域。
2.一种基于参考信号的相位-幅度校准滤波器，其特征在于，其模型为：
Figure FDA0002724052490000011
其中，R(t)H＝C(t)＝PSF(t)exp(jζ(-t))，ζ(-t)＝-ζ(t)，ζ(t)为相位历程函数；()H为取共轭算子，PSF(t)是包络的点扩散函数，R(t)为匹配滤波输出；C(t)为相位校准滤波器。
3.一种用于提升短脉冲非相参雷达信号处理性能的复合滤波器，其特征在于，包括：
(1)匹配滤波器；其模型为：
R(t)＝PSF(t)exp(2πjfdmt)
其中，PSF(t)是包络的点扩散函数，fdm是随机频率抖动项，fdm＝fm-fc，fm表示第m个微波脉冲中心频率，fc是微波源设计标称的中心频率；
(2)权利要求2所述的相位-幅度校准滤波器，所述匹配滤波器的输出作为该相位-幅度校准滤波器的输入。
4.一种提升短脉冲非相参雷达信号处理性能的方法，其特征在于，将回波信号通过权利要求3所述的复合滤波器，即获得补偿相参和校准处理的效果。
5.根据权利要求4所述提升短脉冲非相参雷达信号处理性能的方法，其特征在于，回波信号接收通道时序按照以下方式做调整：在参考信号接收通道上进行一次粗对准，即对参考信号数据作一次峰值位置检测，得出峰值位置与预先设定位置之间的偏移量，根据该偏移量将回波信号数据作相应的指针偏移。
6.根据权利要求4所述提升短脉冲非相参雷达信号处理性能的方法，其特征在于，快速傅里叶变换实现复合滤波器的过程中，还针对长距离波门的回波信号，通过混叠保留的方法，进行分段校准滤波处理。
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