CN110850384B - 一种基于扫频数据产生宽带去斜回波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于扫频数据产生宽带去斜回波的方法，属于雷达信号处理技术领域。首先脉冲雷达对包含Q个散射中心的探测目标发射一个线性调频脉冲信号。探测目标中每个散射中心反馈给雷达各自的回波信号，得到Q个散射中心的宽带回波信号。设定参考信号，并对每个散射中心的宽带回波信号进行去斜处理，获得含有目标RCS特性的频率响应；对含有目标RCS特性的频率响应进行快速Fourier逆变换，每个散射中心逆变换得到一个复幅值，Q个复幅值组成探测目标的一维距离像；利用探测目标的一维距离像与每个散射中心的去斜回波信号相乘后累加求和，最终得到探测目标整体的宽带去斜回波。本发明大大降低了运算量，同时保证了与卷积运算相同的精度和准确性。

Description

一种基于扫频数据产生宽带去斜回波的方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，具体是一种基于扫频数据产生宽带去斜回波的方法，用于降低产生雷达去斜回波的运算量。

背景技术

宽带信号广泛应用于雷达、导航和卫星通讯等领域。宽带信号是其分数阶带宽在10％～25％之间的信号，具有高距离分辨率和高运动目标检测特性等优点。由于带宽较宽，就要求系统具有高的采样率。这样，一方面给数据采集带来了较大的困难，另一方面，即使解决了模数转换器(ADC)的信号采集问题，但过高的采样速率会导致后续处理的数据量急剧增大，对信号处理系统的处理速度、存储容量以及输入输出速度等都要求随之提高。

宽带信号的处理方法有：匹配滤波和子带分割技术等，匹配滤波方法受处理器件发展水平的限制，当处理信号的带宽较宽时，采用该方法处理存在一定的困难；子带分割方法是将接收的宽带信号分成多个子带，分别对各子带进行处理，但各子带间相位相干性难以保证，限制了该方法的广泛应用，这种情况下去斜脉冲压缩法被广泛使用。

为了在仿真中令目标的宽带去斜回波能够准确反映目标的宽带RCS特性，有两类方法：一类是在线性调频接收回波中调制目标的宽带RCS特性，但是由于线性调频接收信号采样率比较高，采样点数比较多，这样会导致计算量非常大；另一类是，在宽带去斜回波里调制目标的宽带RCS特性，因为宽带去斜回波采样率比较低，采样点数比较少，并且计算量非常小。

由于线性调频(LFM)信号的特殊性，对它的处理不仅可用一般的匹配滤波方式，还可以用特殊的解线性调频(Dechirping)方式来处理，从而实现脉冲压缩，获得距离维的高分辨。解线性调频脉压方式运算简单，而且可以简化设备，已广泛应用于SAR和ISAR中作脉冲压缩。

发明内容

本发明针对宽带去斜回波采样率比较低，采样点数比较少，并且计算量非常小的特性，提出了一种基于扫频数据产生宽带去斜回波的方法，在宽带去斜回波里调制目标的宽带RCS特性。

具体步骤如下：

步骤一、脉冲雷达对包含Q个散射中心的探测目标发射一个线性调频脉冲信号。

Q为正整数，是实际目标所含的散射中心数目；

扫频信号中每一个频率都为一个采样点，频率间隔和带宽决定了采样点数目。

线性调频信号计算公式如下：

t_m为慢时间，表示发射第m个脉冲的时刻；t_m＝mT，T为脉冲信号的重复周期；m为慢时间的帧数，m＝0,1,2,…。

为快时间，表示雷达发射的电磁波传播以发射时刻t_m为起点的时间；

t为全时间。T_p是脉冲的脉宽；脉冲在一个重复周期的脉宽内发射信号，在该周期的其余时间接收信号；exp(j2πf_ct)为雷达发射线性调频信号的载频信号；γ是线性调频信号的调频系数，f_c为线性调频信号的起始频率。

步骤二、探测目标中每个散射中心反馈给雷达各自的回波信号，得到Q个散射中心的宽带回波信号。

雷达接收到的第i个散射中心的回波信号为：

A_i是第i个散射中心的回波强度。

α_i为时间伸缩因子：

c为线性调频信号的传播速度；V_Ti为第i个散射中心的径向速度，远离雷达的方向为正，靠近雷达的方向为负。R_i为第i个散射中心到雷达的径向距离。

步骤三、设定参考信号，并对每个散射中心的宽带回波信号进行去斜处理，获得含有目标RCS特性的频率响应；

首先，设定参考信号

R_ref为参考距离；T_ref是参考信号的脉宽；

针对第i个散射中心的宽带回波进行去斜处理，计算公式如下：

步骤四、对含有目标RCS特性的频率响应进行快速Fourier逆变换，每个散射中心逆变换得到一个复幅值，Q个复幅值组成探测目标的一维距离像；

在给定姿态角下，含有目标RCS特性的频率响应为H(f_n)，n＝1,...,N，N为采样点数；计算公式如下：

其中，f₁为扫频信号的起始频率，f_n＝f₁+(n-1)Δf；Δf为频率采样间隔，B为扫频信号的带宽；B＝(N-1)Δf。r_i为目标与雷达的径向距离。

逆变换公式为：h(t_n)＝IFFT(H(f_n))；

其中h(t_n)所对应的时间为t_n＝(n-(N-1)/2)Δt，Δt＝1/B，h(t_n)即为探测目标的一维距离像；计算公式如下：

步骤五、利用探测目标的一维距离像与每个散射中心的去斜回波信号相乘后累加求和，最终得到探测目标整体的宽带去斜回波；

最终得到目标的宽带去斜回波为：

h_m(t_n)为第m个脉冲探测的一维距离像中第n个采样点对应的复幅度；第n个采样点对应的径向距离R_n＝R₀+r_n，R₀为第一个采样点对应的径向距离；r_n＝ct_n/2。

本发明的优点在于：

1)、一种基于扫频数据产生宽带去斜回波的方法，相比于传统的产生带有目标RCS特性的宽带去斜回波的方法，本发明将卷积运算转换为乘法运算，大大降低了运算量，尤其在扫频数据的频率间隔较小，采样点较多时，效果非常明显。

2)、一种基于扫频数据产生宽带去斜回波的方法，与传统得到目标宽带去斜回波的方法相比，这种方法在大大降低运算量的前提下保证了与卷积运算相同的精度和准确性。

附图说明

图1为本发明基于扫频数据产生宽带去斜回波的实现框图；

图2为本发明基于扫频数据产生宽带去斜回波的方法的流程图；

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明的实施方式做详细、清楚的描述。

本发明一种基于扫频数据产生能准确反映目标的宽带RCS特性的宽带去斜回波方法，通过离散傅里叶变换等处理，将高速运动目标的宽带去斜回波的表达式进行了简化，使所需要的运算量得到大幅降低的同时很大程度上保证了结果的准确性。

雷达对探测目标发射一个传播速度为c的线性调频信号；探测目标为正在进行高速运动并且与雷达相距R的物体；当发射的线性调频信号到达探测目标时，基于扫频数据产生宽带去斜回波的实现框图，如图1所示，S_t(t)为发射信号，发射信号延时为

反射信号为：

在高频区，目标的棱角，凹处，图曲面或者镜面处往往有较大的散射和反射，而且每个散射中心在不同频点下的回波特性也不尽相同，反射信号表达式中的h(t)，包含了目标的RCS特性与其他信息，当雷达接收到回波信号时，对应的回波信号为

这时得到雷达回波信号的表达式如下：

宽带去斜回波信号S_dc(t)的计算公式如下：

由公式(3)可以看出一般情况下基于扫频数据得到宽带去斜回波需要经过一个卷积运算，当雷达带宽较大，步进频率的间隔较小时，回波信号的扫频点数会较多，相应的由卷积运算得到去斜回波的运算量会很大，这会使得雷达模拟器对硬件的性能要求很高，同时会影响系统的实时性等性能。

如图2所示，具体步骤如下：

步骤一、脉冲雷达对包含Q个散射中心的探测目标发射一个线性调频脉冲信号。

Q为正整数，是实际目标所含的散射中心数目；

实际上因为探测目标是一个高速运动的目标，其信号的实际往返的时间是一个时变的函数τ(t)，因此接收信号也变为g(t)≈f(t-τ(t))。而且目标与雷达的距离也是一个时变的函数R(t)，那么在t时刻接收到的信号是t-τ(t)/2时刻从目标上所反射的。在那个时刻，目标距离接收机的距离是R[t-τ(t)/2]。因此，往返的时间延迟是

当目标做匀速运动时，其τ(t)的一阶导数是速度且为定值v，其二阶导数是加速度，且值为零。τ(t)在t＝τ₀处的泰勒展开为：

其中′表示对t的微分。此泰勒展开的第一项选择为t＝τ₀时τ(τ₀)＝τ₀。令v(t)＝R′(t)为目标在t时刻的速度。式子

对t进行微分，可得

因此，

令a(t)＝v′(t)＝R″(t)为目标在t时刻的加速度，对上式进一步做对t的微分，则：

简化为

将

和a(t)＝v′(t)带入上式，可得

则t＝τ₀时刻，在τ(τ₀)＝τ₀的情况下，泰勒展开为

对于匀速运动目标，

τ₀为常数

则泰勒展开为

因此，t时刻的接收信号g(t)所对应的发射信号的发射时刻为：

其中时间伸缩因子α＝c-v/c+v；则回波g(t)≈f(α·(t-τ₀))。

由于回波信号在时间长度上有伸缩，为保证回波信号和发射信号有相同的能量，回波信号需进一步近似为

假设雷达发射线性调频信号的载频信号为exp(j2πf_ct)，脉冲信号以重复周期T依次发射，即发射第m个脉冲的时刻t_m＝mT，称为慢时间；m为慢时间的帧数，m＝0,1,2,…。以发射时刻为起点的时间用

表示，称为快时间。快时间用来计量电磁波传播的时间，慢时间用来计量发射脉冲的时刻，这两个时间与全时间t的关系为：

雷达的发射信号为一个线性调频脉冲信号，计算公式如下：

T_p是脉冲的脉宽；脉冲在一个重复周期的脉宽内发射信号，在该周期的其余时间接收信号；γ是线性调频信号的调频系数，f_c为线性调频信号的起始频率。

扫频信号中每一个频率都为一个采样点，频率间隔和带宽决定了采样点数目。

步骤二、探测目标中每个散射中心反馈给雷达各自的回波信号，得到Q个散射中心的宽带回波信号。

当雷达的发射信号是GTD模型的线性调频脉冲信号时，得到的回波信号便是各个散射中心的宽带回波信号。探测目标总共有Q个散射中心，其中第i个散射中心到雷达的径向距离为R_i，径向速度为V_Ti(远离雷达的方向为正，靠近雷达的方向为负)，得到雷达接收到的第i个散射中心的回波信号为：

令时间伸缩因子

则上式可以简化为：

A_i是第i个散射中心的回波强度。

步骤三、设定参考信号，并对每个散射中心的宽带回波信号进行去斜处理，获得含有目标RCS特性的频率响应；

首先，设定参考信号

R_ref为参考距离；T_ref是参考信号的脉宽；

针对每个散射中心的宽带回波进行去斜处理，计算公式如下：

步骤四、对含有目标RCS特性的频率响应进行快速Fourier逆变换，每个散射中心逆变换得到一个复幅值，Q个复幅值组成探测目标的一维距离像；

线性调频脉冲信号所得到的回波信号实际上就是目标的频率响应，在给定姿态角下，含有目标RCS特性的频率响应为H(f_n)，n＝1,...,N，N为采样点数；计算公式如下：

其中，f₁为含有目标RCS特性的起始频率，f_n＝f₁+(n-1)Δf；Δf为频率采样间隔，B为扫频信号的带宽；B＝(N-1)Δf。r_i为目标与雷达的径向距离。

对扫频数据进行逆变换得到：

h(t_n)＝IFFT(H(f_n)) (21)

h(t_n)的总采样点数为N，其中h(t_n)所对应的时间为t_n＝(n-(N-1)/2)Δt，Δt＝1/B；

h(t_n)即为探测目标的一维距离像；计算公式如下：

步骤五、利用探测目标的一维距离像与每个散射中心的去斜回波信号相乘后累加求和，最终得到探测目标整体的宽带去斜回波；

最终带目标RCS特性的宽带去斜回波是以标准去斜回波信号为载体，包含了目标的一维距离像h(t_n)的信息，所以对雷达的宽带去斜回波进行离散化，与频域扫频数据逆变换到时域的数据h(t_n)相乘，再将所有散射中心的回波进行累加，最终得到基于扫频数据的高速运动目标的宽带去斜回波。

设目标质心在信号发射时刻的径向距离和径向速度分别为R₀和V_T，将信号h(t_n)的每个采样点视为一个点目标，则第n个点目标所对应的径向距离为R_n＝R₀+r_n，其中r_n＝ct_n/2，对应的复幅度为h_m(t_n)，其中m为慢时间的帧数。将式(3)进行离散化，同时由高速运动点目标宽带去斜回波、扫频数据逆变换到时域的数据，得到基于扫频数据的高速运动目标的宽带去斜回波为：

公式(23)所得即为简化后的产生宽带去斜回波的公式，对比公式(3)可以看出公式(23)用乘法代替了卷积运算，使得计算量大大减少。

本发明先用扫频信号获得含有目标RCS特性的回波信号，将回波信号与标准去斜信号相乘去斜，再对其进行快速Fourier逆变换(IFFT)得到每个散射中心的一维距离像，然后对所有散射中心的宽带去斜回波求和，最终得到整体目标的宽带去斜回波，表达式如公式(23)所示。依据这个表达式来计算目标的去斜回波只需要进行一定量的乘法，大大减少了运算量。

Claims (2)

1.一种基于扫频数据产生宽带去斜回波的方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、脉冲雷达对包含Q个散射中心的探测目标发射一个线性调频脉冲信号；

Q为正整数，是实际目标所含的散射中心数目；

扫频信号中每一个频率都为一个采样点，频率间隔和带宽决定了采样点数目；

线性调频信号计算公式如下：

t_m为慢时间，表示发射第m个脉冲的时刻；t_m＝mT，T为脉冲信号的重复周期；m为慢时间的帧数，m＝0,1,2,…；

为快时间，表示雷达发射的电磁波传播以发射时刻tm为起点的时间；

t为全时间；T_p是脉冲的脉宽；脉冲在一个重复周期的脉宽内发射信号，在该周期的其余时间接收信号；exp(j2πf_ct)为雷达发射线性调频信号的载频信号；γ是线性调频信号的调频系数，f_c为线性调频信号的起始频率；

步骤二、探测目标中每个散射中心反馈给雷达各自的回波信号，得到Q个散射中心的宽带回波信号；

雷达接收到的第i个散射中心的回波信号为：

A_i是第i个散射中心的回波强度；

α_i为时间伸缩因子：

c为线性调频信号的传播速度；V_Ti为第i个散射中心的径向速度，远离雷达的方向为正，靠近雷达的方向为负；R_i为第i个散射中心到雷达的径向距离；

步骤三、设定参考信号，并对每个散射中心的宽带回波信号进行去斜处理，获得含有目标RCS特性的频率响应；

具体为：

首先，设定参考信号

R_ref为参考距离；T_ref是参考信号的脉宽；

针对第i个散射中心的宽带回波进行去斜处理，计算公式如下：

在给定姿态角下，含有目标RCS特性的频率响应为H(f_n)，n＝1,...,N，N为采样点数；计算公式如下：

其中，f₁为扫频信号的起始频率，f_n＝f₁+(n-1)Δf；Δf为频率采样间隔，B为扫频信号的带宽；B＝(N-1)Δf；r_i为目标与雷达的径向距离；

步骤四、对含有目标RCS特性的频率响应进行快速Fourier逆变换，每个散射中心逆变换得到一个复幅值，Q个复幅值组成探测目标的一维距离像；

逆变换公式为：h(t_n)＝IFFT(H(f_n))；

其中h(t_n)所对应的时间为t_n＝(n-(N-1)/2)Δt，Δt＝1/B，h(t_n)即为探测目标的一维距离像；计算公式如下：

步骤五、利用探测目标的一维距离像与每个散射中心的去斜回波信号相乘后累加求和，最终得到探测目标整体的宽带去斜回波。

2.如权利要求1所述的一种基于扫频数据产生宽带去斜回波的方法，其特征在于，所述的步骤五中最终得到目标的宽带去斜回波为：

h_m(t_n)为第m个脉冲探测的一维距离像中第n个采样点对应的复幅度；第n个采样点对应的径向距离R_n＝R₀+r_n，R₀为第一个采样点对应的径向距离；r_n＝ct_n/2。

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