CN113805144A - 基于混沌单一混合编码mcpc信号设计方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于混沌单一混合编码MCPC信号设计方法与装置。该方法结合Logistic混沌序列的优势并对其改进运用到MCPC信号中以改善距离旁瓣；首先将编码信号的峰值旁瓣峰值之比作为评判自相关性能优劣的依据，然后利用混沌编码序列的伪随机性，对混沌序列进行两级筛选，设计出一种基于混沌单一混合编码MCPC信号。本方法设计的基于混沌单一混合编码MCPC信号具有良好的自相关旁瓣，可以提高对邻近距离单元弱小目标的检测能力。
Description
技术领域
本申请涉及雷达信号处理技术领域，特别是涉及一种基于混沌单一混合编码MCPC信号设计方法与装置。
背景技术
雷达波形进行脉冲压缩处理后可能产生距离旁瓣，过高的旁瓣会严重影响弱目标信号的检测，造成信号丢失。在复杂的电磁环境中，现有的发射波形脉冲压缩后旁瓣电平仍较高，难以满足实际应用。
多载波相位编码（Multi-carrier Phased Coded, 简称：MCPC）信号具有大时带宽积、低截获、抗干扰、数字化、波形灵活多变及频谱利用率高的优势，成为雷达波形研究热点之一。但是MCPC信号在脉冲压缩处理后会产生较高的距离旁瓣，旁瓣过高则将小目标淹没，从而丧失目标信号。
常规的脉冲压缩信号包括线性调频信号（LFM）、非线性调频信号（NLFM）以及相位编码信号。相位编码信号具有灵活的编码方式，其波形捷变能大大提高波形的复杂度，是现代高性能雷达体制常用的波形之一。然而，它的调制模式相对单一，所以需要与其他信号相结合进行复合调制。与单载波信号相比，多载波相位编码波形设计复杂且灵活多变，多维调制使脉压增益提升，距离分辨率得到改善，还具有杂波抑制和抗干扰性能强等优势成为研究热点。然而，对普通的MCPC信号脉冲压缩时距离旁瓣会较高，从而导致在强目标附近检测弱目标的难题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于混沌单一混合编码MCPC信号设计方法与装置。
一种基于混沌单一混合编码MCPC信号设计方法，所述方法包括：
获取多个Logistic混沌序列，并将多个所述Logistic混沌序列通过相位编码器调制，得到相位编码信号。
将所述相位编码信号进行串/并变换后的结果经过快速傅里叶逆变换，对变换后得到的相位编码信号进行自相关，筛选出使峰值旁瓣电平达到最低的混沌单一编码和多载频混沌编码。
将所述混沌单一编码和所述多载频混沌编码组合，并根据自相关性能最优的原则进行筛选，得到基于混沌单一混合编码MCPC信号相位编码信号。
将所述基于混沌单一混合编码MCPC信号相位编码信号分布在每个子载波上，再通过并/串转换及D/A转换，得到基于混沌单一混合编码MCPC信号。
一种基于混沌单一混合编码MCPC信号设计装置，所述装置包括：
混沌序列筛选模块，用于获取多个Logistic混沌序列，并将多个所述Logistic混沌序列通过相位编码器调制，得到相位编码信号；将所述相位编码信号进行串/并变换后的结果经过快速傅里叶逆变换，对变换后得到的相位编码信号进行自相关，筛选出使峰值旁瓣电平达到最低的混沌单一编码和多载频混沌编码。
编码组合模块，用于将所述混沌单一编码和所述多载频混沌编码组合，并根据自相关性能最优的原则进行筛选，得到基于混沌单一混合编码MCPC信号相位编码信号。
基于混沌编码的MCPC信号产生模块，用于将所述基于混沌单一混合编码MCPC信号相位编码信号分布在每个子载波上，再通过并/串转换及D/A转换，得到基于混沌单一混合编码MCPC信号。
上述基于混沌单一混合编码MCPC信号设计方法与装置，该方法结合Logistic混沌序列的优势并对其改进运用到MCPC信号中以改善距离旁瓣；首先将编码信号的峰值旁瓣峰值之比作为评判自相关性能优劣的依据，然后利用混沌编码序列的伪随机性，对混沌序列进行两级筛选，设计出一种基于混沌单一混合编码MCPC信号。本方法设计的基于混沌单一混合编码MCPC信号具有良好的自相关旁瓣，可以提高对邻近距离单元弱小目标的检测能力。
附图说明
图1为一个实施例中基于混沌编码的MCPC信号设计方法的流程示意图；
图2为另一个实施例中码片数对PSLR的影响；
图3为另一个实施例中筛选MCPC-S、MCPC-Chaos序列的流程；
图4为另一个实施例中MCPC-CS时频结构图；
图5为另一个实施例中三种信号的模糊函数图，其中（a）为 LFM信号模糊函数图，（b）为MCPC信号模糊函数图，（c）为MCPC-CS信号模糊函数图；
图6为另一个实施例中四种信号的ACF曲线，其中（a）为LFM信号ACF曲线，（b）为MCPC-Chaos信号ACF曲线，（c）为单一编码MCPC信号ACF曲线；
图7为另一个实施例中单一编码的长度K对PSLR的影响；
图8为另一个实施例中 MCPC-CS信号ACF曲线；
图9为一个实施例中基于混沌编码的MCPC信号设计装置的结构框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
自相关函数：Autocorrelation Function ，简称ACF。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于混沌编码的MCPC信号设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤100：获取多个Logistic混沌序列，并将多个Logistic混沌序列通过相位编码器调制，得到相位编码信号。
具体的，本发明采用的混沌序列二相码。混沌序列是一种容易生成的信号，数量多、形式随机而又确定，难以预测故具有保密性。
多个Logistic混沌序列是长度为N编码数为M的Logistic混沌序列。在进行相位编码时采用的是混沌序列二项码。
步骤102：将相位编码信号进行串/并变换后的结果经过快速傅里叶逆变换，对变换后得到的相位编码信号进行自相关，筛选出使峰值旁瓣电平达到最低的混沌单一编码和多载频混沌编码。
混沌序列可产生很多自相关性能不同的相位编码，这些编码自相关性能优劣不一，不能都应用在雷达上，要将性能较差的序列丢弃。因此我们需要对混沌编码进行筛选，选出使信号自相关主旁瓣比最大的码作为MCPC雷达的混沌二相码。
混沌单一编码是指码片数为1时的混沌编码。
步骤104：将混沌单一编码和多载频混沌编码组合，并根据自相关性能最优的原则进行筛选，得到基于混沌单一混合编码MCPC信号相位编码信号。
具体的，混沌单一编码MCPC信号（Multi-carrier phase encoding signal basedon chaos single encoding,MCPC-S）只有一个码元。虽然自相关性能最好，但失去了混沌编码随机性、保密性等优势，容易被截获。本发明利用混沌单一编码的优点，取码片数为40的混沌序列调制成MCPC-Chaos信号，将混沌单一编码与多载频混沌编码相结合形成多载波相位编码信号(Multi-carrier phase-encoded signal combining chaotic encodingand single encoding，MCPC-CS)，在增加反侦察能力的同时降低距离旁瓣。
步骤106：将基于混沌单一混合编码MCPC信号相位编码信号分布在每个子载波上，再通过并/串转换及D/A转换，得到基于混沌单一混合编码MCPC信号。
基于混沌单一混合编码MCPC信号是一种相位编码脉冲信号，相位编码脉冲信号具有近似于图钉的模糊图，能够同时测量目标速度和距离。
上述基于混沌编码的MCPC信号设计方法中，该方法结合Logistic混沌序列的优势并对其改进运用到MCPC信号中以改善距离旁瓣；首先将编码信号的峰值旁瓣峰值之比作为评判自相关性能优劣的依据，然后利用混沌编码序列的伪随机性，对混沌序列进行两级筛选，设计出一种基于混沌单一混合编码MCPC信号。本方法设计的基于混沌单一混合编码MCPC信号具有良好的自相关旁瓣，可以提高对邻近距离单元弱小目标的检测能力。
在其中一个实施例中，步骤104包括：设置混沌单一编码的采样位数为k，其中k为大于等于1且小于等于K的整数，K为混沌单一编码的长度；将混沌单一编码和多载频混沌编码组合，通过k调整混沌单一编码与多载频混沌编码的长度，对每种组合进行自相关运算得到峰值旁瓣电平值，经过K次迭代后，筛选出使峰值旁瓣电平值最低的组合信号，作为基于混沌单一编码的MCPC雷达信号相位编码信号。
在其中一个实施例中，步骤104中多载频混沌编码的表达式为：
其中，
N为子载波个数，M为码元数，
为第n个子载波的复加权因子，
为幅度加权函数，
为初相加权函数，
为第n个子载波的第m个码元内的混沌编码序列，
为各个码元时宽，
为混沌编码的子载波频率间隔，
。
基于混沌单一编码的MCPC雷达信号相位编码信号的表达式为：
其中，
在另一个实施例中，提供了一种基于混沌编码的MCPC信号的设计方法，在介绍设计方法之前，先将码片数对MCPC信号的旁瓣的影响进行分析：MCPC信号自相关函数与码片数M有关，由混沌序列进行编码调制的MCPC-Chaos信号的峰值旁瓣电平比（Peak-to-Sidelobe Level Ratio，简称：PSLR）随码片数的变化如图2所示。
当码片数M为1时，基于混沌编码的MCPC信号脉压旁瓣最低为-29dB左右，随着编码数的增加，自相关旁瓣越大，并逐渐稳定在-23dB左右。
由于码片数是单一的，可称此时的信号为混沌单一编码MCPC信号（MCPC-S）。MCPC-S只有一个码元，虽然自相关性能最好，但失去了混沌编码随机性、保密性等优势，容易被截获。因此在本实施例中利用单一编码的优点，取码片数为40的混沌序列调制成MCPC-Chaos信号，设计出一种混沌编码与混沌单一编码相结合的多载波相位编码信号(Multi-carrierphase-encoded signal combining chaotic encoding and single encoding，MCPC-CS)。在增加反侦察能力的同时降低距离旁瓣。
由于混沌序列的随机性，经过相位调制后的编码加入载波后自相关性能会变化。因此首先进入第一次筛选：筛选混沌单一编码序列和混沌序列，筛选混沌单一编码序列和混沌序列的步骤如图3所示。首先产生P个混沌序列，分别通过相位编码器将序列调制成相位编码信号，然后进行串/并变换后经过IFFT，把信号从频域转化为时域，对相位编码信号进行自相关，筛选出使峰值旁瓣电平达到最低的单一编码和混沌编码，两种编码信号的长度为K，进入第二轮筛选。
第二轮将刚才筛选出的混沌单一编码信号与混沌编码信号组合，并筛选出最优性能的组合信号。具体步骤为：令单一编码信号的采样位数为k（其中k为大于等于1且小于等于K的整数），通过k调整单一编码信号与混沌编码信号的长度。对每种组合进行自相关运算得到峰值旁瓣电平值，经过K次迭代后，筛选出使峰值旁瓣电平值最低的组合信号，作为MCPC-CS信号的相位编码信号。
将第二轮的相位编码信号分布在每个子载波上，再通过并/串转换及D/A转换，将信号转化为模拟信号，最后将信号搬移到射频并经天线发射出去。这就是MCPC-CS信号的产生过程。MCPC-CS信号的时频结构图如图4所示。
在一个仿真验证性实施例中，对三种信号进行仿真分析，分别为：线性调频信号LFM、基于混沌编码的MCPC信号以及基于单一编码与混沌编码相结合的MCPC-CS信号。设置仿真参数：时宽T=2us,带宽B=500M,
。
由三种信号的模糊函数图可知：线性调频LFM信号的模糊函数图呈”斜刀刃型”，存在距离多普勒耦合现象。由于MCPC-CS信号是在MCPC信号上进行的改进，所以其模糊函数图具有与MCPC信号类似的“图钉型”。MCPC-CS信号的模糊函数图在原点附近的峰值比MCPC信号更集中，旁瓣分布均匀平坦，因此具有更加优良的目标分辨能力且测量精度更高。三种信号的模糊函数图如图5所示，其中（a）为 LFM信号模糊函数图，（b）为MCPC信号模糊函数图，（c）为MCPC-CS信号模糊函数图。
自相关性能分析
分析线性调频LFM信号、多载波混沌二相编码MCPC-Chaos信号、单一编码MCPC信号、和MCPC-CS信号的自相关性能。
设置仿真参数时宽T=2us，带宽B=500MHz。且载波数N_sub与码片数M满足N_sub*M= T*B。四种信号的ACF曲线如图6所示，其中（a）为LFM信号ACF曲线，（b）为 MCPC-Chaos信号ACF曲线，（c）为单一编码MCPC信号ACF曲线。
单一编码MCPC的PSLR值为-29.4294，比MCPC_chaos的PSLR值要低9dB左右。旁瓣抑制效果高于普通的MCPC-Chaos信号，在MCPC-CS信号内引入适宜长度的单一编码可以改善自相关性能。通过控制单一编码的采样位数，经过脉冲压缩处理后，PSLR值的变化如图7所示。
本实施例综合波形的抗间歇采样干扰性能，通过迭代K值，在控制真实目标与干扰目标峰值比>1dB的条件下，选择使PSLR值最大的K=1843。MCPC-CS信号的自相关性能如图8所示：
由图6、图8可以看出，这三种信号的ACF性能最差的是LFM信号，本实施例设计的MCPC-CS信号的自相关性能最好，其PSLR值为-26.62，比LFM信号低13dB左右，比MCPC-Chaos信号低6dB左右。
本实施例利用混沌单一编码MCPC信号的低旁瓣性能，对混沌编码进行改进，提出了一种混沌编码与混沌单一编码混合相位调制的MCPC信号。MCPC-CS信号的模糊函数呈现出峰值集中的“图钉型”，提高了目标分辨率和精确度。对MCPC-CS信号进行自相关后，峰值旁瓣比明显低于未处理的多载波相位编码信号，距离分辨率有所提高。混沌单一编码的引入降低了旁瓣，在加上混沌编码本身的随机性，使ISRJ无法获得整个脉冲的时频特性，雷达回波与间歇采样干扰的相关性降低，与普通的混沌编码MCPC信号相比，真目标与假目标的峰值比能改善1dB左右，因此该波形具有研究价值与实用性。
在旁瓣抑制条件下，可以适应性的调整K值，使MCPC-CS信号能更加灵活的适应各种复杂的电磁环境中。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图9所示，提供了一种基于混沌编码的MCPC信号设计装置，包括：混沌序列筛选模块、编码组合模块和基于混沌编码的MCPC信号产生模块，其中：
混沌序列筛选模块，用于获取多个Logistic混沌序列，并将多个Logistic混沌序列通过相位编码器调制，得到相位编码信号；将相位编码信号进行串/并变换后的结果经过快速傅里叶逆变换，对变换后得到的相位编码信号进行自相关，筛选出使峰值旁瓣电平达到最低的混沌单一编码和多载频混沌编码。
编码组合模块，用于将混沌单一编码和多载频混沌编码组合，并根据自相关性能最优的原则进行筛选，得到基于混沌单一混合编码MCPC信号相位编码信号。
基于混沌编码的MCPC信号产生模块，用于将基于混沌单一混合编码MCPC信号相位编码信号分布在每个子载波上，再通过并/串转换及D/A转换，得到基于混沌单一混合编码MCPC信号。
在其中一个实施例中，编码组合模块，还用于设置混沌单一编码的采样位数为k，其中k为大于等于1且小于等于K的整数，K为混沌单一编码的长度；将混沌单一编码和多载频混沌编码组合，通过k调整混沌单一编码与多载频混沌编码的长度，对每种组合进行自相关运算得到峰值旁瓣电平值，经过K次迭代后，筛选出使峰值旁瓣电平值最低的组合信号，作为基于混沌单一编码的MCPC雷达信号相位编码信号。
在其中一个实施例中，编码组合模块中多载频混沌编码的表达式为如式（1）所示。基于混沌单一混合编码MCPC信号相位编码信号的表达式如式（2）所示。
关于基于混沌单一混合编码MCPC信号设计装置的具体限定可以参见上文中对于基于混沌单一混合编码MCPC信号设计方法的限定，在此不再赘述。上述基于混沌单一混合编码MCPC信号设计装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于电子设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于电子设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种基于混沌单一混合编码MCPC信号设计方法，其特征在于，所述方法包括：
获取多个Logistic混沌序列，并将多个所述Logistic混沌序列通过相位编码器调制，得到相位编码信号；
将所述相位编码信号进行串/并变换后的结果经过快速傅里叶逆变换，对变换后得到的相位编码信号进行自相关，筛选出使峰值旁瓣电平达到最低的混沌单一编码和多载频混沌编码；
将所述混沌单一编码和所述多载频混沌编码组合，并根据自相关性能最优的原则进行筛选，得到基于混沌单一混合编码MCPC信号相位编码信号；
将所述基于混沌单一混合编码MCPC信号相位编码信号分布在每个子载波上，再通过并/串转换及D/A转换，得到基于混沌单一混合编码MCPC信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述混沌单一编码和所述多载频混沌编码组合，并根据自相关性能最优的原则进行筛选，得到基于混沌单一混合编码MCPC信号相位编码信号，包括：
设置所述混沌单一编码的采样位数为k，其中k为大于等于1且小于等于K的整数，K为混沌单一编码的长度；
将所述混沌单一编码和所述多载频混沌编码组合，通过k调整混沌单一编码与多载频混沌编码的长度，对每种组合进行自相关运算得到峰值旁瓣电平值，经过K次迭代后，筛选出使峰值旁瓣电平值最低的组合信号，作为基于混沌单一编码的MCPC雷达信号相位编码信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述混沌单一编码和所述多载频混沌编码组合，并根据自相关性能最优的原则进行筛选，得到基于混沌单一编码的MCPC雷达信号相位编码信号，步骤中所述多载频混沌编码的表达式为：
其中，
N为子载波个数，M为码元数，
为第n个子载波的复加权因子，
为幅度加权函数，
为初相加权函数，
为第n个子载波的第m个码元内的混沌编码序列，
为各个码元时宽，
为混沌编码的子载波频率间隔，
；
所述基于混沌单一编码的MCPC雷达信号相位编码信号的表达式为：
其中，
4.一种基于混沌单一混合编码MCPC信号设计装置，其特征在于，所述装置包括：
混沌序列筛选模块，用于获取多个Logistic混沌序列，并将多个所述Logistic混沌序列通过相位编码器调制，得到相位编码信号；将所述相位编码信号进行串/并变换后的结果经过快速傅里叶逆变换，对变换后得到的相位编码信号进行自相关，筛选出使峰值旁瓣电平达到最低的混沌单一编码和多载频混沌编码；
编码组合模块，用于将所述混沌单一编码和所述多载频混沌编码组合，并根据自相关性能最优的原则进行筛选，得到基于混沌单一混合编码MCPC信号相位编码信号；
基于混沌编码的MCPC信号产生模块，用于将所述基于混沌单一混合编码MCPC信号相位编码信号分布在每个子载波上，再通过并/串转换及D/A转换，得到基于混沌单一混合编码MCPC信号。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，编码组合模块，还用于设置混沌单一编码的采样位数为k，其中k为大于等于1且小于等于K的整数，K为混沌单一编码的长度；将所述混沌单一编码和所述多载频混沌编码组合，通过k调整混沌单一编码与多载频混沌编码的长度，对每种组合进行自相关运算得到峰值旁瓣电平值，经过K次迭代后，筛选出使峰值旁瓣电平值最低的组合信号，作为基于混沌单一编码的MCPC雷达信号相位编码信号。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，编码组合模块中所述多载频混沌编码的表达式为：
其中，
N为子载波个数，M为码元数，
为第n个子载波的复加权因子，
为幅度加权函数，
为初相加权函数，
为第n个子载波的第m个码元内的混沌编码序列，
为各个码元时宽，
为混沌编码的子载波频率间隔，
；
所述基于混沌单一编码的MCPC雷达信号相位编码信号的表达式为：
其中，
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113805144B (zh) | 2022-02-08 |
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