CN111142083A - 一种短脉冲非相参雷达中频回波构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短脉冲非相参雷达中频回波构建方法。该方法利用“停跳假设”模型，对每一次脉冲辐射的点目标回波进行波形平移和附加相位的补偿；波形平移分为整数采样间隔平移和剩余采样间隔补偿；附加相位补偿是对目标运动引起的回波多普勒效应进行补偿；杂波的构建是根据设定的杂波速度分布谱，利用蒙特卡洛方法产生特定的速度分布的样本目标序列，在利用点目标回波产生方法基础上产生目标回波；最后根据设定的信杂比，调整目标回波和杂波的权重系数，并加和形成整体的回波。本发明所形成的回波波形可在波形产生器或任意波形发生器上进行播放，可作为雷达中频接收机的信号输入，形成技术研发的闭环。

Description

一种短脉冲非相参雷达中频回波构建方法

技术领域

本发明属于短脉冲非相参雷达技术领域，涉及一种中频回波构建方法。

背景技术

从雷达信号处理角度看短脉冲非相参雷达，其产生的微波脉冲包络中心存在随机性，每一次微波脉冲的起始相位是随机的，中心频率也在脉冲间存在随机抖动。因此，重频工作的短脉冲非相参雷达是完全不相参的***。

在短脉冲非相参雷达接收机研制和信号处理技术研究过程中，中频信号的测试是整个***测试的重要环节。雷达中频信号可用于中频接收机的联合调试，可用于检测雷达信号处理程序的正确性、执行速度等，也可用于验证信号处理算法的执行效果。由于短脉冲非相参雷达辐射信号的不一致性，无法使用解析的方法构建目标回波，因此难以对中频接收机进行验证。

发明内容

本发明的目的是：提供一种短脉冲非相参雷达中频回波构建方法，解决现有技术在辐射信号非相参的条件下难以准确构建目标回波的问题。

本发明的基本思想是：针对录取的中频波形，利用“停跳假设”模型，对每一次脉冲辐射的点目标回波进行波形平移和附加相位的补偿。波形平移分成整数采样间隔平移、剩余采样间隔补偿这两步实现。附加相位补偿是对目标运动引起的附加相位项进行补偿，剩余采样间隔补偿也近似为一个小的相位补偿。上述相位补偿，可通过构建解析信号的方式实现，该附加相位项体现了目标运动引起的回波多普勒效应。杂波的构建是在点目标回波基础上实现的，可根据设定的杂波速度分布谱，利用蒙特卡洛方法产生特定的速度分布的样本目标序列，再利用点目标回波产生方法基础上产生杂波。最后根据设定的信杂比，调整目标回波和杂波的权重系数，并加和形成整体的回波。

为此，本发明提出以下解决方案：

一种短脉冲非相参雷达中频回波构建方法，包括：

1)点目标回波构建

基于“停跳假设”模型，对每一次脉冲辐射的点目标回波进行波形平移和附加相位的补偿，得到点目标回波波形；其中：

波形平移包括整数采样间隔平移和剩余采样间隔平移，所述整数采样间隔平移是对点目标运动引起的距离显著变化的项目进行补偿，所述剩余采样间隔平移是对整数采样间隔补偿的剩余项进行补偿，剩余采样间隔补偿近似为一个相对较小的相位补偿；

附加相位的补偿，是通过希尔伯特算法构造解析信号，对点目标运动引起的附加多普勒相位进行补偿；

2)杂波构建

在所述点目标回波构建的基础上，根据设定的杂波速度谱分布，利用蒙特卡洛方法产生特定的速度-距离分布的样本目标序列，依次产生相应的杂波波形；

3)整体的回波构建

对点目标回波和杂波进行功率估计，根据设定的信杂比，调整点目标回波和杂波的权重系数，并加和形成整体的回波。

进一步地，上述步骤1)点目标回波构建，具体包括以下步骤：

1.1)首先计算因为目标运动产生的波形平移量；所述波形平移量分解为整数采样间隔平移量和剩余采样间隔平移量，如式(1)所示：

式(1)中，K_mΔt是整数采样间隔平移量，ξ_m为剩余采样间隔平移量，m为慢时间坐标，r(t_m)为点目标到雷达距离随着雷达慢时间的变化函数，c为电磁波传播速度(光速)，t_start为生成波形数据的起始时间，Δt为中频波形的采样间隔；|ξ_m|≤Δt/2；整数采样间隔平移量中的K_m的计算方法为：

其中，round(·)是取整数函数。剩余采样间隔平移量为：

1.2)按照下式计算信号的相位补偿量，它是多普勒相位与平移残余相位的加和：

式(4)中，

为多普勒相位，-2πf_IFξ_m为平移残余相位，f_LO为雷达接收机的本振频率，f_IF为雷达接收机的中频中心频率；

1.3)对原始的中频采样波形进行整数采样平移，平移量为1.1)中式(2)计算出来的K_m；对平移后的中频采样波形数据进行希尔伯特变换，构造出复解析信号；利用1.2)中式(4)计算出来的相位补偿量，增加复解析信号的相位；取出复解析信号的实数部分，即为构造好的特定运动规律的目标回波。

进一步地，上述步骤2)杂波构建，具体包括以下步骤：

2.1)设定杂波散射体的速度分布函数f(v)、杂波散射体样本量Q；

2.2)根据速度分布函数f(v)，产生Q个杂波散射体样本，使其均匀分布在仿真的波门中，每个样本拥有初始位置和运动速度两个参数；

2.3)利用步骤1)的实现过程构造每一个杂波散射体样本的回波数据，将每一个杂波散射体样本的回波数据进行加和，获得一个初始的杂波数据。

进一步地，上述步骤3)进行信杂比的加权调整，具体包括以下步骤：

3.1)对所述对点目标回波和杂波进行功率估计，具体是通过时域功率估计算法计算杂波平均功率和点目标回波的峰值功率。

3.2)根据设定的信杂比，调整目标回波功率与杂波功率的权重，进行加和，从而获得了特定信杂比的回波数据。

本发明的技术效果如下：

本发明是在辐射源信号的中频采样波形的基础上，构建点目标回波和杂波，再根据设定的信杂比，调整目标回波和杂波的权重系数，并加和形成整体的回波。其中，针对于设定的距离、运动速度和加速度产生的点目标，点目标回波的构建不仅反映了其回波延时在每一个雷达慢时间上的区别，还反应了目标运动引起的多普勒现象；并且，所反映的多普勒特性与目标运动规律无关，只要求输入目标在慢时间的运动点迹。所形成的回波波形可在波形产生器或任意波形发生器上进行播放，可作为雷达中频接收机的信号输入，形成技术研发的闭环。

附图说明

图1为中频波形的获取方法的示意图。

图2为雷达接收回波的过程示意图。

图3为杂波抽样示意图。

图4为目标回波与杂波加权求和的意图。

具体实施方法

为了更清楚的理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图以及实施例对本发明进行进一步的详细描述。

本发明的研究包括以下几个方面：

1、信号之间相位的关系

利用图1所示方法，可获得重频工作的短脉冲微波功率源辐射波形的中频采样。也可以使用高端示波器直接采样录取短脉冲微波功率源辐射波形，并通过信号处理方法获得特定的中频信号波形。后续将在上述辐射源中频信号波形基础上实现回波信号的构建。之所以在中频域构建回波的原因有以下两点：(1)中频信号带宽足够，能够保证辐射信号的非一致性在波形中完全体现；(2)绝大多数的雷达接收机是采用超外差体制，其中中频接收机是对中频回波信号采样处理，获得目标信息。

雷达的天线接收到目标的回波信号，需经过射频前端进行放大、变频和自动增益控制等。变频可能是经过多次，但可以等效成一次变频，如附图2所示。其中，f_LO是等效的本振频率，f_IF是中频中心频率，它们之间的关系为：

f_IF＝f_c-f_LO (9)

雷达信号处理技术中常使用“停跳假设”，即忽略雷达辐射场与目标散射作用时间内目标的运动，认为脉冲持续时间内目标是相对雷达“静止”的。同时将目标的运动反应在雷达的慢时间上，可以理解为目标在下一次散射作用发生前，“跳跃”到下一个作用位置。

假设有一个点目标距离雷达相位中心距离随着雷达慢时间的变化函数为r(t_m)，雷达辐射信号的射频可表示为：

其中t是雷达***的快时间，A(t)为基带信号的包络，

是信号相位。经过空间传播到达目标处与目标发生散射作用，并返回到雷达接收机相位中心的射频信号可表示为：

雷达接收机变频的本振可表示为

其中，

是本振信号的相位。回波与本振相乘得到

经过低通滤波得到中频信号

其中，LPF(·)表示低通滤波器，

体现了信号包络的延时效果，而

式(15)中，

体现了目标运动引起的多普勒相位。

前文所述重频工作的短脉冲微波功率源辐射波形的中频采样数据可表示为：

其中，

是采样得到的中频信号的相位。将(16)是进行信号平移:

其中，

是卷积算符，δ(·)是冲击函数。进行中频信号的平移过程，称之为波形平移。可看出，对中频信号进行平移会加入相位

需要对信号(17)，进行相位补偿，才能得到(14)的结果，补偿的相位为

(19)为因为目标运动而需要在中频进行补偿的多普勒相位。

2、波形延时补偿

前文所述重频工作的短脉冲微波功率源辐射波形的中频采样实质上是离散的数据点，所以式(16)也可表示为离散的形式

其中Δt是信号的采样间隔，需要满足奈奎斯特采样定律。需要波形平移的距离并非是采样间隔的整数倍，可以表示为

式(1)中，K_mΔt是整数采样间隔平移量；ξ_m为剩余采样间隔平移量。式(1)中，m为慢时间坐标，r(t_m)为点目标到雷达距离随着雷达慢时间的变化函数，c为电磁波传播速度(光速)。t_start为生成波形数据的起始时间，Δt为中频波形的采样间隔。整数采样间隔平移量中的K_m的计算方法为：

其中，round(·)是取整数函数。剩余采样间隔平移量为：

很明显，|ξ_m|≤Δt/2；

可以对(20)进行整数采样间隔平移：

在实际编程的时候，(24)可以通过数据指针的偏移实现。其中，基带包络信号作以下近似：

3、相位补偿

对(24)进行相位补偿即可实现波形构建。补偿包络两项：第一，由目标运动产生的多普勒相位，即为式(19)；第二，剩余采样间隔引起的相位差：

具体的相位补偿是通过构建复解析信号方式实现的。将(24)进行希尔伯特变换

s_7Q(nΔt)＝hilbert(s₇(nΔt)) (27)

其中hilbert(·)为希尔伯特算子。构造解析信号

s₈(nΔt)＝s₇(nΔt)+js_7Q(nΔt) (28)

进行相位补偿

Re(·)是取实部算子。推导过程中

和

保持固定相位关系，对输出波形的相干性无影响。

4、杂波模拟方法

本发明的杂波构建方法与其他依赖于多普勒谱分布的杂波构建方法有所区别，其基础为目标的回波构建。一般认为杂波是低速运动的散射体产生的回波，例如风吹草动、海浪等，而本发明主要针对的是高速运动目标，例如飞机、舰船等。因此本发明设定一个杂波散射体的速度概率分布f(v)，然后进行抽样,产生Q个杂波散射体样本，如图3所示。抽样产生的样本，每一个样本有速度和距离，按照2-3的过程构造其“回波”。把所有样本产生的“回波”加和起来就获得了特定速度分布的散射回波数据。

5、调整权重、加和

对所述对点目标回波和杂波进行功率估计，具体是通过时域功率估计算法计算杂波平均功率和点目标回波的峰值功率。根据设定的信杂比，调整目标回波功率与杂波功率的权重，进行加和，从而获得了特定信杂比的回波数据。

本方法在辐射信号非相参的条件下，将目标运动引起的多普勒效应在中频回波中进行体现。所形成的回波波形可在波形产生器或任意波形发生器上进行播放，可作为雷达中频接收机的信号输入，在***算法仿真和***调试中加以利用，形成技术研发的闭环。

Claims (4)

1.一种短脉冲非相参雷达中频回波构建方法，其特征在于，包括：

1)点目标回波构建

基于“停跳假设”模型，对每一次脉冲辐射的点目标回波进行波形平移和附加相位的补偿，得到点目标回波波形；其中：

波形平移包括整数采样间隔平移和剩余采样间隔平移，所述整数采样间隔平移是对点目标运动引起的距离显著变化的项目进行补偿，所述剩余采样间隔平移是对整数采样间隔补偿的剩余项进行补偿，剩余采样间隔补偿近似为一个相对较小的相位补偿；

附加相位的补偿，是通过希尔伯特算法构造解析信号，对点目标运动引起的附加多普勒相位进行补偿；

2)杂波构建

在所述点目标回波构建的基础上，根据设定的杂波速度谱分布，利用蒙特卡洛方法产生特定的速度-距离分布的样本目标序列，依次产生相应的杂波波形；

3)整体的回波构建

对点目标回波和杂波进行功率估计，根据设定的信杂比，调整点目标回波和杂波的权重系数，并加和形成整体的回波。

2.根据权利要求1所述的短脉冲非相参雷达中频回波构建方法，其特征在于：步骤1)点目标回波构建，具体包括以下步骤：

1.1)首先计算因为目标运动产生的波形平移量；所述波形平移量分解为整数采样间隔平移量和剩余采样间隔平移量，如式(1)所示：

式(1)中，K_mΔt是整数采样间隔平移量，ξ_m为剩余采样间隔平移量，m为慢时间坐标，r(t_m)为点目标到雷达距离随着雷达慢时间的变化函数，c为电磁波传播速度(光速)，t_start为生成波形数据的起始时间，Δt为中频波形的采样间隔；|ξ_m|≤Δt/2；

整数采样间隔平移量中的K_m的计算方法为：

其中，round(·)是取整数函数；

剩余采样间隔平移量的计算方法为：

1.2)按照下式计算信号的相位补偿量，它是多普勒相位与平移残余相位的加和：

式(4)中，

为多普勒相位，-2πf_IFξ_m为平移残余相位，f_LO为雷达接收机的本振频率，f_IF为雷达接收机的中频中心频率；

1.3)对原始的中频采样波形进行整数采样平移，平移量为1.1)中式(2)计算出来的K_m；对平移后的中频采样波形数据进行希尔伯特变换，构造出复解析信号；利用1.2)中式(4)计算出来的相位补偿量，增加复解析信号的相位；取出复解析信号的实数部分，即为构造好的特定运动规律的目标回波。

3.根据权利要求1所述的短脉冲非相参雷达中频回波构建方法，其特征在于，其特征在于：步骤2)杂波构建，具体包括以下步骤：

2.1)设定杂波散射体的速度分布函数f(v)、杂波散射体样本量Q；

2.2)根据速度分布函数f(v)，产生Q个杂波散射体样本，使其均匀分布在仿真的波门中，每个样本拥有初始位置和运动速度两个参数；

2.3)利用步骤1)的实现过程构造每一个杂波散射体样本的回波数据，将每一个杂波散射体样本的回波数据进行加和，获得一个初始的杂波数据。

4.根据权利要求1所述的短脉冲非相参雷达中频回波构建方法，其特征在于，其特征在于：步骤3)进行信杂比的加权调整，具体包括以下步骤：

3.1)对所述对点目标回波和杂波进行功率估计，具体是通过时域功率估计算法计算杂波平均功率和点目标回波的峰值功率；

3.2)根据设定的信杂比，调整目标回波功率与杂波功率的权重，进行加和，从而获得了特定信杂比的回波数据。

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