CN111751799A

CN111751799A - 一种超宽带多目标的探测方法

Info

Publication number: CN111751799A
Application number: CN202010749518.0A
Authority: CN
Inventors: 赛景波; 张昕; 申朝维
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2020-10-09

Abstract

本发明涉及一种chirp子脉冲频率步进信号合成超宽带获得目标距离速度的信号处理方法，包括对超宽带的时域合成及合成后的距离速度求解方法；硬件平台采用自主研发的雷达前端，其中包括LMX2594频率合成器，本发明算法将相参混频后的回波信号不进行脉冲压缩，而是将各个子脉冲进行相应的时域移动后，在时间轴上拼接，该方法可有效解决目标各散射点信噪比分布不均的问题。

Description

一种超宽带多目标的探测方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，特别涉及合成超宽带以提高厘米波雷达分辨力目标探测的方法，具体涉及一种chirp子脉冲频率步进信号合成超宽带获得目标距离速度的信号处理方法。

背景技术

步进频信号是通过发射一组载频按规定步长变化的脉冲序列，通过数个窄带脉冲合成超宽带信号，通过时间换取大的带宽，最后通过信号处理综合形成高分辨率的二维像。chirp子脉冲频率步进信号的不同之处就在于将chirp信号作为步进频率的子脉冲，这种信号在保持步进频信号的发射能量和总带宽不变的情况下提高了数据利用率，而且这种信号降低了对系统瞬时带宽的要求。chirp子脉冲频率步进信号具有许多优于线性调频和频率步进信号的优点,但这是以增加信号处理的复杂程度为代价的,它既要像线性调频信号那样进行子脉冲的脉冲压缩,又要像频率步进信号那样进行逆傅里叶变换处理。由于线性调频子脉冲在脉压后包络为sinc函数,因此当一个距离单元内存在多个散射点时,采样输出不是各散射点回波的等权相加,而是存在包络函数的影响,这就使得每一个距离单元内只有一个散射点的回波获得最大信噪比,其余各散射点回波的信噪比都有所损失。而且，由于包络的影响较大的散射点能量还会泄露到邻近单元内，造成“鬼影”。

基于以上的问题，提出了一种方法，将相参混频后的回波信号不进行脉冲压缩，而是将各个子脉冲进行相应的时域移动后，在时间轴上进行拼接以此构成一个时宽带宽均为子脉冲之和的线性调频信号，通过合成多个这样的全带宽信号构成信号复帧，通过单个大带宽线性调频信号内的一维傅里叶变换获得距离维信息，通过帧间傅里叶变换获得速度维信息，该方法有效的解决了上述问题。

发明内容

一种基于chirp子脉冲频率步进信号合成多个大带宽调频脉冲信号并组合形成复合帧分别在帧间脉冲内进行信号处理以实现求解目标一维距离像、提高雷达距离分辨率的方法，该方法旨在合成超宽带调频脉冲以提高距离分辨率并且能够去除脉冲压缩方法会导致的包络展宽和“鬼影”现象。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：主要采用的硬件平台为自主研发的雷达前端其中的频率合成器为LMX2594，LMX2594是一款高性能、宽频带合成器，无需内部倍频器就能产生10MHz到15MHz的任何频率，因此无需使用谐波滤波器，快速校准算法允许改变频率快于20μs。射频收发系统由发射链路和接收链路组成。发射链路首先由频率合成器输出信号，经过数字可变增益放大器后输入到功率放大器，功率放大器经过放大后输入到发射天线；接收链路是零中频接收机方案，接收天线接收到回波信号由两级低噪声放大器放大后输入到混频器，混频器将放大器输出的射频信号和频率合成器输出的本振信号混频后得到两路中频信号，两路中频信号经过带通滤波器滤除带外信号，再经过中频放大电路放大后达到AD采集的要求。

整个子脉冲合成大带宽调频脉冲及目标距离和速度求解过程是：先将子脉冲串中各个子脉冲进行时域搬移，上采样之后在时域进行拼接叠加，合成全带宽信号，通过对合成后的大带宽调频脉冲信号做一维傅里叶变换求得目标的距离像，将多个合成的全带宽信号构成雷达信号复帧，通过对帧间傅里叶变换的求解，获得目标速度信息。

本发明解决其技术问题所采用的算法包括以下步骤：

(1)对相参混频后的信号进行过采样，与相应的宽带宽脉冲相比，窄带宽脉冲自然以较低的速率采样，为了保证窄带合成的宽带信号不失真，需要对其进行过采样处理，然后将子脉冲进行时移。

(2)将时移后的子脉冲进行时移后拼接，时移的大小根据每个小脉冲带宽及调频率计算可得

1≤i≤N，其中i为第几个子脉冲，N为子脉冲个数，f_step为步进频率。

(3)将时域拼接完成的大带宽的线性调频信号进行消除残余视频相位误差，其中

为残余视频相位，μ为调频率，R_Δ(m)＝R(m)-R₀(m)， R(m)是目标距离，R₀(m)是参考信号距离，残余相位是由于距离去斜产生的，若残余相位误差足够大，会造成几何失真及方位分辨率损失，所以需要在后续处理前消除残余相位误差。

(4)经过所述步骤(3)之后，合成多个大带宽信号构成雷达复帧，其中 P为合成大带宽信号后采样点数，M为合成的大带宽脉冲个数。

(5)对步骤(3)所得的全带宽信号脉冲内逆傅里叶变换即对步骤(4) 的矩阵的任意列向量做逆傅里叶变换可获得目标的一维距离像。

(6)对步骤(4)所得的各个雷达复帧即对步骤(4)所得矩阵的行向量进行脉冲间逆傅里叶变换求解目标速度。

(7)将步骤(5)所得的目标距离维像和步骤(6)所得的目标速度结合求得目标的真实位置信息。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，可以达到以下有益效果：

(1)本发明采用的时域拼接技术降低数据采集系统压力,提高系统数据处理的效率,进而增强系统的灵活性。

(2)本发明提出的算法弥补了之前算法中直接对信号进行脉冲内压缩后进行脉冲间逆傅里叶变换而造成的“鬼影”和各散射点信噪比分布不均的缺陷。

(3)本发明提出的算法合成超宽带信号获得高分辨力距离和速度像并且可以解决频率步进信号发射信号能量与数据率间的矛盾。

附图说明

图1是该雷达的硬件系统；

图2是该雷达信号处理算法使用的硬件平台；

图3是该雷达系统控制流程图；

图4是调频步进信号的时频变化规律；

图5是时移之前与时移之后脉冲图；

图6是时域合成结果；

图7是实验一、二仿真实验的结果；

图8是实验三仿真实验的结果；

图9是实验四仿真实验的结果；

具体实施方式

本发明采用仿真实验进行验证，所有步骤和结论均通过平台 MATLAB2018进行验证。下面结合附图对本发明中合成超宽带雷达算法目标探测方案进行详细说明。

具体过程如下：

第一步：配置硬件平台：

图1是本设计所用到的硬件平台的总体框图，包括LMX2594频率合成器、HMC637ALP5E功率放大器，LTC5586解调器、TQM8M9075数字可变增益放大器、ADRF6518滤波放大器，由频率合成器输出信号，经过数字可变增益放大器后输入到功率放大器，功率放大器经过放大后输入到发射天线；接收天线接收到回波信号由两级低噪声放大器放大后输入到混频器，混频器将放大器输出的射频信号和频率合成器输出的本振信号混频后得到两路中频信号，两路中频信号经过带通滤波器滤除带外信号，再经过中频放大电路放大后达到AD采集的要求。图 2是本设计所用到的雷达信号处理平台，由Xilinx的Artix 7系列和AD9238模数转换器组成，开发板的整个结构，使用核心板+扩展板的模式来设计。核心板和扩展板之间使用高速板间连接器连接。核心板主要由FPGA+2个DDR3+ QSPI FLASH构成，承担FPGA高速数据处理和存储的功能，加上FPGA和两片 DDR3之间的高速数据读写，数据位宽为32位，整个系统的带宽高达25Gb/s (800M*32bit)；另外两片DDR3容量高达8Gbit，满足数据处理过程中对高缓冲区的需求。XC7A100T和DDR3之间通信的时钟频率达到400Mhz，数据速率为 800Mhz，充分满足了高速多路数据处理的需求。底板为核心板扩展了丰富的外围接口，其中包含2路光纤模块接口、1路千兆以太网接口、1路USB2.0接口、 1路VGA输出接口、1路RS232接口、1路UART串口接口、1路SD卡接口、 2路40针的扩展口和一些按键LED及RTC电路。

第二步：对整个系统的启动控制：

图3是整个系统控制流程，上电后系统准备，按下开始，收发各单元准备工作开始，判断频率合成器是否准备就绪，本振波形触发AD9238准备，信号发射，电磁波遇到目标回波信号产生，I、Q两路正交解调后送入AD9238采集，采集结果送往雷达信号处理平台。

第三步：对回波数据进行校正预处理：

步骤1、stretch。

图4是调频步进信号的时频变化规律，在忽略噪声的条件下，雷达发射的第m个脉冲中的第i个子脉冲为：

式中：R为目标距离，V_t为目标径向速度，C为光速；f_c+iΔf为第i个 Chirp的载频；μ为Chirp子脉冲的调频斜率；T_r为脉冲重复周期；T为复帧周期；M_B为Burst数。

雷达接收到的回波为：

将回波信号与发射信号进行混频后结果为：

其中R_Δ(m)＝R(m)-R₀(m)，令

步骤2、为了得到合成信号，它们必须在时域进行位移，必要的时移由下式给出：

第四步：将预处理合成的信号对t'做逆傅里叶变换去除残余视频相位误差 (RVP)结果为：

在频域f＝-2μR_Δ(m)/c处采样S_CRRP(f,i；m)得：

第五步：对S_CRRP(f,i；m)求关于i的N点IFFT；因此我们获得目标的精细距离像。

S_HRRP(k_X；m)＝σT₁·sinc(k_X+2ΔfR_Δ(m)/c)·exp(-j4πf_cR_Δ(m)/c)

第六步：令R_Δ(0)＝R(0)-R₀(0)，重写上面结果为：

第七步：对上述结果中的m求FFT得

|S(k_X；k_Y)|的峰值处即可获得目标距离速度。

利用软件平台对本算法对雷达距离分辨力的提高能力进行验证，设置四个仿真实验，实验一是对单目标回波数据按直接脉冲压缩的方法处理，以下是实验参数：

频率步进雷达的发射信号可以看成以Δf为间隔采样的频域谱线，N个脉冲内的相同距离单元的目标回波也可看成以Δf为间隔频域采样点，T₁为单个 Chirp脉冲宽度。根据频域采样定理，只有NT₁Δf≤N，即T₁Δf≤1时，才能从逆傅里叶变换的结果中得到正确的回波序列x(n)。如果T₁Δf＝1，只要将各次逆傅里叶变换后的N点结果顺次续接起来，就可以得到完备的距离像；如果 T₁Δf<1，由于距离空挡的存在，目标距离上产生冗余；如果T₁Δf>1，逆傅里叶变换后的结果将产生距离像的混叠。而如果想要使用本发明方法，步进值必须等于脉冲带宽，否则时域无法正确拼接。所以实验中将步进频率与脉冲带宽设置为相等。

时域移动之前的脉冲如图5左图，时域移动之后的脉冲如图5右图。将时域移动后的脉冲拼接合成之后信号如图6：

实验一为使用与合成带宽相等的调频脉冲脉冲压缩结果如图7左图：

实验二为使用本发明方法合成全带宽信号脉冲压缩结果如图7右图：

由以上两实验结果可以看出本发明的脉压结果与直接的脉冲压缩结果基本一致，只是主瓣宽度稍有不同，这与stretch的处理方式有关。

实验三为多目标的情形按本发明中合成大带宽的方法处理。假设目标为两个目标，实验参数如下：

未合成超宽带之前的距离分辨率为：

实验结果如图8，由图可以看出，使用此种方法可以将小于单个脉冲距离分辨率的两个目标分辨开来。

实验四为目标运动情形下使用本发明所述算法求解目标速度。假设为两个目标，实验参数与实验三一致，速度V1＝10m/s、V2＝0m/s，实验结果如图8，由图可以计算目标距离为：

速度为：

以上结果表明此发明方法能够求解目标信息，并且计算量较小，复杂度更低。

Claims

1.一种基于chirp子脉冲频率步进雷达信号的处理方法，该方法使N个小带宽子脉冲恢复到原始载频，将恢复到原始载频的小脉冲在时间轴上相互连接，构成一个大带宽调频信号，其时间宽度和频率宽度为所有子脉冲的和，将多个合成的大带宽调频脉冲组合形成雷达复合帧，分别在帧间、脉冲内进行简单雷达信号处理以实现求解目标一维距离像提高雷达距离分辨率以及求解目标速度。

2.权利要求1所述的雷达信号处理方法的特征在于：

(1)对相参混频后的信号进行过采样后将子脉冲进行时移然后进行子脉冲相位校正。

(2)将时移后的子脉冲进行时移后拼接。

(3)将时域和频域拼接完成的大时宽带宽的线性调频信号进行消除残余视频相位误差。

(4)经过所述步骤(3)之后，合成多个全带宽信号构成复帧。

(5)对步骤(3)所得的全带宽信号脉冲内逆傅里叶变换获得目标的距离像。

(6)对步骤(4)所得的各个雷达复帧进行脉冲间逆傅里叶变换。

(7)将步骤(5)所得的距离维像和步骤(6)所得的速度维像结合求得目标的真实位置信息。