CN115508820A - 一种线性调频脉冲雷达的目标探测方法 - Google Patents

一种线性调频脉冲雷达的目标探测方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种线性调频脉冲雷达的目标探测方法，涉及雷达领域。本申请包括获取雷达发射信号和目标回波信号；对雷达发射信号和目标回波信号混频、滤波、采样后进行一次快速傅里叶变换获得信号频谱；通过所述信号频谱中峰值所对应频率，以及与其最近的发射信号脉冲重频的谐波频率获取目标运动引起的多普勒频率，计算目标速度；通过对所述雷达发射信号和目标回波信号进行差频估计；通过所述差频与多普勒频率获取目标回波距离延时引起的差频，计算得到目标距离信息。本申请通过对回波进行一次傅里叶变换后完成目标速度距离测量，在提高算法实时性的同时使算法结构易于实现。

Description

一种线性调频脉冲雷达的目标探测方法
技术领域
本申请涉及雷达领域，尤其涉及在线性调频雷达中，具体涉及一种线性调频脉冲雷达的目标探测方法。
背景技术
线性调频雷达可以使用回波信号与发射信号的差频进行目标距离量测，但差频同样会受运动目标速度影响，因此会出现距离多普勒耦合现象。
传统方法此时需对回波信号进行二维傅里叶变换处理，该信号处理算法结构复杂，算法复杂度高。
如何更快速、高效测量目标的速度和距离信息，值得研究。
发明内容
本申请目的在于提供一种线性调频脉冲雷达的目标探测方法。
本申请解决传统方法信号处理算法结构复杂，算法复杂度高的问题，简化算法过程，本申请将LFM雷达多个周期接收信号与发射波形进行混频，然后对所有混频后信号进行采样并进行傅里叶变换。
在本申请的雷达体制中，目标回波在经过与原线性调频连续波混频后，只需进行一次一维快速傅里叶变换(FFT)，便可测量目标的速度和距离信息。
本申请通过下述技术方案实现：
第一方面，本申请提供一种线性调频脉冲雷达的目标探测方法，包括：
获取雷达发射信号和目标回波信号；
对雷达发射信号和目标回波信号混频、滤波、采样后进行一次快速傅里叶变换获得信号频谱；
所述信号频谱中峰值所对应频率，以及与其最近的发射信号脉冲重复频率(简称重频)的谐波频率获取目标运动引起的多普勒频率，计算目标速度；
通过对所述雷达发射信号和目标回波信号进行差频估计。通过所述差频与所述多普勒频率获取目标回波距离延时引起的差频，计算得到目标距离信息。
优选的，其中，所述发射信号为通过信号发生器产生线性调频脉冲信号，作为雷达发射信号。
优选的，所述通过信号频谱获取目标速度，包括：
依据所述信号频谱中峰值所对应频率，以及与其最近的发射信号脉冲重频的谐波频率获取目标运动引起的多普勒频率，多普勒频率为频谱峰值对应频率与其最近谐波频率之差。依据多普勒频率，计算目标速度。
优选的，通过对所述雷达发射信号和目标回波信号进行差频估计。运用估计差频与所述多普勒频率获取目标回波距离延时引起的差频，并计算得到目标距离信息，包括：
通过频谱校正获取回波信号与发射信号估计的差频，再通过所述多普勒频率获取回波距离延时引起的差频，回波距离延时引起的差频为所述回波信号与发射信号估计的差频与所述多普勒频率之差。
优选的，本申请提供的一种线性调频脉冲雷达的目标探测方法，具体步骤如下：
步骤1：运用线性调频脉冲信号发生器产生带宽为B，射频频率fG，调频斜率为μ，脉冲重复频率为fPRF，占空比为50％的线性调频脉冲信号；
步骤2：通过接收天线，接收多周期目标回波信号，将回波信号与步骤1产生的线性调频脉冲信号进行混频；
步骤3：混频后信号经过低通滤波器获得差频信号，差频信号经过ADC采样，采样频率为fs；
步骤4：上述采样信号作为后续数字信号处理器输入，对数字信号进行FFT处理获得频谱；
步骤5：从步骤4得到频谱提取多普勒频率及回波信号和发射信号差频，选定目标回波信号经处理后最大值位置与其最近的脉冲重频的谐波的差值为目标运动速度引起的多普勒频率fd，通过频谱最大值及其位置、最大值左右两峰值位置及幅值、频谱校正算法，获得基于混频的线性调频脉冲雷达处理后的差频信号频值fdiff，线性调频脉冲雷达中，目标回波距离延时引起的差频fτ＝fdiff-fd；
步骤6：通过步骤5中的fτ及fd获得目标速度v与距离R信息。
第二方面，本申请提供一种线性调频脉冲雷达的目标探测装置，包括：
线性调频脉冲信号发生器，用于向目标发射雷达发射信号；
混频器，用于对目标发射信号和回波信号混频；
滤波器，用于对目标发射信号和回波信号混频后的信号进行滤波；
ADC，用于对混频、滤波后的信号进行采样；
快速傅里叶模块，用于对滤波后的信号进行一次快速傅里叶变换获得信号频谱；
计算模块用于从所述频谱获取目标距离及速度，具体包括：通过所述信号频谱中峰值所对应频率，以及与其最近的发射信号脉冲重频的谐波频率获取目标运动引起的多普勒频率，计算目标速度；通过对所述雷达发射信号和目标回波信号进行差频估计；通过所述差频与所述多普勒频率获取目标回波距离延时引起的差频，计算得到目标距离信息。
第三方面，一种电子设备，包括：处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器；
所述存储器存储计算机执行指令；
所述处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，实现如第一方面中任一项所述的方法。
第四方面，一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器或芯片执行时实现如第一方面中任一项所述的方法。
第五方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现如第一方面任一项所述的方法。
本申请具有如下的优点和有益效果：
本申请通过对回波进行一次傅里叶变换后完成目标速度距离测量，在提高算法实时性的同时使算法结构易于实现。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本申请实施例的限定。在附图中：
图1为本申请实施例提供的一种线性调频脉冲雷达的系统原理示意图。
图2为本申请实施例中从所述频谱获取多普勒频率及目标回波距离延时方法示意图。
图3为本申请实施例中回波信号处理后正频率部分频谱图。
具体实施方式
在对本申请的任意实施例进行详细的描述之前，应该理解本申请的应用不局限于下面的说明或附图中所示的结构的细节。本申请可采用其它的实施例，并且可以以各种方式被实施或被执行。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性改进前提下所获得的所有其它实施例，均属于本申请保护的范围。
首先，线性调频雷达多周期回波信号首先与发射信号混频，然后进行快速傅里叶变换后，会在其脉冲重复频率及脉冲重频谐波位置形成峰值，而运动目标造成的多普勒效应会使峰值位置发生偏移，偏移量即为多普勒频率。在使用此频谱计算接收信号与发射信号差频时，分辨率为脉冲信号重复频率，获得差频频率精度较低。为提升精度，还需使用频谱校正等算法对差频频率进行进一步估计。
因此，本申请基于上述信号特性，提出一种高效LFM雷达目标探测方法，即一种线性调频脉冲雷达的目标探测方法。
本申请的提供的一种线性调频脉冲雷达目标探测的系统原理示意图如图1所示。
本申请的具体实施步骤如下：
步骤1：运用线性调频脉冲信号发生产生带宽为B，射频频率fG，调频斜率为μ，脉冲重复频率为fPRF，占空比为50％的线性调频脉冲信号。
步骤2：通过接收天线，接收多周期目标回波信号，回波信号与步骤1的线性调频脉冲信号进行混频。
步骤3：混频后信号经过低通滤波器获得差频信号，差频信号经过ADC采样，采样频率为fs。
步骤4：上述采样信号作为后续数字信号处理器输入。对数字信号进行FFT处理获得频谱。
步骤5：从步骤4得到频谱中提取多普勒频率及回波距离延时引起的差频的方法的示意图如图2所示。图2中，实线为静止目标回波处理后频谱，虚线为同一位置运动目标回波处理后频谱。可以看到，静止目标的回波经处理后会在脉冲重复频率的谐波位置形成峰值，且越靠近真实差频的位置峰值越高，而运动目标回波处理后峰值位置会因多普勒效应发生偏移。具体表现为靠近雷达的目标回波峰值位置偏移至谐波位置右侧，而远离雷达的目标回波峰值位置偏移至谐波左侧。因此，目标回波信号经处理后最大值所对应频率与其最近的脉冲重频的谐波频率的差值即为目标运动速度引起的多普勒频率，图中表示为fd。然后，通过频谱最大值及其位置、最大值左右两峰值位置及幅值、频谱校正算法，获得基于混频的线性调频脉冲雷达处理后的差频信号频值fdiff。
在本申请实施例中，提供的线性调频脉冲信号为占空比为50％的线性调频脉冲雷达，对占空比为50％的线性调频脉冲信号采用的频谱校正方法如下：如果最大值所对应频率右侧峰值幅值大于左侧，公式为：
Figure BDA0003852356070000041
反之，公式为：
Figure BDA0003852356070000042
其中，fmax为最大值对应频率，fPRF为脉冲重复频率，Xmax为频谱幅值最大值，Xleft、Xright分别为最大值左右两个谐波偏移后对应位置谱线幅值。当线性调频脉冲雷达占空比不为50％时，需要使用其他的频谱校正算法计算fdiff，与本申请计算逻辑类似，本申请不再赘述。其中，线性调频脉冲雷达中，fdiff＝fτ+fd，因此目标回波距离延时引起的差频fτ＝fdiff-fd。
步骤6：通过步骤5中的fτ及fd获得目标速度v与距离R信息，公式如下：
Figure BDA0003852356070000051
Figure BDA0003852356070000052
其中，c为光速，μ为调频斜率，fG为射频载波频率。
实施例：
设待测目标距离R＝1km，速度v＝50m/s，信噪比SNR＝-10dB使用传统线性调频信号雷达对该目标进行探测时，无法在一次FFT获得目标精确的速度与距离信息。而使用本申请的探测方法，便可降低算法复杂度，且硬件结构简单。
设置脉冲信号重复频率fPRF＝50kHz,产生线性调频信号的带宽B＝20MHz，射频频率fG＝10GHz，占空比为50％，脉冲时宽为10μs。调频斜率μ＝2BfPRF＝2×1012，回波信号采样频率fs＝40MHz，单次处理采集30周期回波数据。上述参数设置雷达中，回波信号经本申请信号处理步骤处理后获得频谱如图3所示，频谱最大值所对应频率为13353.3kHz，与最近谐波偏移量为3.3kHz，即多普勒频率fd＝3.3kHz，根据多普勒频率求得目标速度
Figure BDA0003852356070000053
运用频谱校正及频谱最大值，最大值左右两峰值位置及幅值，获得差频信号频率fdiff＝13.3333MHz。根据fdiff及fd获得回波距离延时差频fτ＝fdiff-fd＝13.33MHz，进一步求得目标距离
Figure BDA0003852356070000054
从上述结果可以看出本申请的方法可以在一次傅里叶变换后完成对目标速度和距离的测量，且结果误差较小，成功降低原有算法复杂度，且本申请方法结构简单，易于实现。上述举例针对的是单目标的速度、距离检测，若为多目标的速度、距离检测，可做类似处理。
以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种线性调频脉冲雷达的目标探测方法，其特征在于，包括：
获取雷达发射信号和目标回波信号；
对雷达发射信号和目标回波信号混频、滤波、采样后进行一次快速傅里叶变换获得信号频谱；
通过信号频谱获取多普勒频率，并计算目标速度；
通过对所述雷达发射信号和目标回波信号进行差频估计，通过所述差频估计与多普勒频率获取目标回波距离延时引起的差频，计算得到目标距离信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述发射信号为通过信号发生器产生线性调频脉冲信号，作为雷达发射信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过信号频谱获取多普勒频率，并计算目标速度，包括：
依据所述信号频谱中峰值所对应频率，以及与其最近的发射信号脉冲重频的谐波频率获取目标运动引起的多普勒频率，多普勒频率为频谱峰值对应频率与其最近谐波频率之差；依据多普勒频率，计算目标速度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过对所述目标发射信号和回波信号进行差频估计，与所述多普勒频率获取目标回波距离延时引起的差频，计算得到目标距离信息，包括：
通过频谱校正获取回波信号与发射信号估计的差频，再通过所述多普勒频率获取回波距离延时引起的差频，回波距离延时引起的差频为所述回波信号与发射信号估计的差频与所述多普勒频率之差。
5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1：运用线性调频脉冲信号发生产生带宽为B，射频频率fG，调频斜率为μ，脉冲重复频率为fPRF，占空比为50％的线性调频脉冲信号；
步骤2：通过接收天线，接收多周期目标回波信号，回波信号与步骤1的线性调频脉冲信号进行混频；
步骤3：混频后信号经过低通滤波器获得差频信号，差频信号经过ADC采样，采样频率为fs；
步骤4：上述采样信号作为后续数字信号处理器输入，对数字信号进行FFT处理获得频谱；
步骤5：从步骤4得到频谱提取多普勒频率及回波信号和发射信号差频，选定目标回波信号经处理后最大值所对应频率与其最近的脉冲重频的谐波频率的差值即为目标运动速度引起的多普勒频率fd，通过频谱最大值及其位置、最大值左右两峰值位置及幅值、频谱校正算法，获得基于混频的线性调频脉冲雷达处理后的差频信号频值fdiff，线性调频脉冲雷达中，目标回波距离延时引起的差频fτ＝fdiff-fd；
步骤6：通过步骤5中的fτ及fd获得目标速度v与距离R信息。
6.一种线性调频脉冲雷达的目标探测装置，其特征在于，包括：
线性调频脉冲信号发生器，用于向目标发射雷达发射信号；
混频器，用于对雷达发射信号和目标回波信号混频；
滤波器，用于对雷达发射信号和目标回波信号混频后的信号进行滤波；
ADC，用于对混频、滤波后的信号进行采样；
快速傅里叶模块，用于对滤波后的信号进行一次快速傅里叶变换获得信号频谱；
计算模块，用于从所述频谱获取目标距离及速度，具体包括:通过所述信号频谱中峰值所对应频率，以及与其最近的发射信号脉冲重频的谐波频率获取目标运动引起的多普勒频率，计算目标速度；通过对所述雷达发射信号和目标回波信号进行差频估计；通过所述差频与所述多普勒频率获取目标回波距离延时引起的差频，计算得到目标距离信息。
7.一种计算机程序产品，其特征在于，包括计算机程序，该计算机程序被处理器或芯片执行时实现如权利要求1至5中任一项所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现如权利要求1至5中任一项所述的方法。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器；
所述存储器存储计算机执行指令；
所述处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，实现如权利要求1至5中任一项所述的方法。
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