CN110568439B - 一种基于反卷积的冲激脉冲式穿墙雷达天线振铃抑制方法 - Google Patents

一种基于反卷积的冲激脉冲式穿墙雷达天线振铃抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于反卷积的冲激脉冲式穿墙雷达天线振铃抑制方法，其步骤包括：步骤S1：得到天线冲激响应函数，并转换为频域形式，预存至雷达处理器中；步骤S2：如若是多通道雷达，则对回波中各通道误差进行通道校正；如若是单通道雷达，则该步骤省略；步骤S3：将通道校正后的回波FFT变换到频域；步骤S4：频域内回波信号与天线冲激响应函数反函数相乘实现反卷积振铃抑制；步骤S5：将信号转化到时间域，此时信号中振铃效应已经消除。本发明具有适用范围广、可实现天线端信号振铃抑制、提高雷达距离向分辨率等优点。

Description

一种基于反卷积的冲激脉冲式穿墙雷达天线振铃抑制方法
技术领域
本发明主要涉及到技术领域，特指一种基于反卷积的冲激脉冲式穿墙雷达天线振铃抑制方法。
背景技术
微功率超宽带冲激脉冲雷达凭借强穿透性、高分辨率和全天候工作特性可广泛用于反恐安检、城市巷战等军民搜救领域。天线作为雷达的主要组成部分，在传统雷达***中通常占总体体积和重量的绝大部分。考虑到微功率超宽带冲激脉冲雷达实际探测需求和便携使用要求，多采用平面蝶形或平面锥形天线，这类平面天线具有全向性辐射和小体积特点，这也使得微功率超宽带雷达更加适用于近距离低小慢目标的检测。
但目前这类平面天线也有自身的种种缺陷：冲激脉冲信号在这类天线上会出现不同程度的信号振铃拖尾，这种效应会降低雷达的分辨率，影响探测能力。尽管可以使用各种各样的硬件加载来抑制振铃效应，但硬件加载时以牺牲辐射能量作为代价的。由于穿墙雷达探测目标是电磁波两次穿透介质墙体，信号衰减较大，这类硬件加载将造成雷达探测距离的进一步降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种适用范围广、可实现天线端信号振铃抑制、提高雷达距离向分辨率的基于反卷积的冲激脉冲式穿墙雷达天线振铃抑制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于反卷积的冲激脉冲式穿墙雷达天线振铃抑制方法，其步骤包括：
步骤S1：得到天线冲激响应函数，并转换为频域形式，预存至雷达处理器中；
步骤S2：如若是多通道雷达，则对回波中各通道误差进行通道校正；如若是单通道雷达，则该步骤省略；
步骤S3：将通道校正后的回波FFT变换到频域；
步骤S4：频域内回波信号与天线冲激响应函数反函数相乘实现反卷积振铃抑制；
步骤S5：将信号转化到时间域，此时信号中振铃效应已经消除。
作为本发明的进一步改进：在所述步骤S1中，根据天线几何形状、基板材质及介电特性计算得到天线冲激响应函数。
作为本发明的进一步改进：在所述步骤S3中，将信号转到频域进行相乘操作。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的基于反卷积的冲激脉冲式穿墙雷达天线振铃抑制方法，结合天线振铃产生机理，仅通过基于反卷积信号处理的方法实现振铃抑制，避免了硬件加载的弊端。本发明对于进一步提高穿墙雷达、以及同类型微功率超宽带雷达的探测性能具有重要推动作用。
2、本发明的基于反卷积的冲激脉冲式穿墙雷达天线振铃抑制方法，在仿真和实测情况下，均证明可实现天线端信号振铃抑制，提高雷达距离向分辨率。且由于这种抑制方法不需要硬件加载，可以提高雷达的探测距离。本发明是普遍适用的，不仅可用于冲激脉冲式穿墙雷达，也可用于雷达生命探测仪、复合型搜救雷达等多种微功率超宽带冲激脉冲雷达，抑制平面天线端信号振铃，提高雷达分辨率。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图。
图2是本发明在具体应用实例中穿墙雷达的实物示意图。
图3是本发明在具体应用实例中平面蝶形天线示意图。
图4是本发明在具体应用实例中穿墙雷达发射机产生脉冲实测示意图。
图5是本发明在具体应用实例中平面天线辐射信号示意图。
图6是本发明在具体应用实例中天线延时滤波网络示意图。
图7是本发明在具体应用实例中使用振铃抑制算法辐射信号波形对比示意图。
图8是本发明在具体应用实例中单目标实测回波对比示意图。
图9是本发明在具体应用实例中多目标实测回波对比示意图。
图例说明：
1、第一接收天线；2、发射天线；3、第二接收天线；4、金属腔体。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
由于冲激脉冲雷达距离分辨率取决于脉冲宽度，振铃拖尾相当于拓宽了脉冲宽度，降低了雷达分辨率。天线振铃产生的根本原因是阻抗不连续，在不连续时就会出现信号反射，多次的反射叠加作用，在时域波形上表现出来就是振铃拖尾。通过将天线***响应近似看作一种延迟滤波网络，确定出***响应函数，通过反卷积的方法就可以抑制回波中振铃拖尾。
如图1所示，本发明的基于反卷积的冲激脉冲式穿墙雷达天线振铃抑制方法，其步骤包括：
步骤S1：根据天线几何形状、基板材质及介电特性计算得到天线冲激响应函数模型。根据传输线定理，可计算图3所示天线馈电点反射系数和远端反射系数：
式中，Z0表示馈电线阻抗，为50Ω，Zair表示空气阻抗，为377Ω，Zf和Zt分别表示天线馈电点处阻抗和远端阻抗，经软件仿真可获得具体值。ρf和ρt分别表示馈电点处和远端的反射系数。
根据天线尺寸，可计算出信号在天线上传播的时延：
式中，le为信号在天线上传输距离，λc为脉冲信号中心频率对应的波长，c为电磁波在真空中传播速度，为3×108m/s，εe为相对介电常数，ve为信号在天线上传播的等效速度，td为信号传输单程时延。
信号会在馈电点和远端发生反射，多次反射会相互叠加，最终信号形式为：
式中，s0(t)为理想发射脉冲信号，由于天线振铃效应导致对理想冲击信号有延时叠加的卷积操作，该效应用h(t)表示，si(t)为第i次反射后信号，f(t)即为最终天线上辐射的信号，由理想信号和多次反射叠加信号组成。
式(3)即为天线阵列效应产生的数学模型；
步骤S2：在雷达使用时，对回波中各通道误差进行通道校正；如若是单通道雷达，则该步骤可以省略；
步骤S3：将通道校正后的回波FFT变换到频域，考虑到时域反卷积运算复杂，将信号转到频域进行相乘操作；
步骤S4：频域内回波信号与天线冲激响应函数反函数相乘实现反卷积振铃抑制；
式(3)时域卷积可写为频域相乘形式：
F(jω)＝S0(jω)H(jω) (4)
式中，F(jω)、S0(jω)和H(jω)分别为f(t)、s0(t)和h(t)的频域表示。
天线的***响应函数频域具体表达式为：
则在频域乘以H(jω)的反函数即可实现反卷积操作，同时从信号中回复原始理想冲击脉冲信号。可表示为：
F(jω)H-1(jω)＝S0(jω)H(jω)H-1(jω)＝S0(jω) (6)
步骤S5：将信号转化到时间域，此时信号中振铃效应已经消除，可进行后续操作。
本发明的上述方法不需要任何形式的硬件加载，仅通过后端信号处理的方法抑制冲激脉冲信号在平面蝴蝶结天线上的信号振铃效应，恢复信号窄脉冲特性，有利于提高雷达目标分辨率和最大作用距离。该方法不仅可以用于冲激脉冲穿墙雷达中，抑制未加载平面天线上的振铃效应，也可用于抑制其他射频设备天线端振铃效应，恢复信号原始特征，该方法具有高效性和普遍使用性。
本发明的方法具有普适性，可用于穿墙雷达、雷达生命探测仪、多模复合生命探测仪等多种微功率超宽带冲激脉冲体制雷达生命搜救装备中，有效抑制天线振铃效应。
本发明在具体应用实例中，参见图1为主要应用和实验的穿墙雷达实物图。该图为雷达探测正面图，有三个平面蝶形天线：第一接收天线1、发射天线2、第二接收天线3，即中间为发射天线2，左右对称分布两个接收天线；背后金属腔体4和吸波材料确保天线辐射电磁波方向。
参见图2，为具体应用实例中平面蝶形天线的示意图，即图1中穿墙雷达上所使用的天线，振子两臂做成等腰三角形或扇形等形状，天线振子为敷在薄的介质基板上的铜箔或其他导电材料。领结天线可以近似看成一种行波结构天线，由发射机产生的冲激脉冲信号从天线中央馈电点逐渐流向两边，且越来越小，末端由于阻抗不连续发生反射。脉冲信号在馈电点和末端多次反射叠加导致了信号振铃。
参见图3为穿墙雷达发射机产生脉冲实测图，从图中可以看出发射机产生的脉冲时宽约为2ns。参见图4，为平面天线辐射信号图。即图3发射机产生的脉冲信号，经过馈电点至天线上，从天线上辐射的波形。与图3波形相比，可以看出出现了明显的信号振铃和拖尾，信号有效宽度发大到了10ns。通过计算可以知道，因为天线振铃效应的影响导致雷达距离向分辨降低了5倍。
参见图5，为天线延时滤波网络图。天线振铃产生的原因是信号在传播过程中遇到阻抗不连续的位置就会发生发射，在天线端和馈电处，信号会发生多次发射，发射信号不断叠加表现在时域波形上就信号振铃拖尾。通过计算馈电点和天线断面处反射***和信号传输时间就可以得到天线的***响应函数，该函数可以看作是一个延迟滤波网络。
参见图7，为使用本发明振铃抑制方法后辐射信号波形对比图。点状线即为带有振铃拖尾的信号波形(原波形)，实线为使用了本发明之后信号的振铃效应被显著抑制，信号主峰明显。
参见图8，是单目标实测回波对比图。在雷达探测区域内仅有一个人体目标情况下的雷达实测回波，点状线是原始波形，实线是经过本发明抑制振铃后波形，可以看到本发明抑制效果明显。
参见图9，是多目标实测回波对比图。在雷达探测区域内设有三个人体目标情况下的雷达实测回波，点状线是原始波形，实线是经过本发明抑制振铃后波形。可以看出原始回波由于信号振铃拖尾，导致三个目标回波重叠在一起，已经难以区分；而使用了本发明的抑制方法后三个目标就可以清晰看到了。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于反卷积的冲激脉冲式穿墙雷达天线振铃抑制方法，其特征在于，其步骤包括：
步骤S1：得到天线冲激响应函数，并转换为频域形式，预存至雷达处理器中；具体为：
根据天线几何形状、基板材质及介电特性计算得到天线冲激响应函数模型，根据传输线定理，计算天线馈电点反射系数和远端反射系数：
式中，Z0表示馈电线阻抗，为50Ω，Zair表示空气阻抗，为377Ω，Zf和Zt分别表示天线馈电点处阻抗和远端阻抗，ρf和ρt分别表示馈电点处和远端的反射系数；
根据天线尺寸，可计算出信号在天线上传播的时延：
式中，le为信号在天线上传输距离，λc为脉冲信号中心频率对应的波长，c为电磁波在真空中传播速度，为3×108m/s，εe为相对介电常数，ve为信号在天线上传播的等效速度，td为信号传输单程时延；
信号会在馈电点和远端发生反射，多次反射会相互叠加，最终信号形式为：
式中，s0(t)为理想发射脉冲信号，由于天线振铃效应导致对理想冲击信号有延时叠加的卷积操作，该效应用h(t)表示，si(t)为第i次反射后信号，f(t)即为最终天线上辐射的信号，由理想信号和多次反射叠加信号组成；
步骤S2：如若是多通道雷达，则对回波中各通道误差进行通道校正；如若是单通道雷达，则该步骤省略；
步骤S3：将通道校正后的回波FFT变换到频域；
步骤S4：频域内回波信号与天线冲激响应函数反函数相乘实现反卷积振铃抑制；
步骤S5：将信号转化到时间域，此时信号中振铃效应已经消除。
2.根据权利要求1所述的基于反卷积的冲激脉冲式穿墙雷达天线振铃抑制方法，其特征在于，在所述步骤S1中，根据天线几何形状、基板材质及介电特性计算得到天线冲激响应函数。
3.根据权利要求1所述的基于反卷积的冲激脉冲式穿墙雷达天线振铃抑制方法，其特征在于，在所述步骤S1中，建立的冲击响应数据模型。
4.根据权利要求1所述的基于反卷积的冲激脉冲式穿墙雷达天线振铃抑制方法，其特征在于，在所述步骤S3中，将信号转到频域进行相乘操作。
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