CN113687322B - 一种雷达信号处理机脉冲压缩处理的数学建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种雷达信号处理机脉冲压缩处理的数学建模方法，属于雷达数字化建模与仿真技术领域。该方法充分考虑了回波环境中存在的目标、杂波和电子干扰的雷达信号，采用数字化方式实现雷达信号处理机脉冲压缩功能，将目标、杂波和电子干扰的和、方位差和俯仰差信号参数转换成脉压后的信号参数。该方法适用于雷达数字化建模与仿真中，对雷达信号处理机脉冲压缩处理的数字化建模。

Description

一种雷达信号处理机脉冲压缩处理的数学建模方法
技术领域
本发明属于雷达数字化建模与仿真技术领域，具体地说是一种实现雷达信号处理机脉冲压缩机功能的数学建模方法。
背景技术
数字化建模与仿真通过数字化手段，构建物理实体与其使用时空场景的模型，仿真实体与场景模型间的相互作用，获得评估结果，反馈于实体设计。随着工业技术和信息技术的发展，“工业4.0”以及“中国制造2025”将“物理信息系统”的构建作为其核心技术，数字化建模与仿真作为物理信息系统最典型的实现方式之一，通过数字建模与仿真技术桥接产品实物和设计理念，已成为当前物理信息系统技术发展与竞争的焦点。
雷达数字化建模与仿真属于数字化建模与仿真领域，通过数字化手段，对雷达、目标、杂波、电子干扰以及电磁环境进行建模，构建以雷达数字化模型为核心，包括目标、杂波、电子战和电磁环境的数字化模型的仿真系统，模拟雷达物理实体与雷达使用时空场景，再采用数学方法仿真在设定的雷达工作流程和使用环境下雷达、目标、杂波、电子干扰和电磁环境模型的相互作用，得到雷达产生、发射、传输、回波和处理的波形参数，用于测试与优化雷达的设计要素，验证与评估雷达功能、性能乃至作战效能，有效提高雷达全生命周期功能的适用性和雷达产品的研制效率。
雷达模型是雷达数字化建模与仿真中不可或缺的组成部分，雷达模型的优劣直接影响测试与评估的效果和水平，雷达主要由天线、发射机、接收机、信号处理机组成，其中雷达信号处理机作为雷达重要组成部分之一，是雷达完成目标探测、方位信息测量与跟踪主要功能的关键部分。随着作战环境复杂性的不断提升，雷达对杂波和电子干扰环境下的目标探测、以及目标信息测量与跟踪技术的要求越来越高，雷达信号处理的功能、流程以及算法设计已成为雷达产品设计中重点关注的内容，相应地，雷达信号处理机的数字化建模与仿真势必成为雷达设计、研制乃至使用中最具价值的技术手段，脉冲压缩作为目前雷达信号处理中普遍采用的方法，完成雷达接收机回波信号到雷达信号处理器多普勒处理所需信号的转换，因此，研究雷达信号处理机脉冲压缩处理的数学建模方法，实现雷达接收机回波信号到雷达信号处理器多普勒处理所需信号的转换，具有很强的现实意义。
发明内容
要解决的技术问题
为了解决雷达数字化建模与仿真技术中雷达信号处理机脉冲压缩处理的数学建模问题，本发明提出一种雷达信号处理机脉冲压缩处理的数学建模方法。
技术方案
一种雷达信号处理机脉冲压缩处理的数学建模方法，其特征在于包括脉冲压缩增益计算模块和匹配滤波模块；步骤如下：
步骤1：脉冲压缩增益计算模块根据收到的目标回波、杂波回波和电子干扰回波的时延信号，计算5个采样点的增益发送至匹配滤波模块；
步骤2：匹配滤波模块将收到的包括目标、杂波和电子干扰的和信号参数，包括目标、杂波和电子干扰的方位差信号参数，以及包括目标、杂波和电子干扰的俯仰差信号参数和脉冲压缩增益计算模块传送的5个采样点的增益进行处理，生成采样点1信号，采样点2信号，采样点3信号，采样点4信号和采样点5信号，其中每个采样点信号包括该采样点的目标、杂波与电子干扰的采样和，采样方位差和采样俯仰差的信号。
本发明进一步的技术方案：所述的步骤1具体如下：
设目标、杂波和电子干扰时延信号分别为Dt，Dc和Di，第j个采样点的增益为Gj，且j＝1，2，3，4，5；
根据目标、杂波和电子干扰时延信号分别为Dt，Dc和Di，计算雷达观测对象的距离位置R，则
其中x取t，c或i取决于雷达波束照射的观测对象，当雷达主波束照射目标时x＝t，照射杂波时x＝c，被欺骗干扰后照射假目标时x＝i，则x的取值由雷达波束角位置和观测对象角位置易得；Ce表示光速，Rg表示雷达的距离门，则
其中Fs表示雷达采样频率。脉冲压缩采样是一定距离范围内的采样，则这5个采样点中第j个采样点对应的距离Rj为：
5个采样点的增益就是其对应的距离在脉冲压缩曲线的采样值，在仿真中，设脉冲压缩曲线为PC，雷达发射波形为长度为N的调制波形M(n)，n＝1，2，3，...，N，N由雷达采样频率Fs计算为：
N＝τ·Fs (4)
其中τ为脉冲宽度，由脉冲压缩曲线产生原理知，PC为M(n)与其逆排序波形复共轭的卷积，即
PC＝conv(M(n)，M*(N-n)) (5)
其中conv表示卷积操作，M*(N-n)表示M(n)倒序的复共轭，由式(4)知PC的长度为2N+1，PC任意两点间对应的距离为Rg，因PC主瓣和第一副瓣包含大部分功率，仿真中只考虑主瓣和第一副瓣范围内的5个点进行增益计算，这5个点对应的距离为-2Rg，-Rg，0，Rg和2Rg，对应的脉冲压缩增益为PC中第N-1，N，N+1，N+2和N+3的值，记为Pcj，且j＝1，2，3，4，5，那么Gj计算为
其中Rg|k＝Rj表示-2Rg，-Rg，0，Rg和2Rg中与Rj相等的值，Rg|α＜Rj＜Rg|β表示-2Rg，-Rg，0，Rg和2Rg中与Rj差值绝对值最小的两个值；特殊地，当雷达探测对象为电子干扰，且电子干扰为噪声干扰时，因为噪声干扰为随机信号，与雷达发射波形脉压后几乎没有增益，此时，Gj＝1，j＝1，2，3，4，5。
脉冲压缩增益计算模块将计算得到的5个采样点的G1，G2，G3，G4和G5传送至匹配滤波模块。
本发明进一步的技术方案：所述的步骤2具体如下：
设Et，Ec和Ei分别表示目标、杂波和电子干扰的和信号参数，ΔAzt，ΔAzc和ΔAzi分别表示目标、杂波和电子干扰的方位差信号参数，ΔElt，ΔElc和ΔEli分别表示目标信号、杂波和电子干扰的俯仰差信号参数，采样点j的目标、杂波与电子干扰的采样和信号分别为εt|j、εc|j与εi|j，目标、杂波与电子干扰的采样方位差信号分别为δAzt|j、δAzc|j与δAzi|j，目标、杂波与电子干扰的采样俯仰差信号分别为δElt|j、δElc|j与δEli|j，其中j＝1，2，3，4，5，那么采样和信号可以计算为：
εx|j＝Gj·Ex，j＝1，2，3，4，5，x＝t，c，i (7)
其中j表示采样点序号，x＝t，c，i分别表示目标、杂波和电子干扰信号的类型。采样方位差信号可以计算为：
δAzx|j＝Gj·ΔAzx，j＝1，2，3，4，5，x＝t，c，i (8)
采样俯仰差信号可以计算为：
δElx|j＝Gj·ΔElx，j＝1，2，3，4，5，x＝t，c，i (9)
式(7)和式(8)中j和x的定义与式(6)相同。
一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。
一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。
一种计算机程序，其特征在于包括计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。
有益效果
本发明提出的一种雷达信号处理机脉冲压缩处理的数学建模方法，该方法充分考虑了回波环境中存在的目标、杂波和电子干扰的雷达信号，采用数字化方式实现雷达信号处理机脉冲压缩功能，将目标、杂波和电子干扰的和、方位差和俯仰差信号参数转换成脉压后的信号参数。该方法适用于雷达数字化建模与仿真中，对雷达信号处理机脉冲压缩处理的数字化建模。
与现有技术相比，具有以下优点：
1)雷达信号处理机脉冲压缩处理数字化建模考虑了脉压波形主瓣和第一副瓣的采样值，方法简便实用，计算量小，易于编程实现；
2)雷达信号处理机脉冲压缩处理的数字化模型充分考虑了目标、杂波和电子干扰信号参数的处理方法，功能全面，实用性和扩展性强。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1是本发明雷达信号处理机脉冲压缩处理数字化建模实现框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
雷达信号处理机从雷达接收机接收雷达回波后，首先进行脉冲压缩，再通过多普勒处理进行目标检测，本发明雷达信号处理机脉冲压缩处理的数学建模方法全面考虑信号处理机收到的目标回波、杂波回波和电子干扰回波，通过目标、杂波和电子干扰三种回波信号参数的变换，生成满足雷达信号处理机多普勒处理所需信号的参数，完成雷达信号处理机脉冲压缩的数学建模。雷达信号处理机脉冲压缩的数学模型分别收到包括目标、杂波和电子干扰的和信号参数，方位差信号参数，俯仰差信号参数和回波时延参数，其中目标、杂波和电子干扰的回波时延参数输入脉冲压缩增益计算模块计算得到5个采样点的增益，每个采样点的增益包含目标、杂波和电子干扰的和信号参数，方位差信号参数，俯仰差信号参数，5个点的增益参数输入匹配滤波模块，针对每一个采用点，分别生成目标、杂波和电子干扰的采样和信号、采样方位差信号和采样俯仰差信号，匹配滤波模块的输出用于后续的多普勒处理。
参照图1，它是本发明雷达信号处理机脉冲压缩处理的数字化建模实现框图，实现过程如下：
第一步，雷达信号处理机脉冲压缩处理数学模型的脉冲压缩增益计算模块收到包括目标回波时延迟参数Dt，杂波回波时延参数Dc和电子干扰回波时延参数Di，计算5个采样点的增益G1,G2,G3,G4和G5，并将G1,G2,G3,G4和G5发送至匹配滤波模块；
第二步，雷达信号处理机脉冲压缩处理数学模型的匹配滤波模块将收到的5个采样点增益G1,G2,G3,G4和G5，以及包括目标和信号参数Εt、杂波和信号参数Εc和电子干扰和信号参数Εi的和信号参数，包括目标方位差信号参数ΔAzt,、杂波方位差信号参数ΔAzc和电子干扰方位差信号参数ΔAzi的方位差信号参数，以及包括目标俯仰差信号参数ΔElt、杂波俯仰差信号参数ΔElc和电子干扰俯仰差信号参数ΔEli的俯仰差信号参数，进行处理，生成5个采样点参数，任一采样点j的参数均包含j采样点的目标采样和信号εt|j、杂波采样和信号εc|j、电子干扰采样和信号εi|j、目标采样方位差信号δAzt|j、杂波采样方位差信号δAzc|j与电子干扰采样方位差信号δAzi|j、目标采样俯仰差信号δElt|j、杂波采样俯仰差信号δElc|j与电子干扰采样俯仰差信号δEli|j，j满足j∈{1，2，3，4，5}。
其中第一步中计算5个采样点的增益G1，G2，G3，G4和G5，具体做法如下：
设目标时延信号为Dt，杂波时延信号为Dc，电子干扰时延信号为Di，第j个采样点的增益为Gj，且j＝1，2，3，4，5，雷达观测对象的距离位置为R，则
其中x取t，c或i取决于雷达波束照射的观测对象，当雷达主波束照射目标时x＝t，照射杂波时x＝c，被欺骗干扰后照射假目标时x＝i，则x的取值可由雷达波束角位置和观测对象角位置计算得到。Ce表示光速，Rg表示雷达的距离门，Rg为：
其中Fs表示雷达采样频率。脉冲压缩采样是一定距离范围内的采样，不妨设这5个采样点中第j个采样点对应的距离Rj为：
5个采样点的增益就是其对应的距离在脉冲压缩曲线的采样值，在仿真中，设脉冲压缩曲线为PC，雷达发射波形为长度为N的调制波形M(n)，n＝1，2，3，...，N，N由雷达采样频率Fs计算为：
N＝τ·Fs
其中τ为雷达发射脉冲宽度，由脉冲压缩曲线产生原理知，PC为M(n)与其逆排序波形复共轭的卷积，即
PC＝conv(M(n)，M*(N-n))
其中conv表示卷积操作，M*(N-n)表示M(n)倒序的复共轭，PC的长度为2N+1，PC任意两点间对应的距离为Rg，一般情况下，因PC主瓣和第一副瓣包含大部分功率，仿真中只考虑主瓣和第一副瓣范围内的5个点进行增益计算，这5个点对应的距离为-2Rg，-Rg，0，Rg和2Rg，对应的脉冲压缩增益为PC中第N-1，N，N+1，N+2和N+3的值，记为Pcj，且j＝1，2，3，4，5，那么Gj计算为
其中Rg|k＝Rj表示-2Rg，-Rg，0，Rg和2Rg中第k个值与Rj相等，Rg|α＜Rj＜Rg|β表示-2Rg，-Rg，0，Rg和2Rg中与Rj差值绝对值最小的第α个和第β个值。特殊地，当雷达探测对象为电子干扰，且电子干扰为噪声干扰时，因为噪声干扰为随机信号，与雷达发射波形脉压后几乎没有增益，此时，令Gj＝1，j＝1，2，3，4，5。
第二步中计算第j个采样点的目标采样和信号εt|j、杂波采样和信号εc|j、电子干扰采样和信号εi|j、目标采样方位差信号δAzt|j、杂波采样方位差信号δAzc|j、电子干扰采样方位差信号δAzi|j、目标采样俯仰差信号δElt|j、杂波采样俯仰差信号δElc|j与电子干扰采样俯仰差信号δEli|j，具体做法如下：
目标和信号参数为Et、杂波和信号参数为Ec、电子干扰和信号参数为Ei，目标方位差信号参数为ΔAzt，、杂波方位差信号参数为ΔAzc、电子干扰方位差信号参数为ΔAzi、目标俯仰差信号参数为ΔElt、杂波俯仰差信号参数为ΔElc、电子干扰俯仰差信号参数为ΔEli。那么，那么采样和信号可以计算为：
εx|j＝Gj·Ex，j＝1，2，3，4，5，x＝t，c，i
其中j表示采样点序号，x＝t，c，i分别表示目标，杂波和电子干扰的采样和信号。采样方位差信号可以计算为：
8Azx|j＝Gj·ΔAzx，j＝1，2，3，4，5，x＝t，c，i
x＝t，c，i分别表示目标，杂波和电子干扰的采样方位差信号。采样俯仰差信号可以计算为：
δElx|j＝Gj·ΔElx，j＝1，2，3，4，5，x＝t，c，i
x＝t，c，i分别表示目标，杂波和电子干扰的采样俯仰差信号。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种雷达信号处理机脉冲压缩处理的数学建模方法，其特征在于包括脉冲压缩增益计算模块和匹配滤波模块；步骤如下：
步骤1：脉冲压缩增益计算模块根据收到的目标回波、杂波回波和电子干扰回波的时延信号，计算5个采样点的增益发送至匹配滤波模块；
设目标、杂波和电子干扰时延信号分别为Dt，Dc和Di，第j个采样点的增益为Gj，且j＝1,2,3,4,5；
根据目标、杂波和电子干扰时延信号分别为Dt，Dc和Di，计算雷达观测对象的距离位置R，则
其中x取t,c或i取决于雷达波束照射的观测对象，当雷达主波束照射目标时x＝t，照射杂波时x＝c，被欺骗干扰后照射假目标时x＝i，则x的取值由雷达波束角位置和观测对象角位置易得；Ce表示光速，Rg表示雷达的距离门，则
其中Fs表示雷达采样频率，脉冲压缩采样是一定距离范围内的采样，则这5个采样点中第j个采样点对应的距离Rj为：
5个采样点的增益就是其对应的距离在脉冲压缩曲线的采样值，在仿真中，设脉冲压缩曲线为PC，雷达发射波形为长度为N的调制波形M(n),n＝1,2,3,…,N，N由雷达采样频率Fs计算为：
N＝τ·Fs (4)
其中τ为脉冲宽度，由脉冲压缩曲线产生原理知，PC为M(n)与其逆排序波形复共轭的卷积，即
PC＝conv(M(n),M*(N-n)) (5)其中conv表示卷积操作，M*(N-n)表示M(n)倒序的复共轭，由式(4)知PC的长度为2N+1，PC任意两点间对应的距离为Rg，因PC主瓣和第一副瓣包含大部分功率，仿真中只考虑主瓣和第一副瓣范围内的5个点进行增益计算，这5个点对应的距离为-2Rg，-Rg，0，Rg和2Rg，对应的脉冲压缩增益为PC中第N-1,N,N+1,N+2和N+3的值，记为Pcj，且j＝1,2,3,4,5，那么Gj计算为
其中Rg|k＝Rj表示-2Rg，-Rg，0，Rg和2Rg中与Rj相等的值，Rg|α<Rj<Rg|β表示-2Rg，-Rg，0，Rg和2Rg中与Rj差值绝对值最小的两个值；特殊地，当雷达探测对象为电子干扰，且电子干扰为噪声干扰时，因为噪声干扰为随机信号，与雷达发射波形脉压后几乎没有增益，此时，Gj＝1，j＝1,2,3,4,5；
脉冲压缩增益计算模块将计算得到的5个采样点的G1,G2,G3,G4和G5传送至匹配滤波模块；
步骤2：匹配滤波模块将收到的包括目标、杂波和电子干扰的和信号参数，包括目标、杂波和电子干扰的方位差信号参数，以及包括目标、杂波和电子干扰的俯仰差信号参数和脉冲压缩增益计算模块传送的5个采样点的增益进行处理，生成采样点1信号，采样点2信号，采样点3信号，采样点4信号和采样点5信号，其中每个采样点信号包括该采样点的目标、杂波与电子干扰的采样和，采样方位差和采样俯仰差的信号；
设Εt,Εc和Εi分别表示目标、杂波和电子干扰的和信号参数，ΔAzt,ΔAzc和ΔAzi分别表示目标、杂波和电子干扰的方位差信号参数，ΔElt,ΔElc和ΔEli分别表示目标信号、杂波和电子干扰的俯仰差信号参数，采样点j的目标、杂波与电子干扰的采样和信号分别为εt|j、εc|j与εi|j，目标、杂波与电子干扰的采样方位差信号分别为δAzt|j、δAzc|j与δAzi|j，目标、杂波与电子干扰的采样俯仰差信号分别为δElt|j、δElc|j与δEli|j，其中j＝1,2,3,4,5，那么采样和信号可以计算为：
εx|j＝Gj·Ex,j＝1,2,3,4,5,x＝t,c,i (7)
其中j表示采样点序号，x＝t,c,i分别表示目标、杂波和电子干扰信号的类型；采样方位差信号可以计算为：
δAzx|j＝Gj·ΔAzx,j＝1,2,3,4,5,x＝t,c,i (8)
采样俯仰差信号可以计算为：
δElx|j＝Gj·ΔElx,j＝1,2,3,4,5,x＝t,c,i (9)
式(7)和式(8)中j和x的定义与式(6)相同。
2.一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1所述的方法。
3.一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求1所述的方法。
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