CN1952686B - 利用混沌预测的混沌雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用混沌预测的混沌雷达系统。包括微波混沌信号源电路、功分器、第一放大器、发射天线、数字可控微波延时线、接收天线、第二放大器、自适应滤波电路、混沌预测电路、相关电路、信号处理单元和电源部分。使用微波Colpitts混沌电路产生的信号做为雷达源信号，混沌信号一部分耦合出去用做发射信号，一部分在本地经过延时电路产生一定的延时。在接收到回波信号时，对回波信号使用混沌预测技术进行处理，并将其输出信号与本地延时信号进行相关来检测雷达目标的位置和速度等参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用无线电波测距或测速的装置，尤其是涉及一种利用混沌预测的混沌雷达系统。
背景技术
现代军用雷达的核心要求是具有最低的截获概率和优良的抗干扰能力；民用雷达则更加强调优异的电磁兼容性能。上述军用和民用雷达的需求在理论上是一个问题的不同方面：即如何使得雷达信号更像宽带噪声。正与扩频通信在军用、CDMA在商用无线通信网中的应用趋势类似，具有超宽带、类噪声功率谱特征的新体制混沌雷达系统将是未来军用和民用雷达的一个发展方向。
利用混沌信号的超宽带、类噪声特性来构建混沌雷达系统已有一些研究，但相关工作主要集中在以伪混沌序列编码或低频、中频混沌电路作为获取随机信号的手段，在系统方面仍采用典型随机信号雷达的作法。以伪混沌序列编码或采用低频、中频混沌电路来获取随机信号的做法，在雷达发射机一端，需要对信号进行额外的调制，系统结构较为复杂，而本专利直接使用微波混沌信号可以使得系统结构较为简单；已有混沌雷达系统沿用传统随机信号雷达的处理方法，没有能够充分利用混沌信号的特性和潜能，本专利利用混沌预测技术来进行混沌信号处理，可以较大程度上提高雷达整体性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用混沌预测的混沌雷达系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括微波混沌信号源电路、功分器、第一放大器、发射天线、数字可控微波延时线、接收天线、第二放大器、自适应滤波电路、混沌预测电路、相关电路、信号处理单元和电源部分。使用微波混沌Colpitts振荡器作为微波混沌信号源电路，经过功分器后，一部分功率经过第一放大器后接入雷达发射天线；经过功分器后，另一部分功率接入数字可控微波延时线；发射天线的发射信号遇到障碍物后，回波信号被接收天线接收，接入第二放大器放大后，经自适应滤波电路滤除噪声信号；自适应滤波电路输出的信号接入混沌预测电路，经过混沌预测电路处理后的信号再与数字可控微波延时线输出信号一起接入相关电路；相关电路的输出接入信号处理单元，并产生一个数字控制信号，接入到数字可控微波延时线对其进行控制使之正常工作。
所述的信号处理单元是计算机或者使用基于微处理器、DSP或FPGA的嵌入式处理系统。
本发明具有的有益效果是：使用微波Colpitts混沌电路作为微波混沌信号源电路，可以产生从直流到微波频段的连续频谱，具有电路结构简单、性能稳定、价格便宜的优点。使用数字可控微波延时线，可以大大减少相关电路的工作量。在混沌雷达接收机的相关电路处理之前，先经过混沌预测电路的处理，可以抑制接收到的回波混沌信号中的噪声，提高回波混沌信号与源混沌信号的相关性，减少后端处理工作量，并提高雷达整体性能。
附图说明
图1是本发明实现的混沌雷达结构原理图；
图2是本发明中混沌预测电路的框图。
图中：1、微波混沌信号源电路，2、功分器，3、第一放大器，4、发射天线，5、数字可控微波延时线，6、接收天线，7、第二放大器，8、自适应滤波电路，9、混沌预测电路，10、相关电路，11、信号处理单元。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括微波混沌信号源电路1、功分器2、第一放大器3、发射天线4、数字可控微波延时线5、接收天线6、第二放大器7、自适应滤波电路8、混沌预测电路9、相关电路10和信号处理单元11和电源部分。
(a)使用微波混沌Colpitts振荡器作为微波混沌信号源电路1，经过功分器2后，一部分功率经过第一放大器3接入发射天线4发送出去；发送的混沌信号带宽可超过1GHz，对窄带噪声和宽带噪声均有较强的抗干扰能力，其时域波形与噪声类似，抗截获能力强；
(b)经过功分器2后，另一部分功率接入数字可控微波延时线5；
(c)发射天线4发射的信号遇到障碍物后，回波信号被接收天线6接收，接入第二放大器7放大，再接入自适应滤波电路8滤除带外噪声信号；
(d)自适应滤波电路8输出的信号接入混沌预测电路9。混沌预测电路具有从强噪声背景下提取混沌信号的能力，经过混沌预测电路9处理后可以很大程度上虑除带内噪声信号，提取出有效的混沌信号。混沌预测电路9的输出信号再与数字可控微波延时线5输出信号一起接入相关电路10；
(e)相关电路10的输出接入信号处理单元11，获取障碍物目标的参数。
以下具体阐述各个部分的实施方式。
雷达发射机部分的微波混沌信号源电路1使用微波Colpitts混沌电路，其具体实现方式可以参考已公开的名称为“基于混沌信号宽带特性的超宽带信号发生方法和电路”，专利申请号为200410052855.5的专利。
发射机中的功分器2为单路输入双路输出的功分器，市场上可选产品很多，比如南京万全信息有限公司的XKG-2一分二功分器，该功分器的工作频率范围为0.8GHz到2.5GHz，插入损耗小于0.4，输入驻波小于1.2，隔离度大于20dB，50欧姆标准输入输出接口，最大输入功率为50W，带内平坦度小于0.3，性价比很高。
发射机中的放大器3可以使用北京康泰电子SMX200超低尺寸微波功率放大器，工作频率范围为10kHz至1GHz，功率为500W。
发射天线4可以采用喇叭口天线的形式，可选用西安恒达微波技术开发有限公司的双脊喇叭天线HD-0220DRHA，工作频段200MHz～2GHz，平均功率增益8.5dB，典型VSWR小于2.5，N-50K接头，平均波束宽度E平面65度，H平面50度，可以满足应用要求。发射天线也可以自行设计。
数字可控微波延时线5包括两部分：固定长度延时线和数字可控长度延时线。固定长度延时线决定了目标物体的最近可检测距离，设计成一定长度且阻抗匹配的微带线即可。数字可控长度延时线的长度在零长度和一个最大长度τmax间离散可变，通过数字信号进行控制。数字可控延时线的实现方法是：把多段固定长度延时线进行连接，对每段延时线，通过数字信号控制PIN管来控制其通断，多段延时线的通断组合可以产生不同时间步长的延时。可控长度延时线的最大长度决定了目标物体的最远可检测距离。
接收机中的天线6可采用与发射部分同样的喇叭口天线。
接收机中的放大器7使用低噪声高增益放大器，可以选用Agilent公司的11909A，工作频率范围为9KHz至1GHz，具有良好的噪声系数(典型值1.8dB)和增益(典型值32dB)。
自适应滤波电路8主要用来滤除带外噪声和干扰，可以使用现成的产品，如A-INFO公司的JXWBLB-S-BP-500-1000，工作频率为500MHz到1GHz，通带增益2.5dB，阻带衰减35dB，VSWR典型值为35dB，可满足设计要求。自适应滤波器也可以自行根据对通带和阻带信号的要求使用电容电阻以及电感进行设计。
混沌预测电路9的硬件一般采用数字信号处理器(DSP)或者现场可编程门阵列(FPGA)配上一定的外围电路搭建，在此基础上对混沌预测算法在DSP或者FPGA处理芯片上进行编程。混沌预测的实质是一种非线性预测，理论上所有非线性预测的算法均可以用于混沌预测。最早用于混沌预测的算法是扩展的Kalman滤波算法，以及Unscent Kalman滤波算法，近年来一种新的非线性滤波方法是使用基于序贯蒙特卡罗方法的粒子滤波算法。图2以扩展的Kalman滤波算法为例，给出混沌预测电路中预测算法的实现流程。
图2中，首先进行混沌预测电路的初始化工作，主要包括根据发射机的混沌电路以及发射信号来设置系统状态方程、观测方程、处理噪声和观测噪声的方差以及初始Kalman增益。信号输入到预测电路后，首先经过一步预测，根据前一时间点的状态预测和更新的Kalman增益，预测出下一时刻的系统状态，然后经过一步滤波，根据系统状态方程得到滤波更新的系统状态，计算出预测电路的输出。Kalman增益的更新通过叠代计算Reccati方程来实现。扩展的Kalman滤波等非线性滤波算法及其实现，可以在很多文献中找到。
因为混沌预测电路9使用的非线性预测算法是一种基于数字滤波的方法，所以信号输入到混沌预测电路9后，需要首先进行模/数变换，模/数变换可采用上海思路新自动化技术有限公司的AD多功能高速采集卡，或北京高媒天信数字技术有限公司提供的高速AD采集卡。模/数变换得到的数字信号做为非线性滤波器的输入(即观测变量)，使用非线性预测算法得到滤波后的混沌波形。混沌预测电路9的处理，可以有效的滤除回波信号中的噪声影响，均衡非理想信道效应，大大提高雷达整机信噪比以及在检测到目标时输出信号和参考信号的相关性，简化后端的数字信号处理。这是本发明的关键创新所在。
相关电路10需要使用数字相关方法来实现，对输入到相关电路的参考信号首先进行模/数变换，得到参考数字序列，然后对参考数字序列与混沌预测电路9输入的数字序列进行相关，将相关结果输出到信号处理单元11。相关电路在功能上是一个独立的模块，在实施中可以和预测电路放到同一个硬件处理电路上来实现。相关电路10的输出除了接入到信号处理单元11外，还要产生一个数字控制信号，接入到数字可控微波延时线5对其进行控制使之正常工作。
信号处理单元11一般可以使用计算机来实现，也可以使用基于微处理器、DSP或FPGA的嵌入式处理系统来实现，这一块的具体实现根据对雷达测试参数等要求而定。
Claims (2)
1.利用混沌预测的混沌雷达系统，其特征在于：包括微波混沌信号源电路(1)、功分器(2)、第一放大器(3)、发射天线(4)、数字可控微波延时线(5)、接收天线(6)、第二放大器(7)、自适应滤波电路(8)、混沌预测电路(9)、相关电路(10)、信号处理单元(11)和电源部分；使用微波混沌Colpitts振荡器作为微波混沌信号源电路(1)，经过功分器(2)后，一部分功率经过第一放大器(3)后接入雷达发射天线(4)；经过功分器(2)后，另一部分功率接入数字可控微波延时线(5)；发射天线(4)的发射信号遇到障碍物后，回波信号被接收天线(6)接收，接入第二放大器(7)放大后，经自适应滤波电路(8)滤除噪声信号；自适应滤波电路(8)输出的信号接入混沌预测电路(9)，经过混沌预测电路(9)处理后的信号再与数字可控微波延时线(5)输出信号一起接入相关电路(10)；相关电路(10)的输出接入信号处理单元(11)，并产生一个数字控制信号，接入到数字可控微波延时线(5)对其进行控制使之正常工作。
2.根据权利要求1所述的利用混沌预测的混沌雷达系统，其特征在于：所述的信号处理单元(11)是计算机或者使用基于微处理器、DSP或FPGA的嵌入式处理系统。
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