CN113567935A - 一种基于多子脉冲处理的高速目标探测方法 - Google Patents

一种基于多子脉冲处理的高速目标探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于多子脉冲处理的高速目标探测方法，应用于雷达探测技术领域，针对现有雷达的高速目标探测性能不高的问题；本发明首先利用两两相互正交的波形拼接成一个长脉冲信号，各个正交子波形间可具有不同的调制方式，从而实现波形的复杂调制；然后针对子脉冲拼接的特殊波形结构，提出了基于多子脉冲的回波处理方式，分别用构成发射波形的每一个子脉冲对回波进行脉冲压缩处理；最后在一个脉冲重复时间内完成相参处理，得到目标的位置和速度信息；本发明的方法适应于高速目标探测。

Description

一种基于多子脉冲处理的高速目标探测方法
技术领域
本发明属于雷达探测技术领域，特别涉及一种高速目标探测技术。
背景技术
近年来，随着现代航空技术和雷达领域的飞速发展，雷达探测范围包括了越来越多的高速目标甚至是超高速目标，高速机动目标能够以极快的速度突破以预警雷达为基础的现有空天防御体系，给国家空天安全和领土完整带来巨大挑战与威胁。千方百计提高雷达的高速目标探测性能已成为雷达设计者所面临的严峻任务。
在雷达波形设计方面，为了提高雷达在复杂电磁环境中的高速目标探测能力，目前已经设计了具有高多普勒容忍度的线性调频信号，但是线性调频信号易被截获；随之出现的相位编码信号，如文献[Levanon N.Multicarrier radar signal-pulse train andCW[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2002,38(2):707-720.]提出了采用互补集的相位编码序列来调制载频，同时也研究了多载频相位编码信号单脉冲以及脉冲串的各种特性如模糊函数等，虽然具有良好的低截获性能，但多普勒容忍度差，不适应于高速目标探测。
在回波信号处理方面，高速目标探测，回波信号能量低，单个回波脉冲很难辨识出目标信号信息，需要采用脉冲积累的方法，传统的相参积累处理高速目标回波时，积累时间长，容易出现相同频率距离走动的现象，使得检测信号的能量与相应积累的频率出现偏差。如文献[X.L.Li,L.J.Kong,G.L.Cui,et al.A low complexity coherent intergrationmethod for maneuvering target detection[J].Digital Signal Processing.2016,49:137-147]基于Keystone变换、折叠因子补偿和广义去调频算法(GDP)加速补偿的二阶加速运动目标检测。该算法能够对走动问题进行校正，但是其中采用的近似处理，会对积累性能造成一定影响。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于多子脉冲处理的高速目标探测方法，基于非平稳多子脉冲综合波形结构及相应的回波处理方式，最终得到目标的位置和速度信息。
本发明采用的技术方案为：一种基于多子脉冲处理的高速目标探测方法，包括：
S1、利用复合LFM信号，设计具有自/互相关特性的正交信号波形簇；
S2、在步骤S1产生的正交信号波形簇中抽取若干个正交子波形，将这若干个正交子波形拼接成一个长脉冲，构成非平稳多子脉冲综合波形；
S3、将步骤S2的非平稳多子脉冲综合波形作为雷达发射信号；
S4、对得到的接收回波信号进行多子脉冲回波处理。
步骤S1具体包括以下分步骤：
S11、在基准LFM信号上附加一个随时间变化的相位扰动项，通过多次附加不同相位扰动函数，产生一簇相位扰动的复合LFM信号波形簇；
S12、复合LFM信号包括以下约束条件：
条件1：归一化自相关峰值旁瓣电平APSL满足APSL≤γ，γ为预先设定的归一化门限值；
条件2：归一化APSL与归一化互相关峰值电平CPSL满足CPSL-APSL≤γ′，γ′为预先设定的阈值；
S13、根据步骤S2的约束条件，通过优化设计算法，设计相位扰动函数的参数，得到具有自/互相关特性的正交信号波形簇。
所述相位扰动函数的参数包括：子相位扰动函数个数N、幅参数amn、相参数θmn、频参数ωmn。
步骤S13具体为：首先选择基准LFM信号；然后固定子相位扰动函数个数N、频参数ωmn、随机产生幅参数amn与相参数θmn；最后通过相关仿真分析，若满足步骤S12的约束条件，则波形设计完成，否则调整N的取值与ωmn的频带范围，直到满足步骤S12的约束条件为止。
步骤S4具体为：
S41、分别用步骤S2中的若干个正交子波形对接收信号进行脉冲压缩处理，得到对应的若干个脉压处理结果；
S42、根据发射波形中子脉冲的位置信息，以第一个子脉冲脉压结果为基准，将其余脉压结果进行移位，使所有脉压结果的目标所在距离单元对齐；
S43、将步骤S42移位处理后的脉冲压缩结果进行补零，使每个脉压结果都恢复到步骤S41处理结果的长度；
S44：将步骤S43得到的脉冲压缩结果进行相参处理；
S45：根据步骤S44的相参处理结果，提取目标的位置和速度信息。
本发明的有益效果：本发明首先利用两两相互正交的子脉冲进行拼接，构成非平稳的多子脉冲综合波形，单个子脉冲只要满足正交，可为任意波形，且综合波形的调制方式可根据子脉冲的调制方式和组合方式改变，实现多种复合调制，具有良好的低截获性能；然后在接收端，分别利用单个子脉冲对回波信号进行脉冲压缩，实现在一个PRT内进行相参积累，获取目标位置和速度信息；仿真结果表明，本发明的波形结构和回波处理方法，适应于高速目标探测；
本发明通过提出了一种非平稳多子脉冲综合波形结构，并基于此种波形结构，提出了相应的回波处理方式，相比于传统的回波处理方法，不需要利用多个PRT的回波信号，在一个PRT内即可实现相参积累；该波形结构适用于高速目标探测，并具有低截获性能。
附图说明
图1为非平稳多子脉冲综合波形结构示意图。
图2为子脉冲回波处理流程图。
图3为本发明实施例正交信号波形簇设计流程图。
图4为本发明实施例非平稳多子脉冲综合波形的时域波形和频谱。
图5为本发明实施例高速目标探测结果图。
图6为本发明实施例子脉冲回波处理方式与传统回波处理方式回波处理结果对比图。
图7为本发明实施例波形与LFM信号的探测结果对比图。
图8为本发明实施例波形与LFM信号的低截获性能对比图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
本实施例以复合线性调频信号(Linear Frequency Modulization Waveform，LFM)为正交子脉冲，构成非平稳多子脉冲综合波形，包括以下步骤：
步骤1：利用复合LFM信号，设计具有良好自/互相关特性的正交信号波形簇：
步骤1-1：复合LFM信号模型：
在基准LFM信号上附加一个随时间变化的相位扰动项，多次附加不同相位扰动函数，产生一簇相位扰动的复合LFM信号波形簇，复合LFM信号表达式如下：
sm(t)＝am(t)exp(j2π(f0t+μt2/2)),0≤t≤T0,m＝1,…,M (1)
其中，t表示时间，T0为子信号持续时间，f0为信号载频，μ为LFM信号调制斜率，M为正交波形簇内子脉冲的总个数，am(t)定义为这一簇波形中第m个波形的扰动项：am(t)＝exp[jφm(t)]，φm(t)是相应的相位扰动函数，可选择定义为：
Figure BDA0003170804440000041
其中，N为子相位扰动函数个数，幅参数amn，相参数θmn均为雷达发射端已知随机数，ωmn为频参数。
步骤1-2：信号约束条件
首先将sm(t)离散化得到sm＝[sm(1) sm(2) … sm(n) … sm(N1)]T，其中sm(n)表示sm(t)的第n个离散点，则sm的自相关函数可以表示为：
Figure BDA0003170804440000042
其中，*表示共轭，rm(0)为自相关函数的主瓣，rm(k)(k≠0)为自相关函数的旁瓣。则归一化自相关峰值旁瓣电平APSL(Auto-correlation Peak Side lobe Level,APSL)定义为：
Figure BDA0003170804440000043
第m个正交波形sm和第l个正交波形sl的互相关函数可以表示为：
Figure BDA0003170804440000044
则归一化互相关峰值电平CPSL(Cross-correlation Peak Side lobe Level,CPSL)定义为：
Figure BDA0003170804440000045
条件1：归一化自相关峰值旁瓣电平APSL满足APSL≤γ，γ为预先设定的归一化门限值，根据雷达接收机检测性能而定，一般为15dB；
条件2：归一化APSL与归一化互相关峰值电平CPSL满足CPSL-APSL≤γ′。γ′为预先设定的阈值，对于常见体制雷达，为0dB即可以满足检测要求，但也会随着电子对抗环境的变化而变化，有时候要求甚至达到-15dB乃至更低。
步骤1-3：优化设计算法
根据信号约束条件，通过优化设计算法，设计相位扰动函数φm(t)的参数N，amn，ωmn，θmn，控制复合LFM信号波形簇的自/互相关特性，如附图3所示：
根据上述信号模型和信号约束条件，首先选择基准LFM信号；然后固定子相位扰动函数个数N以及频参数ωmn，随机产生幅参数amn与相参数θmn；最后通过相关仿真分析，判断是否满足约束条件，若满足，波形设计完成，否则增大参数N的取值与参数ωmn的频带范围，继续上述操作，直到满足约束条件为止。
相位扰动函数φm(t)的参数N，amn，ωmn，θmn的选择如下：
(1)子相位扰动函数个数N＝300；
(2)幅参数amn为[0,8π]内服从均匀分布的随机数；
(3)频参数ωmn,1≤m≤M,1≤n≤N的取值方式为：在基准LFM信号的频带[0,B]内，先以正交信号个数M进行等分，再以子相位扰动函数个数N进行等分，将MN等分之后的每一等分赋值给ω11,ω12,…,ω1N,ω21,ω22,…,ω2N,…,ωMN；
(4)相参数θmn可取为[0,2π]内服从均匀分布的随机数。
步骤2：在步骤1产生的正交信号波形簇中抽取L个正交子波形s1(t)～sL(t)，构成一个非平稳多子脉冲综合波形x(t)：
Figure BDA0003170804440000051
其中，
Figure BDA0003170804440000052
Tl为第l个正交子脉冲sl(t)的脉冲持续时间，tl为前l-1个正交子脉冲s1(t)～sl-1(t)的脉冲持续时间之和，即tl＝T1+T2+…+Tl，且有t1＝0。
步骤3：将步骤2产生的非平稳多子脉冲波形作为雷达发射信号。
步骤4：接收回波u(t)，并对回波信号进行多子脉冲回波处理：
步骤4-1：分别用s1(t)～sL(t)对接收信号u(t)进行脉冲压缩处理，得到L个脉压处理结果；
步骤4-2：根据发射波形中子脉冲的位置信息，以第一个子脉冲s1(t)脉压结果为基准，将其余脉压结果进行移位，使所有脉压结果的目标所在距离单元对齐；
步骤4-3：将步骤4-2移位处理后的脉冲压缩结果进行补零，使每个脉压结果都恢复到步骤4-1处理结果的长度；
步骤4-4：将步骤4-3得到的脉冲压缩结果进行相参处理；
步骤4-5：根据步骤4-4的相参处理结果，提取目标的位置和速度信息。
仿真验证及分析
仿真参数：
基准LFM信号带宽B＝60MHz，时宽T0＝5μs，采样频率fs＝120MHz，子相位扰动函数个数N＝300，幅参数amn为[0,8π]内的随机数，相参数θmn为[0,2π]内的随机数，频参数ωmn在LFM带宽[0,B]内等间隔选取。1个非平稳多子脉冲综合波形由35个复合LFM信号拼接而成，脉冲时长为175μs。考虑单目标场景，目标距离为R＝150km，载频为fc＝2GHz，目标速度为v＝5km/s，信噪比SNR＝0dB。
仿真分析：
附图4为所设计的非平稳多子脉冲综合信号的时域波形和频谱。从附图5可知，通过子脉冲回波处理的方式，可在一个PRT内完成相参积累，获取目标距离和速度信息。附图6将传统的脉冲压缩回波处理方式与子脉冲回波处理方式进行对比，可得，在探测高速目标的情况下，使用传统回波处理方式难以在目标位置处积累尖峰，而子脉冲回波处理方式得到的尖峰明显。附图7和附图8将所设计的非平稳多子脉冲综合波形与LFM信号进行对比，可见，虽然二者均可探测高速目标，但是LFM信号在解线调的截获方式下，极易被截获，而非平稳多子脉冲综合波形的调频系数和载频均无法估计，具有较好的低截获性能。以上结果均说明了本发明的有效性。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种基于多子脉冲处理的高速目标探测方法，其特征在于，包括：
S1、利用复合LFM信号，设计具有自/互相关特性的正交信号波形簇；
S2、在步骤S1产生的正交信号波形簇中抽取若干个正交子波形，将这若干个正交子波形拼接成一个长脉冲，构成非平稳多子脉冲综合波形；
S3、将步骤S2的非平稳多子脉冲综合波形作为雷达发射信号；
S4、对得到的接收回波信号进行多子脉冲回波处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于多子脉冲处理的高速目标探测方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下分步骤：
S11、在基准LFM信号上附加一个随时间变化的相位扰动项，通过多次附加不同相位扰动函数，产生一簇相位扰动的复合LFM信号波形簇；
S12、复合LFM信号包括以下约束条件：
条件1：归一化自相关峰值旁瓣电平APSL满足APSL≤γ，γ为预先设定的归一化门限值；
条件2：归一化APSL与归一化互相关峰值电平CPSL满足CPSL-APSL≤γ′，γ′为预先设定的阈值；
S13、根据步骤S2的约束条件，通过优化设计算法，设计相位扰动函数的参数，得到具有自/互相关特性的正交信号波形簇。
3.根据权利要求1所述的一种基于多子脉冲处理的高速目标探测方法，其特征在于，所述相位扰动函数的参数包括：子相位扰动函数个数N、幅参数amn、相参数θmn、频参数ωmn。
4.根据权利要求1所述的一种基于多子脉冲处理的高速目标探测方法，其特征在于，步骤S13具体为：首先选择基准LFM信号；然后固定子相位扰动函数个数N、频参数ωmn、随机产生幅参数amn与相参数θmn；最后通过相关仿真分析，若满足步骤S12的约束条件，则波形设计完成，否则调整N的取值与ωmn的频带范围，直到满足步骤S12的约束条件为止。
5.根据权利要求4所述的一种基于多子脉冲处理的高速目标探测方法，其特征在于，调整N的取值与ωmn的频带范围具体为：增大N的取值与ωmn的频带范围。
6.根据权利要求1所述的一种基于多子脉冲处理的高速目标探测方法，其特征在于，步骤S4具体为：
S41、分别用步骤S2中的若干个正交子波形对接收信号进行脉冲压缩处理，得到对应的若干个脉压处理结果；
S42、根据发射波形中子脉冲的位置信息，以第一个子脉冲脉压结果为基准，将其余脉压结果进行移位，使所有脉压结果的目标所在距离单元对齐；
S43、将步骤S42移位处理后的脉冲压缩结果进行补零，使每个脉压结果都恢复到步骤S41处理结果的长度；
S44：将步骤S43得到的脉冲压缩结果进行相参处理；
S45：根据步骤S44的相参处理结果，提取目标的位置和速度信息。
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