CN113109772A - 一种超宽带高动态目标信号模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超宽带高动态目标信号模拟方法，包括步骤一、根据目标运动模型，实时计算目标与观测站之间的距离时延，获得距离时延参数；步骤二、利用获得的距离时延参数，根据公式计算重采样时刻；步骤三、根据计算出的重采样时刻，找到目标发射信号相应数据样点；步骤四、利用插值器处理并产生目标模拟信号，将目标模拟信号输出；本发明基于目标与观测站之间相对运动造成的观测站接收信号在时间尺度上的伸缩特性，利用时域插值，对目标发射信号序列进行重采样，实现目标信号模拟，能精确模拟目标信号的多普勒频率及其变化、包络变化，并且保留了目标信号的初始相位特性。

Description

一种超宽带高动态目标信号模拟方法
技术领域
本发明涉及超宽带目标信号模拟技术领域，尤其涉及一种超宽带高动态目标信号模拟方法。
背景技术
由于相对运动，接收机接收信号在时延、频率、幅度上都可能受到调制，测控、通信、雷达等系统一般需要在这些调制信息存在的情况下进行工作，或者获取这些信息。一台具有高仿真度、高精度目标信号模拟的标校设备，能够提前验证测控、通信、雷达等系统的捕获、误码或目标检测与运动跟踪等性能指标，所以，在测控通信、卫星导航、深空探测、协同定位等很多应用场景中，目标信号模拟技术具有重要意义；
当前模拟器采用的模拟方法，在模拟超宽带信号时会有三个共同问题：无法准确地模拟多普勒频率连续变化的特点；忽略了收发相对运动导致的接收信号包络的变化，随着信号带宽增加，模拟结果逐渐难以有效地模拟真实接收信号；忽略了目标信号的初始相位，容易导致多个观测站接收信号间的相干特性遭到破坏。因此，本发明提出一种超宽带高动态目标信号模拟方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种超宽带高动态目标信号模拟方法，该超宽带高动态目标信号模拟方法，基于目标与观测站之间相对运动造成的观测站接收信号在时间尺度上的伸缩特性，利用时域插值，对目标发射信号序列进行重采样，实现目标信号模拟，能精确模拟目标信号的多普勒频率及其变化、包络变化，并且保留了目标信号的初始相位特性。
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种超宽带高动态目标信号模拟方法，包括以下步骤：
步骤一、建立目标运动模型，根据目标运动模型，实时计算目标发射源与观测站之间nTs时刻的距离时延(n＝1、2、3…，Ts为采样周期)，获得nTs时刻点的“距离时延”参数τ(n)；
Figure BDA0003010535610000021
Figure BDA0003010535610000022
其中，R(n)为nTs时刻目标与观测站之间的距离，R0为目标与观测站之间的初始距离，v(n)为nTs时刻目标发射源与观测站之间的相对运动速度，远离为正，靠近为负，τ(n)为nTs时刻目标发射源与观测站之间的距离时延，τ0为目标与观测站之间的初始距离时延，c为电波传播速度。
步骤二、利用获得的距离时延参数，根据以下公式计算重采样时刻n0、μ。
Figure BDA0003010535610000023
Figure BDA0003010535610000024
μ＝1-δ(n)
其中
Figure BDA0003010535610000025
符号为取整运算；
步骤三、根据步骤二计算出的重采样时刻和采用的插值器找到目标发射信号序列f(n)的相应数据样点，即n＝n0及其前后的数个数据样点；
步骤四、将目标发射信号相应的数据样点及重采样时刻μ送入插值器进行插值，获得接收机接收信号对应于重采样时刻的数据样点，作为目标模拟信号序列输出；
步骤五、通过算法验证方案进行仿真验证。
进一步改进在于：所述步骤一中令模拟器输入信号序列为f(n)，实时计算出y(n)，输出即可。
进一步改进在于：所述步骤四中的插值器为现有任意精度插值器种类中的任意一种。
进一步改进在于：所述步骤五中算法验证方案是将步骤一至步骤四模拟超宽带目标信号产生的距离参数和超宽带信号送入步骤一至步骤四的计算模块和现有模拟方法的频偏模型计算模块，生成两种目标模拟信号，假设目标为点目标，发射源与观测站之间做径向运动，对误差矢量幅度(EVM)和包络伸缩特性进行分析，并对时变多普勒特性进行模拟。
进一步改进在于：所述误差矢量幅度是信号源中常用的测试指标，反应测量信号和参考信号之间的误差，利用公式sr(nTs)＝s[nTs-τ(nTs)]产生理想无误差的超宽带基准信号s1(n)，步骤一至步骤四模拟算法产生的超宽带目标模拟信号记为s2(n)，多普勒频偏模型产生的超宽带目标模拟信号记为s3(n)，衡量模拟信号和参考信号之间的EVM计算公式为
Figure BDA0003010535610000041
即误差矢量的均方根值(RSM)和参考矢量的均方根值之间的比值，以百分比的形式表示EVM值越小则表示模拟效果约好。
进一步改进在于：所述包络伸缩特性指接收信号在产生时延的同时包络会变化，发射源与观测站之间朝远离方向运动时，包络会展宽；而发射源与观测站之间朝靠近方向运动时，包络会被压缩；发射源与观测站之间距离不变时，包络宽度不会变化。
本发明的有益效果为：本发明基于目标与观测站之间相对运动造成的观测站接收信号在时间尺度上的伸缩特性，利用时域插值，对目标发射信号序列进行重采样，实现目标信号模拟，能精确模拟目标信号的多普勒频率及其变化、包络变化，并且保留了目标信号的初始相位特性。
附图说明
图1为本发明重采样信号模拟系统框图。
图2为本发明目标发射序列与模拟器输出序列之间的关系图。
图3为本发明算法验证方案框图。
图4为本发明实施例与现有的多普勒频偏模型模拟方法的模拟性能对比图。
图5为本发明实施例两种目标模拟信号的瞬时频率对比(距离远离)图。
图6为本发明实施例两种目标模拟信号的瞬时频率对比(距离靠近)图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
根据图1-6所示，本实施例提供了一种超宽带高动态目标信号模拟方法，包括以下步骤：
步骤一、建立目标运动模型，根据目标运动模型，实时计算目标发射源与观测站之间nTs时刻的距离时延(n＝1、2、3…，Ts为采样周期)，获得nTs时刻点的“距离时延”参数τ(n)；
Figure BDA0003010535610000051
Figure BDA0003010535610000052
其中，R(n)为nTs时刻目标与观测站之间的距离，v(n)为nTs时刻目标发射源与观测站之间的相对运动速度，远离为正，靠近为负，τ(n)为nTs时刻目标发射源与观测站之间的距离时延，c为电波传播速度。
步骤二、利用获得的距离时延参数，根据以下公式计算重采样时刻n0、μ
Figure BDA0003010535610000053
Figure BDA0003010535610000054
μ＝1-δ(n)
其中
Figure BDA0003010535610000061
符号为取整运算；
步骤三、根据步骤二计算出的重采样时刻和采用的插值器找到目标发射信号序列f(n)的相应数据样点，即n＝n0及其前后的数个数据样点；
步骤四、将目标发射信号相应的数据样点及重采样时刻μ送入插值器进行插值，获得接收机接收信号对应于重采样时刻的数据样点，作为目标模拟信号序列输出；
步骤五、通过算法验证方案进行仿真验证。
所述步骤一中令模拟器输入信号序列为f(n)，实时计算出y(n)，输出即可。
所述步骤四中的插值器为现有任意精度插值器种类中的任意一种，若插值器用Farrow结构插值器，处理方法为
fI,0＝f(n-n0)、fI,-1＝f(n-n0-1)、fI,1＝f(n-n0+1)、fI,1＝f(n-n0+2)
Figure BDA0003010535610000062
所述步骤五中算法验证方案是将本发明方法模拟超宽带目标信号产生的距离参数和超宽带信号送入本发明方法计算模块和代表现有模拟方法的频偏模型计算模块，生成两种目标模拟信号，假设目标为点目标，发射源与观测站之间做径向运动，从误差矢量幅度(EVM)、包络伸缩特性进行分析、时变多普勒特性这几个方面对两种模拟方法的模拟性能进行对比分析。
目标发射信号为OFDM超宽带信号s(t)。目标运动模型先采用匀速模型，假设发射源以8.8km/s的径向速度朝远离观测站的方向运动。采用两种方法产生目标模拟信号：该发明中的插值器采用所示的Farrow结构插值器实现。多普勒频偏模型在发射信号延时的基础上附加一个与径向速度对应的-105.6kHz的多普勒频率。
利用公式sr(nTs)＝s[nTs-τ(nTs)]产生理想无误差的超宽带基准信号s1(n)，重采样算法产生的超宽带目标模拟信号记为s2(n)，多普勒频偏模型产生的超宽带目标模拟信号记为s3(n)。
(1)误差矢量幅度(EVM)对比分析
所述误差矢量幅度是信号源中常用的测试指标，反应测量信号和参考信号之间的误差，衡量模拟信号和参考信号之间的EVM计算公式为
Figure BDA0003010535610000071
即误差矢量的均方根值(RMS)和参考矢量的均方根值之间的比值，以百分比的形式表示EVM值越小则表示模拟效果约好。
计算可得EVM2＝0.22％，EVM3＝129.36％。可见，对于OFDM这种超宽带信号，不同子载波频率成分在接收信号中引起的多普勒频率差异较大，简单附加单一多普勒频率的模拟方法会产生非常大的误差，无法准确模拟目标信号包络的时间比例变化，已经完全丧失了模拟效果。而该发明方法却能很好地模拟。针对具体设计采用更优的插值器结构，比如可变系数Farrow结构滤波器，理论上还能实现更好的模拟效果。
(2)包络伸缩特性模拟对比分析
所述包络伸缩特性指接收信号在产生时延的同时包络会可能变化：发射源与观测站之间朝远离方向运动时，包络会展宽；发射源与观测站之间朝靠近方向运动时包络则会被压缩；发射源与观测站之间距离不变时，包络宽度不会变化。
在上述情况下，目标远离观测站。接收信号在产生时延的同时包络会被展宽。以一个OFDM符号中的同相支路为例，忽略初始时延的影响，基准信号和两种方法产生的模拟信号的时域对比如说明书附图4所示。一个OFDM符号包含16384个采样数据，在特定初始距离和运动速度条件下，该发明方法产生的目标模拟信号包含了包络上的变化，一个符号内的采样数据扩展为16387个，与基准信号相同。而多普勒频偏模型只是简单的延时并附加多普勒频偏，显然无法模拟这种超宽带目标信号特点，单个OFDM符号内仍只有16384个数据。发射源与观测站之间朝靠近方向运动时包络会被“压缩”，情况同理。
(3)时变多普勒特性模拟对比分析
假设目标与观测站间的相对速度变化随时间变化，接收信号的频率也会随时间变化。采用Wigner-Ville分布(WVD)来分析两种模拟结果的频率特性。设目标相对观测站的运动速度为匀加速运动，频偏模型计算模块中多普勒频率的更新频度为100个采样点更新一次。
计算两种方法生成的目标模拟信号的WVD分布。发射源和观测站之间距离不断远离时，速度变化引起的多普勒频率从0变为-0.08，结果如说明书附图5所示；距离不断靠近时，速度变化引起的多普勒频率从0变为0.08，结果如说明书附图6所示。可以看出，多普勒频偏模型的时频分布聚集性较差；该发明方法产生的模拟信号更准确地模拟了匀加速模型中速度变化与多普勒频率之间的线性关系，模拟目标信号中的时变多普勒特性时效果更优，可见，该发明方法对时变多普勒模拟的效果优于现有方法。
该超宽带高动态目标信号模拟方法基于目标与观测站之间相对运动造成的观测站接收信号在时间尺度上的伸缩特性，利用时域插值，对目标发射信号序列进行重采样，实现目标信号模拟，能精确模拟目标信号的多普勒频率及其变化、包络变化，并且保留了目标信号的初始相位特性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种超宽带高动态目标信号模拟方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、建立目标运动模型，根据目标运动模型，实时计算目标发射源与观测站之间nTs时刻的距离时延(n＝1、2、3…，Ts为采样周期)，获得nTs时刻点的“距离时延”参数τ(n)；
Figure FDA0003010535600000011
Figure FDA0003010535600000012
其中，R(n)为nTs时刻目标与观测站之间的距离，R0为目标与观测站之间的初始距离，v(n)为nTs时刻目标发射源与观测站之间的相对运动速度，远离为正，靠近为负，τ(n)为nTs时刻目标发射源与观测站之间的距离时延，τ0为目标与观测站之间的初始距离时延，c为电波传播速度；
步骤二、利用获得的距离时延参数，根据以下公式计算重采样时刻n0、μ。
Figure FDA0003010535600000013
Figure FDA0003010535600000014
μ＝1-δ(n)
其中
Figure FDA0003010535600000015
符号为取整运算；
步骤三、根据步骤二计算出的重采样时刻和采用的插值器找到目标发射信号序列f(n)的相应数据样点，即n＝n0及其前后的数个数据样点；
步骤四、将目标发射信号相应的数据样点及重采样时刻μ送入插值器进行插值，获得接收机接收信号对应于重采样时刻的数据样点，作为目标模拟信号序列输出；
步骤五、通过算法验证方案进行仿真验证。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带高动态目标信号模拟方法，其特征在于：所述步骤一中令模拟器输入信号序列为f(n)，实时计算出y(n)，输出即可。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带高动态目标信号模拟方法，其特征在于：所述步骤四中的插值器为现有可以任意精度插值的插值器种类中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带高动态目标信号模拟方法，其特征在于：所述步骤五中算法验证方案是将步骤一至步骤四模拟超宽带目标信号产生的距离参数和超宽带信号送入步骤一至步骤四的计算模块和现有模拟方法的频偏模型计算模块，生成两种目标模拟信号，假设目标为点目标，发射源与观测站之间做径向运动，对误差矢量幅度(EVM)和包络伸缩特性进行分析，并对时变多普勒特性进行模拟。
5.根据权利要求4所述的一种超宽带高动态目标信号模拟方法，其特征在于：所述误差矢量幅度是信号源中常用的测试指标，反应测量信号和参考信号之间的误差，利用公式sr(nTs)＝s[nTs-τ(nTs)]产生理想无误差的超宽带基准信号s1(n)，步骤一至步骤四模拟算法产生的超宽带目标模拟信号记为s2(n)，已有的多普勒频偏模型产生的超宽带目标模拟信号记为s3(n)，衡量模拟信号和参考信号之间的EVM计算公式为
Figure FDA0003010535600000031
即误差矢量的均方根值(RMS)和参考矢量的均方根值之间的比值，以百分比的形式表示，EVM值越小则表示模拟效果约好。
6.根据权利要求4所述的一种超宽带高动态目标信号模拟方法，其特征在于：所述包络伸缩特性指接收信号在产生时延的同时包络会变化，发射源与观测站之间朝远离方向运动时，包络会展宽；而发射源与观测站之间朝靠近方向运动时，包络会被压缩；发射源与观测站之间距离不变时，包络宽度不会变化。
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