CN113567990A - 一种基于hfm脉冲串信号的测速测距方法 - Google Patents

一种基于hfm脉冲串信号的测速测距方法 Download PDF

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CN113567990A CN202110877576.6A CN202110877576A CN113567990A CN 113567990 A CN113567990 A CN 113567990A CN 202110877576 A CN202110877576 A CN 202110877576A CN 113567990 A CN113567990 A CN 113567990A
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Abstract

本发明公开了一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法，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HFM脉冲信号1，一个量程之后，发射HFM脉冲信号2，待量程扫描完之后，以此类推发射其他形式的HFM脉冲信号；（3）分别找出串内匹配滤波极大值出现的时间；（4）利用脉冲串内各信号之间的时延关系，计算目标与声纳系统之间的距离R和目标速度v；（5）利用计算出来的速度进行脉冲串内的信号对齐；（6）将信号进行MTD脉冲间的相参运算，得到串内N个脉冲的处理。本发明利用不同频段、脉宽的HFM脉冲信号进行测速测距，既保证能够测速，又提高测速、测距精度，同时又能提高信噪比。

Description

一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法
技术领域
本发明涉及水声学信号处理领域，尤其涉及一种基于双曲调频（HyperbolicFrequency Modulation，HFM）脉冲串信号的测速测距方法。
背景技术
针对目标的主要手段是低频（HFM+脉冲连续波（Pulse truncated ContinuousWave，PCW）主动探测；测量目标对地速度是判断水下目标存在的重要依据。目前声纳中常用的测速信号形式：单频信号（PCW）、正反双曲调频信号。
①PCW信号测速
利用PCW信号回波的多普勒频移估算速度；PCW信号由于在声场中工作不稳定，不能够持续有效地接触目标，高信噪比的回波可实现测速，当信噪比稍微不满足要求时，会引起较大的测速误差，甚至测速错误。
②正反HFM信号测速
通过发射相同频段、相同脉宽但调制方式相反的一组HFM信号，利用目标的多普勒对正反调频信号产生的时延大小相同、方向相反的原理实现测速。正反HFM信号要求正调频信号HFM+、反调频信号HFM-的频段、脉宽相同，需要损失信号能量的一半用来测速，浪费了频段资源或脉宽资源。
发明内容
针对以上情况，本发明提出一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法（a Pulsesequence method based on HFM for Speed measurement and Ranging，PHSR）。此方法不但可以克服以上缺点，还具有灵活性，既保证能够测速，又能提高测速、测距精度，另一方面，HFM之间可进行动目标检测（Moving Target Detection，MTD）相干积累，大大提高信号的信噪比，从而使信号更加明显，最终提高主动探测能力。
为了实现上述目标，本发明通过如下技术方案实现。
一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1）假定目标向着声纳系统运动，其运动速度v为正；
S2）首先发射HFM脉冲信号1，一个量程之后，发射HFM脉冲信号2，待量程扫描完之后，以此类推发射其他形式的HFM脉冲信号；
S3）分别找出串内匹配滤波极大值出现的时间；
S4）利用脉冲串内各信号的时延关系，计算目标与声纳系统之间的距离R和目标速度v；
S5）利用计算出来的速度进行脉冲串内的信号对齐；
S6）将信号进行MTD脉冲间的相参运算，得到串内N个脉冲的处理。
进一步，所述步骤S2）中所述的一个量程之后，指的是HFM脉冲信号能到达的最远距离。
进一步，所述步骤S2）中所述的其他形式的HFM脉冲信号，指的是不同频段、脉宽的HFM信号。
进一步，所述步骤S4）中的所述的利用脉冲串内各信号的时延关系，指的是HFM脉冲信号1的时延
Figure 922435DEST_PATH_IMAGE001
与HFM脉冲信号2的时延
Figure 991891DEST_PATH_IMAGE002
之间存在如下关系：
Figure 344375DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 224607DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 662541DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 267179DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 739749DEST_PATH_IMAGE007
分别代表HFM脉冲信号1的起始频率，终止频率和信号脉宽；
Figure 525302DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 637484DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 861792DEST_PATH_IMAGE010
分别代表HFM脉冲信号2的起始频率，终止频率和信号脉宽。
进一步，所述步骤S4）中所述的目标与声纳系统之间的距离R为：
Figure 126551DEST_PATH_IMAGE011
，其中，c代表水中的声速，
Figure 410902DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 10379DEST_PATH_IMAGE013
分别代表HFM信号1匹配滤波值最大值出现的时间和HFM信号2匹配滤波值最大值出现的时间。
进一步，所述步骤S4）中所述的目标速度v为：
Figure 710482DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure 892065DEST_PATH_IMAGE015
。
进一步，所述步骤S5）中的所述的信号对齐，把信号利用速度对信号之间的影响，然后对各信号时延对齐。
进一步，所述步骤S6）中的所述的N，指的是假设在一个脉冲积累期间接收到的脉冲回波总数目为N。
本发明的有益效果是：
（1）本发明采用不同频段、脉冲的HFM信号，可以有效避免在水中某些频段因传播损失过大，造成回波能量不足，无法有效检测的问题；
（2）串内不同HFM信号之间可进行MTD相干积累，大大提高信号的信噪比，从而使信号更加明显，最终提高主动探测能力；
（3）串内的HFM之间可相互计算目标的速度、距离，减少单次计算造成的计算误差，可准确的计算目标速度。从而本发明既保证能够测速，又能提高测速、测距精度。
附图说明
图1为本发明实施例中PHSR方法工作过程示意图；
图2为本发明实施例中脉冲串的信号处理框图；
图3为本发明实施例中相参积累示意图；
图4为本发明实施例中基于仿真条件1的单个HFM探测示意图；
图5为本发明实施例中基于仿真条件1的PHSR方法处理后的示意图；
图6为本发明实施例中基于仿真条件2的单个HFM探测示意图；
图7为本发明实施例中基于仿真条件2的PHSR方法处理后的示意图；
图8为本发明实施例中基于仿真条件3的单个HFM探测示意图；
图9为本发明实施例中基于仿真条件3的PHSR方法处理后的示意图。
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。一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法，如图1所示，方法包括如下步骤：
S1）假定目标向着声纳系统运动，其运动速度v为正。
S2）首先发射HFM脉冲信号1，一个量程之后，发射HFM脉冲信号2，待量程扫描完之后，以此类推发射其他形式的HFM脉冲信号。
所述的一个量程之后，指的是HFM脉冲信号能到达的最远距离；
所述的其他形式的HFM脉冲信号，指的是不同频段、脉宽的HFM信号。
S3）分别找出串内匹配滤波极大值出现的时间。
S4）利用脉冲串内各信号的时延关系，计算目标与声纳系统之间的距离R和目标速度v。
本发明中，求解R与v是在如下技术方案的基础上实现的，具体包含如下步骤：
S401）目标运动对HFM信号回波的脉宽T的影响计算。
下面介绍步骤S401）的理论基础。令T，
Figure 534267DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 371773DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 937884DEST_PATH_IMAGE018
分别代表HFM信号的脉冲宽度，HFM信号的起始频率，HFM信号的终止频率和HFM发射信号随着时间的变化，则
Figure 163853DEST_PATH_IMAGE018
可以表示为：
Figure 790007DEST_PATH_IMAGE019
（1）
其中，调制度
Figure 114809DEST_PATH_IMAGE020
。
Figure 219031DEST_PATH_IMAGE021
目标的运动对HFM信号回波频谱的影响
声纳与目标间的相对运动会使接收到的信号频谱发生改变，表现为信号频率的偏移，称之为多普勒频移现象，当目标向着声纳系统运动时，
Figure 562157DEST_PATH_IMAGE022
为正，回波频率增加；反之
Figure 296894DEST_PATH_IMAGE022
为负，回波频率降低。
Figure 905730DEST_PATH_IMAGE023
目标的运动对
Figure 266173DEST_PATH_IMAGE024
信号回波脉宽的影响
当目标以速度
Figure 276855DEST_PATH_IMAGE025
运动时，声纳和目标间的相对运动会使得脉宽为
Figure 182494DEST_PATH_IMAGE026
的发射信号经目标反射后，在接收点变为脉宽为
Figure 465576DEST_PATH_IMAGE027
的信号，使得回波的脉宽会被线性地压缩或者拉伸
Figure 911601DEST_PATH_IMAGE028
倍，
Figure 980051DEST_PATH_IMAGE028
可以表示为：
Figure 118909DEST_PATH_IMAGE029
（2）
式中c代表声音在水中的速度，此处c = 1500 m/s。
S402）HFM发射信号的瞬时频率和接收信号的瞬时频率的公式推导。
根据公式（1），HFM发射信号的相位
Figure 909795DEST_PATH_IMAGE030
可以表示为：
Figure 97194DEST_PATH_IMAGE031
（3）。
对
Figure 269418DEST_PATH_IMAGE030
求导，得到发射信号的瞬时频率
Figure 516860DEST_PATH_IMAGE032
为：
Figure 587584DEST_PATH_IMAGE033
（4）。
当目标以速度
Figure 827942DEST_PATH_IMAGE025
运动时，声纳和目标间的相对运动会使得脉宽为
Figure 667722DEST_PATH_IMAGE034
的发射信号经目标反射后，在接收点变为脉宽为
Figure 86065DEST_PATH_IMAGE027
的信号，使得回波的脉宽会被线性地压缩或者拉伸
Figure 565456DEST_PATH_IMAGE028
倍。则接收到的回波信号
Figure 422554DEST_PATH_IMAGE035
为：
Figure 54524DEST_PATH_IMAGE036
（5）
接收到的回波的瞬时频率
Figure 895965DEST_PATH_IMAGE037
可以表示为：
Figure 941282DEST_PATH_IMAGE038
（6）。
S403）目标运动引起的匹配滤波时延
Figure 274174DEST_PATH_IMAGE039
，及对脉冲串内信号时延的推导。
由于HFM信号对多普勒不敏感，双曲调频信号具有多普勒不变性，接收信号瞬时频率
Figure 822967DEST_PATH_IMAGE040
的变化规律不变，只是将原发射信号的瞬时频率
Figure 97959DEST_PATH_IMAGE041
平移了一个时间
Figure 302676DEST_PATH_IMAGE042
，即两者之间满足如下关系：
Figure 235997DEST_PATH_IMAGE043
（7）
联立公式（4），（6）和（7），可以求得由于目标多普勒引起的匹配滤波时延
Figure 91826DEST_PATH_IMAGE044
：
Figure 350769DEST_PATH_IMAGE045
（8）
在实际情况下，目标到达时间未知，多普勒引起的时延
Figure 777202DEST_PATH_IMAGE046
与到达时间的不确定性的同时存在，导致单独一个HFM信号无法得到可分辨的多普勒引起的时延
Figure 966744DEST_PATH_IMAGE044
。
当使用不同频段或不同脉宽的HFM信号进行目标探测时，经过匹配滤波后，多普勒时延与频段或脉宽成比例，由此可区分得到目标到达时间和多普勒时延。
这里采用两个HFM脉冲信号：HFM脉冲信号1和HFM脉冲信号2来进行分析，获得两个脉冲信号之间的时延关系。
HFM信号1：起始频率，终止频率和脉宽分别为
Figure 490129DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 592078DEST_PATH_IMAGE048
和T 1 。
HFM信号2：起始频率，终止频率和脉宽分别为
Figure 833703DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 558427DEST_PATH_IMAGE050
和T 2 。
令：
Figure 874002DEST_PATH_IMAGE051
（9）
Figure 474747DEST_PATH_IMAGE052
（10）
运动目标对于调频信号而言，HFM信号1的时延
Figure 125040DEST_PATH_IMAGE001
的大小为：
Figure 469434DEST_PATH_IMAGE053
（11）
HFM信号2的时延
Figure 905095DEST_PATH_IMAGE002
的大小为：
Figure 598113DEST_PATH_IMAGE054
（12）
根据公式（11）与（12），可以获得：
Figure 814331DEST_PATH_IMAGE055
（13）。
S404）利用脉冲串内各信号之间的时延关系，计算目标的运动速度v及距离R。
以下测速公式推导，以目标向着声纳系统运动
Figure 634519DEST_PATH_IMAGE022
为正为前提，先发射相同调制方式的脉冲串信号，下面的公式推导以两个频段、两个脉宽的正调频信号为例，分别找出匹配滤波极大值出现的时间
Figure 987003DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 850923DEST_PATH_IMAGE056
，则：
Figure 226540DEST_PATH_IMAGE057
（14）
Figure 912737DEST_PATH_IMAGE058
（15）。
联立公式（14）和（15）距离R的计算公式为：
Figure 309607DEST_PATH_IMAGE059
（16）。
距离R的计算公式也可以表示为：
Figure 360740DEST_PATH_IMAGE060
（17）
其中
Figure 285971DEST_PATH_IMAGE061
代表脉冲到达时间。
联立公式（16）与（17），可以获得脉冲到达时间。
Figure 697229DEST_PATH_IMAGE062
（18）
由公式（14）与（18），可得：
Figure 24306DEST_PATH_IMAGE063
（19）
由公式（2），（18）和（19）联立解得目标速度v：
Figure 246339DEST_PATH_IMAGE014
（20）
其中，
Figure 580238DEST_PATH_IMAGE064
（21）。
理想的传输信道是无损均匀介质构成的无限空间，信号在传播过程中不产生任何畸变，但实际海水介质空间都是有损的非均匀介质空间，除了一般的吸收和扩散外，信号还会受到多途效应、信道时变、起伏效应的影响，导致回波被展宽，导致组合回波信号的回波位置不容易区分，为了实现速度的准确测量，尽可能使
Figure 608237DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 727502DEST_PATH_IMAGE056
的时间差明显。
S405）PHSR方法中的目标速度和距离的计算。
如图2所示，脉冲串里N个不同形式的HFM脉冲信号组成，利用脉冲串内两两HFM信号之间即可计算出速度和对应的距离，则共解算出的目标的速度和对应的距离个数为
Figure 182754DEST_PATH_IMAGE065
个。由于海洋环境是时变空变的，海洋信道相当于一个滤波器，某些频段的信号由于传播损失过大，导致回波中信号的能量过低无法有效的检测。有些回波虽然能检测，但是信噪比太低，噪声导致信号的到达时间与目标的真实回波的到达时间出现误差，因此脉冲串内选取信噪比高的峰值输出计算速度和距离，这样会使计算结果更精确。
S5）利用计算出来的速度进行脉冲串内的信号对齐。
信号对齐，把信号利用速度对信号之间的影响，然后对各信号时延对齐。
S6）将信号进行MTD脉冲间的相参运算，得到串内N个脉冲的处理。
相参积累MTD就是将处于同一距离门上的回波信号的幅度和相位进行叠加，以提高目标信噪比的一种积累方法。它一般是在零中频信号的复包络上进行的，它保留了接收脉冲间的相位关系，可使得积累后的信号能量增加。相参积累利用了所有脉冲的相位信息。假设在一个脉冲积累期间接收到的脉冲回波总数目为N，每个脉冲周期分成M个距离门。分别对N个脉冲回波进行离散采样，用xnm表示第n个脉冲回波的第m个距离门上的采样数据，那么N个脉冲回波序列的采样数据可以表示成一个N*M维的数据，如图3所示。M个距离门为快时间节拍，进行脉冲压缩处理，N个脉冲回波为慢时间节拍，进行相参脉冲积累MTD，可以将信号幅度大幅度提高。利用步骤S405）求得的距离和速度，去除脉冲串内的信号由于目标的多普勒运动引起的时延，将回波重新排列后，进行MTD运算。
我们设置了两个仿真条件来对PHSR方法进行性能评估。
仿真条件1：HFM脉冲串是由以下5个HFM信号组成的。在HFM信号1中，频段是200Hz-1000Hz，脉宽是1s；在HFM信号2中，频段是300Hz-1200Hz，脉宽是2s；在HFM信号3中，频段是400Hz-1400Hz，脉宽是3s；在HFM信号4中，频段是500Hz-1600Hz，脉宽是4s；在HFM信号5中，频段是600Hz-1900Hz，脉宽是6s。5个信号的采样频率都是7000Hz，目标距离均为7.5km，目标速度均为14m/s。
仿真条件2：HFM脉冲串是由以下4个HFM信号组成的。在HFM信号1中，频段是100Hz-200Hz，脉宽是1s；在HFM信号2中，频段是700Hz-900Hz，脉宽是2s；在HFM信号3中，频段是1000Hz-1200Hz，脉宽是3s；在HFM信号4中，频段是1700Hz-1900Hz，脉宽是4s。4个信号的采样频率都是7000Hz，目标距离均为7.5km，目标速度均为14m/s。
仿真条件3：HFM脉冲串是由以下5个HFM信号组成的。在HFM信号1中，频段是100Hz-200Hz，脉宽是2s；在HFM信号2中，频段是1000Hz-700Hz，脉宽是3s；在HFM信号3中，频段是1000Hz-1300Hz，脉宽是3s；在HFM信号4中，频段是1100Hz-1300Hz，脉宽是1s。4个信号的采样频率都是7000Hz，目标距离均为7.5km，目标速度均为14m/s。
图4显示了基于仿真条件1的单个HFM探测示意图，图5显示了基于仿真条件1的PHSR方法处理后的性能分析，表1给出了PHSR方法与单个HFM信号数值结果。从图4可以看出，经过匹配滤波后，HFM信号1，HFM信号2，HFM信号3，HFM信号4和HFM信号5的回波时间分别为 10.0236s，10.0502s，10.0792s，0.1096s和10.1652s。图5显示了基于脉冲串方法的MTD操作后的结果。根据公式（20），目标速度v为13.9914m/s。从表1中可以看出，PHSR的测速误差和测距误差分别为0.061429%和0%。HFM信号1，HFM信号2，HFM信号3，HFM信号4和HFM信号5的测距误差分别为0.0236%, 0.502%, 0.792%, 1.096%和1.652%。与HFM信号1，HFM信号2，HFM信号3，HFM信号4和HFM信号5相比，PHSR的测距精度提高比均为100%。
表1：仿真条件1下的数值结果
Figure 269528DEST_PATH_IMAGE066
表1：仿真条件1下的数值结果（续）
Figure 773322DEST_PATH_IMAGE067
图6显示了基于仿真条件2的单个HFM探测示意图，图7显示了基于仿真条件2的PHSR方法处理后的性能分析，表2给出了PHSR方法与单个HFM信号数值结果。从图6可以看出，经过匹配滤波后，HFM信号1，HFM信号2，HFM信号3和HFM信号4的回波时间分别为10.0376s，10.1696s，10.3392s和10.7160s。图7显示了基于脉冲串方法的MTD操作后的结果。根据公式（20），目标速度v为14.0019m/s。从表2中可以看出，PHSR的测速误差和测距误差分别为013571429%和0%。HFM信号1，HFM信号2，HFM信号3和HFM信号4的测距误差分别为0.376%，1.696%，3.392%和7.16%。与HFM信号1，HFM信号2，HFM信号3和HFM信号4相比，PHSR的测距精度提高比均为100%。
表2：仿真条件2下的数值结果
Figure 809411DEST_PATH_IMAGE068
表2：仿真条件2下的数值结果（续）
Figure 619585DEST_PATH_IMAGE069
图8显示了基于仿真条件3的单个HFM探测示意图，图9显示了基于仿真条件3的PHSR方法处理后的性能分析，表3给出了PHSR方法与单个HFM信号数值结果。从图8可以看出，经过匹配滤波后，HFM 信号1，HFM信号2，HFM信号3和HFM信号4的回波时间分别为10.0754s，9.8682s，10.245s和10.1224s。图9显示了基于脉冲串方法的MTD操作后的结果。根据公式（20），目标速度v为13.996m/s。从表3中可以看出，PHSR的测速误差和测距误差分别为0.02857%和0%。HFM 信号1，HFM信号2，HFM信号3和HFM信号4的测距误差分别为0.754%,1.318%, 2.45%和1.224%。与HFM 信号1，HFM信号2，HFM信号3和HFM信号4相比，PHSR的测距精度提高比均为100%。
表3：仿真条件3下的数值结果
Figure 741125DEST_PATH_IMAGE070
表3：仿真条件3下的数值结果（续）
Figure 48609DEST_PATH_IMAGE071
。
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)

1.一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法，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）首先发射双曲调频（Hyperbolic Frequency Modulation，HFM）脉冲信号1，一个量程之后，发射HFM脉冲信号2，待量程扫描完之后，以此类推发射其他形式的HFM脉冲信号；
3）分别找出串内匹配滤波极大值出现的时间；
4）利用脉冲串内各信号的时延关系，计算目标与声纳系统之间的距离R和目标速度v；
5）利用计算出来的速度进行脉冲串内的信号对齐；
6）将信号进行动目标检测（Moving Target Detection，MTD）脉冲间的相参运算，得到串内N个脉冲的处理。
2.如权利要求1所述的一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法，其特征在于，所述步骤2）中所述的一个量程，指的是HFM脉冲信号能到达的最远距离；
所述的其他形式的HFM脉冲信号，指的是不同频段、脉宽的HFM信号。
3.如权利要求1所述的一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法，其特征在于，所述步骤4）中的所述的利用脉冲串内各信号的时延关系，指的是HFM脉冲信号1的时延
Figure 26356DEST_PATH_IMAGE001
与HFM脉冲信号2的时延
Figure 617874DEST_PATH_IMAGE002
之间存在如下关系：
Figure 453106DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 370247DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 586202DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 919094DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 733467DEST_PATH_IMAGE007
分别代表HFM脉冲信号1的起始频率，终止频率和信号脉宽；
Figure 493612DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 760645DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 693966DEST_PATH_IMAGE010
分别代表HFM脉冲信号2的起始频率，终止频率和信号脉宽；
所述的目标与声纳系统之间的距离R为：
Figure 8185DEST_PATH_IMAGE011
， 其中，c代表水中的声速，
Figure 1549DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 693561DEST_PATH_IMAGE013
分别代表HFM信号1匹配滤波值最大值出现的时间和HFM信号2匹配滤波值最大值出现的时间；
所述的目标速度v为：
Figure 430573DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure 688379DEST_PATH_IMAGE015
。
4.如权利要求1所述的一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法，其特征在于，所述步骤5）中的所述的信号对齐，指的是对不同HFM脉冲信号之间的时延对齐。
5.如权利要求1所述的一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法，其特征在于，所述步骤6）中的所述的N，指的是假设在一个脉冲积累期间接收到的脉冲回波总数目为N。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113970744A (zh) * 2021-12-26 2022-01-25 湖南天羿领航科技有限公司 基于线性调频超声波的测距方法、系统及介质

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