CN1490634A - 频率捷变prt去卷积方法和系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达信号处理，尤其涉及使用扩频技术发送的频率捷变脉冲重复时间采样信号的信号处理。本发明特别解决了多普勒处理和扩展频谱之间的不兼容性，以便提供改进的抗干扰技术而不缩窄多普勒测距。本发明的去卷积方法包括下列步骤：在一个脉冲串中组合具有相同载波的脉冲；变换获得的信号从时域到频域；去卷积获得的频谱。在一实施例中，该去卷积方法适于不规则PRT采样信号，包括在组合步骤和变换步骤之间的一个不规则采样到规则零填充采样的转换步骤。

Description

频率捷变PRT去卷积方法和系统及其应用

技术领域

本发明涉及雷达信号处理。尤其是，本发明涉及使用扩展频谱技术传送的频率捷变脉冲重复时间(PRT)采样信号的信号处理。

背景技术

射频(RF)脉间捷变性是被称为扩展频谱技术的频率跳动。作为RF脉间捷变性涉及改变每个脉冲的载波频率。这表示一个比发射和接收一个脉冲需要的最小带宽宽很多的频带。

RF脉间捷变性的主要优点是提高抗失真和干扰的能力。从四十年代和八十年代，扩展频谱已经分别地改善雷达和通信。除了失真抑制之外，这种扩展频谱还可以导致高灵敏度分辩率、频率相关性等。

即使当相应的多普勒速度在一个脉冲(即，在相关的处理间隔之内)之内保持不变的时候，上述的RF脉间捷变性表示随时间变化的多普勒频谱。当多普勒频率从一个脉冲改变到另一个的时候，随时间变化的频谱的频谱分析指的是在雷达的应用中的多普勒数据处理。

传统的多普勒数据处理不能满足要求，因为在一个脉冲期间它们是基于恒定的频率。这是为什么RF捷变性与相关处理的组合始终被认为是困难的理由(如果并非不可能)。

即使当带有该多普勒相位的雷达信号可以被每个脉冲提取的时候，在多普勒数据处理中将只是开始较重要的问题，主要因为该接收的多普勒(Doppler)相位和该目标跟踪雷达截面对于不同的载波可能不同。

在一个全相干雷达中，所有的频率从单个的基准振荡器产生，因此该相位相干性是固有的。载波频率f_RF、中间频率f_A和f_LO、采样频率f_S以及脉冲重复频率f_PRF是从唯一的振荡器产生的。此外，RF频率捷变雷达需要一个以上的中频f_A，n，使得每个脉冲可以产生多个不同的频率f_RF，n。

相干积分需要反射脉冲的非随机相位。在一个相干雷达中，发射的相位是已知的，但是在传播期间，这种较好控制的相位可能被破坏。

在时间延迟t上，在第n个脉冲之后，该接收的雷达信号s(t_n)，t_n＝τ+(n+1)t_PRT(在模拟-数字转换之后)可以被模型化为下列：

$S\left(t_n\right)=\mathrm{\α}\·g({\mathrm{\ωt}}_n-\mathrm{\θ})\·e^{\mathrm{j\φ}\left(t_n\right)}\⇒e^{\mathrm{j\φ}\left(t_n\right)}$

这里α，g()和φ()分别地表示取决于该目标跟踪雷达截面的复合目标回波，带有扫描频率ω和目标方位角θ的双向天线电压增益图形，以及瞬时相位。在一个脉冲内该天线方向图被假定为是恒定的，例如g()＝1。通常，脉冲重复时间t_PRT也是恒定的。

RF捷变性的另一个缺点是，如果一个目标包含许多的散射体而不是单个的散射体，此外如果单个的散射体随机地移动，RF捷变性可以使目标回波α从脉间独立地波动。

如果假定一个(占主要地位的)散射体并且没有脉间相关性，反射的脉冲的相位仍然是非随机的。除离散傅里叶变换之外需要其他的多普勒数据处理，除非采样被从具有相同的频率的脉冲中采集。

在一个极端的目标模型，例如诸如Swerling模型II中，许多的散射体平等地对该反射信号出力。其结果幅度是瑞利(Rayleigh)分布，并且该结果相位只能被假设为在[0，2π]中均匀分布。因此，不是多普勒数据处理，而是只有非相干积分是可应用的。

通过假定反射器不互相影响或者随机地移动，存在需要的非随机的相位。但是，该幅度可变性比相位可变性具有显著更少的麻烦。通常，它在该多普勒数据处理的结果中将增加噪声。

雷达回波的解相关表示没有相干性，即，不知道相位，或者最终不知道径向速度。幸好地，存在频率相关性的岛，其取决于该目标尺寸和位置，但是也取决于无线电频率和其变化。因此，RF捷变性模式可以被选择，导致启动相干处理的相关雷达回波。

总之，随时间变化的频谱存在于一个相干的多普勒RF捷变的脉冲雷达中。因此，不再施加傅里叶分析。

在1990年，IEEE国际雷达会议的科研报告集，Oderiand，I.，Nordlof，Leijon，B.，论文“高精确度35GHz跟踪雷达”中，通过合成具有相同的载波的脉冲，随时间变化的频谱被避免。这篇论文公开了上述的方法可以被仅适用于恒定脉冲重复时间(PRT)。但是，这个信号波形降低多普勒测距。这指的是随着在一个脉冲中不同载波频率的数量的增加，可能明确的多普勒速度的范围快速降低。

发明内容

本发明解决以上所述的缺点，尤其是解决在多普勒处理和扩展频谱之间的不兼容性，这样提供一种改善的抗干扰技术而缩窄多普勒测距。

本发明的一个目的是一种用于去卷积的方法，包括下列步骤：

[S0]组合一个脉冲串中具有相同载波的脉冲；

[S2]变换获得的信号从时间域到频率域；

[S6]去卷积所获得的频谱。

在本发明的第一个实施例中，这种去卷积方法适合于不规则PRT采样信号，包括一个在该组合步骤和该变换步骤之间的一个不规则采样到规则的零填充采样转换步骤[S1]。

本发明的另一个目的是提供一种脉冲重复时间采样信号x(t_m)的去卷积系统，其特征在于它包括：

组合装置，用于组合一个脉冲串中具有相同频率的脉冲；

变换装置，用于变换这些脉冲从时间域到频率域；

去卷积装置，用于频谱的去卷积。

在本发明另一个目的的第一个实施例中，这种去卷积系统包括转换装置，用于将不规则采样x(t_m)转换为规则的零填充采样r(iT_ε)，这些转换装置从组合装置接收依据频率分组的不规则脉冲，并且发送零填充采样到该变换装置。

本发明的又一个目的是提供一种发射/接收系统，其使用在上面描述的去卷积方法，该系统包括：一个天线1，一个基准振荡器6，一个模数转换器13，以及一个处理器，该处理器执行以上描述的去卷积方法。

此外，本发明的又一个目的是在雷达系统中应用上述的去卷积方法。

本发明进一步的一个目的是作为抗干扰使用上述的去卷积方法。

以下参考附图描述本发明的实施例，可以理解本发明进一步的特点和优点，附图示出的细节对于本发明是很重要的。在本发明的一个实施例中，在本发明的实施例中可以分别实现各个细节或者以任意组合方式共同实现各个细节。

附图简述

图1是根据本发明的相干多普勒射频捷变脉冲雷达前端的方框图；

图2是根据本发明的与不规则脉冲重复时间采样叠加的脉冲串的示意图；

图3是根据本发明的去卷积方法中的有效步骤的流程图。

具体实施方式的描述

图1示出一个雷达中的收发两用机部分的方框图，其使用根据本发明的去卷积方法。该雷达的天线1可以例如由一个固定辐射天线组成，其连接到一个例如由一个环行器组成的双工器2。

以一种本质上已知的方式连接该双工器2至发射单元3和混频器10，该混频器10的输出端连接到中频放大器11。本地振荡器6经由倍频器7连接到该混频器10，并且发射一个其频率为f_A，n的信号，该频率f_A，n构成一个中频，该中频是本地中频f_LO的倍数：f_A，n＝K_A，nf_LO。

一个脉冲调制器4连接到该发射单元3(该发射单元3例如由一个射频放大器组成)，并且间接地连接到该本地振荡器6。该脉冲调制器4在某一预定的载波频率f_RF，n＝f_A，n+f_LO之上、以某一预定的脉冲重复频率f_PRF＝f_LO/K_PRF调制该信号。该载波频率f_RF，n由控制器9给出，该控制器9增加直接从基准本地振荡器6接收的第一中频f_LO，以及由该倍频器7产生的第二中频f_A，n。该脉冲重复频率f_PRF是由分频器5产生的，该分频器5被连接到该基准本地振荡器6的输出端，f_PRF＝f_LO/K_PRF。它是通过改变K_PRF不规则生成的。

此外，一个信号处理单元12连接到该中频放大器11的输出端和该基准本地振荡器6。它由一个鉴相器组成，其再现多普勒频率，并将其发射到一个模数(A/D)转换器13。该模数(A/D)转换器13还连接到一个倍频器8的输出端，该倍频器8产生一个采样频率f_s。该倍频器8连接到基准本地振荡器6，因此采样频率取决于该中频：f_s＝K_sf_LO。

在图1中示出的单元对应于在根据本发明的相干多普勒RF捷变脉冲雷达前端中的那些单元。所有的频率是从单一的基准振荡器产生的，所以相位相干性是固有的。载波频率f_RF、中频f_A和f_LO、采样频率f_s以及脉冲重复频率f_PRF是从唯一的振荡器6产生的。

放大器3和11由射频放大器组成，以便该前端是一个RF雷达放大器。此外，频率捷变雷达需要一个以上的中频f_A，n，以便可以产生多个不同的载波频率f_RF，n

图2示出根据本发明的第一个实施例与不规则脉冲重复时间采样叠加的脉冲串。在去卷积方法的第一步骤中，具有相同射频的脉冲被组合，如画有阴影线的RF1脉冲所示。

不规则采样没有广泛地用作均匀采样，因为采用不规则采样的频率时间分析更合适。

随机取样通常涉及被加到规则的抽样时间的随机数。随机采样的基于DFT的功率频谱由信号加上附加的不相关噪声的功率频谱组成。例如，即使一个以尼奎斯特(Nyquist)取样频率采样的无噪声信号，输出信噪比可能仅是1。

确定的不规则采样涉及以平均取样间隔T_s周期性地重复K个不规则间隔的相同序列。当K＝2的时候，该采样通常被称为隔行采样，并且当K具有一个任意长度的时候，被通常称为多速采用或者集束采用。由于这样的采样集包含K个规则采样集，DFT(离散傅立叶变换)在以采样频率1/T_s限制的范围内给出K个峰值(信号的每一个频率分量)。

对于任何规则的采样集{nT}，使得T≤1/(2B)，限于频带B的一个实信号x(t)写作x(t)＝∑_nx(nT)sin c[2B(t-nT)]。理论上不规则采样是较好理解的，但是其方法通常是非常复杂化的。对于一个不规则采样集{t_n}，利用双正交基{sin c[2B(t-nT)]和{ψ_n(t)}的重建写作：

x(t))＝∑_nc_n·sin c[2B(t-t_n)]＝∑_nx(t_n)ψ_n(t)这里C_n是x(t)与{ψ_n(t)}的内积。如果集合{t_n}被限制为|t-t_n|＜1/(8B)，ψ_n(t)是拉格朗日插值函数。基函数还可以是帧，即不需要其正交性的基。帧条件越弱，对实际用途越有用。

在美国专利US 6,081,221中提出的NSSL幅值去卷积被用于交错采样方案的地面雷达多普勒处理。通常，一个NSSL采样集{t_m}是多速率的，带有速率K和平均间隔T_K。一个NSSL时间间隔(t_m+1-t_m)和整个的序列KT_s是最大共用时间间隔T_ε的整数倍，KT_s＝LT_ε，所以最小的规则集{iT_ε}可以包含{t_m}，{t_m}{iT_ε}。

因此，不规则采样x(t_m)被转换为零填充的采样r(iT_ε)，该零填充的采样r(iT_ε)是一个采样方案C_i和规则采样x(iT_ε)的积，c_i＝δ(iT_ε-t_m)。

基于这个关系式：r＝diag(c).x(以矢量形式)，x的频谱可以被导出如下：

dft(r)＝dft(c)*dft(x)＝c·dft(x)

dft(x)|＝|C|^-1·|dft(r)|

这里C是一个托布里兹矩阵，其行向量被周期地移位dft(c)。由于C是单一的，因此是不可逆的，NSSL概念将采用幅值代替。只是在乘积C·dft(x)中没有复数相加时它是可应用的。这个条件包含x的带宽，但是对于大多数雷达它不是一个限制条件。

在比平均采样频率f_S宽L/K倍的一个频率范围中，频谱dft(r)包含频谱|dft(x)|的L个副本，其被来自|dft(c)|的系数加权。去卷积给出最强的副本，即信号频谱|dft(x)|。

仅有NSSL方法支持高于乃奎斯特(Nyquist)频率的频率，即达到采样频率的L/K倍的频率。

在跟踪雷达中，这里期望的多普勒效应是相当地公知的，由NSSL支持的信号频谱可能是足够的。即，使用幅值

dft(r)＝dft(c)*dft(x)＝c·dft(x)

|dft(x)|＝|C|^-1·|dft(r)|

表示信号x的频谱不能宽于N/L谱线，这里N和L分别地是规则采样(即，矢量r和x的长度)的数目和基本不规则序列的长度。它在信号频谱宽于N/L的情况下还可以工作，但是在谱线之间没有距离可以是N/L的一个整数倍。

明确的频率的范围可以无限制地扩展，但是随着采样复杂性的增加，杂波滤波变得更加复杂。

对于这个用途，该去卷积方法的一个实施例包括一个转换步骤。它的要点在于具有相同RF的不规则采样到规则的零填充采样转换。这是用于每个射频的转换。

根据本发明的去卷积方法是由图3举例说明的。这个方法可以概括为下列步骤：

[S0：组合步骤]通过载波(射频)组合这些脉冲；

[S2：DFT步骤]计算这些规则采样的频谱dft(r)；

[S6：去卷积]剩余的频谱被去卷积。

在实施用于不规则脉冲重复时间采样的去卷积方法的第一实施例中，已经在该组合步骤[S0]和该DFT步骤[S2]之间增加了另一个步骤。这个步骤是：

[S1：转换步骤]将不规则采样x(t_m)转换为规则采样r(iT_ε)。

在DFT步骤[S2]和去卷积步骤[S6]之间可以存在下列其他的步骤：

[S3：隔离步骤]在大于几个距离波门之上通过采取杂波扩展隔离杂波频谱；

[S4：估计]从隔离的杂波频谱的平均值和宽度估计杂波谱线；

[S5：减去]从总频谱dft(r)中减去杂波频谱；

其中在步骤S5和S6，调整计算被调整为杂波类型乘由步骤S3给出的杂波频谱。

在第二实施例中，频谱dft(c)还可以被计算，并且在步骤S2发现其L个非零的成分。在第三实施例中，杂波频谱的幅度可以在步骤S4中被估计。因此，在步骤S5和S6之间基于L个非零的谱分量，可以减少卷积运算。在其他的实施例中，可以组合第二和第三实施例。

此外，从在 f_d＝arg[r(τ₁)]/(2πτ₁)中的平均值和/或在隔离频谱的 ${\mathrm{\σ}}_f=\frac{\sqrt{\ln \[\mathrm{\ρ}\left({\mathrm{\τ}}_1\right)/\mathrm{\ρ}\left({\mathrm{\τ}}_2\right)\]}}{\sqrt{6}\mathrm{\π}{\mathrm{\τ}}_1}\⇒{\mathrm{\σ}}_{c1}>{3\mathrm{\σ}}_f$ 中的宽度可以估计杂波谱线[S4]。此外，杂波频谱的幅度可以被通过 估计[S4]。

在

dft(r)＝dft(c)*dft(x)＝c·dft(x)

|dft(x)|＝|C|^-1·|dft(r)|

中的剩余频谱被去卷积之前，在

dft(r)＝dft(c)*dft(x)＝c·dft(x)

|dft(x)|＝|C|^-1·|dft(r)|

中可以减少卷积运算[S6]。

根据本发明的去卷积方法的一个优点是它工作在乃奎斯特(Nyquist)频率之上，对于任何类型的杂波提供滤波方法，并且提供抗干扰。

一般地说，这样的去卷积系统，可用于使用扩频技术去卷积的任何类型的不规则采样信号，不仅是雷达信号。

Claims (20)

1.一种捷变脉冲重复时间采样信号x(t_m)的去卷积方法，包括下列步骤：

[S0]组合在一个脉冲串中具有相同载波频率的若干个脉冲；

[S2]变换获得的信号从时域到频域；

[S6]去卷积这些频谱。

2.根据权利要求1的去卷积方法，进一步包括：在时间到频率变换步骤[S2]内，通过频率计算采样的离散傅里叶变换。

3.根据权利要求1的去卷积方法，还包括在时间到频率变换步骤[S2]内的下列子步骤：

计算采样方案频谱dft(c)；

搜索其L个非零分量。

4.根据权利要求2的去卷积方法，进一步包括在时间到频率变换步骤[S2]内的下列子步骤：

计算采样方案频谱dft(c)；

搜索其L个非零分量。

5.根据权利要求1的去卷积方法，进一步包括：如果x(t_m)是一个不规则脉冲重复时间采样信号，在组合步骤[S0]和时间到频率变换步骤[S2]之间的一个不规则采样x(t_m)到规则的零填充采样r(iT_ε)转换步骤[S1]。

6.根据权利要求2的去卷积方法，进一步包括：如果x(t_m)是一个不规则脉冲重复时间采样信号，在组合步骤[S0]和时间到频率变换步骤[S2]之间的一个不规则采样x(t_m)到规则的零填充采样r(iT_ε)转换步骤[S1]。

7.根据权利要求3的去卷积方法，进一步包括：如果x(t_m)是一个不规则脉冲重复时间采样信号，在组合步骤[S0]和时间到频率变换步骤[S2]之间的一个不规则采样x(t_m)到规则的零填充采样r(iT_ε)转换步骤[S1]。

8.根据权利要求4的去卷积方法，进一步包括：如果x(t_m)是一个不规则脉冲重复时间采样信号，在组合步骤[S0]和时间到频率变换步骤[S2]之间的一个不规则采样x(t_m)到规则的零填充采样r(iT_ε)转换步骤[S1]。

9.根据权利要求1的去卷积方法，进一步包括：在时间到频率变换步骤S2]和去卷积步骤[S6]之间的下列步骤：

-[S3]在多于若干个距离波门上通过采取杂波扩展隔离杂波频谱；

-[S4]从被隔离的杂波频谱的平均值和宽度估计杂波谱线；

-[S5]从总的频谱中减去所估计的杂波频谱。

10.一种捷变的脉冲重复时间采样信号x(t_m)的去卷积系统，包括：

组合装置，组合一个脉冲串中具有相同频率的脉冲；

变换装置，变换这些脉冲从时域到频域；

去卷积装置，用于频谱的去卷积。

11.根据权利要求1的去卷积系统，进一步包括转换装置，其用于将不规则采样x(t_m)转换为规则的零填充采样r(iT_ε)，这些转换装置从组合装置接收依据频率分组的不规则脉冲，并且发送零填充采样到该变换装置。

12.根据权利要求11的去卷积系统，进一步在该变换装置和该去卷积装置之间包括：

隔离装置，用于通过采取杂波扩展在多于若干个距离波门上隔离dft(r)中的杂波频谱；

估计装置，用于从被隔离的杂波频谱的平均值和宽度中估计杂波谱线；

减法装置，用于从总频谱dft(r)中减去所估计的杂波频谱。

13.根据权利要求12的去卷积系统，进一步在该变换装置和该去卷积装置之间包括：

隔离装置，用于在多于若干个距离波门上通过采取杂波扩展隔离dft(r)中的杂波频谱；

估计装置，用于从被隔离的杂波频谱的平均值和宽度估计杂波谱线；

减法装置，用于从总频谱dft(r)中减去所估计的杂波频谱。

14.一种发射/接收系统，包括：一个天线；一个基准振荡器；载波频率合成装置，连接到该基准振荡器；脉冲重复频率合成装置，连接到该基准振荡器，一个模数转换器，以及一个处理器，包括执行根据权利要求1的去卷积方法的处理器。

15.一种发射/接收系统，包括：一个天线；一个基准振荡器；载波频率合成装置，连接到该基准振荡器；脉冲重复频率合成装置，连接到该基准振荡器，一个模数转换器，以及一个处理器，包括执行根据权利要求2的去卷积方法的处理器。

16.一种发射/接收系统，包括：一个天线；一个基准振荡器；载波频率合成装置，连接到该基准振荡器；脉冲重复频率合成装置，连接到该基准振荡器，一个模数转换器，以及一个处理器，包括执行根据权利要求5的去卷积方法的处理器。

17.一种根据权利要求1的去卷积方法的应用，其应用在雷达系统中。

18.一种根据权利要求10的去卷积方法的应用，其应用在雷达系统中。

19.一种根据权利要求14的发射/接收系统的应用，其应用在雷达系统中。

20.一种根据权利要求1的去卷积方法的应用，其作为抗干扰方法。

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