CN112083383B - 幅度/相位相关联合检测应答信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种幅度/相位相关联合检测应答信号的方法，旨在提供一种能够有效检测编码调制脉冲信号的方法。本发明可以通过以下方案实现：在信号处理模块中将和、差、全向通道接收到的3路中频信号进行数字下变频至基带，在FPGA中使用DDS产生正交的正弦和余弦信号，分别与中频信号相乘，再进行低通滤波得到正交的I路基带信号和Q路基带信号，根据信息编码码字对基带信号分别进行相位和幅度相关累加形成对齐的和通道相位相关峰和幅度相关峰，分别对和通道相位相关峰进行固定门限判决和幅度相关峰进行自适应门限判决处理，形成脉冲二值化信号和脉冲有效信号后再进行单脉冲处理和接收判别抑制处理，从而完成一次目标应答脉冲信号的检测。

Description

幅度/相位相关联合检测应答信号的方法

技术领域

本发明是二次雷达系统询问机中，采用幅度和相位相关联合处理的目标检测方法，实现二次雷达应答脉冲信号的检测。更具体说，就是在询问机信号处理过程中采用幅度相关法和相位相关法联合检测应答信号脉冲相关峰以及利用相关峰幅度进行单脉冲处理和接收旁瓣抑制的目标检测方法。

背景技术

在雷达目标检测中,常会遇到大目标遮挡小目标的问题。一般地,大型民航客机的RCS 在一二百平方米以上,小型飞机的雷达散射截面RCS(Radar-CrossSection)在1～2m²之间。如果两者的距离很近,则回波的强度比则在20dB以上。如果考虑到隐身飞机等更小的RCS(其RCS只在0.02m²左右)目标,回波强度相差40dB以上,遮挡问题将更加严重。在民用航空机场管理领域,通过采用非线性调频超低副瓣脉压技术,并辅之以严格的管理措施,来解决大型客机对小型客机的遮挡问题。然而,在更加复杂的空情处理上,这种问题更加复杂,难以使用空管措施。如果抬高门限,则会将小目标剔除。如果降低门限,则大目标会出现多个连续的过门限值,一般采用点迹凝聚技术或杂波图,小目标往往会被视作大目标的副瓣而匿隐掉,如果采用恒虚警率CFAR技术,小目标也将会被门限遮掉。此时,将会出现漏情。造成这种问题的原因是常规检测不考虑相位,仅利用幅度信息。另外在检测过程中存在一个点迹凝聚步骤。点迹凝聚是在距离项上的距离凝聚处理、方位项上的方位凝聚处理、仰角项上的目标测高处理、速度上的解模糊处理等。凝聚的主要原理为对幅度过门限的单元判别连续性,取包络峰值。主要完成相同极值点的提取,产生极值点的代码、极值幅度。总之,传统的凝聚算法利用的核心信息是幅度。显然,这对原始信号的信息进行了删减,幅度信息必然会受到信噪比效应的影响,对目标的检测造成损失。如果采用恒虚警率CFAR处理也达不到检测目标的目的,因为小目标位置与大目标的距离太近。如果严格限制信号的副瓣电平,当信号主要能量集中在主瓣时,则需要进行深度加权,此时会造成主瓣显著加宽,对小目标的遮挡更加严重。同时,这种处理办法需要信号的时宽带宽积很大,加大了工程实现难度。如果采用非线性调频进行优化设计,则会由于多普勒效应、噪声等影响,难以实现。造成上述问题的主要原因是幅度差异太大,如果仅考虑幅度信息比较必然会造成遮挡。根据理论分析,对于目标而言,不仅有幅度信息, 而且还有相位信息,并且主瓣的相位与副瓣的相位特性差别很大。

现代雷达主要采用的是匹配滤波，在信号处理中利用的是匹配滤波器。在星载合成孔径雷达SAR条件下，由于卫星的地速很大，卫星与地面运动目标之间位置关系相当复杂，检测难度相当大，理论上讲，对于雷达散射截面RCS(Radar-CrossSection)不变的地面场景，如果其它因素的影响可以忽略，任意沿轨基线长度双孔径分布式卫星沿航迹干涉SAR-ATI 处理后的干涉复图像虚部为零。实际的情形是，由于杂波源的运动，在一个合成孔径时间内地面场景的雷达散射截面RCS将会发生缓慢变化，经过ATI处理后干涉复图像虚部会分布在一定的范围内，由于杂波源自身的运动，场景散射单元的雷达散射截面RCS在雷达观测时间内服从正态分布，是具有高斯谱的正态随机数序列.具体的仿真实现方法就是把独立正态随机数列通过具有高斯谱形的数字低通滤波器，即可得到所需的具有高斯形状频谱特性的相关正态随机序列，用以模拟地面的RCS起伏特性。检测动目标是利用安装在同一平台沿航迹方向排列的两副天线测绘地面场景，若地面目标静止，则两副天线得到的图像完全相同，而动目标则会在对应像素中产生相位偏移.两天线获取的回波信号分别成像处理后，形成干涉相位图。图像域中的每一个像素在干涉相位图上的分布都是由一簇相同相位。该相位称之为像素的实际相位的点组成，在图像域中表现为该点方位向和距离向上的相邻像素，在时域上可以视为方位向与距离向上脉冲压缩后的旁瓣。对于面目标的杂波背景，其每一个像素都会产生大量的同相位点，在干涉相位图中会与周围的点产生叠加，此时得到的各点相位称之为检测相位。在图像域中，得到的各像素点的检测相位有可能因为相邻像素旁瓣的影响而偏离实际相位，产生相位漂移。如果强散射点为动目标，那么周围弱杂波的相位被污染后就有可能呈现出运动目标的相位特征；若强散射点为静止目标时相位叠加也有可能让相邻的静止弱目标的相位增大，也会出现虚假的动目标。这些点的相位不是由自身的散射特性以及运动特性决定，而是由周围强点信号旁瓣决定的，已经不能反映该像素位置目标真正的运动特征。雷达噪声在成像系统中是一种加性噪声，而成像系统是一个线性系统，噪声在每一个通道做独立的成像处理时，输出具有可加性，但是，动目标检测需要对两个通道的复图像进行干涉处理，此部分的系统是一个乘性系统，因此，整个动目标检测不是一个线性系统。在实际处理过程中，噪声和地杂波是混合的，无法对其进行有效的分离。但是SAR成像算法实质是匹配滤波，其对信号的增益要远大于噪声的增益，即使输入杂噪比不大的情形，经过成像处理输出杂噪比也可达到十几至几十分贝的量级。幅度和相位是信号的两种主要特性,在数学上定义为正弦或余弦的幅度和幅角。通常所指的相位测量就是对两个同频信号的相位差进行测量。现有技术采用幅相联合检测，在干涉相位图中的顶端附近，仍有一部分点落在门限之外造成虚警，只有通过增大相位门限才能减小这部分的虚警概率，然而代价是系统的 MDV增大，容易造成漏警现象，对GMTI非常不利。不同条件虚警概率随相位门限直线变化，在干涉相位分布图中的幅度滤波门限是由地杂波能量与噪声能量共同决定的，当杂噪比相同时，由于地杂波等效速度的不同，地杂波自身干涉的相位分布图会随着等效速度变大而展宽，在选用相同的滤波门限时地杂波相对速度越大，虚警概率越高，起伏程度相同，杂噪比越大，地形起伏的作用就越明显，相位门限对虚警概率的影响就越大。在干涉相位分布图上，相位是由噪声叠加杂波干涉得到的，噪声与杂波交叉干涉后的能量会叠加到杂波与杂波干涉的能量上！因此，对于噪声较大的情形，噪声与杂波交叉干涉的能量分布范围会广，相应的叠加到杂波与杂波干涉点的能量也会更大，表现在整体的干涉相位分布图上，干涉点的虚部分量会更大，因此，对于相同的地形起伏程度，杂噪比越小，检测的虚警概率越大。在低杂噪比时(0dB)，由于噪声在干涉相位图中的输出占很大一部分，地杂波中一部分相位起伏变化小的点会落入幅度滤波门限中。当系统杂噪比较大时，RCS起伏程度对动目标径向最小可检测速率影响较大；当系统杂噪比较小时，由于噪声在干涉相位图中输出能量较大， RCS起伏程度对动目标径向最小可检测速率的影响相对减弱。相对于RCS起伏现象，雷达的杂噪比对动目标检测虚警概率的影响更为严重。以往的目标检测都是在视频信号上进行的，它只对回波幅度进行检测，而丢掉了信号的相位和频率的信息。

目前，在二次雷达系统中应答波形设计中通常采用脉冲形式，脉内采用信息编码直接调制的方式来实现。通常，询问机采用和、差、全向3通道接收机来接收应答射频信号，和通道用于应答脉冲信号的检测与同步，和、差通道联合使用用于单脉冲处理，和、全向通道联合使用用于接收旁瓣抑制处理。传统的处理方法是接收机接收到和、差、全向3通道射频信号后下变频到中频信号后送入信号处理模块、在信号处理模块中再数字下变频到基带，然后利用和通道基带信号进行相位相关处理来进行脉冲的检测，利用和、差、全向3通道基带信号直接进行脉冲幅度的求取，在脉冲幅度的基础上进行单脉冲处理和接收旁瓣抑制。当系统对输入信号的不同频率分量具有不同的增益幅值，同时相对相移也发生变化，就使输出波形发生失真，则输出响应的幅度和相位失真。该方法的缺点有二，一是在低信噪比如灵敏度条件下，只单独使用相位法检测或单独使用幅度检测目标应答信号相关峰会出现虚警或漏警的情况；二是当信号的调制方式为非恒包调制方式时，直接求取基带信号的脉冲幅度也非恒定的，在码元变换的时刻，幅度会出现很大的衰落，从而影响单脉冲处理和接收旁瓣抑制处理的准确度。

为改进传统处理方法的缺陷，本发明提出一种在二次雷达系统询问中采用幅度和相位相关联合处理的应答目标检测方法。目前，国内还没有关于幅度和相位相关联合处理进行目标检测的方法在二次雷达系统询问机中应用的报道和资料。

发明内容

本发明的任务是针对现有技术存在的不足之处，提供一种在和、差、全向3通道接收机的二次雷达系统询问机中，通过幅度相位相关联合处理，能够有效地检测编码调制后的脉冲信号，并能更精准地实现接收旁瓣抑制处理的幅度/相位相关联合检测应答信号的方法。

本发明的上述目标可以通过以下技术方案予以实现，一种幅度/相位相关联合检测应答信号的方法，其特征在于包括以下步骤：二次雷达系统中询问机发射询问调制信号后转入接收状态，和通道、差通道和全向通道上的接收机接收到应答机发射的和、差、全向信号射频信号后，下变频至中频后送到信号处理模块，在信号处理模块中将和通道、差通道和全向通道接收到的3路中频信号进行数字下变频至基带，在大规模可编程逻辑器件FPGA中将信号处理模块DDS产生的正交正弦和余弦信号分别与中频信号相乘，通过低通滤波得到正交的I路基带信号和Q路基带信号，并对3个通道的基带信号进行相位相关和幅度相关处理，相位和幅度相关器根据信息编码码字分别进行相位和幅度相关累加，形成对齐的和通道相位相关峰和幅度相关峰，同时对和通道相位相关峰进行固定门限判决和对幅度相关峰进行自适应门限判决，将得到的相位与幅度相关峰二值化脉冲信号送入与门，经脉冲鉴宽电路鉴宽处理剔除过宽和过窄的虚假相关峰脉冲，把形成的脉冲有效信号与和通道幅度相关峰、差通道幅度相关峰、全向通道幅度相关峰进行延迟对齐，并对和通道幅度相关峰进行最大保持，得到和通道幅度相关峰值，产生和通道幅度相关峰最大值指示标志脉冲；在和通道相关峰为最大值的时刻，对差通道幅度相关峰、全向通道幅度相关峰进行采样保持，得到差通道和全向通道的幅度相关峰值，然后利用和、差通道的幅度相关峰值进行单脉冲处理；在采样保持操作中，利用和通道和全向通道的相关峰幅度值进行接收旁瓣抑制处理，保存相关峰的幅度信息以及脉冲的位置信息送后续电路作进一步的目标属性判决处理，从而完成一次目标应答脉冲信号的检测。

本发明相比于现有技术的有益效果在于，本发明中的二次雷达系统采用协同工作方式获取目标信息，即采用询问、应答的工作方式协同工作。系统工作时，询问机发射询问调制脉冲，应答机接收到询问调制脉冲后进行脉冲信号的解调解码，译码出询问模式后应答相应的应答调制脉冲，询问机接收应答调制脉冲信号，解调解码，从而完成目标应答信号的检测和目标属性的识别。在信号处理模块中将接收到的和通道、差通道和全向通道3路中频信号进行数字下变频至基带，在大规模可编程逻辑器件FPGA中使用DDS产生正交的正弦和余弦信号，分别与中频信号相乘，再进行低通滤波得到正交的I路基带信号和Q路基带信号，得出基带I路和Q路信号后，对3个通道基带信号进行相位相关和幅度相关处理，通过对幅度相关峰和相位相关峰联合处理，能够有效地进行目标应答脉冲信号的检测，避免虚警或漏警。

本发明采用相位相关器和幅度相关器根据信息编码码字分别进行相位和幅度相关累加形成对齐的和通道相位相关峰和幅度相关峰，分别对和通道相位相关峰进行固定门限判决和幅度相关峰进行自适应门限判决，将得到的相位与幅度相关峰二值化脉冲信号送入与门，经脉冲鉴宽电路鉴宽处理剔除过宽和过窄的虚假相关峰脉冲，把形成的脉冲有效信号与和通道幅度相关峰、差通道幅度相关峰、全向通道幅度相关峰进行延迟对齐，对和通道幅度相关峰进行最大保持，得到和通道幅度相关峰值，同时产生和通道幅度相关峰最大值指示标志脉冲。利用和通道幅度相关峰最大值指示标志脉冲采样保持差通道、全向通道相关峰幅度，这样能够更精准地实现对编码调制后脉冲信号的单脉冲处理，实现波束宽度的压缩，从而提高系统方位分辨率，能够更精准地实现对编码调制后的脉冲信号进行接收旁瓣抑制处理，从而有效剔除旁瓣干扰脉冲。

附图说明

下面结合附图和实施举例对本发明进一步说明。

图1是本发明幅度/相位相关联合检测应答信号处理原理示意图；

图2是图1中相位相关器的工作原理示意图；

图3是图1幅度中相关器的工作原理示意图；

图4是本发明中相关累加器的工作原理示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，二次雷达系统中询问机发射询问调制信号后转入接收状态，和通道、差通道和全向通道上的接收机接收到应答机发射的和、差、全向信号射频信号后，下变频至中频后送到信号处理模块，在信号处理模块中将和通道、差通道和全向通道接收到的3路中频信号进行数字下变频至基带，在大规模可编程逻辑器件FPGA中将信号处理模块 DDS产生的正交正弦和余弦信号分别与中频信号相乘，通过低通滤波得到正交的I路基带信号和Q路基带信号，并对3个通道的基带信号进行相位相关和幅度相关处理，相位和幅度相关器根据信息编码码字分别进行相位和幅度相关累加，形成对齐的和通道相位相关峰和幅度相关峰，同时对和通道相位相关峰进行固定门限判决和对幅度相关峰进行自适应门限判决，将得到的相位与幅度相关峰二值化脉冲信号送入与门，经脉冲鉴宽电路鉴宽处理剔除过宽和过窄的虚假相关峰脉冲，把形成的脉冲有效信号与和通道幅度相关峰、差通道幅度相关峰、全向通道幅度相关峰进行延迟对齐，并对和通道幅度相关峰进行最大保持，得到和通道幅度相关峰值，产生和通道幅度相关峰最大值指示标志脉冲；在和通道相关峰为最大值的时刻，对差通道幅度相关峰、全向通道幅度相关峰进行采样保持，得到差通道和全向通道的幅度相关峰值，然后利用和、差通道的幅度相关峰值进行单脉冲处理；在采样保持操作中，利用和通道和全向通道的相关峰幅度值进行接收旁瓣抑制处理，保存相关峰的幅度信息以及脉冲的位置信息送后续电路作进一步的目标属性判决处理，从而完成一次目标应答脉冲信号的检测。

在单脉冲处理中，对和、差通道幅度相关峰值进行比较，只接收和通道相关峰幅度比差通道相关峰幅度大一定门限值的信号，用于压缩波束宽度。接收旁瓣抑制处理中，利用和通道和全向通道的相关峰幅度值进行比较，若全向通道相关峰的幅度值比和通道幅度相关峰的幅度值大，则认为是从旁瓣接收的应答信号，作丢弃处理。若全向通道相关峰的幅度值比和通道幅度相关峰的幅度值小，则保存相关峰的幅度信息以及脉冲的位置信息送后续电路作进一步的目标属性判决处理。

参阅图2。相位相关器在相位相关的处理过程中，对输入的I路基带信号和Q路基带信号分别取符号位，分别形成I路相位基带信号和Q路相位基带信号，I路相位基带信号和 Q路相位基带信号分别通过I路、Q路串联的1bit数字相关累加器对输入的基带信号进行相位相关，1bit数字相关累加器根据输入的信息编码进行I路和Q路相位相关累加，形成I路相位相关峰和Q路相位相关峰，再对I路和Q路相位相关峰基带信号分别取绝对值，然后对I路和Q路取较大的绝对值形成相位相关峰。

参阅图3。在幅度相关的处理过程中，幅度相关器对输入的基带信号的进行幅度提取，分别形成I路基带幅度信号和Q路基带幅度信号，而后分别通过I路、Q路串联的14bit数字相关累加器对输入的基带幅度信号进行幅度相关，14bit数字相关累加器根据输入的信息编码进行I路和Q路幅度进行相关累加，而后对I路和Q路幅度相关峰信号分别进行平方，再通过加法器进行相加，然后开平方形成幅度相关峰输出。无论是相位相关还是幅度相关，其电路处理过程是一致的，都是对输入基带信号的符号位或幅度进行相关累加。

参阅图4。在相关累加的处理过程中，相关累加器根据输入的基带信号，按照采样速率和码速率的比值关系，对顺次串联的延时电路D1、D2、…、Dn进行电路延迟抽样，然后再根据信息编码的编码比特n、编码比特n-1、编码比特n-2、…、编码比特0来对电路延迟抽样后的数据进行相乘。相乘过程中，当信息码为‘0’时，编码比特为“1”，即使用“1”与电路延迟抽样后的数据相乘，当信息码为‘1’时，编码比特为“-1”，即使用”-1”与电路延迟抽样后的数据相乘，然后把一个信息编码码字长度内相乘的结果进行累加求和，形成相位或幅度相关峰。

尽管上述已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种幅度/相位相关联合检测应答信号的方法，其特征在于包括以下步骤：二次雷达系统中询问机发射询问调制信号后转入接收状态，和通道、差通道和全向通道上的接收机接收到应答机发射的和、差、全向信号射频信号后，下变频至中频后送到信号处理模块，在信号处理模块中将和通道、差通道和全向通道接收到的3路中频信号进行数字下变频至基带，在大规模可编程逻辑器件FPGA中将信号处理模块DDS产生的正交正弦和余弦信号分别与中频信号相乘，通过低通滤波得到正交的I路基带信号和Q路基带信号，并对3个通道的基带信号进行相位相关和幅度相关处理，相位和幅度相关器根据信息编码码字分别进行相位和幅度相关累加，形成对齐的和通道相位相关峰和幅度相关峰，同时对和通道相位相关峰进行固定门限判决和对幅度相关峰进行自适应门限判决，将得到的相位与幅度相关峰二值化脉冲信号送入与门，经脉冲鉴宽电路鉴宽处理剔除过宽和过窄的虚假相关峰脉冲，把形成的脉冲有效信号与和通道幅度相关峰、差通道幅度相关峰、全向通道幅度相关峰进行延迟对齐，并对和通道幅度相关峰进行最大保持，得到和通道幅度相关峰值，产生和通道幅度相关峰最大值指示标志脉冲；在和通道相关峰为最大值的时刻，对差通道幅度相关峰、全向通道幅度相关峰进行采样保持，得到差通道和全向通道的幅度相关峰值，然后利用和、差通道的幅度相关峰值进行单脉冲处理；在采样保持操作中，利用和通道和全向通道的相关峰幅度值进行接收旁瓣抑制处理，保存相关峰的幅度信息以及脉冲的位置信息送后续电路作进一步的目标属性判决处理，从而完成一次目标应答脉冲信号的检测。

2.如权利要求1所述的幅度/相位相关联合检测应答信号的方法，其特征在于：相位相关器在相位相关的处理过程中，对输入的I路基带信号和Q路基带信号分别取符号位，分别形成I路相位基带信号和Q路相位基带信号。

3.如权利要求2所述的幅度/相位相关联合检测应答信号的方法，其特征在于：I路相位基带信号和Q路相位基带信号分别通过I路、Q路串联的1bit数字相关累加器对输入的基带信号进行相位相关。

4.如权利要求3所述的幅度/相位相关联合检测应答信号的方法，其特征在于：1bit数字相关累加器根据输入的信息编码进行I路和Q路相位相关累加，形成I路相位相关峰和Q路相位相关峰，再对I路和Q路相位相关峰基带信号分别取绝对值，然后对I路和Q路取较大的绝对值形成相位相关峰。

5.如权利要求4所述的幅度/相位相关联合检测应答信号的方法，其特征在于：在幅度相关的处理过程中，幅度相关器对输入的基带信号进行幅度提取，分别形成I路基带幅度信号和Q路基带幅度信号，然后分别通过I路、Q路串联的14bit数字相关累加器对输入的基带幅度信号进行幅度相关。

6.如权利要求5所述的幅度/相位相关联合检测应答信号的方法，其特征在于：14bit数字相关累加器根据输入的信息编码进行I路和Q路幅度进行相关累加，而后对I路和Q路幅度相关峰信号分别进行平方，再通过加法器进行相加，开平方形成幅度相关峰输出。

7.如权利要求6所述的幅度/相位相关联合检测应答信号的方法，其特征在于：在相关累加的处理过程中，相关累加器根据输入的基带信号，按照采样速率和码速率的比值关系，对顺次串联的延时电路D1、D2、…、Dn进行电路延迟抽样，然后根据信息编码的编码比特n、编码比特n-1、编码比特n-2、…、编码比特0来对电路延迟抽样后的数据进行相乘。

8.如权利要求7所述的幅度/相位相关联合检测应答信号的方法，其特征在于：相乘过程中，当信息码为‘0’时，编码比特为“1”，使用“1”与电路延迟抽样后的数据相乘，当信息码为‘1’时，编码比特为“-1”，使用”-1”与电路延迟抽样后的数据相乘，然后把一个信息编码码字长度内相乘的结果进行累加求和，形成相位或幅度相关峰。

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