CN113253279A - 一种正反线性调频信号测距测速方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种正反线性调频信号测距测速方法，主要包括以下步骤：步骤1）目标向着声纳方向运动；步骤2）首先发射一个频率随时间递增的线性调频信号，然后再发射一个频率随时间递减的线性调频信号；步骤3）分别找出两个信号的匹配滤波极大值出现的时间；步骤4）利用正反调频信号延时的关系，计算目标与声纳系统之间的距离和目标速度。本方法能利用正反调频的时延差相反特点，实现准确测速，也消除了单向调制的线性调频信号测距时存在的测距误差，能较好地估算运动目标的距离、速度，对工程使用具有参考价值。

Description

一种正反线性调频信号测距测速方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种正反线性调频信号测距测速方法。

背景技术

在脉冲压缩出现之前，探测距离和分辨力在波形设计中是一对不可调和的矛盾，二 者只能折中选择，脉冲压缩的出现很好地解决了这个问题，在大量的脉冲压缩信号中，线性 调频信号(Linear Frequency Modulation，LFM)信号以其独特的优点和良好的脉冲压缩性能 特别受信号设计者的欢迎。

LFM的优点包括：

1)LFM是有一定的多普勒的容忍度，有利于低速目标探测；

2)LFM是等幅信号，有利于提高峰值功率受限系统的发射效率；

3)通过增加LFM的带宽可以获得较高的距离分辨力；

4)此外LFM的产生和处理技术都比较成熟；

根据以上优点，LFM在雷达和声呐中得到了普遍的应用。但由于线性调频信号的模糊函数 是斜刀刃型，当目标速度过大时，容易造成多普勒失配。不但影响探测性能，而且会引起匹 配滤波时延，通常情况下目标的距离是根据检测器的输出端出现峰值的时间来确定，此时将 会降低测量精度，存在着测距误差。

发明内容

在信号处理中，单个LFM由于距离和速度存在着耦合，目标的运动导致单个LFM 无法精确测距和测速，存在着测距误差。针对上述现有单个LFM技术中的不足，本发明提 出了一种正反线性调频信号测距测速方法(a positive and negative Linear frequencymodulation method for Ranging and Speed measurement，LRS)。LRS能利用正反调频的时延差相反特 点，实现准确测速，也消除了单向调制的线性调频信号测距时存在的测距误差，能较好地估 算运动目标的距离、速度，对工程使用具有参考价值。

为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现。

一种正反线性调频信号测距测速方法，其包括如下步骤：

S1)目标向着声纳系统运动，其运动速度v为正；

S2)首先发射一个频率随时间递增的线性调频(Linear Frequency Modulation，LFM)LFM⁺信号，然后再发射一个频率随时间递减的线性调频信号LFM^-；

S3)分别找出LFM⁺信号和LFM^-信号的匹配滤波极大值出现的时间t₁和t₂；

S4)利用正反调频信号的延时关系，计算目标与声纳系统之间的距离R和目标速度v。

进一步，所述步骤S2)中的所述的LFM⁺信号也称为正调频信号，指的是f₁＞f₀的LFM信号，其中f₀与f₁分别代表LFM信号的起始频率与LFM信号的终止频率；所述的 LFM^-信号也称为反调频信号，指的是f₀＞f₁的LFM信号；LFM⁺信号和LFM^-信号所使用起 止频率相同、频谱相同，只是调制斜率不同。

进一步，所述步骤S4)中所述正反调频信号延时的关系指的是正调频信号的延时与反 调频信号的延时大小相同，方向相反，令t₀代表正调频信号的延时，则反调频信号的延时为 -t₀。

进一步，步骤S4)中所述的目标与声纳系统之间的距离

其中 c＝1500m/s代表声音在水中的速度，t₁和t₂是匹配滤波后的峰值。

进一步，所述步骤S4)中所述的目标速度

其中T代表LFM信号的脉冲宽度。

本发明的有益效果是：

1)本发明利用目标运动对正反调频信号产生的延时的关系，实现精确测距，消除了单个调 频的测距误差；

2)实现准确测速功能；

3)方法简单，对工程使用具有参考价值。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明。

图1为本发明实施例中LRS方法工作过程示意图；

图2为本发明实施例中本发明实施例中正反斜率调频信号的频谱示意图；

图3(a)为本发明实施例中基于仿真条件1的速度v＝10m/s下匹配滤波的输出；

图3(b)为本发明实施例中基于仿真条件1的速度v＝-10m/s下匹配滤波的输出；

图4(a)为本发明实施例中基于仿真条件2的速度v＝20m/s下匹配滤波的输出；

图4(b)为本发明实施例中基于仿真条件2的速度v＝5m/s下匹配滤波的输出。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。一种正反线性调频信号测 距测速方法，如图1所示，方法包括如下步骤：

S1)目标向着声纳系统运动，其运动速度v为正；

S2)首先发射一个频率随时间递增的线性调频LFM⁺信号，然后再发射一个频率随时间递减 的线性调频信号LFM^-。

LFM⁺信号也称为正调频信号，指的是f₁＞f₀的LFM信号，其中f₀与f₁分别代表 LFM信号的起始频率与LFM信号的终止频率；所述的LFM^-信号也称为反调频信号，指的 是f₀＞f₁的LFM信号；LFM⁺信号和LFM^-信号所使用起止频率相同、频谱相同，只是调制 斜率不同，如图2所示，上升的直线是LFM⁺信号所使用的频率，下降的直线是LFM^-信号 所使用的频率。起始频率f₀＝1500Hz,终止频率f₁＝1600Hz，那么在反调频LFM^-信号中，起 始频率f₀＝1600Hz，终止频率f₁＝1500Hz。

S3)分别找出LFM⁺信号和LFM^-信号的匹配滤波极大值出现的时间t₁和t₂。

S4)利用正反调频信号的延时关系，计算目标与声纳系统之间的距离R和目标速度v。

正反斜率回波信号经匹配滤波处理结果后，运动目标对于正反斜率的调频信号而言，时延t₀的偏移大小相同，方向刚好相反。令t₀代表正调频信号的延时，则反调频信号的延时为-t₀。

ξ,τ和χ(τ,ξ)分别代表两个目标之间的径向相对多普勒频率，两个目标之间的相对延 迟时间和单频信号的模糊函数。则单频信号的模糊函数χ(τ,ξ)可以表示为：

根据模糊函数的变换性质得LFM的模糊函数为：

其中

则

对于ξ-μτ＝0的截面，可以获得：

χ(τ,ξ)＝T-|τ| (4)

χ(τ,ξ)随着τ的增大而线性减少，此时运动目标造成的脉压延时τ为：

当声纳和目标存在相对运动时，接收信号会产生频移，LFM具有一定的多普勒宽容性，接 收信号的瞬时频率只是一个时延，因此用匹配滤波可以得到良好的峰值，只是峰值的位置有 一个时延，时延量为：

其中f_d可以近似为

λ为信号波长，λ可以表示为：

其中c＝1500m/s代表声音在水中的速度，于是：

其中T代表LFM信号的脉冲宽度。

因为t₁和t₂满足如下公式：

联立公式(9)与公式(10)，我们可以获得目标与声纳系统之间的距离R，R可以表示为：

目标与声纳系统之间的距离R也可以表示为：

其中t_a代表脉冲到达时间，脉冲到达时间就是峰值时间。

根据公式(11)与公式(12)，可以求得t_a值为：

根据公式(8)、公式(9)与公式(13)，可以求得v为：

令v_err代表LRS方法的测速误差，v_err可以表示为：

LRS是一种测距和测速方法，其原理是对组合的正、反线性调频信号进行匹配滤波后，运动 目标具有相反的延迟方向。因此，LRS方法也适用于雷达场景，此时只要修改c＝3*10⁸m/s 即可。

我们设置了两个仿真条件来对LRS方法进行性能评估。

仿真条件1：LFM信号脉宽T＝3s，采采用频率f_sa＝5000Hz，假设目标的运动速度 v＝10m/s，目标距声源的距离为R＝3.75km，回波信号中信噪比为-10dB，在调频LFM⁺信号中，起始频率f₀＝1500Hz，终止频率f₁＝1600Hz，在反调频LFM^-信号中，起始频率 f₀＝1600Hz，终止频率f₁＝1500Hz。

仿真条件2：LFM信号脉宽T＝3s，采用频率f_sa＝7000Hz，假设目标的运动速度 v＝20m/s，目标距声源的距离为R＝15km，回波信号中信噪比为-20dB，在调频LFM⁺信号 中，起始频率f₀＝3000Hz,终止频率f₁＝3100Hz，在反调频LFM^-信号中，起始频率 f₀＝3100Hz，终止频率f₁＝3000Hz。

图3(a)与图3(b)显示了基于仿真环境1的不同速度下的性能分析，表1中给出 了LRS方法与LFM⁺信号LFM^-信号数值结果。

以图3(a)为例，分析LRS方法在不同速度v下的性能。从图3(a)可以看出， LRS方法经过匹配滤波后，最大点分别出现在t₁＝4.403与t₂＝5.637。由公式(11)可知，R＝3.7650km。由公式(14)可知，v的值为9.9516m/s。LRS的测速误差为0.4840％，测距误差为0.4000％。LFM⁺与LFM^-的测距误差分别为11.9400％和12.7400％。由表1可以看出，与 LFM⁺和LFM^-相比，LRS的测距精度分别提高了96.64992％和96.86028％。

表1：仿真条件1下的数值结果。

图4(a)与图4(b)显示了基于仿真环境2的不同速度下的性能分析，表2中给出 了LRS方法与LFM⁺信号LFM^-信号数值结果。

以图4(a)为例，分析LRS方法在不同速度v下的性能。从图4(a)可以看出， LRS方法经过匹配滤波后，最大点分别出现在t₁＝17.52与t₂＝22.55。由公式(11)可知，R＝15.0262km。由公式(14)可知，v的值为20.6148m/s。LRS的测速误差为3.0740％，测距误差为0.1747％。LFM⁺与LFM^-的测距误差分别为12.4％和12.75％。由表2可以看出，与LFM⁺和LFM^-相比，LRS的测距精度分别提高了98.59113％和98.6298％。另一方面，从图4(a) 和图4(b)可以看出，目标的移动速度越小，测距误差和速度测量误差就越小。

表2：仿真条件2下的数值结果。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此限定本发明之权利范围，应 当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出 若干改进和变动，这些改进和变动也是为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种正反线性调频信号测距测速方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）假定目标向着声纳系统运动，其运动速度v为正；

2）首先发射一个频率随时间递增的线性调频（Linear Frequency Modulation，LFM）LFM⁺信号，然后再发射一个频率随时间递减的线性调频信号LFM^-；

3）分别找出LFM⁺信号和LFM^-信号的匹配滤波极大值出现的时间

和

；

4）利用正反调频信号的延时关系，计算目标与声纳系统之间的距离R和目标速度v。

2.如权利要求1所述的一种正反线性调频信号测距测速方法，其特征在于，所述步骤2)中的所述的LFM⁺信号也称为正调频信号，指的是

的LFM信号，其中

与

分别代表LFM信号的起始频率与LFM信号的终止频率；所述的LFM^-信号也称为反调频信号，指的是

的LFM信号；LFM⁺信号和LFM^-信号所使用起止频率相同、频谱相同，只是调制斜率不同。

3.如权利要求1所述的一种正反线性调频信号测距测速方法，其特征在于，所述步骤4)中所述正反调频信号延时的关系指的是正调频信号的延时与反调频信号的延时大小相同，方向相反，令

代表正调频信号的延时，则反调频信号的延时为

。

4.如权利要求1所述的一种正反线性调频信号测距测速方法，其特征在于，所述步骤4)中所述的目标与声纳系统之间的距离

，其中c=1500m/s代表声音在水中的速度。

5.如权利要求1所述的一种正反线性调频信号测距测速方法，其特征在于，所述步骤4)中所述的目标速度

，其中T代表LFM信号的脉冲宽度。

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