CN112098966B - 脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法及装置，属于雷达技术领域。该方法首先对不同批次信号分时进行不同的距离模拟延迟处理；根据当前批次所需的假目标多普勒速度，确定所需的变频算子频域信息；将变频算子频域信息输入到IFFT多普勒调制模块中，输出变频算子时域信号；随后实时生成变频算子并与输入信号混频。采用了本发明的模拟方法和装置，对于多个目标的多普勒模拟减少了对于计算资源的需求。

Description

脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法及装置

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，特别涉及雷达模拟仿真技术领域，具体是指一种脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法及装置。

背景技术

在目标模拟中，多普勒效应包含了目标径向速度的信息。多批次目标的多普勒模拟是一种常见的任务需求。传统的目标多普勒频率模拟是将多批次信号每个批次多个多普勒频率的回波计算好后进行直接叠加。这种方法所需的资源较大，在目标数很多时需要占用大量的计算资源。

具体而言，在传统的多普勒模拟中，如图1所示，信号依次通过模数转换器采样，生成正交信号，按照多批目标每个批次的距离模拟要求流进分时模拟，再经过多个并行的多普勒调制模块，最后叠加再由数模转换器转换为模拟信号。

在传统方法中，多普勒调制部分所需的资源与所需模拟的多普勒频率个数成正比。在硬件实现时这种方式会消耗很多资源。为此需要开发一种能够以较低计算代价来完成多个多普勒特性模拟的方法。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种基于IFFT(InverseFast Fourier Transform，快速傅里叶逆变换)的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法，利用FPGA实现较低计算代价的多批次假目标多普勒模拟。

为了实现上述的目的，本发明的基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法包括以下步骤：

(A)对输入信号的不同批次信号分时进行不同的距离模拟延迟处理；

(B)根据当前批次所需的假目标多普勒速度，确定所需的变频算子频域信息；

(C)将所述的变频算子频域信息输入到IFFT多普勒调制模块中，输出变频算子时域信号；

(D)利用所述的IFFT多普勒调制模块实时生成变频算子并与所述的输入信号混频。

该基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法中，所述步骤(A)具体为：

所述的输入信号分为不同批次，对于当前批次信号分时依据需模拟的距离进行延迟输出处理，其中所述的需模拟的距离r，根据信号从发射起到接收位置的延迟为电磁波往返于雷达和目标的时间t确定：

其中r为需模拟的距离，c为光速。

该基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法中，步骤(B)具体为：

根据当前批次需要的假目标的多普勒频率，在数字域0-2π内依照点数N确定变频算子频域为向量H，则向量H中每个元素代表在0-2π内依照N点均分的各个频点的频域响应，则频率分辨率为

式中fs为采样频率；将所述的向量H确定为所需的变频算子频域信息，并将其作为IFFT输入的频域信息。

该基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法中，步骤(C)具体为：

利用IFFT多普勒调制模块，根据多个假目标的频域信息H获得变频算子时域信号h，h＝IFFT(H)。

该基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法中，步骤(D)具体为：

根据下式，利用所述的IFFT多普勒调制模块将所述的变频算子时域信号h与输入信号混频：

dop＝ddc×h

其中，dop表示多普勒调制输出，ddc为所述输入信号的下变频输出，×表示向量的点对点乘法。

本发明还提供一种基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟装置，该装置包括：数字下变频模块、信号延时模块、IFFT多普勒调制模块和数字上变频模块。

其中，数字下变频模块用以产生输入信号；信号延时模块用以对所述输入信号的不同批次信号分时进行不同的距离模拟延迟处理；IFFT多普勒调制模块用以根据当前批次所需的假目标多普勒速度确定所需的变频算子频域信息；输出变频算子时域信号；还用以实时生成变频算子并与所述的输入信号混频；数字上变频模块用以产生输出信号。

该基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟装置中，所述的对输入信号的不同批次信号分时进行不同的距离模拟延迟处理，具体为：

所述的输入信号分为不同批次，对于当前批次信号分时依据需模拟的距离进行延迟输出处理，其中所述的需模拟的距离r，根据信号从发射起到接收位置的延迟为电磁波往返于雷达和目标的时间t确定：

其中r为需模拟的距离，c为光速。

该基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟装置中，所述的根据当前批次所需的假目标多普勒速度确定所需的变频算子频域信息，具体为：

根据当前批次需要的假目标的多普勒频率，在数字域0-2π内依照点数N确定变频算子频域为向量H，则向量H中每个元素代表在0-2π内依照N点均分的各个频点的频域响应，则频率分辨率为

式中fs为采样频率；将所述的向量H确定为所需的变频算子频域信息，并将其作为IFFT输入的频域信息。

该基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟装置中，所述的输出变频算子时域信号，具体为：

利用IFFT多普勒调制模块，根据多个假目标的频域信息H获得变频算子时域信号h，h＝IFFT(H)。

该基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟装置中，所述的实时生成变频算子并与所述的输入信号混频，具体为：

根据下式，利用所述的IFFT多普勒调制模块将所述的变频算子时域信号h与输入信号混频：

dop＝ddc×h

其中，dop表示多普勒调制输出，ddc为所述输入信号的下变频输出，×表示向量的点对点乘法。

采用了该发明的基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法和装置具有以下技术效果：

(1)利用FPGA的IFFT IP功能生成多个，而不是多个频率合成，对于多个目标的多普勒模拟减少了对于计算资源的需求；

(2)多普勒频率的分辨率与IFFT的点数有关，分辨率越高，要求的点数越多；

(3)由于同批次所有假目标的多普勒调制是合并算子以后同时计算，所以同批次所有假目标有相同的距离；

(4)多批次目标的距离模拟，每个批次的信号模拟的距离可以不同。

附图说明

图1为传统的基于FPGA的脉冲多普勒雷达多普勒模拟结构计算过程图。

图2为本发明的基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法的步骤流程图。

图3为包含算子叠加和基于IFFT模拟两种方案的多普勒模拟结构图。

图4为多批目标的假目标模拟回波信号图。

图5为本发明的基于IFFT的脉冲多普勒雷达多普勒模拟结构计算过程图。

图6为本发明的基于IFFT的脉冲多普勒雷达多普勒模拟方法的变频算子合成功能演示图。

图7为本发明的基于IFFT的脉冲多普勒雷达多普勒模拟装置的结构图。

图8为IFFT点数取32时本发明的基于IFFT的方法与传统方案得出的回波信号频域幅度谱的比较示意图。

图9为IFFT点数取128时本发明的基于IFFT的方法与传统方案得出的回波信号频域幅度谱的比较示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图2所示，为本发明的基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法的步骤流程图。

在一种实施方式中，该基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法包括以下步骤：

(A)对输入信号的不同批次信号分时进行不同的距离模拟延迟处理；

(B)根据当前批次所需的假目标多普勒速度，确定所需的变频算子频域信息；

(C)将所述的变频算子频域信息输入到IFFT多普勒调制模块中，输出变频算子时域信号；

(D)利用所述的IFFT多普勒调制模块实时生成变频算子并与所述的输入信号混频。

在一种优选的实施方式中，所述步骤(A)具体为：

所述的输入信号分为不同批次，对于当前批次信号分时依据需模拟的距离进行延迟输出处理，其中所述的需模拟的距离r，根据信号从发射起到接收位置的延迟为电磁波往返于雷达和目标的时间t确定：

其中r为需模拟的距离，c为光速。

在另一种优选的实施方式中，步骤(B)具体为：

根据当前批次需要的假目标的多普勒频率，在数字域0-2π内依照点数N确定变频算子频域为向量H，则向量H中每个元素代表在0-2π内依照N点均分的各个频点的频域响应，则频率分辨率为

式中fs为采样频率；将所述的向量H确定为所需的变频算子频域信息，并将其作为IFFT输入的频域信息。

在又另一种优选的实施方式中，步骤(C)具体为：

利用IFFT多普勒调制模块，根据多个假目标的频域信息H获得变频算子时域信号h，h＝IFFT(H)。

在又一种优选的实施方式中，步骤(D)具体为：

根据下式，利用所述的IFFT多普勒调制模块将所述的变频算子时域信号h与输入信号混频：

dop＝ddc×h

其中，dop表示多普勒调制输出，ddc为所述输入信号的下变频输出，×表示向量的点对点乘法。

本发明还提供一种基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟装置，用以实现上述方法。该装置包括：数字下变频模块、信号延时模块、IFFT多普勒调制模块和数字上变频模块。数字下变频模块用以产生输入信号；信号延时模块用以对所述输入信号的不同批次信号分时进行不同的距离模拟延迟处理；IFFT多普勒调制模块用以根据当前批次所需的假目标多普勒速度确定所需的变频算子频域信息；输出变频算子时域信号；还用以实时生成变频算子并与所述的输入信号混频；数字上变频模块用以产生输出信号。

在实际应用中，本发明的基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法及装置可以通过以下方式实现。

图3为包含算子叠加和基于IFFT模拟两种方案的多普勒模拟结构图。

图4为多批目标的假目标模拟回波信号图，展示了基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法回波幅度与目标多普勒频率，目标距离的关系。图中展示了3批目标，每个批次内距离相同，但多普勒频率不同。

本发明的模拟方法的计算过程如图5所示，可以包括以下步骤：

步骤A、对多批次信号分时进行不同的距离模拟延迟处理。

对于一个批次所需模拟的距离，信号从发射起到接受位置的延迟为电磁波往返于雷达和目标的时间，即

其中r为需要模拟的距离，c为光速。

步骤B、确定每个批次内多个目标多普勒频率所对应的频域信息；

参照图2所示，对于特定的目标批次，在数字域0-2π内按照点数N确定变频算子频域为向量H，则向量H中每个元素代表在0-2π内按照N点均分的各个频点的频域响应，则频率分辨率为：

式中fs为采样频率。

步骤C所述的根据步骤B的时域信息通过FPGA的IFFT模块得到变频算子时域，IFFT模块需要配置适当的点数信息。

本发明的基于IFFT的脉冲多普勒雷达多普勒模拟方法的变频算子合成功能演示图如图6所示。

该步骤C具体为：

h＝IFFT(H)

h为对应多普勒频率的变频算子时域。该步骤相当于直接将变频算子合并，如图4所示。

步骤D中将得到的包含多个多普勒信息的变频算子时域与输入信号变频，具体为：

dop＝ddc×h

ddc表示下变频输出,dop表示多普勒调制输出，×表示向量的点对点乘法。h为点数确定的IFFT计算结果构成的向量。

本发明的基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟装置的结构如图7所示，输入信号依次经过下变频-IFFT计算变频算子-上变频3个阶段。

本发明的方法已经通过了验证，取得了满意的应用效果：

(1)实验条件：信号采样率为100KHz，经多普勒调制后的频率应为10KHz、20KHz、30KHz三种频率。

(2)仿真内容：

仿真1：基于仿真参数：设置IFFT的点数为32，图8给出了本发明所提供的方法和传统的方法所得的效果比较。

仿真2：基于仿真参数，设置IFFT的点数为128，图9给出了采用本发明所提方法和传统的方法所得的效果比较。

(3)仿真结果分析：

从图8可以看出，本发明所设计的多普勒调制方法可以的出正确的结果，但点数较低时与传统方法相比有一定的误差。

从图9可以看出，本发明所设计的多普勒调制方法可以的出正确的结果，在点数较高时与传统方法相比误差较小。

采用了该发明的基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法和装置具有以下技术效果：

(1)利用FPGA的IFFT IP功能生成多个，而不是多个频率合成，对于多个目标的多普勒模拟减少了对于计算资源的需求；

(2)多普勒频率的分辨率与IFFT的点数有关，分辨率越高，要求的点数越多；

(3)由于同批次所有假目标的多普勒调制是合并算子以后同时计算，所以同批次所有假目标有相同的距离；

(4)多批次目标的距离模拟，每个批次的信号模拟的距离可以不同。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (10)

1.一种基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(A)对输入信号的不同批次信号分时进行不同的距离模拟延迟处理；

(B)根据当前批次所需的假目标多普勒速度，确定所需的变频算子频域信息；

(C)将所述的变频算子频域信息输入到IFFT多普勒调制模块中，直接将变频算子合并，输出变频算子时域信号；

(D)利用所述的IFFT多普勒调制模块将所述的变频算子时域信号与所述的输入信号混频，同批次所有假目标的多普勒调制同时计算，同批次所有假目标有相同的距离，不同批次之间的假目标有不相同的距离。

2.根据权利要求1所述的基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法，其特征在于，所述步骤(A)具体为：

所述的输入信号分为不同批次，对于当前批次信号分时依据需模拟的距离进行延迟输出处理，其中所述的需模拟的距离r，根据信号从发射起到接收位置的延迟为电磁波往返于雷达和目标的时间t确定:

其中r为需模拟的距离，c为光速。

3.根据权利要求1所述的一种基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法，其特征在于，步骤(B)具体为：

根据当前批次需要的假目标的多普勒频率，在数字域0-2π内依照点数N确定变频算子频域为向量H，则向量H中每个元素代表在0-2π内依照N点均分的各个频点的频域响应，则频率分辨率为

式中fs为采样频率；将所述的向量H确定为所需的变频算子频域信息，并将其作为IFFT输入的频域信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法，其特征在于，步骤(C)具体为：

利用IFFT多普勒调制模块，根据多个假目标的频域信息H获得变频算子时域信号h，h＝IFFT(H)。

5.根据权利要求1所述的一种基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟方法，其特征在于，步骤(D)具体为：

根据下式，利用所述的IFFT多普勒调制模块将所述的变频算子时域信号h与输入信号混频：

dop＝ddc×h

其中，dop表示多普勒调制输出，ddc为所述输入信号的下变频输出，×表示向量的点对点乘法。

6.一种基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟装置，其特征在于，所述装置包括：

数字下变频模块，用以产生输入信号；

信号延时模块，用以对所述输入信号的不同批次信号分时进行不同的距离模拟延迟处理；

IFFT多普勒调制模块，用以根据当前批次所需的假目标多普勒速度确定所需的变频算子频域信息；直接将变频算子合并，输出变频算子时域信号；还用以将所述的变频算子时域信号与所述的输入信号混频，同批次所有假目标的多普勒调制同时计算，同批次所有假目标有相同的距离，不同批次之间的假目标有不相同的距离；

数字上变频模块，用以产生输出信号。

7.根据权利要求6所述的基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟装置，其特征在于，所述的对输入信号的不同批次信号分时进行不同的距离模拟延迟处理，具体为：

所述的输入信号分为不同批次，对于当前批次信号分时依据需模拟的距离进行延迟输出处理，其中所述的需模拟的距离r，根据信号从发射起到接收位置的延迟为电磁波往返于雷达和目标的时间t确定

其中r为需模拟的距离，c为光速。

8.根据权利要求6所述的一种基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟装置，其特征在于，所述的根据当前批次所需的假目标多普勒速度确定所需的变频算子频域信息，具体为：

根据当前批次需要的假目标的多普勒频率，在数字域0-2π内依照点数N确定变频算子频域为向量H，则向量H中每个元素代表在0-2π内依照N点均分的各个频点的频域响应，则频率分辨率为

式中fs为采样频率；将所述的向量H确定为所需的变频算子频域信息，并将其作为IFFT输入的频域信息。

9.根据权利要求6所述的一种基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟装置，其特征在于，所述的输出变频算子时域信号，具体为：

利用IFFT多普勒调制模块，根据多个假目标的频域信息H获得变频算子时域信号h，h＝IFFT(H)。

10.根据权利要求6所述的一种基于IFFT的脉冲多普勒雷达多批次假目标模拟装置，其特征在于，所述的将所述的变频算子时域信号与所述的输入信号混频，具体为：

根据下式，利用所述的IFFT多普勒调制模块将所述的变频算子时域信号h与输入信号混频：

dop＝ddc×h

其中，dop表示多普勒调制输出，ddc为所述输入信号的下变频输出，×表示向量的点对点乘法。

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