CN109343044B - 一种提高格雷互补波形多普勒分辨率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高格雷互补波形多普勒分辨率的方法。技术方案包括以下步骤：第一步，产生在时域传播的互补波形组信号。第二步，按标准发射顺序发射上述互补波形组信号。第三步，设计两组特定的匹配滤波权重序列。第四步，取前N/2个脉冲的回波信号按第一组特定的匹配滤波权重序列进行匹配滤波获得第一组匹配滤波后输出的波形信号。第五步，取后N/2个脉冲的回波信号按第二组特定的匹配滤波权重序列进行匹配滤波获得第二组匹配滤波后输出的波形信号。第六步，对两组匹配滤波后输出的波形信号进行相加处理，获得最终输出的波形信号。本发明进一步提高了波形的多普勒分辨率，使得在同样位置处具有不同速度的目标可以被更好地区分。

Description

一种提高格雷互补波形多普勒分辨率的方法

技术领域

本发明属于雷达目标检测技术领域，涉及一种提高格雷互补波形多普勒分辨率的方法。

背景技术

衡量雷达目标检测性能时，常利用模糊函数进行分析评价。不同的雷达发射波形对应不同的模糊函数，通过分析模糊函数的图像可以得到雷达发射波形的时延分辨率以及多普勒分辨率，并且可以判断雷达发射波形的距离旁瓣抑制性能。格雷互补波形(Golaycomplementary waveforms)具有非常高的时延分辨率，在雷达目标检测领域具有良好的应用前景。此外，基于格雷互补波形的一种现有的二项式设计方法，将格雷互补波形发射信号的回波信号与接收端经过匹配滤波权重设计的匹配滤波信号进行匹配滤波，获得的匹配滤波后输出的波形信号在其模糊函数图像中具有非常大的距离旁瓣抑制区域(该方法的具体过程可参考文献：W.Dang,A.Pezeshki,S.Howard,etal.,“Coordinatingcomplementarywaveforms for sidelobe suppression,”45th Asilomar Conf.Signals,Systems andComputers,2011,pp.2096-2100.)，即雷达发射波形具有很好的距离旁瓣抑制性能。然而，该方法存在的缺陷是严重降低了上述雷达发射波形的多普勒分辨率，这使得在实际目标检测中，同样位置处具有不同速度的目标将难以被区分。

互补波形组(Complementary sets)是格雷互补波形的扩展(具体的互补波形组生成方法可参考文献：C.C.Tseng and C.L.Liu,“Complementary sets of sequences,”IEEETrans.Inform.Theory,vol.18,no.5,pp.644-652,Sep.1972.)。一个由D(D为大于等于2的整数)个二值序列组成的互补波形组可以表示为下面的矩阵形式

其中l＝0,1,...,L-1，矩阵的每一列均表示一个位数长度为L、取值为1或-1的二值序列，并记第d+1列二值序列为

d＝0,1,...,D-1。在二值序列

中每个元素(即1或-1)占据的时间宽度为T_c，因此每个二值序列

的时间宽度为LT_c。

在利用一个单位能量的基带信号Ω(t)

对二值序列

调制后，该二值序列

变为一串可以在时域传播的脉冲信号，记为A_d(t)，其中t表示时延，d＝0,1,...,D-1(调制过程可参考文献：M.A.Richards,“Fundamentals of Radar SignalProcessing”,McGraw-Hill Education,NY,2005)。

记在时域传播的互补波形组信号，为如下表示的D个脉冲信号：

[A₀(t),A₁(t),...,A_D-1(t)]

然后在发射端利用一个D进制序列P＝[p₀,...,p_n,...,p_N-1](n＝0,1,...,N-1，N表示发射脉冲的数目，p_n为整数且p_n∈{0,1,...,D-1})来确定雷达发射波形的每个脉冲，称为波形发射顺序序列，用以表示A₀(t)～A_D-1(t)的发射顺序。雷达发射波形的第n+1个脉冲发射脉冲信号

所以雷达发射波形y(t)可以表示为

其中T表示脉冲重复间隔。当D进制序列P的取值为P_std＝[0,1,...,D-1,0,1,...,D-1,...]时，称为标准发射顺序序列，该发射顺序序列表示的发射顺序称为标准发射顺序。

设一个正数序列Q＝[q₀,...,q_n,...,q_N-1](q_n为正数)，则雷达发射波形y(t)在接收端的匹配滤波信号为：

序列Q用于确定匹配滤波信号z(t)在每个脉冲上的权重，称为匹配滤波权重序列，这里，第n+1个脉冲的匹配滤波权重为q_n。当序列Q中的所有N个值均为1时，称为标准匹配滤波权重序列。

接下来通过匹配滤波，可以获得匹配滤波后输出的波形信号，然后利用该信号画出雷达发射波形的模糊函数图像(匹配滤波的过程和模糊函数图像的画法可参考文献：M.A.Richards,“Fundamentals of Radar Signal Processing”,McGraw-Hill Education,NY,2005)。根据画出的模糊函数图像可以分析评价雷达发射波形的时延分辨率以及多普勒分辨率，判断雷达发射波形的距离旁瓣抑制性能。

注意，当D＝2时，互补波形组即等价于前述的格雷互补波形，在此情况下，对于前述的二项式设计方法，波形发射顺序序列P_BD＝[0,1,0,1,...]为标准发射顺序序列，匹配滤波权重序列

其中

表示从N-1个不同脉冲数目中取出n个脉冲数目的组合数。

发明内容

本发明的目的是：提出一种提高格雷互补波形多普勒分辨率的方法。

本发明的技术方案包括以下步骤：

第一步，产生一组由D个二值序列组成的互补波形组，然后进行基带调制，得到在时域传播的互补波形组信号；D是大于2的整数，其取值根据实际情况确定。

第二步，按标准发射顺序发射上述互补波形组信号，设发射脉冲数目为N，然后在接收端将其回波信号分为前N/2个脉冲和后N/2个脉冲两个部分；发射脉冲数目N的取值要保证能被2D整除。

第三步，设计两组特定的匹配滤波权重序列，记为第一组和第二组。

第四步，取前N/2个脉冲的回波信号按第一组特定的匹配滤波权重序列进行匹配滤波获得第一组匹配滤波后输出的波形信号。

第五步，取后N/2个脉冲的回波信号按第二组特定的匹配滤波权重序列进行匹配滤波获得第二组匹配滤波后输出的波形信号。

第六步，对第四步和第五步获得的两组匹配滤波后输出的波形信号进行相加处理，获得最终输出的波形信号。

本发明的有益结果是：上述技术方案最终输出的波形信号相比现有的基于格雷互补波形的二项式设计方法获得的匹配滤波后输出的波形信号，在保持雷达发射波形的总脉冲数目不变的情况下获得了同后者相当的距离旁瓣抑制性能和时延分辨率，并进一步提高了波形的多普勒分辨率，使得在雷达目标检测过程中，同样位置处具有不同速度的目标可以被更好地区分。

附图说明

图1是对现有方法的仿真实验结果图；

图2是本发明的实现流程图；

图3是利用本发明的具体实施方式进行仿真实验的仿真结果。

具体实施方式

图1是对现有方法的仿真实验结果图，具体来说，是现有的基于格雷互补波形的二项式设计方法获得的匹配滤波后输出的波形信号的模糊函数图像，与现有的标准格雷互补波形匹配滤波后输出的波形信号的模糊函数图像(即在时域传播的格雷互补波形信号采用标准发射顺序与标准匹配滤波权重序列进行匹配滤波，得到的匹配滤波后输出的波形信号的模糊函数图像)的对比。其中图1(a)与图1(b)的横坐标均表示多普勒频率(简记为多普勒)，单位为“弧度”，本参量采用弧度为单位是为了在图像中显示的更清楚；纵坐标均表示时延，单位为“秒”；幅度单位均为“dB”。图1(c)的横坐标表示多普勒频率(简记为多普勒)，单位为“弧度”；纵坐标表示幅度，单位为“dB”。图1(a)表示标准格雷互补波形匹配滤波后输出的波形信号的模糊函数图像，图1(b)表示基于格雷互补波形的二项式设计方法获得的匹配滤波后输出的波形信号的模糊函数图像，图1(c)表示图1(a)与图1(b)所示模糊函数图像中波形的多普勒分辨率的比较结果。对比结果可以看出，二项式设计方法获得的匹配滤波后输出的波形信号虽然在其模糊函数图像中具有更大的距离旁瓣抑制区域，但是波形的多普勒分辨率也被严重降低。

图2是本发明的实现流程图。具体实施方式包括以下步骤：

第一步，产生一组由D个二值序列组成的互补波形组，然后进行基带调制，得到在时域传播的互补波形组信号。

第二步，按标准发射顺序发射上述互补波形组信号，设发射脉冲数目为N，然后在接收端将其回波信号分为前N/2个脉冲和后N/2个脉冲两个部分。

第三步，设计两组特定的匹配滤波权重序列，记为第一组和第二组。

对前N/2个脉冲设计第一组特定的匹配滤波权重序列，记为[s₀,...,s_n1,...,s_N/2-1]，其中n₁＝0,1,...,N/2-1，

其中floor(n₁)表示取小于n₁的最大整数，mod(n₁,D)表示取n₁/D的余数。

对后N/2个脉冲设计第二组特定的匹配滤波权重序列，记为

其中n₂＝N/2,N/2+1,...,N-1，

第四步，取前N/2个脉冲的回波信号按第一组特定的匹配滤波权重序列进行匹配滤波获得第一组匹配滤波后输出的波形信号。

第五步，取后N/2个脉冲的回波信号按第二组特定的匹配滤波权重序列进行匹配滤波获得第二组匹配滤波后输出的波形信号。

第六步，对第四步和第五步获得的两组匹配滤波后输出的波形信号进行相加处理，获得最终输出的波形信号。

记第四步和第五步中获得的匹配滤波后输出的波形信号分别为χ₁(t,F_D)和χ₂(t,F_D)，其中t表示时延，F_D表示多普勒。则经过相加处理获得的最终输出的波形信号χ(t,F_D)表示为

χ(t,F_D)＝χ₁(t,F_D)+χ₂(t,F_D)

接下来，可以利用该信号画出雷达发射波形的模糊函数图像，然后根据画出的模糊函数图像分析评价雷达发射波形的时延分辨率以及多普勒分辨率，判断雷达发射波形的距离旁瓣抑制性能。

图3是利用本发明的具体实施方式进行仿真实验的仿真结果。其中图3(a)的横坐标表示多普勒频率(简记为多普勒)，单位为“弧度”；纵坐标表示时延，单位为“秒”；幅度单位为“dB”。图3(b)的横坐标表示多普勒频率(简记为多普勒)，单位为“弧度”；纵坐标表示幅度，单位为“dB”。不失一般性地，这里采用一个由D＝4个二值序列组成的互补波形组与基于格雷互补波形的二项式设计的结果进行比较。同时假设场景中存在一个目标，其归一化幅度、时延和多普勒值分别为0dB，τ＝0，f_d＝0。

雷达发射波形信号的参数设置如下：雷达的工作频率为f_c＝1GHz，可以在时域传播的格雷互补波形和互补波形组信号的带宽为B＝50MHz，采样率f_s＝2B，脉冲重复间隔T＝50μs，脉冲数目为N＝64。格雷互补波形与互补波形组中的每个二值序列均有L＝64个时间宽度为T_c＝0.1μs的1或-1值。检测场景中的复高斯白噪声服从

分布，信噪比SNR＝10dB。图3(a)是利用本发明方法最终输出的波形信号的模糊函数图像χ(t,F_D)，图3(b)是本发明方法最终输出的波形信号与基于格雷互补波形的二项式设计方法获得的匹配滤波后输出的波形信号中波形的多普勒分辨率的比较结果。从图3(a)与图1(b)和图3(b)的比较结果来看，本发明方法与基于格雷互补波形的二项式设计方法均发射了N＝64个脉冲，所以在信号发射所需时间上没有区别；另一方面，本发明方法最终输出的波形信号具有同后者相当的距离旁瓣抑制性能和时延分辨率，并进一步提高了波形的多普勒分辨率，使得在雷达目标检测过程中，同样位置处具有不同速度的目标可以被更好地区分。

Claims (1)

1.一种提高格雷互补波形多普勒分辨率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，产生一组由D个二值序列组成的互补波形组，然后进行基带调制，得到在时域传播的互补波形组信号；

第二步，按标准发射顺序发射上述互补波形组信号，设发射脉冲数目为N，然后在接收端将其回波信号分为前N/2个脉冲和后N/2个脉冲两个部分；

第三步，设计两组特定的匹配滤波权重序列，记为第一组和第二组；

第四步，取前N/2个脉冲的回波信号按第一组特定的匹配滤波权重序列进行匹配滤波获得第一组匹配滤波后输出的波形信号；

第五步，取后N/2个脉冲的回波信号按第二组特定的匹配滤波权重序列进行匹配滤波获得第二组匹配滤波后输出的波形信号；

第六步，对第四步和第五步获得的两组匹配滤波后输出的波形信号进行相加处理，获得最终输出的波形信号；

上述D是大于2的整数，其取值根据实际情况确定；发射脉冲数目N的取值要保证能被2D整除；

第一组特定的匹配滤波权重序列，记为

其中n₁＝0,1,...,N/2-1，

其中floor(n₁/D)表示取小于n₁/D的最大整数，mod(n₁,D)表示取n₁/D的余数；

第二组特定的匹配滤波权重序列，记为

其中n₂＝N/2,N/2+1,...,N-1，

其中floor(2n₂/D)表示取小于2n₂/D的最大整数。

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