CN112415479B - 基于频率分集技术的连续波导航雷达频谱配对方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率分集技术的连续波导航雷达频谱配对方法，包括：交替产生两个调制信号；对两个调制信号进行上变频放大，利用频率分集技术在一个重复周期内以两个载频分时发射两个连续波调制波形；分别接收两波束回波信号，两波束回波信号分别进入独立的两个接收通道进行混频、放大，并下变频到相同的中频，分别得到上扫频差拍信号和下扫频差拍信号；对两通道信号进行时序校准；利用三角波频谱配对方法消除误差；利用去同一目标积累间隔对目标积累，实现两波束对目标的去相关。本发明仍采用了常规调频连续波体制，不增硬件设计和处理算法难度，具有工程实现容易、结构简单，成本低等优点。

Description

基于频率分集技术的连续波导航雷达频谱配对方法

技术领域

本发明属于调频连续波雷达信号波形设计领域，具体为一种基于频率分集技术的连续波导航雷达频谱配对方法。

背景技术

调频连续波雷达是一种历史悠久，简单实用的雷达工作体制。雷达发射信号的时宽通常远远大于最大作用距离所对应的目标回波时延，由目标回波与发射信号之间的相位差和频率差来检测目标的径向距离、速度等信息，具有无盲区、分辨力高、高灵敏度、低功耗等优点。

依据调频方式不同，调频连续波可分为锯齿波和三角波。锯齿波在速度和距离上存在模糊，三角波利用差拍傅立叶方式在一个周期内就可无模糊确定目标距离和速度，处理简单，易于实现，它利用发射信号的线性调频和从目标反射回来的接收信号频率的变化相关和频谱配对来进行动目标的测量，是最易于实现的测距测速连续波雷达。

连续波导航雷达的高分辨特性对小目标探测具有较强的优势、但是小目标的周围经常存在着各种背景杂波,如缓慢运动的云雨、海杂波等。小目标的雷达散射截面积(RCS)非常小，其回波强度受周围海浪杂波的影响，雷达分辨单元内，小目标回波强度与海杂波回波强度相比并不占优势，直接进行小目标检测非常困难。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于频率分集技术的连续波导航雷达频谱配对方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于频率分集技术的连续波导航雷达频谱配对方法，包括：

10)波形调制：交替产生两个调制信号，两个调制信号分别采用上调频和下调频设计且调频周期和斜率相同，形成仿三角波波形；

20)两波束发射：对两个调制信号进行上变频放大，利用频率分集技术在一个重复周期内以两个载频分时发射两个连续波调制波形；

30)两波束接收：分别接收两波束回波信号，两波束回波信号分别进入独立的两个接收通道进行混频、放大，并下变频到相同的中频，分别得到上扫频差拍信号和下扫频差拍信号；

40)两通道时序校准：对两通道信号进行时序校准，使两通道差拍信号对同一目标在时间上匹配；

50)频谱配对去耦合：利用三角波频谱配对方法消除误差；

60)两波束扫描间积累：利用去同一目标积累间隔对目标积累，实现两波束对目标的去相关。

优选地，交替产生两个调制信号，形成仿三角波波形

11)第一组波形从第一频率f₁向上调频，调频时宽为T，重复周期为T_r，空隙T_r-T停止发射，一个周期T_r后第一组波形暂停发射；

12)第二组波形从第二频率f₂向下调频，调频时宽为T，重复周期为T_r，空隙T_r-T停止发射，一个周期T_r返回步骤11)产生第一组发射波形。

优选地，步骤20)分时交替从两个固定差角的天线波束对外辐射两个连续波调制波形，两个连续波调制波形的两个波束指向方位相差固定角度。

优选地，对两通道信号进行时序校准的具体方法为对通道1差拍信号延迟时间t，使两通道差拍信号对同一目标在时间上匹配，时间t＝t₁+t₂，式中，t₁为同一目标两回波波束的时间差，t₂为两通道系统时间误差。

优选地，频谱配对去耦合的具体方法为

51)分别对两通道输出的上扫频差拍信号和下扫频差拍信号做FFT傅里叶变换得到差拍信号的频谱；

52)对同一运动目标，上扫频差拍信号频谱峰值处频率为f⁺＝Δf+f_d，则对应的下一调频周期下扫频差拍信号频谱峰值处频率为f^-＝Δf-f_d，对两个频谱进行配对，则运动目标真正的差频频率为

式中，f_d为普勒频率，Δf为下扫频的差频频率。

优选地，利用去同一目标积累间隔对目标积累，实现两波束对目标的去相关的具体方法为：

61)设计t₁≥0.03s，则φ≥0.18N；

62)设计连续波雷达带宽为B，目标运动速度为v，光速为c，则最小距离单元

目标在最小距离单元内积累的时间/>

满足Δt≥t₁；

63)在同一距离单元对两路回波进行积累。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明利用频率分集技术，在不增加波形复杂度的基础上，交替发射两个具有固定角度差的调频波束，从而巧妙结合频谱配对去距离-速度耦合和扫描间积累提高信杂比两种处理算法，同时改善连续波雷达对目标的测距、测速误差和对目标探测的灵敏度；

本发明仍采用了常规调频连续波体制，不增硬件设计和处理算法难度，具有工程实现容易、结构简单，成本低等优点。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1为本发明连续波雷达两波束波形调制图。

图2为本发明连续波雷达两波束波束指向图。

图3为本发明静止和运动目标上下扫频差拍信号示意图。

图4为本发明周期内两波束扫描间积累原理图。

图5为本发明的流程图。

具体实施方式

如图5所示，一种基于频率分集技术的连续波导航雷达频谱配对方法，包括如下步骤：

10)波形调制：交替产生两个调制信号，分别采用上调频和下调频设计，调频周期和斜率相同，形成仿三角波波形，在回波频谱配对处理后用于去距离速度耦合；

如图1所示，所述雷达波形调制10)的具体步骤如下：

11)第一组波形从f₁向上调频，调频时宽为T，重复周期为T_r，空隙T_r-T停止发射，用于信号处理和数据处理，一个周期T_r后第一组波形暂停发射，

12)第二组波形从f₂向下调频，调频时宽为T，重复周期为T_r，空隙T_r-T停止发射，用于后端信号处理和数据处理，一个周期后又切回到第一组发射波形；

13)重复步骤11)、12)，实现两组波形时域上的交替发射。

20)两波束发射：如图2所示，对两个波形调制信号进行上变频放大，利用频率分集技术在一个重复周期内以两个载频f₁和f₂分时发射上变频放大后的两个连续波调制波形，分时交替从两个固定差角的天线波束对外辐射，两个波束指向方位上始终相差固定角度φ(φ的设计详见步骤60)，这样结合雷达伺服天线转动在一个扫描周期内实现了两个波束对同一目标的两次非相关扫描。

30)两波束接收：天线分别接收两波束回波信号，射频信号进入独立的两个接收通道进行混频、放大、并下变频到相同的中频，分别得到上扫频差拍信号和下扫频差拍信号；

如图3所示，利用频率分集技术在接收天线分时接收这两组波束的回波，射频信号进入独立的两个接收通道和本振信号混频、放大后，均下变频到同一个中频。其中波束1回波下变频后的中频为上扫频差拍信号，波束2回波下变频后的中频为下扫频差拍信号，两差拍信号交替出现。

40)两通道时序校准：由步骤20)可知，由于两发射波束角度相差φ，对同一目标两回波波束会存在一个固定的时间差t₁，雷达转速为N转/每分钟，

秒，两通道系统时间误差为t₂，则周期内对同一目标两通道时序差t＝t₁+t₂，为方便后续频谱配对需对两通道时序校准，具体方法为对通道1差拍信号延迟时间t，使两通道差拍信号对同一目标在时间上匹配，便于后端处理；

50)频谱配对去耦合：如图3所示，对静止目标，上下扫频的差频频率均为Δf，但是对运动目标，由于多普勒频率f_d的存在，上下扫频差拍信号出现偏移，导致测距产生误差，这就是连续波雷达体制中存在距离-速度耦合现象，为了解决这个问题，本发明采用10)中使用的仿三角波调制波形，从而可以利用三角波形常用的频谱配对方法消除此误差，具体步骤如下：

51)做完两通道时序校准后，分别对通道1和通道2输出的上扫频差拍信号和下扫频差拍信号做FFT傅里叶变换得到差拍信号的频谱；

52)对同一运动目标，上扫频差拍信号频谱峰值处频率为f⁺＝Δf+f_d，则对应的下一调频周期下扫频差拍信号频谱峰值处频率为f^-＝Δf-f_d，这两个频谱进行配对，则运动目标真正的差频频率为

可以消除多普勒引起的误差，去距离-速度耦合。

60)两波束扫描间积累：根据海杂波的起伏特性，海杂波回波在短期脉冲内有强的相关性，但在30ms时间后就可以去相关，利用这个特性只要积累间隔大于30ms，相邻海杂波回波将不再具有相关性，从而改善信杂比，而这个时间间隔刚好可以用两天线发射波束的差角来实现)。由，20)和40)可知本雷达设计方法，在周期内对同一目标进行两次扫描，由于两波束相差固定角度φ两波束扫描间积累，对同一目标积累间隔为

则可以利用此间隔实现两波束对目标的去相关，具体步骤如下：

61)为了满足两波束去杂波相关性，设计t₁≥0.03s，则φ≥0.18N(度)，根据此公式设计合适的频率分集两波束角度差φ，刚好完成了两波束对同一目标时间上的去相关；

62)设计连续波雷达带宽为B，目标运动速度为v，光速为c,则最小距离单元

目标在最小距离单元内积累的时间/>

Δt必须满足Δt≥t₁；

63)如图4所示，为两波束回波对同一目标的周期内扫描间积累原理图，在同一距离单元对两路回波进行积累，由于两波束间海杂波已经去相关，无法积累，只有目标幅度信息得到积累。可以看到随着目标运动速度增加，目标可能跨距离单元，积累效果下降，因此该本发明对低速小目标的积累效果最为明显，适合对低速小目标的探测。

利用频率分集技术，在不同波束指向上交替连续发射两组不同调频频点的天线波束，两波束采用仿三角波形设计，即可实现三角波频谱配对去距离速度耦合和两波束扫描间积累去杂波相关性的兼容设计。

本发明是一种利用频率分集技术以一定角度偏差同时发射两种不同载波频率连续波雷达波形，实现两波束的仿三角波形频谱配对设计，可以兼顾消除连续波距离速度耦合并完成两波束扫描间积累去杂波相关性，同时提高连续波导航雷达对低速小目标的信杂比和探测精度的改善。

Claims (6)

1.一种基于频率分集技术的连续波导航雷达频谱配对方法，其特征在于，包括：

10)波形调制：交替产生两个调制信号，两个调制信号分别采用上调频和下调频设计且调频周期和斜率相同，形成仿三角波波形；

20)两波束发射：对两个调制信号进行上变频放大，利用频率分集技术在一个重复周期内以两个载频分时发射两个连续波调制波形；

30)两波束接收：分别接收两波束回波信号，两波束回波信号分别进入独立的两个接收通道进行混频、放大，并下变频到相同的中频，分别得到上扫频差拍信号和下扫频差拍信号；

40)两通道时序校准：对两通道信号进行时序校准，使两通道差拍信号对同一目标在时间上匹配；

50)频谱配对去耦合：利用三角波频谱配对方法消除误差；

60)两波束扫描间积累：利用去同一目标积累间隔对目标积累，实现两波束对目标的去相关。

2.根据权利要求1所述的基于频率分集技术的连续波导航雷达频谱配对方法，其特征在于，交替产生两个调制信号，形成仿三角波波形

11)第一组波形从第一频率f₁向上调频，调频时宽为T，重复周期为T_r，空隙T_r-T停止发射，一个周期T_r后第一组波形暂停发射；

12)第二组波形从第二频率f₂向下调频，调频时宽为T，重复周期为T_r，空隙T_r-T停止发射，一个周期T_r返回步骤11)产生第一组发射波形。

3.根据权利要求1所述的基于频率分集技术的连续波导航雷达频谱配对方法，其特征在于，步骤20)分时交替从两个固定差角的天线波束对外辐射两个连续波调制波形，两个连续波调制波形的两个波束指向方位相差固定角度。

4.根据权利要求1所述的基于频率分集技术的连续波导航雷达频谱配对方法，其特征在于，对两通道信号进行时序校准的具体方法为对通道1差拍信号延迟时间t，使两通道差拍信号对同一目标在时间上匹配，时间t＝t₁+t₂，式中，t₁为同一目标两回波波束的时间差，t₂为两通道系统时间误差。

5.根据权利要求1所述的基于频率分集技术的连续波导航雷达频谱配对方法，其特征在于，频谱配对去耦合的具体方法为

51)分别对两通道输出的上扫频差拍信号和下扫频差拍信号做FFT傅里叶变换得到差拍信号的频谱；

52)对同一运动目标，上扫频差拍信号频谱峰值处频率为f⁺＝Δf+f_d，则对应的下一调频周期下扫频差拍信号频谱峰值处频率为f^-＝Δf-f_d，对两个频谱进行配对，则运动目标真正的差频频率为

式中，f_d为普勒频率，Δf为下扫频的差频频率。

6.根据权利要求1所述的基于频率分集技术的连续波导航雷达频谱配对方法，其特征在于，利用去同一目标积累间隔对目标积累，实现两波束对目标的去相关的具体方法为：

61)设计t₁≥0.03s，则φ≥0.18N，t₁为同一目标两回波波束的时间差，N为每分钟的雷达转数；

62)设计连续波雷达带宽为B，目标运动速度为v，光速为c，则最小距离单元

目标在最小距离单元内积累的时间/>

满足Δt≥t₁；

63)在同一距离单元对两路回波进行积累。

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