CN111289951A - 一种基于最小二乘的宽脉冲等效模拟方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于最小二乘的宽脉冲信号等效模拟方法和装置,包括:等效模拟信号的脉宽;将接收到的等效窄脉冲模拟信号数字采样量化;提取等效窄脉冲模拟信号的数字信号的幅度值与预设的门限值比较,检测幅度值大于门限值提取并发送一个标记信号进行脉冲计数;将第一个窄脉冲信号存入整合信号数组中,从第二过门限后的窄脉冲开始,先进行窄脉冲信号校准,校准通过后再存入整合信号数组;脉冲计数值达到设定等效子脉冲数,输出整合信号数组作为等效后的模拟信号。本发明将大脉宽信号切割成等效窄脉冲串,并在接收端采用基于最小二乘的相位修正拼接技术,将信号实时还原成原始的大脉宽信号,可以大大降低最小距离限制的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于最小二乘的宽脉冲等效模拟方法和装置,属于雷达系统测试技术领域,具体属于微波暗室半实物仿真技术领域。
背景技术
随着雷达系统和数字信号处理技术的发展,雷达系统的功能越来越多,系统的集成度越来越高,数字化和智能化成为雷达系统未来发展的方向。随着雷达功能的增加和性能的提升,在雷达系统的开发、测试、使用和维修过程中对雷达系统进行相关的定性、定量指标的测试提出了更高的要求。
目前,在雷达系统测试领域,常用的雷达系统测试和开发方法有三种:外场实地测量,全数字软件仿真法和半实物仿真(射频仿真)法。外场实地测量法,主要是将雷达放在实际测试场中,用真实目标产生的真实雷达回波来测试雷达的性能和相关功能,该方法最大的优点就是真实性好,能够在真实环境下测试雷达的性能,但是也存在这一些弊端,例如雷达系统开发和测试成本较高、外场试验周期长、保密性差等缺点,更为关键的是,真实环境下产生的目标回波不具有遍历性,而且测试目标的散射特性不好精确控制,这也增加了后续数据分析的难度。全数字软件仿真法,该方法主要用来雷达研制的初期,主要通过仿真软件对完备的雷达系统数学模型进行系统仿真,雷达目标的特征和目标的电磁散射特性等都可以通过仿真软件来计算和模拟,雷达系统的各个功能,例如探测、信号处理等验证和测试都可以在计算机上完成,主要特点是仿真测试成本低,测试结果可重复,保密效果好等,但是实测模拟过于理想化,测试结果不能反映真实情形。半实物仿真(射频仿真)法,是随着数字信号技术的发展兴起的一种全新的雷达系统仿真测试方法。在微波暗室中,利用数字射频存储系统,将目标的散射特性信息与雷达的发射信号做处理运算,然后得到雷达目标回波信号从而对雷达系统进行测试。这种方法不仅拥有良好的保密性、测试成本低,实验结果遍历性好等优点,而且这种方法模拟重构出逼真的雷达目标回波信号以及背景电磁环境,从而更加真实的完成对雷达系统的实物进行全面测试。半实物仿真技术有助于加快雷达系统的研制和控制研发的成本风险,所以,半实物仿真技术已经成为雷达系统的研发、测试和使用过程中不可缺少的技术方法。
国外对雷达射频仿真的研究开始较早,美国作为世界军事强国,在雷达的半实物仿真领域一直处于世界领先,建立了多个功能完备的覆盖海陆空三军的射频仿真系统,不仅可以新研制的雷达系统进行测试验证,还可以对研发的制导武器装备进行全面地性能测试与评估。美国军方在亚拉巴马州建立了航空和导弹研究发展与工程中心(AMRDEC)。该中心已经建立了多个半实物仿真系统,服务于多个战术及威胁拦截导弹系统的研发和评估。
国内对射频仿真系统研究虽然起步较晚,但是发展很快,很多科研研究单位均有微波暗室半实物仿真测试系统,完成雷达或导引头的各项指标测试。
在微波暗室半实物仿真实验中,受建设成本、场地等因素的限制,微波暗室尺寸通常不会太大,一般满足对应频段实验远场条件要求即可,通常仅有数十米到一百多米的范围。在暗室进行雷达或者导引头半实物仿真实验时,根据仿真雷达的需要,通常需要进行大脉宽测试实验。通常雷达系统只有一部收发天线,通过收发开关切换信号的发射与接收功能,以达到收发隔离等目的,及发射信号时不接收雷达信号,对于大脉宽信号,假定信号脉宽为τ,则雷达信号的最小作用距离为其中c=3×108为光速,在加上收发开关切换的时间,最近作用距离大于对于预警雷达100μs的脉宽,最近作用距离为15000m,即使是对于普通雷达或导引头信号常用的信号脉宽1μs~50μs,最近作用距离也为150m~7500m的范围,均大于微波暗室的尺寸。目前在实验室进行仿真实验过程中,相关文献中采用反射镜反射加长信号传播路径,该方法也仅能有限的延长传播路径。在对于室内测试目标特性或者目标模拟等半实物实验中,仍然迫切需要一种技术手段来解决此问题,尤其随着目前大型复杂目标暗室内复杂目标整机雷达RCS特性的测试需要,迫切需要一种技术来解决近距离限制问题。
发明内容
本发明旨在解决射频仿真室内测试大脉宽信号近距离限制的技术问题,提出一种基于最小二乘的宽脉冲信号等效模拟方法。
本发明为实现上述技术目的,采用以下技术方案。
一方面,本发明提出一种基于最小二乘的宽脉冲信号等效模拟方法,包括以下步骤:
一种基于最小二乘的宽脉冲信号等效模拟方法,其特征在于包括以下步骤:
根据仿真模拟信号的脉宽以及设定等效子脉冲数,等效模拟信号的脉宽,得到等效窄脉冲模拟信号;
将接收到的等效窄脉冲模拟信号AD数字采样量化,变成数字信号;
提取等效窄脉冲模拟信号的数字信号的幅度值,将得到的幅度值序列与预设的门限值比较,检测幅度值大于门限值对应的信号提取并发送一个标记信号进行脉冲计数;
将第一个窄脉冲信号存入整合信号数组中,从第二过门限后的窄脉冲开始,先进行窄脉冲信号校准,校准通过后再存入整合信号数组;
脉冲计数值达到设定等效子脉冲数,输出整合信号数组作为等效后的模拟信号。
进一步地,所述门限值设定为接收窄脉冲信号幅度最大值的0.2倍。
进一步地,窄脉冲信号校准的具体方法如下:
a)从当前整合信号数组signal_h中,提取最后64各信号样本值,记为data1,计算得到此64个样本点对应的信号中心频率;
b)将data1进行翻转,表达式为:
s(1)=data1(64)......s(i)=data1(64-i);
c)采用最小二乘法计算翻转后的数组s的初相,包括:
构建相位与观测数据的数学模型
Y=HX
其中相关定义如下:
Y=[s(1)…s(n)]T
Y表示对应的观测数据的原始值,f0为64个样本点对应的信号中心频率;
按照如下公式计算数据对应的初相的正弦值和余弦值
X=(HTH)-1HTY
其中得到的X为一个二维向量,X=[x(1)x(2)],其中x(1)为初相对应余弦值,x(2)为初相对应正弦值;
按照以下公式计算对应的相位数据
θ0=(tan-1(x(2)/x(1)))*180/π
d)读取当前过门限窄脉冲信号signal0的前64个样本值,记为s2;
f)窄脉冲信号校准:计算两个信号的相位差,并求出校准信号
采用校准信号just对当前过门线的窄脉冲信号signal0进行校准
signal_j=signal0×just。
再进一步地,所述c)和e)中,通过解模糊计算后得到对应时刻的相位值phase,解模糊算法如下:
再进一步地,所述a)中64个样本点对应的信号中心频率f0的计算方法如下:
对于等载频脉冲,信号中心频率对于每个子脉冲均相同,等于发射信号的中心频率f0;
对于线性调频信号,按照如下公式进行计算即可:ft=f0+i×K×τ,其中,f0为发射信号的初始频率,K为大脉宽线性调频信号的调频斜率,K=B/τ0,B为大脉宽信号的带宽,τ0为原始大脉宽信号的脉宽,i为脉冲计数器当前的值,就是第几个子脉冲的计数,τ为等效窄脉冲串的脉冲宽度。
另一方面,本发明提供一种基于最小二乘的宽脉冲信号等效模拟装置,其特征在于,包括:等效脉冲建立模块、AD数字变换模块、脉冲计数器、过门限值检测模块、校验模块和整合信号数组模块;
所述等效脉冲建立模块,用于根据仿真模拟信号的脉宽以及设定等效子脉冲数,等效模拟信号的脉宽,得到等效窄脉冲模拟信号;
所述AD数字变换模块,用于将接收到的等效窄脉冲模拟信号AD数字采样量化,变成数字信号;
所述过门限值检测模块,用于提取等效窄脉冲模拟信号的数字信号的幅度值,将得到的幅度值序列与预设的门限值比较,检测幅度值大于门限值对应的信号提取并发送一个标记信号进行脉冲计数,并将第一个窄脉冲信号存入整合信号数组中,
所述脉冲计数器,用于对脉冲计数;
校验模块,用于从第二过门限后的窄脉冲开始,先进行窄脉冲信号校准,校准通过后再存入整合信号数组;
所述脉冲计数器的脉冲计数值达到设定等效子脉冲数,整合信号数组模块输出整合信号数组作为等效后的模拟信号。
有益技术效果:
本发明基于射频仿真室内测试大脉宽信号近距离限制问题,采用一种基于最小二乘的宽脉冲信号等效模拟方法,将大脉宽信号切割成等效窄脉冲串,并在接收端采用基于最小二乘的相位修正拼接技术,将信号实时还原成原始的大脉宽信号。由于采用了窄脉冲等效技术,用窄脉冲等效技术,可以大大降低最小距离限制的影响。采用本发明的方法在接收端完成信号拼接后,能够精确还原出原始大脉宽信号,并且具有一定的信噪比适应性,能够在一定的信噪比下实现信号的完美拼接还原,确保该等效技术能够应用于工程半实物仿真模拟器等实验平台;信号参数还原过程中,仅用较少的信号样本点即可实现信号拼接相位的求解,计算量较低,不存在处理延时的问题。相关实验表明,采用本发明提供的方法,能有效解决微波暗室内仿真遇到的距离限制的技术难题,及时在信噪比相对较低的模拟系统中,也能够实时精确实现信号的等效还原,有效的解决了上述工程难题。采用该发明的架构,对射频仿真实验系统具有重要意义,能够推动仿真实验的发展,加快各项武器的实验进程和精度,对加快国家军队现代化建设具有重要意义。
附图说明
图1为本发明具体实施例的方法流程图;
图2为本发明具体实施例等载频脉冲采集信号时域和频域图;
图3本发明具体实施为本发明具体实施等效脉冲采集信号时域与频域图;
图4本发明具体实施为未采用本发明的算法,直接信号整合后的时域图与频域图;
图5为采用本发明的方法信号拼接后的时域与频域图;
图6为本发明具体实施大脉宽LFM采集信号时域与频域;
图7为本发明具体实施等效LFM脉冲采集信号时域与频域图;
图8为本发明具体实施未采用本发明的算法,直接信号整合后的时域图与频域图;
图9为本发明具体实施采用本发明的方法拼接后的信号时域与频域图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的内容和效果。
参照图1,本发明包括如下步骤:
(1)根据仿真大脉宽信号的脉宽,等效模拟信号的脉宽,计算需要等效的子脉冲数,如大脉宽信号脉宽为50μs,等效窄脉宽信号脉宽为200ns,则等效的子脉冲数N=50μs/200ns=50×1000/200=250个子脉冲。
(2)AD数字变换模块将接收到的等效窄脉冲模拟信号采样量化后,变成数字信号。
(3)过门限检测:根据接收信号的幅度范围设定检测门限,门限值通常设定为当前接收窄脉冲信号幅度最大值的0.2倍。提取等效窄脉冲模拟数字信号的幅度值,将得到的幅度值序列与门限值比较,提取幅度值大于门限值对应的信号,即过门线窄脉冲信号,记为signal0;同时,若检测到大于幅度值的脉冲信号,则发送一个标记信号给脉冲计数器模块。
(4)脉冲计数器:脉冲计数器初始值设置为零,若接收到一次过门线检测单元发送过来的标记信号,则计数器的值加1;
(5)根据当前脉冲计数器的值,进行如下判断:
若当前脉冲计数器的值为1,即接收到的第一个窄脉冲,则将过门线检测中提取得到的过门线窄脉冲信号存入到整合输出信号的数组signal_h中;
如当前脉冲计数器的值大于1且小于子脉冲数N,则进行窄脉冲相位校准,具体校准过程如下:
a)从整合待输出的信号数组signal_h中,提取最后64各信号样本值,记为data1,根据仿真脉冲切割关系,计算得到此64个样本点对应的信号中心频率,计算规则如下:
对于等载频脉冲,信号中心频率对于每个子脉冲均相同,等于发射信号的中心频率f0;
对于线性调频信号,由于信号频率会随着时间而改变,对于每个切割成的子脉冲,不同时刻的信号频率均不相同。因此,对于不同的脉冲计算值,对应信号的即时频率也不相同,按照如下公式进行计算即可:ft=f0+i×K×τ,其中,f0为发射信号的初始频率,K为大脉宽线性调频信号的调频斜率,K=B/τ0,B为大脉宽信号的带宽,τ0为原始大脉宽信号的脉宽,i为脉冲计数器当前的值,即第几个子脉冲的计数,τ为等效窄脉冲串的脉冲宽度。
b)将data1进行翻转,即s(1)=data1(64)......s(i)=data1(64-i);
c)采用最小二乘法计算翻转后的数组s的初相,计算过程如下:
A.构建相位与观测数据的数学模型
Y=HX
其中相关定义如下:
Y=[s(1)s(n)]T
Y表示对应的观测数据的原始值,f0为(a)中计算得到的频率值,对于线性调频信号,则用即时频率ft代替f0。
B.按照如下公式计算数据对应的初相的正弦值和余弦值
X=(HTH)-1HTY
其中得到的X为一个二维向量,X=[x(1) x(2)],其中x(1)为初相对应余弦值,x(2)为初相对应正弦值;
C.按照以下公式计算对应的相位数据
θ0=(tan-1(x(2)/x(1)))*180/π
通过解模糊计算后得到对应时刻的相位值。解模糊算法如下:
d)读取当前过门限窄脉冲信号signal0的前64个样本值,记为s2,f0为(a)中计算得到的频率值,对于线性调频信号,则用即时频率ft代替f0。
(6)窄脉冲信号校准:计算两个信号的相位差,并求出校准信号
采用校准信号just对当前过门线的窄脉冲信号signal0进行校准
signal_j=signal0×just
(7)校准完成后,将校准后的信号写入到整合待输出的信号数组signal_h中,接到前面已经写入数据的后面;
(8)判断当前脉冲数是否已经等于子脉冲数N,如果等于,则结束校准工作,输出校准拼接后的窄脉冲等效拼接信号signal_h,此信号即为最终输出结果;否则,转入步骤(3)中,继续下一个子脉冲的校准拼接工作,直至所有子脉冲校准拼接完成。
根据上述步骤即可完成窄脉冲等效信号的拼接过程,实现大脉宽信号的等效模拟。
以下采用仿真实验中,采用本发明的等效模拟技术来解决室内仿真实验的距离限制问题,通过实验过程来说明本发明的实现,相关实验数据分析说明该发明的使用流程及有益效果。
仿真实验信号参数:
脉冲宽度:50μs
脉冲重复周期:200μs
信号中心频率:10MHz
信号样式:等载频脉冲、线性调频信号
信号带宽:20MHz、50MHz(线性调频信号)
信号采样率:500MHz
信号信噪比:30dB
等效脉冲参数:脉冲宽度200ns、脉冲重复周期1μs。(等效距离15m~150m范围)
实验结果如下:
(1)等载频脉冲实验
仿真实验中等载频脉冲采集信号时域和频域图如图2所示;采用等效脉冲串模拟后,等效脉冲串采集信号的时域和频域分析结果如图3所示
对采集到的信号未采用本发明的信号拼接算法,直接进行整合后,结果如图4:
采用本发明的信号拼接方法,整合后的信号结果如图5所示:
由仿真实验结果可知,对于等载频脉冲信号,未采用本发明的方法,对信号进行整合后,频域和时域都存在较大的误差;采用本发明的方法对信号进行整合后,在30dB信噪比下,信号与原始大脉宽信号等效,从频域与时域结果可以看出,二者之间存在较小的差异,能够实现信号的等效模拟。
(2)线性调频脉冲
大脉宽LFM采集信号时域与频域如图6所示。采用等效脉冲串模拟后,等效脉冲串采集信号的时域和频域分析结果如图7所示对采集到的信号未采用本发明的信号拼接算法,直接进行信号整合后,结果如图8所示:
采用本发明的信号拼接方法,整合后的信号结果如图9所示:
由仿真实验结果可知,对于大脉宽线性调频脉冲信号,未采用本发明的方法,对信号进行整合后,频域和时域都存在较大的误差;采用本发明的方法对信号进行整合后,在30dB信噪比下,信号与原始大脉宽信号等效,从频域与时域结果可以看出,二者之间存在较小的差异,能够实现信号的等效模拟。
仿真结果和试验结果都表明,采用本发明的一种基于最小二乘的宽脉冲等效模拟方法在接收端完成信号拼接后,能够精确还原出原始大脉宽信号,并且具有一定的信噪比适应性,能够在一定的信噪比下实现信号的完美拼接还原,确保该等效技术能够应用于工程半实物仿真模拟器等实验平台;信号参数还原过程中,仅用较少的信号样本点即可实现信号拼接相位的求解,计算量较低,不存在处理延时的问题。相关实验表明,采用本发明提供的方法,能有效解决微波暗室内仿真遇到的距离限制的技术难题,及时在信噪比相对较低的模拟系统中,也能够实时精确实现信号的等效还原,有效的解决了上述工程难题。采用该发明的架构,对射频仿真实验系统具有重要意义,能够推动仿真实验的发展,加快各项武器的实验进程和精度,对加快国家军队现代化建设具有重要意义。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可做出很多形式,这些均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种基于最小二乘的宽脉冲信号等效模拟方法,其特征在于包括以下步骤:
根据仿真模拟信号的脉宽以及设定等效子脉冲数,等效模拟信号的脉宽,得到等效窄脉冲模拟信号;
将接收到的等效窄脉冲模拟信号AD数字采样量化,变成数字信号;
提取等效窄脉冲模拟信号的数字信号的幅度值,将得到的幅度值序列与预设的门限值比较,检测幅度值大于门限值对应的信号提取并发送一个标记信号进行脉冲计数;
将第一个窄脉冲信号存入整合信号数组中,从第二过门限后的窄脉冲开始,先进行窄脉冲信号校准,校准通过后再存入整合信号数组;
脉冲计数值达到设定等效子脉冲数,输出整合信号数组作为等效后的模拟信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于最小二乘的宽脉冲信号等效模拟方法,其特征在于,所述门限值设定为接收窄脉冲信号幅度最大值的0.2倍。
3.根据权利要求1所述的一种基于最小二乘的宽脉冲信号等效模拟方法,其特征在于,窄脉冲信号校准的具体方法如下:
a)从当前整合信号数组signal_h中,提取最后64各信号样本值,记为data1,计算得到此64个样本点对应的信号中心频率;
b)将data1进行翻转,表达式为:
s(1)=data1(64)......s(i)=data1(64-i);
c)采用最小二乘法计算翻转后的数组s的初相,包括:
构建相位与观测数据的数学模型
Y=HX
其中相关定义如下:
Y=[s(1)…s(n)]T
Y表示对应的观测数据的原始值,f0为64个样本点对应的信号中心频率;
按照如下公式计算数据对应的初相的正弦值和余弦值
X=(HTH)-1HTY
其中得到的X为一个二维向量,X=[x(1) x(2)],其中x(1)为初相对应余弦值,x(2)为初相对应正弦值;
按照以下公式计算对应的相位数据
θ0=(tan-1(x(2)/x(1)))*180/π
d)读取当前过门限窄脉冲信号signal0的前64个样本值,记为s2;
f)窄脉冲信号校准:计算两个信号的相位差,并求出校准信号
采用校准信号just对当前过门线的窄脉冲信号signal0进行校准
signal_j=signal0×just。
5.根据权利要求3所述的一种基于最小二乘的宽脉冲信号等效模拟方法,其特征在于,64个样本点对应的信号中心频率f0的计算方法如下:
对于等载频脉冲,信号中心频率对于每个子脉冲均相同,等于发射信号的中心频率f0;
对于线性调频信号,按照如下公式进行计算即可:ft=f0+i×K×τ,其中,f0为发射信号的初始频率,K为大脉宽线性调频信号的调频斜率,K=B/τ0,B为大脉宽信号的带宽,τ0为原始大脉宽信号的脉宽,i为脉冲计数器当前的值,就是第几个子脉冲的计数,τ为等效窄脉冲串的脉冲宽度。
6.一种基于最小二乘的宽脉冲信号等效模拟装置,其特征在于,包括:等效脉冲建立模块、AD数字变换模块、脉冲计数器、过门限值检测模块、校验模块和整合信号数组模块;
所述等效脉冲建立模块,用于根据仿真模拟信号的脉宽以及设定等效子脉冲数,等效模拟信号的脉宽,得到等效窄脉冲模拟信号;
所述AD数字变换模块,用于将接收到的等效窄脉冲模拟信号AD数字采样量化,变成数字信号;
所述过门限值检测模块,用于提取等效窄脉冲模拟信号的数字信号的幅度值,将得到的幅度值序列与预设的门限值比较,检测幅度值大于门限值对应的信号提取并发送一个标记信号进行脉冲计数,并将第一个窄脉冲信号存入整合信号数组中,
所述脉冲计数器,用于对脉冲计数;
校验模块,用于从第二过门限后的窄脉冲开始,先进行窄脉冲信号校准,校准通过后再存入整合信号数组;
所述脉冲计数器的脉冲计数值达到设定等效子脉冲数,整合信号数组模块输出整合信号数组作为等效后的模拟信号。
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