CN113567936B - 一种基于m序列的单通道多链路波束赋形回波检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于m序列的单通道多链路波束赋形回波检测方法,它属于雷达探测技术领域。本发明解决了传统阵列天线难以应用在高频段场景,以及伪随机码的互相关函数不为0对雷达探测带来影响的问题。本发明利用m序列的优良自相关特性区分各路通道信号,减少阵列天线射频通道数量,减少功耗体积造价,使阵列天线可以应用在高频段场景;采用正交扩频序列的调制方式或正负交替的正交扩频序列的调制方式,可以使本应累积起来的旁瓣得到一定的相互抵消,获得探测目标距离和来波方向的同时,提高接收信号的信噪比,大大提高雷达探测性能。本发明可以应用于雷达探测技术领域。
Description
技术领域
本发明属于雷达探测技术领域,具体涉及一种基于m序列的单通道多链路波束赋形回波检测方法。
背景技术
在雷达系统中,阵列天线是提高收发增益的有效手段。在传统阵列天线中,各个阵元都需要独立的射频通道,具体包括如低噪声放大器,下变频,模数转换等模块。当阵元数目增多时,体积、重量、功耗、造价等各项指标将急剧上升,不利于小型化设计。阵元体积受限,使其难以应用在高频段场景(如Ku和Ka波段)。
另一方面,得益于伪随机序列良好的自相关特性,扩频系统被广泛应用于抗干扰及码分多址等应用。但由于伪随机码的互相关函数不是严格为0,使用伪随机序列区分阵列天线多路通道的雷达回波时,将会存在累积起来的旁瓣,这将对雷达探测结果带来一定的影响。
发明内容
本发明的目的是为解决传统阵列天线难以应用在高频段场景,以及伪随机码的互相关函数不为0对雷达探测带来影响的问题,而提出了一种基于m序列的单通道多链路波束赋形回波检测方法。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是:一种基于m序列的单通道多链路波束赋形回波检测方法,所述方法具体包括以下步骤:
步骤一、发射雷达探测信号
采用伪随机序列PN(t)对载波频率为ωc的正弦波进行调制,形成雷达探测信号信号/>探测到目标后延迟时间τ0返回,雷达回波信号的形式为
其中,t为时间,e为自然对数的底数,j为虚数单位;
步骤二、雷达回波信号接收
采用M元阵列对雷达回波信号进行接收,再采用相互正交的m序列对各个阵元接收到的信号进行调制,得到各个阵元上经过m序列调制后的信号s1(t),s2(t),…,sM(t);
其中,si(t)为第i个阵元上经过m序列调制后的信号,i=1,2, …,M,M为阵列中阵元的总数;
步骤三、单一射频链路处理
将各个阵元上经过m序列调制后的信号进行合并,得到汇聚信号ssum(t);再对汇聚信号ssum(t)进行放大,获得放大后的信号;
步骤四、利用本地载波信号cos(ωct)对放大后的信号进行下变频解调,得到I路信号I(t),利用本地载波信号sin(ωct)对放大后的信号进行下变频解调,得到Q路信号Q(t);
步骤五、分别采用模数转换器对两路正交信号I(t)和Q(t)进行采样,得到两路正交信号I(n)和Q(n);
步骤六、采用M个相互正交的m序列m1(n),…,mM(n)分别与信号I(n)相乘,得到M组信号Im1(n),…,ImM(n),Im1(n)为m1(n)与I(n)相乘的结果,ImM(n)为mM(n)与I(n)相乘的结果;
采用M个相互正交的m序列m1(n),…,mM(n)分别与信号Q(n)相乘,得到M组信号Qm1(n),…,QmM(n),Qm1(n)为m1(n)与Q(n)相乘的结果,QmM(n)为mM(n)与Q(n)相乘的结果;
步骤七、采用滑动相关法估计出延迟时间τ0,根据延迟时间τ0对Im1(n),…,ImM(n)以及Qm1(n),…,QmM(n)进行解扩,得到M组信号I1,Q1,…,IM,QM;
步骤八、根据M组信号I1,Q1,…,IM,QM,估计出各个阵元的下变频解调后的载波相位θ1,…,θM;
步骤九、根据各个阵元的下变频解调后的载波相位θ1,…,θM求解来波方向θ和波束赋形矢量w。
本发明的有益效果是:本发明利用一组移位循环m序列调制阵列天线的各个阵元,利用m序列的优良自相关特性区分各路通道信号,减少阵列天线射频通道数量,减少功耗体积造价,使阵列天线可以应用在高频段场景;采用正交扩频序列的调制方式或正负交替的正交扩频序列的调制方式,可以使本应累积起来的旁瓣得到一定的相互抵消,获得探测目标距离和来波方向的同时,提高接收信号的信噪比,大大提高雷达探测性能。
附图说明
图1是本发明的一种基于m序列的单通道多链路波束赋形回波检测方法的流程图;
图2是本发明方法的系统模型图;
图3是采样过程的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于m序列的单通道多链路波束赋形回波检测方法,所述方法具体包括以下步骤:
步骤一、发射雷达探测信号
采用伪随机序列PN(t)对载波频率为ωc的正弦波进行调制,形成雷达探测信号信号/>探测到目标后延迟时间τ0返回,雷达回波信号的形式为
其中,t为时间,e为自然对数的底数,j为虚数单位;
步骤二、雷达回波信号接收
采用M元阵列对雷达回波信号进行接收,再采用相互正交的m序列对各个阵元接收到的信号进行调制,得到各个阵元上经过m序列调制后的信号s1(t),s2(t),…,sM(t);
其中,si(t)为第i个阵元上经过m序列调制后的信号,i=1,2,…,M,M为阵列中阵元的总数;
步骤三、单一射频链路处理
将各个阵元上经过m序列调制后的信号进行合并,得到汇聚信号ssum(t);再对汇聚信号ssum(t)进行放大,获得放大后的信号;所述对汇聚信号ssum(t)进行放大,是采用低噪声放大器(low noise amplifier,LNA)进行的;
步骤四、利用本地载波信号cos(ωct)对放大后的信号进行下变频解调,得到I路信号I(t),利用本地载波信号sin(ωct)对放大后的信号进行下变频解调,得到Q路信号Q(t);
步骤五、分别采用模数转换器(analogue-to-digital conversion,ADC)对两路正交信号I(t)和Q(t)进行采样,得到两路正交信号I(n)和Q(n);
步骤六、采用M个相互正交的m序列m1(n),…,mM(n)分别与信号I(n)相乘,得到M组信号Im1(n),…,ImM(n),Im1(n)为m1(n)与I(n)相乘的结果,ImM(n)为mM(n)与I(n)相乘的结果;
采用M个相互正交的m序列m1(n),…,mM(n)分别与信号Q(n)相乘,得到M组信号Qm1(n),…,QmM(n),Qm1(n)为m1(n)与Q(n)相乘的结果,QmM(n)为mM(n)与Q(n)相乘的结果;
步骤七、采用滑动相关法估计出延迟时间τ0,根据延迟时间τ0对Im1(n),…,ImM(n)以及Qm1(n),…,QmM(n)进行解扩,得到M组信号I1,Q1,…,IM,QM;
步骤八、根据M组信号I1,Q1,…,IM,QM,估计出各个阵元的下变频解调后的载波相位θ1,…,θM;
步骤九、根据各个阵元的下变频解调后的载波相位θ1,…,θM求解来波方向θ和波束赋形矢量w。
具体实施方式二:结合图2说明本实施方式。本实施方式是对具体实施方式一的进一步限定,所述信号s1(t),s2(t),…,sM(t)的形式具体为:
由于反射波波前到达阵列天线各个阵元的时刻不同,且假设来波方向未知,
其中,τ为相邻阵元存在的延迟,mi(t)为第i个m序列,mi(t)用于对第i个阵元上接收到的信号进行调制。
采用正交扩频序列的调制方式,可以使干扰信号在一定程度上相互抵消,提高算法精度。
具体实施方式三:本实施方式是对具体实施方式一的进一步限定,所述信号s1(t),s2(t),…,sM(t)的形式具体为:
其中,τ为相邻阵元存在的延迟,mi(t)为第i个m序列,mi(t)用于对第i个阵元上接收到的信号进行调制。
本实施方式使用不同的m序列对各个阵元调制时,采用正负交替相乘的正交扩频序列的调制形式,使干扰信号相互抵消的效果更好,提高了算法精度。后续处理过程与具体实施方式四至具体实施方式十的方法相同。
具体实施方式四:本实施方式是对具体实施方式二的进一步限定,所述步骤三中,将各个阵元上经过m序列调制后的信号进行合并,得到汇聚信号ssum(t);其具体过程为:
本实施方式将多路信号合并,减少射频通道数量,利于小型化设计,使其适用于高频段场景。
具体实施方式五:本实施方式是对具体实施方式四的进一步限定,所述步骤四的具体过程为:
其中,
θi=-ωc(τ0+(i-1)τ) (5)
其中,θi为第i个阵元下变频解调后的载波相位。
本实施方式是对信号进行下变频处理。
具体实施方式六:本实施方式是对具体实施方式五的进一步限定,所述步骤五的具体过程为:
假设采样率有限,各个阵元间距半波长,因而阵元间的延迟τ很小。PN(t-τ0-(i-1)τ),i∈[1,M]采样后均为PN(n-τ0),对后续滑动相关操作无影响,具体如图3所示。阵元间延迟τ带来的影响主要体现在各路信号载波相位θi上。
则此时的两路正交信号I(n),Q(n)表示为
其中,n代表采样点。
本实施方式通过采样将两路正交信号I(t)和Q(t)转化为数字信号,进行后续处理。
具体实施方式七:本实施方式是对具体实施方式六的进一步限定,所述M组信号Im1(n),…,ImM(n)以及M组信号Qm1(n),…,QmM(n)的形式具体为:
本实施方式是以Im1(n)和Qm1(n)为例,其它信号的形式相同,且本实施方式采用M个相互正交的m序列m1(n),…,mM(n)分别与信号I(n)相乘,采用M个相互正交的m序列m1(n),…,mM(n)分别与信号Q(n)相乘,其中,M个相互正交的m序列m1(n),…,mM(n)就是公式(6)中采样获得的。
本实施方式利用m序列的正交性,将合并的信号重新分解恢复成多路信号。
具体实施方式八:本实施方式是对具体实施方式七的进一步限定,所述根据延迟时间τ0对Im1(n),…,ImM(n)以及Qm1(n),…,QmM(n)进行解扩,得到M组信号I1,Q1,…,IM,QM;其具体为:
其中,2N-1为雷达探测信号的长度,I1为Im1(n)对应的解扩后信号,Q1为Qm1(n)对应的解扩后信号,A表示解扩后的处理增益;
同理得到:
其中,I2为Im2(n)对应的解扩后信号,Q2为Qm2(n)对应的解扩后信号;IM为ImM(n)对应的解扩后信号,QM为QmM(n)对应的解扩后信号。
利用滑动相关估计出PN码延迟τ0,产生本地信号PN(n-τ0)进行解扩运算。
对于具体实施方式二的调制方式:以第一组信号Im1(n),Qm1(n)为例,具体解扩可表示为
其中,2N-1为PN码长度,ξI1,ξQ1为两个干扰项,具体为
由伪随机码性质可得,ξI1,ξQ1很小,可将式(10)近似为式(8)。
对于具体实施方式三的调制方式:调制采用正负交替相乘的形式,这样处理的好处在于,正负交替使得噪声的叠加得到了一定的抑制,此时式(10)的解扩后信号中两个干扰项为ψI1,ψQ1:
由于求和项中存在正负交替,此时ψI1,ψQ1比式(11)中的ξI1,ξQ1更小,在近似后,误差将进一步降低。
具体实施方式九:本实施方式是对具体实施方式八的进一步限定,所述步骤八的具体过程为:
根据第一组信号I1,Q1求解θ1,具体求解过程如下:
同理,求得其它各个阵元下变频解调后的载波相位θ1,…,θM。
还可以根据任意一组信号求解A,以第一组信号为例,
具体实施方式十:本实施方式是对具体实施方式九的进一步限定,所述步骤九的具体过程为:
来波方向θ为:
其中,d1为阵元1和阵元2之间的间距,λ是雷达回波信号的波长;
M阵元阵列的波束赋形矢量w为:
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种基于m序列的单通道多链路波束赋形回波检测方法,其特征在于,所述方法具体包括以下步骤:
步骤一、发射雷达探测信号
采用伪随机序列PN(t)对载波频率为ωc的正弦波进行调制,形成雷达探测信号信号/>探测到目标后延迟时间τ0返回,雷达回波信号的形式为
其中,t为时间,e为自然对数的底数,j为虚数单位;
步骤二、雷达回波信号接收
采用M元阵列对雷达回波信号进行接收,再采用相互正交的m序列对各个阵元接收到的信号进行调制,得到各个阵元上经过m序列调制后的信号s1(t),s2(t),...,sM(t);
其中,si(t)为第i个阵元上经过m序列调制后的信号,i=1,2,…,M,M为阵列中阵元的总数;
步骤三、单一射频链路处理
将各个阵元上经过m序列调制后的信号进行合并,得到汇聚信号ssum(t);再对汇聚信号ssum(t)进行放大,获得放大后的信号;
步骤四、利用本地载波信号cos(ωct)对放大后的信号进行下变频解调,得到I路信号I(t),利用本地载波信号sin(ωct)对放大后的信号进行下变频解调,得到Q路信号Q(t);
步骤五、分别采用模数转换器对两路正交信号I(t)和Q(t)进行采样,得到两路正交信号I(n)和Q(n),其中,n代表采样点;
步骤六、采用M个相互正交的m序列m1(n),...,mM(n)分别与信号I(n)相乘,得到M组信号Im1(n),...,ImM(n),Im1(n)为m1(n)与I(n)相乘的结果,ImM(n)为mM(n)与I(n)相乘的结果;
采用M个相互正交的m序列m1(n),…,mM(n)分别与信号Q(n)相乘,得到M组信号Qm1(n),...,QmM(n),Qm1(n)为m1(n)与Q(n)相乘的结果,QmM(n)为mM(n)与Q(n)相乘的结果;
步骤七、采用滑动相关法估计出延迟时间τ0,根据延迟时间τ0对Im1(n),...,ImM(n)以及Qm1(n),...,QmM(n)进行解扩,得到M组信号I1,Q1,...,IM,QM;
步骤八、根据M组信号I1,Q1,...,IM,QM,估计出各个阵元的下变频解调后的载波相位θ1,...,θM;
步骤九、根据各个阵元的下变频解调后的载波相位θ1,...,θM求解来波方向θ和波束赋形矢量w。
2.根据权利要求1所述的一种基于m序列的单通道多链路波束赋形回波检测方法,其特征在于,所述信号s1(t),s2(t),...,sM(t)的形式具体为:
其中,τ为相邻阵元存在的延迟,mi(t)为第i个m序列,mi(t)用于对第i个阵元上接收到的信号进行调制。
3.根据权利要求1所述的一种基于m序列的单通道多链路波束赋形回波检测方法,其特征在于,所述信号s1(t),s2(t),...,sM(t)的形式具体为:
其中,τ为相邻阵元存在的延迟,mi(t)为第i个m序列,mi(t)用于对第i个阵元上接收到的信号进行调制。
4.根据权利要求2所述的一种基于m序列的单通道多链路波束赋形回波检测方法,其特征在于,所述步骤三中,将各个阵元上经过m序列调制后的信号进行合并,得到汇聚信号ssum(t);其具体过程为:
5.根据权利要求4所述的一种基于m序列的单通道多链路波束赋形回波检测方法,其特征在于,所述步骤四的具体过程为:
其中,
θi=-ωc(τ0+(i-1)τ) (5)
其中,θi为第i个阵元下变频解调后的载波相位。
6.根据权利要求5所述的一种基于m序列的单通道多链路波束赋形回波检测方法,其特征在于,所述步骤五的具体过程为:
其中,n代表采样点。
7.根据权利要求6所述的一种基于m序列的单通道多链路波束赋形回波检测方法,其特征在于,所述M组信号Im1(n),...,ImM(n)以及M组信号Qm1(n),...,QmM(n)的形式具体为:
8.根据权利要求7所述的一种基于m序列的单通道多链路波束赋形回波检测方法,其特征在于,所述根据延迟时间τ0对Im1(n),...,ImM(n)以及Qm1(n),...,QmM(n)进行解扩,得到M组信号I1,Q1,...,IM,QM;其具体为:
其中,2N-1为雷达探测信号的长度,I1为Im1(n)对应的解扩后信号,Q1为Qm1(n)对应的解扩后信号,A表示解扩后的处理增益;
同理得到:
其中,I2为Im2(n)对应的解扩后信号,Q2为Qm2(n)对应的解扩后信号;IM为ImM(n)对应的解扩后信号,QM为QmM(n)对应的解扩后信号。
9.根据权利要求8所述的一种基于m序列的单通道多链路波束赋形回波检测方法,其特征在于,所述步骤八的具体过程为:
根据第一组信号I1,Q1求解θ1,具体求解过程如下:
同理,求得其它各个阵元下变频解调后的载波相位θ1,...,θM。
10.根据权利要求9所述的一种基于m序列的单通道多链路波束赋形回波检测方法,其特征在于,所述步骤九的具体过程为:
来波方向θ为:
其中,d1为阵元1和阵元2之间的间距,λ是雷达回波信号的波长;
M阵元阵列的波束赋形矢量w为:
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