CN111693981B - 变重复周期的二次相关处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变重复周期的二次相关处理方法，包括以下步骤：雷达采用脉冲重复间隔步进的方式发射脉冲，对回波数据进行相位补偿，然后对相位补偿后的回波信号连续做两次时域相关处理，得到二次处理相关结果，对二次处理相关结果进行傅里叶变换，采用恒虚警技术完成目标检测，并进行测量距离，最后通过峰值相位计算，得到雷达与目标的径向速度。该方法通过改变雷达发射的脉冲重复周期，对目标回波进行相参积累，在不降低雷达探测能力的前提下，使敌方侦察系统无法稳定截获雷达信号，提高雷达的抗干扰能力，同时能够在一组脉冲积累期间，完成雷达与目标之间的径向距离和径向速度的参数测量，具有良好的实时性和工程应用价值。

Description

变重复周期的二次相关处理方法
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术领域，特别涉及一种变重复周期的二次相关处理方法。
背景技术
一种变重复周期的二次相关处理方法是雷达信号处理技术领域的一项抗干扰技术。
《雷达手册》第三版给出了脉冲多普勒雷达的高重频测速解距离模糊的方法，采用重频参差技术，即雷达发射多组具有不同脉冲重复周期的脉冲，对目标进行探测，实现对目标的测速和测距。在张明友编著的《雷达系统》中，针对低重频体制雷达测速，也提出了类似的方法。采用重频参差技术测速和测距，对一个目标的观测，需要多个不同重复周期的脉冲组，波束驻留时间较长，降低了数据更新率。特别在当前复杂电子环境中，电子侦察系统可能利用雷达脉冲重复周期稳定和驻留时间长的特点，截获雷达信号，为电子干扰创造条件。
为了提高雷达的抗干扰能力，Mark W.Maier在《Non-Uniform PRIPulse-DopplerRadar》中，采用了非均匀脉冲重复间隔捷变的方法对抗欺骗干扰，为实现对目标回波的相参积累，提出了加权滤波器组进行插值，然后进行FFT的处理方法。这种方法是一种自适应处理技术，需要估计加权系数，运算量很大。ShahzadaB.Rasool，Mark R.Bell等人在《Efficient Pulse-Doppler Processing and Ambiguity Functions of NonuniformCoherent Pulse Trains》，提出对回波信号进行相位补偿，采用NUFFT技术完成回波信号的相参积累。该技术需要采用非均匀傅里叶变换算法，但同样运算量较大。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种变重复周期的二次相关处理方法，该方法提高了雷达的抗干扰能力，同时能够在一组脉冲积累期间，完成雷达与目标之间的径向距离和径向速度的参数测量。
为达到上述目的，本发明实施例提出了变重复周期的二次相关处理方法，包括以下步骤：步骤S1，采用脉冲重复间隔步进方式发射N个脉冲信号，N为正整数；步骤S2，接收回波信号，并对所述回波信号进行相位补偿，得到相位补偿后的回波信号；步骤S3，对所述相位补偿后的回波信号连续进行两次时域相关处理，得到二次处理相关结果；步骤S4，对所述二次处理相关结果进行傅里叶变换，得到计算结果；步骤S5，采用恒虚警技术进行目标检测，获得目标距离；步骤S6，根据所述计算结果和所述目标距离计算峰值相位，得到目标的速度。
本发明实施例的变重复周期的二次相关处理方法，通过改变雷达发射的脉冲重复周期，对目标回波进行相参积累，在不降低雷达探测能力的前提下，使敌方侦察系统无法稳定截获雷达信号，提高雷达的抗干扰能力，同时能够在一组脉冲积累期间，完成雷达与目标之间的径向距离和径向速度的参数测量，具有良好的实时性和工程应用价值。
另外，根据本发明上述实施例的变重复周期的二次相关处理方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述N个脉冲信号中第m个脉冲信号的表达式为：
st(t,m)＝p(t)exp{j2πfct}exp{j2πfcIm}
Tm＝T+(m-1)·ΔT
其中，p(t)为发射脉冲基带信号，T为第一个脉冲与第二个脉冲的时间间隔，fc为发射信号载频，Tm为发射第m个脉冲和第m+1个脉冲的时间间隔，ΔT为脉冲重复间隔的步进量，Im为第一个脉冲与第m个脉冲的时间间隔，j表示复数，t表示时间。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述回波信号为：
其中，Am表示回波信号幅度，p()表示发射脉冲基带信号，表示快时间，τ(m)表示雷达接收到发射的第m个脉冲的回波时延，R0为起始时刻目标与雷达的距离，v为目标与雷达的相对速度，fc为发射信号载频，Im表示第一个脉冲与第m个脉冲的时间间隔，j表示复数，R表示距离，c表示光速。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述相位补偿过程为：
先对所述回波信号进行变频处理，得到变频回波信号：
将所述变频回波信号乘以相位校正因子，得到所述相位补偿后的回波信号：
其中，Am表示回波信号幅度，p()表示发射脉冲基带信号，表示快时间，τ(m)表示雷达接收到发射的第m个脉冲的回波时延，j表示复数，fc为发射信号载频，Im表示第一个脉冲与第m个脉冲的时间间隔。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S3包括：
对所述相位补偿后的回波信号的同一距离单元上相邻的两个方位单元做第一次时域相关处理，信号表示为：
在所述第一次时域相关的基础上进行第二次时域相关处理，得到所述二次处理相关结果：
其中，x()表示所述相位补偿后的回波信号，表示快时间，conj(·)表示复数共轭运算，A1为第一次相关时域相关处理的幅度，j为复数，c为光速，v为目标与雷达的相对速度，m为脉冲信号的序号，ΔT为脉冲重复间隔的步进量，A2为第二次相关时域相关处理的幅度。
进一步地，在本发明的一个实施例中，在进行所述第一次时域相关处理前，判断所述N个脉冲是否为内调制信号，若是，则需要对所述相位补偿后的回波信号进行脉冲压缩处理，再进行所述第一次时域相关处理，若不是，则直接进行所述第一次时域相关处理。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述脉冲压缩处理的过程为：
将所述位补偿后的回波信号做傅里叶变换转换到距离向频域，与发射基带信号的频域参考信号进行点乘，然后做逆傅里叶变换，得到时域信号：
其中，IFFT(·)表示逆傅里叶变换，FFT(·)表示傅里叶变换，表示点乘运算，p(t)为发射脉冲基带信号；
对所述时域信号的同一距离单元上相邻的两个方位单元做一次时域相关，信号的表达式为：
其中，conj(·)表示复数共轭运算，A1为第一次相关时域相关处理的幅度，j为复数，c为光速，v为目标与雷达的相对速度，m为脉冲信号的序号，ΔT为脉冲重复间隔的步进量。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述计算结果E(f)为：
其中，N为雷达发射脉冲个数，A2为第二次相关时域相关处理的幅度，j为复数，c为光速，v为目标与雷达的相对速度，ΔT为脉冲重复间隔的步进量。
进一步地，在本发明的一个实施例中，设目标峰值出现在第K个距离单元，则所述目标距离R为：
R＝R0+ρK
其中，R0为距离采样波门的最小值，ρ为雷达的测距精度，K表示出现目标峰值的距离单元的序号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述目标的速度v公式为：
其中，angle(·)表示相位计算，Emax表示CFAR检测的峰值，λ为雷达发射信号中心频率对应的波长，ΔT为脉冲重复间隔的步进量。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的变重复周期的二次相关处理方法的流程图；
图2为根据本发明一个具体实施例的变重复周期的二次相关处理方法的信号生成流程图；
图3为根据本发明一个具体实施例的雷达发射信号序列示意图；
图4为根据本发明一个具体实施例的处理结果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的变重复周期的二次相关处理方法。
图1是本发明一个实施例的变重复周期的二次相关处理方法的流程图。
如图1所示，该变重复周期的二次相关处理方法包括以下步骤：
在步骤S1中，用脉冲重复间隔步进方式发射N个脉冲信号，N为正整数。
其中，雷达采用脉冲重复间隔步进方式发射N个脉冲信号中第m个脉冲信号的表达式为：
st(t,m)＝p(t)exp{j2πfct}exp{j2πfcIm}
Tm＝T+(m-1)·ΔT
其中，p(t)为发射脉冲基带信号，T为第一个脉冲与第二个脉冲的时间间隔，fc为发射信号载频，Tm为发射第m个脉冲和第m+1个脉冲的时间间隔，ΔT为脉冲重复间隔的步进量，Im为第一个脉冲与第m个脉冲的时间间隔，j表示复数，t表示时间。
进一步地，设目标与雷达的相对速度为v，则回波信号数学表达式为：
其中，Am表示回波信号幅度，p()表示发射脉冲基带信号，表示快时间，τ(m)表示雷达接收到发射的第m个脉冲的回波时延，R0为起始时刻目标与雷达的距离，v为目标与雷达的相对速度，fc为发射信号载频，Im表示第一个脉冲与第m个脉冲的时间间隔，j表示复数，R表示距离，c表示光速。
在步骤S2中，接收回波信号，并对回波信号进行相位补偿，得到相位补偿后的回波信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，相位补偿过程为：
先对接收到的回波信号进行变频处理，得到变频回波信号：
将变频回波信号乘以相位校正因子，相位校正因子为：exp{-j2πfcIm}，得到相位补偿后的回波信号：
其中，Am表示回波信号幅度，p()表示发射脉冲基带信号，表示快时间，τ(m)表示雷达接收到发射的第m个脉冲的回波时延，j表示复数，fc为发射信号载频，Im表示第一个脉冲与第m个脉冲的时间间隔。
在步骤S3中，对相位补偿后的回波信号连续进行两次时域相关处理，得到二次处理相关结果。
需要说明的是，在进行第一次时域相关处理前，判断N个脉冲信号是否为内调制信号，若是，则需要对相位补偿后的回波信号进行脉冲压缩处理，再进行第一次时域相关处理，若不是，则直接进行第一次时域相关处理。
若N个脉冲信号为内调制信号，则先进行脉冲压缩处理，过程为：
将位补偿后的回波信号做傅里叶变换转换到距离向频域，与发射基带信号的频域参考信号进行点乘，然后做逆傅里叶变换，得到时域信号：
其中，IFFT(·)表示逆傅里叶变换，FFT(·)表示傅里叶变换，表示点乘运算，p(t)为发射脉冲基带信号；
对时域信号的同一距离单元上相邻的两个方位单元做一次时域相关，信号的表达式为：
其中，conj(·)表示复数共轭运算，A1为第一次相关时域相关处理的幅度，j为复数，c为光速，v为目标与雷达的相对速度，m为脉冲信号的序号，ΔT为脉冲重复间隔的步进量。
脉冲压缩处理的过程结束后，再进行下述提及的第二次时域相关处理过程。
若N个脉冲信号不是内调制信号，则步骤S3具体为：
对相位补偿后的回波信号的同一距离单元上相邻的两个方位单元做第一次时域相关处理，信号表示为：
在第一次时域相关的基础上进行第二次时域相关处理，得到二次处理相关结果：
其中，x为相位补偿后的回波信号，x()表示发射脉冲基带信号，表示快时间，conj(·)表示复数共轭运算，A1为第一次相关时域相关处理的幅度，j为复数，c为光速，v为目标与雷达的相对速度，m为脉冲信号的序号，ΔT为脉冲重复间隔的步进量，A2为第二次相关时域相关处理的幅度。
在步骤S4中，对二次处理相关结果进行傅里叶变换，得到计算结果。
其中，计算结果E(f)为：
其中，N为雷达发射脉冲个数，A2为第二次相关时域相关处理的幅度，j为复数，c为光速，v为目标与雷达的相对速度，ΔT为脉冲重复间隔的步进量。
在步骤S5中，采用恒虚警技术进行目标检测，获得目标距离。
具体地，设目标峰值出现在第K个距离单元，则目标的距离R为：
R＝R0+ρK
其中，R0为距离采样波门的最小值，ρ为雷达的测距精度，K表示出现目标峰值的距离单元的序号。
在步骤S6中，根据计算结果和目标距离计算峰值相位，得到目标的速度。
进一步地，计算目标的速度v公式为：
其中，angle(·)表示相位计算，Emax表示CFAR检测的峰值，λ为雷达发射信号中心频率对应的波长，ΔT为脉冲重复间隔的步进量。
下面结合附图和具体实施例对本发明实施例的变重复周期的二次相关处理方法做进一步的详细说明。
如图2所示，在具体是实施例中，雷达与目标的距离为70km，二者的相对速度为300m/s。雷达发射大时宽带宽积的脉冲信号，脉冲宽度为Tp＝50us，信号瞬时带宽为B＝10MHz，脉冲重复间隔为T＝900us，脉冲重复间隔步进为10us，雷达工作频率设为fc＝10GHz，雷达接收机的模数转换的采样率为Fs＝20MHz。
根据本发明实施例提供的变重复周期的二次相关处理方法，包括如下步骤：
步骤一，如图3所示，雷达采用脉冲重复间隔步进方式发射64个脉冲。其中，p(t)为发射脉冲基带信号，T表示第一个脉冲与第二个脉冲的时间间隔，fc为发射信号载频，Tm-1为发射第m-1个脉冲和第m个脉冲的时间间隔，ΔT为脉冲重复间隔的步进量，Im表示第一个脉冲与第m个脉冲的时间间隔。
设目标与雷达的相对速度为v，则回波信号数学表达式为：
其中，Am表示回波信号幅度，表示快时间，τ(m)表示雷达接收到发射的第m个脉冲的回波时延，R0为起始时刻目标与雷达的距离。
步骤二，对接收到的回波信号做下变频处理。
步骤三，对接收到的回波信号乘以相位校正因子。相位校正因子为：exp{-j2πfcIm}。
步骤四，一次相关处理。先进行脉冲压缩处理，然后对同一距离单元上相邻的两个方位单元做一次时域相关。
步骤五，在一次相关的基础上，做二次时域相关。
步骤六，对二次相关处理结果做傅里叶变换，得到计算结果。
步骤七，采用恒虚警技术进行目标检测。目标回波峰值出现在第266个距离单元，在分辨率为7.5m，波门距离为68km时，测量雷达与目标的距离为69995m。
步骤八，计算峰值的相位为72.0408°，参考本发明实施例提出的速度计算公式，得到目标的速度为300.1701m/s。
对比计算结果与理论数据，证明该方法可以在脉冲重复间隔变化的情况，实现对目标回波信号的相参积累，并完成参数计算。
经过上述具体实例验证，本发明实施例提出的变重复周期的二次相关处理方法，通过改变雷达发射的脉冲重复周期，对目标回波进行相参积累，能够在一组脉冲积累期间，完成雷达与目标之间的径向距离和径向速度的参数测量，且使敌方侦察系统不易稳定截获雷达信号，提高雷达的抗干扰能力，具有良好的实时性和工程应用价值。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种变重复周期的二次相关处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，采用脉冲重复间隔步进方式发射N个脉冲信号，N为正整数；
步骤S2，接收回波信号，并对所述回波信号进行相位补偿，得到相位补偿后的回波信号；
步骤S3，对所述相位补偿后的回波信号连续进行两次时域相关处理，得到二次处理相关结果；
步骤S4，对所述二次处理相关结果进行傅里叶变换，得到计算结果；
步骤S5，采用恒虚警技术进行目标检测，获得目标距离；以及
步骤S6，根据所述计算结果和所述目标距离计算峰值相位，得到目标的速度；
在进行第一次时域相关处理前，判断所述N个脉冲是否为内调制信号，若是，则需要对所述相位补偿后的回波信号进行脉冲压缩处理，再进行所述第一次时域相关处理，若不是，则直接进行所述第一次时域相关处理；
所述步骤S3包括：
对所述相位补偿后的回波信号的同一距离单元上相邻的两个方位单元做第一次时域相关处理，信号表示为：
在所述第一次时域相关的基础上进行第二次时域相关处理，得到所述二次处理相关结果：
其中，x为相位补偿后的回波信号，x()表示所述相位补偿后的回波信号，表示快时间，conj(·)表示复数共轭运算，A1为第一次相关时域相关处理的幅度，j为复数，c为光速，v为目标与雷达的相对速度，m为脉冲信号的序号，ΔT为脉冲重复间隔的步进量，A2为第二次相关时域相关处理的幅度。
2.根据权利要求1所述的变重复周期的二次相关处理方法，其特征在于，所述N个脉冲信号中第m个脉冲信号的表达式为：
st(t,m)＝p(t)exp{j2πfct}exp{j2πfcIm}
Tm＝T+(m-1)·ΔT
其中，p(t)为发射脉冲基带信号，T为第一个脉冲与第二个脉冲的时间间隔，fc为发射信号载频，Tm为发射第m个脉冲和第m+1个脉冲的时间间隔，ΔT为脉冲重复间隔的步进量，Im为第一个脉冲与第m个脉冲的时间间隔，j表示复数，t表示时间。
3.根据权利要求1所述的变重复周期的二次相关处理方法，其特征在于，所述回波信号为：
其中，Am表示回波信号幅度，p()表示发射脉冲基带信号，表示快时间，τ(m)表示雷达接收到发射的第m个脉冲的回波时延，R0为起始时刻目标与雷达的距离，v为目标与雷达的相对速度，fc为发射信号载频，Im表示第一个脉冲与第m个脉冲的时间间隔，j表示复数，R表示距离，c表示光速。
4.根据权利要求1所述的变重复周期的二次相关处理方法，其特征在于，所述相位补偿过程为：
先对所述回波信号进行变频处理，得到变频回波信号：
将所述变频回波信号乘以相位校正因子，得到所述相位补偿后的回波信号：
其中，Am表示回波信号幅度，p()表示发射脉冲基带信号，表示快时间，τ(m)表示雷达接收到发射的第m个脉冲的回波时延，j表示复数，fc为发射信号载频，Im表示第一个脉冲与第m个脉冲的时间间隔。
5.根据权利要求1所述的变重复周期的二次相关处理方法，其特征在于，所述脉冲压缩处理的过程为：
将所述位补偿后的回波信号做傅里叶变换转换到距离向频域，与发射基带信号的频域参考信号进行点乘，然后做逆傅里叶变换，得到时域信号：
其中，IFFT(·)表示逆傅里叶变换，FFT(·)表示傅里叶变换，表示点乘运算，p(t)为发射脉冲基带信号；
对所述时域信号的同一距离单元上相邻的两个方位单元做一次时域相关，信号的表达式为：
其中，conj(·)表示复数共轭运算，A1为第一次相关时域相关处理的幅度，j为复数，c为光速，v为目标与雷达的相对速度，m为脉冲信号的序号，ΔT为脉冲重复间隔的步进量。
6.根据权利要求1所述的变重复周期的二次相关处理方法，其特征在于，所述计算结果E(f)为：
其中，N为雷达发射脉冲个数，A2为第二次相关时域相关处理的幅度，j为复数，c为光速，v为目标与雷达的相对速度，ΔT为脉冲重复间隔的步进量。
7.根据权利要求1所述的变重复周期的二次相关处理方法，其特征在于，设目标峰值出现在第K个距离单元，则所述目标距离R为：
R＝R0+ρK
其中，R0为距离采样波门的最小值，ρ为雷达的测距精度，K表示出现目标峰值的距离单元的序号。
8.根据权利要求1所述的变重复周期的二次相关处理方法，其特征在于，所述目标的速度v公式为：
其中，angle(·)表示相位计算，Emax表示CFAR检测的峰值，λ为雷达发射信号中心频率对应的波长，ΔT为脉冲重复间隔的步进量。
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