CN114200418A - 一种脉内多载频信号收发设计及回波重构方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种脉内多载频信号收发设计及回波重构方法，以解决脉内多载频信号经过间歇采样收发后导致回波不完整的问题，实现目标回波和距离像的精确重构。本发明采取的技术方案如下：第一步，子脉冲相位编码设计；第二步，收发互补序列设计；第三步，脉内多载频回波及距离像重构。本发明方法的优点：结合脉内多载频信号的特点，通过设计子脉冲编码方式及收发互补序列，实现了室内场中脉内多载频信号收发处理及回波重构，具有处理流程简单且重构回波更加精确的优势。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种脉内多载频信号收发设计及回波重构方法，属于辐射式雷达仿真领域，其具体内容为：在辐射式仿真中，针对间歇采样收发处理导致的回波缺失问题，设计了互补序列对脉内多载频信号进行收发处理，将收发互补序列的回波进行非相参累积处理，实现目标回波及距离像的重构。
【背景技术】
获取空间目标电磁特征、研究电磁波传播效应的方法主要有传统的外场试验和室内场辐射式仿真等方法。室内场辐射式仿真是对外场试验的等效模拟，相比外场试验，具有保密性好、可重复性高、灵活性高、电磁环境易控、实验成本低等优势。然而由于室内场空间较小，目标回波会在发射信号尚未被完全辐射前返回接收机，从而造成收发信号相互耦合而难以分离的问题。文献[1]X.Liu,J.Liu,F.Zhao,X.Ai and G.Wang,An EquivalentSimulation Method for Pulse Radar Measurement in Anechoic Chamber,in IEEEGeoscience and Remote Sensing Letters,2017,14(7):1081-1085.刘晓斌,刘进,赵锋,艾小锋,王国玉.一种微波暗室中脉冲雷达测量等效模拟方法[J].IEEE地球科学与遥感通讯,2017,14(7):1081-1085.提出通过间歇采样收发技术，将发射信号截成多个短脉冲进行发射，只需使得每个短脉冲的时宽足够小，便能避免收发耦合的情况，然后再将被截断的脉冲进行重构，恢复目标信息。
脉内多载频信号是雷达系统使用的常用信号，其单个脉冲内存在多个子脉冲，每个子脉冲内部为相位编码，子脉冲之间伴有随机的频率编码。典型的脉内多载频信号包含四个子脉冲，所以又被称为四载频信号(本发明将以四载频为代表来分析脉内多载频信号)。将脉内多载频信号用于室内场目标探测，同样面临收发信号互耦的问题。
针对室内场脉内多载频信号，本发明提出一种基于互补序列的收发处理及回波重构方法。根据脉内多载频信号内部子脉冲的编码特征及其非相参累积的处理方法，对每个子脉冲分别进行收发序列的设计。首先将四个子脉冲分为两组，每组两个，对每组的子脉冲设计相同的编码方式。在进行收发处理时，对每组内的两个子脉冲分别设计相位靠前和相位靠后的互补收发序列。接收到目标回波后，将每组内两个收发序列得到的子脉冲回波求和，即可实现子脉冲回波的重构。最后，对求和后得到的两个完整子脉冲进行非相参累积处理，就能得到重构的目标距离像。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是：设计一种基于互补序列的收发处理及回波重构方法，以解决脉内多载频信号经过间歇采样收发后导致回波不完整的问题，实现目标回波和距离像的精确重构。
本发明一种脉内多载频信号收发设计及回波重构方法，采取的技术方案如下：
第一步，子脉冲相位编码设计
将脉内多载频信号的子脉冲以两个为一组划分为多组，其中，每组的两个子脉冲采用相同的编码序列。若脉内多载频信号的子脉冲为M个，则可以得到
组，
表示向下取整。
第二步，收发互补序列设计
对每组的两个子脉冲分别进行相位在前和相位在后的间歇采样收发，即在一个间歇采样周期内，对每组的某一个子脉冲的前半段进行采样发射，而对另一个子脉冲的后半段进行采样发射，正好使其互补。
第三步，脉内多载频回波及距离像重构
间歇采样时，对每组的两个子脉冲分别进行相位在前和相位在后的间歇采样收发后，对编码相同的两个间歇回波进行变频后再进行求和处理，即可得到拥有完整的原始编码序列的子脉冲。
本发明的有益效果主要为：
结合脉内多载频信号的特点，通过设计子脉冲编码方式及收发互补序列，实现了室内场中脉内多载频信号收发处理及回波重构，具有处理流程简单且重构回波更加精确的优势。
【附图说明】
图1(a)是脉内四载频信号时域示意图，其中0和1表示不同的相位编码，图1(b)是脉内四载频信号时频图。
图2(a)是脉内四载频信号收发互补序列设计示意图，图2(b)是脉内多载频信号回波重构流程。
图3(a)是脉内四载频信号回波的时域，图3(b)是脉内四载频信号回波频域，图3(c)是脉内四载频信号回波的匹配滤波输出。
图4(a)是一组子脉冲中第一个收发序列所得回波，图4(b)是一组子脉冲中第二个收发序列所得回波。
图5(a)是重构得到的第一个子脉冲回波时域，图5(b)是重构得到的第二个子脉冲回波时域。
图6(a)是重构回波的脉压结果，图6(b)是完整脉内四载频信号的脉压结果。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明一种脉内多载频信号收发设计及回波重构方法，步骤如下：
第一步，子脉冲相位编码设计
根据信号的编码特性对收发控制信号的周期和占空比进行设计。脉内四载频信号波形如图1(a)所示，对应的时频图如图1(b)所示。为了使得接收到的码元均为完整的，设计收发控制信号的采样周期为脉内多载频信号内部码元宽度tb的偶数倍且脉冲占空比为0.5，即
其中，k为整数。
将子脉冲分为两组，每组两个子脉冲。下面以对其中一组的两个子脉冲的互补重构进行介绍，另一组重构的方式相同。
设一组内的两个子脉冲为相邻的，分别为s1(t)和s2(t)，另外两个子脉冲为s3(t)和s4(t)。以其中一组为例，将前后两个子脉冲的相位编码序列设为一致，使其拥有相同的编码序列。其子脉冲的一般时域表达式为：
其中，Tp为子脉冲信号的时宽，M为子脉冲码元数。
f1、f2分别为两个子脉冲的载频，tb为码元宽度，当采用二相编码时，
一般取0或π，此时有
为1或-1。
第二步，收发互补序列设计
收发控制信号表现为两个除相位外完全相同的矩形脉冲串p1(t)和p2(t)，如图2(a)所示，其表达式分别为：
其中，“*”表示卷积运算，rect(·)为矩形函数，δ(·)为冲激函数。
第二组子脉冲经接收后其相位相比原信号将超前半个收发周期Ts/2，所以根据公式四和公式五，两个子脉冲经收发处理后得到的表达式y1(t)和y2(t)分别为：
第三步，脉内多载频回波及距离像重构
1.相位对准
对互补的两个子脉冲进行相位对准，首先需要对其中一个子脉冲进行上(下)变频，使其与另一个子脉冲具有相同的载频。之后再将消去两个子脉冲的相位差，即两个子脉冲之间的时间间隔，当两个子脉冲相邻时，该间隔为Tp/4，具体操作为其中一个子脉冲乘以一个改变相位的冲激函数δ(t±Tp/4)。
接收到的回波信号相位相比原信号将超前半个收发周期Ts/2，因此将被延迟收发的子脉冲乘以δ(t-Ts/2)即可。根据公式六和公式七，经变频、相位对准后的两个子脉冲的表达式为：
2.信号重构
对两个互补收发序列所得子脉冲求和，如图2(b)所示，可得重构回波为：
其中，s1(t)为一组子脉冲的重构回波，正好为一个原始子脉冲，而另一组也使用相同的重构方法，得到的重构信号也将正好等于其中的一个原始子脉冲，假设其为s3(t)。最后，对s1(t)和s3(t)的脉压结果进行非相参累积即可得到重构的脉压结果。
对单个散射点进行脉内四载频信号的收发及回波重构处理，信号脉宽为51.2us，子脉冲宽度均为12.8us，码元宽度为0.1us。首先得到收发处理之前的回波如图3(a)所示，对回波进行傅里叶变换得到频谱如图3(b)所示，经过匹配滤波处理得到距离像如图3(c)所示。设收发周期为0.4us，采样占空比为0.5，得到收发处理后两组子脉冲回波如图4(a)和图4(b)所示。进行重构，得到图5(a)、(b)，可以看出，重构得到的两个子脉冲均为完整的子脉冲，且其载频、编码序列与原始子脉冲一致，所以子脉冲在时域上得到了完整的重构；从图6(a)、(b)可以看出，重构得到子脉冲经脉压、非相参累积得到的距离像中目标个数、目标位置等信息与完整脉内四载频得到的距离像一致，但目标峰值幅度为原始距离像的一半。
Claims (4)
1.一种脉内多载频信号收发设计及回波重构方法，其特征在于：步骤如下：
第一步，子脉冲相位编码设计
将脉内多载频信号的子脉冲以两个为一组划分为多组，其中，每组的两个子脉冲采用相同的编码序列；若脉内多载频信号的子脉冲为M个，则可以得到
组，
表示向下取整；
第二步，收发互补序列设计
对每组的两个子脉冲分别进行相位在前和相位在后的间歇采样收发，即在一个间歇采样周期内，对每组的某一个子脉冲的前半段进行采样发射，而对另一个子脉冲的后半段进行采样发射，正好使其互补；
第三步，脉内多载频回波及距离像重构
间歇采样时，对每组的两个子脉冲分别进行相位在前和相位在后的间歇采样收发后，对编码相同的两个间歇回波进行变频后再进行求和处理，即可得到拥有完整的原始编码序列的子脉冲。
2.根据权利要求1所述的一种脉内多载频信号收发设计及回波重构方法，其特征在于：所述的子脉冲相位编码设计，具体过程如下：
根据信号的编码特性对收发控制信号的周期和占空比进行设计，使收发控制信号的采样周期为脉内多载频信号内部码元宽度tb的偶数倍且脉冲占空比为0.5，即
其中，k为整数；
将子脉冲分为两组，每组两个子脉冲；设一组内的两个子脉冲为相邻的，分别为s1(t)和s2(t)，子脉冲的一般时域表达式为：
其中，Tp为子脉冲信号的时宽，M为子脉冲码元数；
f1、f2分别为两个子脉冲的载频，tb为码元宽度，当采用二相编码时，
一般取0或π，此时有
为1或-1。
3.根据权利要求1所述的一种脉内多载频信号收发设计及回波重构方法，其特征在于：所述的收发互补序列设计，具体过程如下：
收发控制信号表现为两个除相位外完全相同的矩形脉冲串p1(t)和p2(t)，分别为：
其中，“*”表示卷积运算，rect(·)为矩形函数，δ(·)为冲激函数；
第二组子脉冲经接收后其相位相比原信号将超前半个收发周期Ts/2，所以根据公式四和公式五，两个子脉冲经收发处理后得到的表达式y1(t)和y2(t)分别为：
4.根据权利要求1所述的一种脉内多载频信号收发设计及回波重构方法，其特征在于：第三步所述的求和处理，具体为：对两个互补收发序列所得子脉冲求和，可得重构回波为：
其中，s1(t)为一组子脉冲的重构回波，正好为一个原始子脉冲，而另一组也使用相同的重构方法，得到的重构信号也将正好等于其中的一个原始子脉冲，假设其为s3(t)；最后，对s1(t)和s3(t)的脉压结果进行非相参累积即可得到重构的脉压结果。
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