CN1996042A - 大时间带宽积线性调频信号的数字脉冲压缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大时间带宽积线性调频信号的数字脉冲压缩方法，其步骤为：(1)将各点参考波形数据经快速傅立叶变换后存入参考波形数据存储器；(2)采集一帧信号中的各点的回波波形数据依次与参考波形数据存储器中对应点的参考波形数据复数相乘；(3)将步骤(2)得到的数据依次送入数字式低通滤波器处理，并将一帧信号中的所有点处理后的数据存储；(4)将步骤(3)存储的数据作快速傅立叶变换，得到n个点的解压数据并输出。本发明方法除了具有一般数字脉冲压缩方法的所有优点之外，还具有计算量小、高效快速的优点。

Description

大时间带宽积线性调频信号的数字脉冲压缩方法

技术领域

本发明涉及高频地波海洋雷达环境监测技术领域，特别是涉及线性调频信号的数字脉冲压缩方法。

背景技术

雷达既要测距又要测速，在保证一定输出信噪比的前提下，测量精度和分辨力对信号形式的要求是一致的。测距精度和距离分辨力，主要取决于信号的频率结构，而测速精度和速度分辨力，则取决于信号的时间结构。为提高测距精度和距离分辨力，要求信号具有大的带宽；为提高测速精度和速度分辨力，要求信号具有大的时宽。除此之外，还要求信号具有大的能量。因此，为了提高雷达的目标发现能力，要求信号具有大的时宽、带宽、能量乘积。但是，在系统的发射和馈电设备峰值功率受限制的情况下，大的信号能量只能依靠加大信号的时宽来解决。

线性调频信号可以获得较大的压缩比，改变扫频带宽即可改变距离分辨率，信号产生容易。而且它对目标信号的多普勒频移不敏感，即使回波信号有较大的多普勒频移，原来的匹配滤波器仍能起到脉冲压缩的作用，大大简化了信号处理系统，因此在工程中得到了广泛的应用。

线性调频信号脉冲压缩方法可以分为模拟方法和数字方法两大类。模拟方法主要有：声表面波器件的脉压方法、电荷耦合器件(CCD)器件的脉压方法、频率分析法等。

一般而言，声表面波器件和CCD器件实现大时间带宽积(BT)的脉冲压缩非常困难，BT积也不易改变。而频率分析法可适当(小范围)改变BT积，原理简单，易于实现、调试、测量，是目前高频地波雷达系统中的一种主要方法，但是在实际使用过程中存在阻抗匹配困难、灵活性弱、稳定性差、脉压效果不够理想等问题。

随着数字技术的发展，脉冲压缩方法已经广泛使用数字技术。数字脉冲压缩在稳定性、可靠性、灵活性、实现难度等方面都优于模拟脉压。数字脉冲压缩方法的工作原理框图如图3所示。目前国内外使用的数字脉冲压缩主要时域卷积法和频域快速傅立叶变换(FFT)法。

时域卷积法(如图4所示)：它是通过对回波信号s(t)和发射信号的匹配滤波器冲击响应h(t)求卷积的方法实现的。它可以是一种横向滤波器结构。时域卷积法的具体步骤为：

(1)将各点(n个点)的参考波形数据存入参考波形数据存储器；

(2)采集一帧信号中所有的点(n个点)的回波波形数据并存储在回波波形数据存储器中；

(3)将回波波形数据存储器中各点的回波波形数据与参考波形数据存储器中对应点的参考波形数据卷积；

(4)得到n个点的解压数据并输出。

时域卷积法的缺陷在于：它采用卷积的方法进行运算，运算速度慢。

频域快速傅立叶变换法(如图5所示)：为了提高时域卷积法的运算效率，频域快速傅立叶变换法将回波信号经FFT变换到频域，然后乘以匹配滤波器的传递函数及适当的加权系数，最后经FFT反变换得时域压缩输出波形。频域快速傅立叶变换法的具体步骤为：

(1)将各点(n个点)的参考波形数据经快速傅立叶变换(FFT)后存入参考波形数据存储器；

(2)采集一帧信号中所有的点(n个点)的回波波形数据经FFT后，存储在回波波形数据存储器中；

(3)将回波波形数据存储器中各点的回波波形数据与参考波形数据存储器中对应点的参考波形数据复数相乘，存储；

(4)将得到的数据作FFT反变换，得到n个点的解压数据并输出。

一般说来，在较大时宽信号或者采样率较高，导致数据量较大的情况下，采用频域快速傅立叶变换法比较合适。在小时宽信号或者采样率较低，数据量不大的情况下，时域卷积法有电路简单、测试方便、技术成熟优势。

但是在高频地波雷达系统中，若要求系统的距离分辨率为5km，则发射的线性调频信号带宽B＝30kHz，信号时宽为T＝614.4ms，故时间带宽积BT＝18432非常大，根据目前国内外半导体的制造水平，还不能采用前述的时域卷积法或频域快速傅立叶变换法对该线性调频信号进行实时脉冲压缩。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述问题，提供一种大时间带宽积线性调频信号的数字脉冲压缩方法，该方法除了具有一般数字脉冲压缩方法的所有优点之外，还具有计算量小、高效快速的优点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

大时间带宽积线性调频信号的数字脉冲压缩方法，其步骤为：

(1)将各点参考波形数据经傅立叶变换后存入参考波形数据存储器；

(2)采集一帧信号中的各点的回波波形数据依次与参考波形数据存储器中对应点的参考波形数据复数相乘；

(3)将步骤(2)得到的数据依次送入数字式低通滤波器处理，并将一帧信号中的所有点处理后的数据存储；

(4)将步骤(3)存储的数据作傅立叶变换变换，得到n个点的解压数据并输出。

本发明方法就是将数字化后的回波信号与数字化后的发射信号直接复数相乘，经数字低通滤波器和快速傅立叶变换，实现线性调频信号的数字脉冲压缩，送给后续数字电路处理。

本发明方法的工作原理为：

一个调频周期T内的线性调频信号可以描述为

u(t)＝Acos(2πf₀t+πKt²+θ₀)0≤t＜T

其中f₀为信号载频，θ₀为信号初相。令θ₀＝0并不影响分析的结果，K＝B/T为线性调频信号的调频斜率，B为线性调频信号的调频带宽。

当高频地波雷达采用线性调频信号相干体制时，其幅度归一化的发射信号为

s_t(t)＝cos[2πf₀t+πKt²]0≤t＜T

设目标为理想点目标，则其回波的表达式可写成

s_r(t)＝cos2πf₀(t-τ)+πK(t-τ)²τ≤t＜T

以f_s分别对发射信号和回波信号采样得

s_t(nT_s)＝cos2πf₀nT_s+πK(nT_s)²0≤nT_s＜T

s_r（nT_s)＝cos2πf₀(nT_s-τ)+πK(nT_s-τ)²τ≤nT_s＜T

将回波信号s_r（nT_s)与发射信号s_t（nT_s)直接复数相乘，再经数字低通滤波器得

s_r(n)＝LPF(s_t(n)s_r(n))

＝cos(2πf₀τ-πKτ²+2πKτnT_s)τ≤nT_s＜T

一般情况下，经过去调频以后的信号所占的频带宽度非常窄，具有再次降速的可能，最后对降速后的信号进行FFT频率分析，得到与距离信息对应的输出。可见该过程也等效于匹配滤波。

本发明可用于高频地波雷达全数字接收机的数字脉冲压缩软件中。海洋回波信号经接收天线进入射频前端电路，进行必要的滤波、放大后，由高速ADC直接采样变成数字信号，经正交变换为I、Q两路正交的线性调频信号后，通过本发明方法进行大时间带宽积的线性调频信号的数字脉冲压缩，最后送给后续数字电路做进一步处理。

本发明方法除了具有一般数字脉冲压缩方法的所有优点之外，与频域快速傅立叶变换法相比，由于回波波形数据是依次与参考波形数据复数相乘，数据是依次送入数字式低通滤波器处理，减少了等待所有点的数据存储的时间，而且减少了一次FFT反变换和至少一次存储。因此，本发明方法还具有计算量小、高效快速的特点，非常适合在嵌入式系统中用计算机或DSP软件对大时间带宽积的线性调频信号进行实时数字脉冲压缩的场合。

附图说明

图1为本发明方法的步骤流程图

图2为本发明方法实施例程序的流程图

图3为数字脉冲压缩方法的工作原理框图

图4为时域卷积法的步骤流程图

图5为频域快速傅立叶变换法的步骤流程图

具体实施方式

如图1所示，本发明大时间带宽积线性调频信号的数字脉冲压缩方法的步骤为：

(1)将各点参考波形数据经快速傅立叶变换(FFT)后存入参考波形数据存储器；

(2)采集一帧信号中的各点的回波波形数据依次与参考波形数据存储器中对应点的参考波形数据复数相乘；

(3)将步骤(2)得到的数据依次送入数字式低通滤波器处理，并将一帧信号中的所有点处理后的数据存储；

(4)将步骤(3)存储的数据作快速傅立叶变换(FFT)，得到各点的解压数据并输出。

本发明方法实施例的程序流程为(如图2所示)：

1、系统参数初始化，设置低通滤波器的参数、每帧的数据长度。

2、接收一个线性调频海洋回波数据s_r(nT_s)。

3、读出相应的参考信号数据s_t(nT_s)。

4、实现复数运算：s_t(nT_s)×s_r(nT_s)。

5、计算数字低通滤波器的输出。

6、判断，收完一帧否，若是，转到第7步。否则转到第2步，准备接收下一个数据。

7、对数字低通滤波器的输出做快速傅立叶变换(FFT)后输出给后续程序处理。

Claims (1)

1、大时间带宽积线性调频信号的数字脉冲压缩方法，其步骤为：

(1)将各点参考波形数据经快速傅立叶变换后存入参考波形数据存储器；

(2)采集一帧信号中的各点的回波波形数据依次与参考波形数据存储器中对应点的参考波形数据复数相乘；

(3)将步骤(2)得到的数据依次送入数字式低通滤波器处理，并将一帧信号中的所有点处理后的数据存储；

(4)将步骤(3)存储的数据作快速傅立叶变换，得到n个点的解压数据并输出。