CN112130126B - 一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法，包括，利用每一个线程分别处理每一个脉组的数据，在所述脉组数据处理中的脉组内点迹凝聚完成后添加同步；所述同步完成后进行脉组间点迹凝聚；所述脉组间点迹凝聚结束后对多个通道的所述数据进行波束合并，完成并行信号处理。本发明通过对星载毫米波雷达回波信号的并行处理，可以提高信号处理的实时性，实现全天候实时定位目标并确定其速度，为对地表大面积监视、侦察和目标跟踪、定位提供了可能。

Description

一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法

技术领域

本发明涉及航天卫星有效载荷的技术领域，尤其涉及一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法。

背景技术

脉冲多普勒(PD)雷达是一种全相参体制的雷达,主要利用了多普勒效应原理。脉冲多普勒雷达的发射波形与运动目标的回波频率不一致，两者之间的差值被称为多普勒频率。脉冲多普勒雷达具有较高的距离分辨率和优良的速度分辨率，能有效的抑制很强的杂波干扰和非相干的噪声干扰，是集连续波体制雷达和脉冲体制雷达各自优点于一体的特殊体制的雷达。毫米波雷达具有体积小、重量轻、成本低、受天气和环境因素影响小、高分辨率等独特优点,故其适合作为卫星载荷。

星载雷达为地表大面积监视、侦察和目标跟踪、定位提供了可能，具有重要的军事应用价值。为了获得高的距离分辨率和作用距离，星载雷达面临着大带宽信号采集和实时处理问题。随着信号时宽带宽积的提高，对采样频率和信号处理速度提出了较高的要求，运算量及资源需求随之增加，传统的结构很难进行实时处理，实时性已经不能满足当下需求。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明提出了一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法，能够实现带宽信号的高精度、高速率采样以及对高速、大量数据的并行处理。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，

利用每一个线程分别处理每一个脉组的数据，在所述脉组数据处理中的脉组内点迹凝聚完成后添加同步；所述同步完成后进行脉组间点迹凝聚；所述脉组间点迹凝聚结束后对多个通道的所述数据进行波束合并，完成并行信号处理。

作为本发明所述的一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法的一种优选方案，其中：所述脉组数据处理包括，输入雷达回波信号，将所述回波数据输入到系统；对所述回波信号进行中频带通采样，并将采样后的信号频谱搬移至基带；所述基带信号利用匹配滤波器进行脉冲压缩、动目标处理、恒虚警处理和所述脉组内点迹凝聚处理。

作为本发明所述的一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法的一种优选方案，其中：所述频带通采样包括，采样频率如下式：

其中，f_L和f_H分别为中频信号的最低频率和最高频率，n取满足f_s≥2(f_H-f_L)的最大正整数(0,1,2,……)。

作为本发明所述的一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法的一种优选方案，其中：所述匹配滤波器包括，

时域传输函数h(t)如下式：

h(t)＝Ks(t₀-t)

频域传输函数H(w)如下式：

其中，s(t)和S(w)分别为回波信号的时域、频域表达式，K为幅度归一化常数，t₀为时延。

作为本发明所述的一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法的一种优选方案，其中：所述行动目标处理包括，对脉压后的信号进行脉冲对消，消除环境杂波干扰；所述信号利用多普勒滤波器组估计目标的径向速度。

作为本发明所述的一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法的一种优选方案，其中：所述恒虚警处理包括，利用所述回波信号的数据计算设定一个检测门限或阀值，且所述检测阀值不受检测环境中的各种环境噪声、杂波以及其它干扰的影响；若超过阈值判定，则为真实目标，否则是干扰信号。

作为本发明所述的一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法的一种优选方案，其中：所述点迹凝聚处理包括，分辨与归并距离和方位上的目标点迹，同时对虚拟点迹进行滤除；利用目标参数信息从上报点迹数据中分离出属于同一批目标的点迹数据；对同一批目标的点迹数据进行距离和多普勒维上的凝聚处理，得到目标唯一的距离估值和速度估值。

作为本发明所述的一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法的一种优选方案，其中：所述分辨与归并距离的目标点迹包括，判断目标原始点迹数据在距离单元上是否连续；判断距离单元相邻的原始点迹数据的幅度差值是否小于门限值；若峰值点与主瓣两侧邻近点的幅度比小于等于脉冲压缩主副瓣比，则判这些点迹数据属于同一个目标，然后分析数据的幅度参数制定过滤门限值；若峰值点与主瓣两侧邻近点的幅度比超过脉冲压缩主副瓣比，则先不做点迹数据处理，而需后续的判断；当目标相邻的峰值点出现在与主峰相邻的距离单元时，需要利用这批数据的航迹信息来判断是否为两批目标，当峰值点出现在与主峰相隔一个或一个以上距离单元时，则判为相邻小目标。

作为本发明所述的一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法的一种优选方案，其中：所述分辨与归并方位的目标点迹包括，按方位扇区管理在距离上已归并的点迹数据；若方位副瓣区的点迹幅度值小于等于方位副瓣的幅度门限时，判为同一批目标；若方位副瓣区的点迹幅度值大于方位副瓣的幅度门限时，如果在邻近方位上出现两个峰值点，则有可能是两批目标，根据相关航迹信息进行判断；假如点迹数据的参数中带有多普勒通道号，则通过此参数值区分两批目标；雷达目标点迹参数中含有点迹质量因子PQ值，则PQ值也可辅助分辨方位上相邻的目标。

作为本发明所述的一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法的一种优选方案，其中：所述同步包括，基于线程级并行处理转化为指令级并行处理。

本发明的有益效果：本发明提供的一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法，通过对星载毫米波雷达回波信号的并行处理，可以提高信号处理的实时性，实现全天候实时定位目标并确定其速度，为对地表大面积监视、侦察和目标跟踪、定位提供了可能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例所述的一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法的流程示意图；

图2为本发明第一个实施例所述的一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法的并行信号处理中一个线程的信号处理流程图；

图3为本发明第一个实施例所述的一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法的频域脉冲压缩的实现框图；

图4为本发明第一个实施例所述的一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法的动目标处理流程示意图；

图5为本发明第一个实施例所述的一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法的均值类恒虚警检测实现框图；

图6为本发明第一个实施例所述的一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法的脉组内点迹凝聚流程示意图；

图7为本发明第二个实施例所述的一种星载毫米波雷达的并行信号的采样方法的低通滤波法的实现框图；

图8为本发明第二个实施例所述的一种星载毫米波雷达的并行信号的采样方法的多相滤波法的实现框图；

图9为本发明第二个实施例所述的一种星载毫米波雷达的并行信号的采样方法的输入信号的波形图；

图10为本发明第二个实施例所述的一种星载毫米波雷达的并行信号的采样方法的多相滤波器的频域波形图；

图11为本发明第二个实施例所述的一种星载毫米波雷达的并行信号的采样方法的子滤波器的频域波形图；

图12为本发明第二个实施例所述的一种星载毫米波雷达的并行信号的采样方法的输出信号的时域和频域波形图；

图13为本发明第二个实施例所述的一种星载毫米波雷达的并行信号的采样方法的正交插值后信号的频谱图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～图6，为本发明的第一个实施例，本发明的第一个实施例提供了一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法，包括：

S1：利用每一个线程分别处理每一个脉组的数据，在所述脉组数据处理中的脉组内点迹凝聚完成后添加同步。

如图2所示，输入雷达回波信号，将所述回波数据输入到系统；

对所述回波信号进行中频带通采样，并将采样后的信号频谱搬移至基带；

所述基带信号利用匹配滤波器进行脉冲压缩、动目标处理、恒虚警处理和所述脉组内点迹凝聚处理。

需要说明的是，将信号通过匹配滤波器，相当于对信号进行脉冲压缩，提高雷达的距离分辨力，便于后续检测；

采样频率如下式：

其中，f_L和f_H分别为中频信号的最低频率和最高频率，n取满足f_s≥2(f_H-f_L)的最大正整数(0,1,2,……)。中频带通采样可以将接收到的回波信号直接在中频采样并数字下变频到零中频，产生I/Q两路正交的数字信号，即回波信号的复包络，以便于在零中频进行各种所需的处理。

时域传输函数h(t)如下式：

h(t)＝Ks(t₀-t)

频域传输函数H(w)如下式：

其中，s(t)和S(w)分别为回波信号的时域、频域表达式，K为幅度归一化常数，t₀为时延。

具体的，如图4所示，动目标处理包括：

(1)对脉压后的信号进行脉冲对消，利用目标与固定杂波在多普勒频率上的差异，来抑制静止或低速的环境杂波信号可以采用脉冲对消器来实现，以消除环境杂波干扰；

(2)利用FIR滤波器检测目标的有无并估计目标的径向速度，可以通过FFT实现FIR滤波器的功能。

如图5所示，恒虚警处理包括：

(1)利用所述回波信号的数据计算设定一个检测门限或阀值，且所述检测阀值不受检测环境中的各种环境噪声、杂波以及其它干扰的影响；

(2)若超过阈值判定，则为真实目标，否则是干扰信号；

恒虚警处理是为了滤除由于干扰而产生的虚假目标，留下真实目标

S2：所述同步完成后进行脉组间点迹凝聚。

分辨与归并距离和方位上的目标点迹，同时对虚拟点迹进行滤除；

利用目标参数信息从上报点迹数据中分离出属于同一批目标的点迹数据；

对同一批目标的点迹数据进行距离和多普勒维上的凝聚处理，得到目标唯一的距离估值和速度估值。

需要说明的是，分辨与归并距离上的目标点迹的步骤为：

(1)判断目标原始点迹数据在距离单元上是否连续；

(2)判断距离单元相邻的原始点迹数据的幅度差值是否小于门限值；

(3)若峰值点与主瓣两侧邻近点的幅度比小于等于脉冲压缩主副瓣比，则判这些点迹数据属于同一个目标，然后分析数据的幅度参数制定过滤门限值；

(4)若峰值点与主瓣两侧邻近点的幅度比超过脉冲压缩主副瓣比，则先不做点迹数据处理，而需后续的判断；

(5)当目标相邻的峰值点出现在与主峰相邻的距离单元时，需要利用这批数据的航迹信息来判断是否为两批目标，当峰值点出现在与主峰相隔一个或一个以上距离单元时，则判为相邻小目标。

具体的，脉冲压缩可以采用时域脉冲压缩或者频域脉冲压缩。时域脉冲压缩即为回波信号通过匹配滤波器，相当于时域卷积处理。但时域卷积处理运算量较大，处理速度较慢。时域卷积相当于频域乘积，因此可以对信号进行傅里叶变换，在频域进行处理，即把回波信号与匹配信号在频域做点乘，然后将点乘结果进行傅里叶反变换运算，这种处理方式即为频域脉冲压缩。

频域脉冲压缩实际上就是对信号先进行一次傅里叶变换，然后进行复乘，再进行傅里叶反变换，如图3所示。

分辨与方位距离上的目标点迹的步骤为：

(1)按方位扇区管理在距离上已归并的点迹数据；

(2)若方位副瓣区的点迹幅度值小于等于方位副瓣的幅度门限时，判为同一批目标；

(3)若方位副瓣区的点迹幅度值大于方位副瓣的幅度门限时，如果在邻近方位上出现两个峰值点，则有可能是两批目标，根据相关航迹信息进行判断；

(4)假如点迹数据的参数中带有多普勒通道号，则通过此参数值区分两批目标；

(5)雷达目标点迹参数中含有点迹质量因子PQ值，则PQ值也可辅助分辨方位上相邻的目标。

点迹凝聚是为了进一步过滤虚假目标，对真实目标进行分辨与归并，形成唯一的目标，并输出其距离、速度等信息。

S3：所述脉组间点迹凝聚结束后对多个通道的所述数据进行波束合并，完成并行信号处理。

波束合并完进行判断，把多个通道检测到的目标凝聚，即将相同的目标归并到一起，不同的目标加以区分，完成该判断后结束处理。

优选的是，本发明通过对星载毫米波雷达和并行信号处理方法的组合与优化，星载毫米波雷达的回波数据可以由多个线程同时进行处理，实现了对大量数据的并行处理，同时滤除杂波干扰，检测出真实目标的距离和速度。

实施例2

参照图7～图13，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种星载毫米波雷达的并行信号的采样方法，包括：

1.当采样频率为中低频的时候，采用低通滤波法。图7为中低通滤波法的实现框图，其中，

(1)根据带通信号采样定理选取f₀＝B/2，f_s＝2B；

(2)经A/D变换后将信号分别乘以cosw₀t₀和-sinw₀t₀，相乘以后相当于频谱中心左移，即将正频谱的中心移到了零频，时域信号也相应分成了实部和虚部；

(3)通过低通滤波器，频域上滤除等价于高频的镜频分量，而在时域上是将分离出的实虚部通过滤波插值得到I、Q两路同一时刻的采样值。滤波后数据率仍为2B，进行1/2抽取是为了降低数据率，在频域上等效为降低频谱间的间隔，提高频带的利用率，最后得到的就是所需信号的复包络。

2.当采样频率很高时，采用多相滤波法。

图8为多相滤波法的实现框图，基于多相滤波的数字正交变换不仅不需要正交本振，而且后续的数字低通滤波器阶数也会降低，实现起来较为简单。

首先生成一个信号x和一个FIR低通滤波器，对滤波器进行多相滤波的MATLAB仿真。具体参数：

x＝sin(pi*n/3)

n＝1000行

抽取因子为4的多相滤波，滤波器的长度为1000。每一组250点。各个信号进行卷积，仿真结果如图9、图10、图11和图12所示。

由图可知，采用多相滤波法时避免了信号出现混叠失真的现象。

假设在某正交采样系统中，设输入信号的带宽B＝5MHz，中频f₀＝B，采样频率为f_S＝4B，输人信号为两个线性调频信号,时宽均为50μs，带宽均为1.0MHz。

原型滤波器的阶数N＝64，D＝4，则多相分支滤波器的阶数为16阶，给定的线性调频信号的频谱如图13所示，信号分别经过基于低通滤波法和多相滤波法的正交采样后的频谱如图13所示。

从图13比较可以看出，通过低通滤波器，再对信号抽取后输出频谱和通过多相滤波器和抽取网络后的输出频谱是完全一样的，说明多相滤波器可以代替数字滤波器对信号进行处理。

优选的是，对于不同的频率采用不同的方法使采样变得更加高效，运用多相滤波器可以实现射频滤波器难以实现的近载波区滤波功能，实验中的多相滤波是用高性能运算放大器和高精度器件构成的，测试结果验证了多相滤波器在低中频接收机中的实用性。且多相分解的过程将原来的96阶低通滤波器分成16个6阶低通FIR低通数字滤波器，在对信号低通滤波过程中处理过程中的运算量要低得多，信号处理的实时性有了很大的提升。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种星载毫米波雷达的并行信号处理方法，其特征在于：包括，

利用每一个线程分别处理每一个脉组的数据，在脉组数据处理中的脉组内点迹凝聚完成后添加同步；

所述同步完成后进行脉组间点迹凝聚；

所述脉组间点迹凝聚结束后对多个通道的所述数据进行波束合并，完成并行信号处理；

所述脉组数据处理包括，

输入雷达回波信号，将所述回波信号输入到系统；

对所述回波信号进行中频带通采样，并将采样后的信号频谱搬移至基带；

所述基带利用匹配滤波器进行脉冲压缩、动目标处理、恒虚警处理和所述脉组内点迹凝聚；

其中，当中频带通采样采样频率为中低频的时候，采用低通滤波法；当采样频率很高时，采用多相滤波法。

2.如权利要求1所述的星载毫米波雷达的并行信号处理方法，其特征在于：所述频带通采样包括，

采样频率如下式：

其中，f_L和f_H分别为中频信号的最低频率和最高频率，n取满足f_s≥2(f_H-f_L)的最大正整数(0，1，2，……)。

3.如权利要求2所述的星载毫米波雷达的并行信号处理方法，其特征在于：所述匹配滤波器包括，

时域传输函数h(t)如下式：

h(t)＝Ks(t₀-t)

频域传输函数H(w)如下式：

其中，s(t)和S(w)分别为回波信号的时域、频域表达式，K为幅度归一化常数，t₀为时延。

4.如权利要求3所述的星载毫米波雷达的并行信号处理方法，其特征在于：所述动目标处理包括，

对脉压后的信号进行脉冲对消，消除环境杂波干扰；

所述信号利用多普勒滤波器组估计目标的径向速度。

5.如权利要求4所述的星载毫米波雷达的并行信号处理方法，其特征在于：所述恒虚警处理包括，

利用所述回波信号的数据计算设定一个检测门限或阈值，且所述阈值不受检测环境中的各种环境噪声、杂波以及其它干扰的影响；

若超过阈值判定，则为真实目标，否则是干扰信号。

6.如权利要求5所述的星载毫米波雷达的并行信号处理方法，其特征在于：所述点迹凝聚处理包括，

分辨与归并距离和方位上的目标点迹，同时对虚拟点迹进行滤除；

利用目标参数信息从上报点迹数据中分离出属于同一批目标的点迹数据；

对同一批目标的点迹数据进行距离和多普勒维上的凝聚处理，得到目标唯一的距离估值和速度估值。

7.如权利要求6所述的星载毫米波雷达的并行信号处理方法，其特征在于：所述分辨与归并距离的目标点迹包括，

判断目标原始点迹数据在距离单元上是否连续；

判断距离单元相邻的原始点迹数据的幅度差值是否小于门限值；

若峰值点与主瓣两侧邻近点的幅度比小于等于脉冲压缩主副瓣比，则判这些点迹数据属于同一个目标，然后分析数据的幅度参数制定过滤门限值；

若峰值点与主瓣两侧邻近点的幅度比超过脉冲压缩主副瓣比，则先不做点迹数据处理，而需后续的判断；

当目标相邻的峰值点出现在与主峰相邻的距离单元时，需要利用这批数据的航迹信息来判断是否为两批目标，当峰值点出现在与主峰相隔一个或一个以上距离单元时，则判为相邻小目标。

8.如权利要求7所述的星载毫米波雷达的并行信号处理方法，其特征在于：所述分辨与归并方位的目标点迹包括，

按方位扇区管理在距离上已归并的点迹数据；

若方位副瓣区的点迹幅度值小于等于方位副瓣的幅度门限时，判为同一批目标；

若方位副瓣区的点迹幅度值大于方位副瓣的幅度门限时，如果在邻近方位上出现两个峰值点，则有可能是两批目标，根据相关航迹信息进行判断；

假如点迹数据的参数中带有多普勒通道号，则通过此参数值区分两批目标；

雷达目标点迹参数中含有点迹质量因子PQ值，则PQ值也可辅助分辨方位上相邻的目标。

9.如权利要求8所述的星载毫米波雷达的并行信号处理方法，其特征在于：所述同步包括，

基于线程级并行处理转化为指令级并行处理。

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