CN111751791B - 多频连续波相干转发方法和装置 - Google Patents

多频连续波相干转发方法和装置 Download PDF

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Abstract

本说明书提供一种多频连续波相干转发方法和装置，包括：采用雷达参考信号对接收到的雷达波信号进行下变频处理，得到基带信号；雷达波信号为多频连续波信号；雷达参考信号的频率与雷达波信号中的载波频率相近；对基带信号进行波形检测和参数估计，得到点频分量的相位和频率；根据各点频分量的相位和频率生成与基带信号相参的转发基带信号；采用雷达参考信号对转发基带信号进行上变频处理，生成转发信号并发射转发信号。在转发信号传播至一次波雷达时的功率大于反射信号的功率的情况下，一次雷达在目标距离较远的情况下仍然能够收到大于可探测功率强度的转发信号，因此一次雷达的探测距离可以比接收反射信号确定的探测距离要远很多。

Description

多频连续波相干转发方法和装置
技术领域
本说明书涉及雷达探测技术领域，具体涉及一种多频连续波相干转发方法和转发装置，还涉及一种基于多频连续波的远距离目标雷达***。
背景技术
一次雷达是目标探测和运动参数估计广泛采用的技术体制，其依靠雷达发射信号和相应的目标散射回波信号进行探测和测量。受限于雷达发射功率、雷达接收灵敏度和目标反射截面的影响；雷达只能在一定的距离范围内达到设计性能。
为了在保持雷达功率不增加的情况下，如何能够利用一次雷达实现更远距离的目标探测是需要解决的问题。现有技术中的解决方案如下：在雷达和远距离目标上均安装高稳时钟源，采用高稳时钟源使得雷达和转发装置的频率近似相干，进而使得转发信号具有相干性；但是采用前述方法在雷达和转发装置中需同时设置高稳时钟源，其成本较高；另外，因为远距离目标和雷达之间的相对运动，转发装置生成的转发信号和真实回波信号的多普勒频率存在差异，导致雷达不能将转发信号和正常回波信号进行相同地处理。
发明内容
本说明书提供一种多频连续波相干转发方法和装置，用于在不改变一次雷达发射功率和使用方式的前提下，提高一次雷达对远距离目标的探测距离。
本说明书提供一种多频连续波相干转发方法，包括：
采用雷达参考信号对接收到的雷达波信号进行下变频处理，得到基带信号；所述雷达波信号为多频连续波信号；所述雷达参考信号的频率与所述雷达波信号中的载波频率相近；
对所述基带信号进行波形检测和参数估计，得到其中点频分量的相位和频率；
根据所述点频分量的相位和频率生成与所述基带信号相参的转发基带信号；
采用所述雷达参考信号对所述转发基带信号进行上变频处理，生成转发信号并发射所述转发信号。
可选地，采用半双工模式执行所述相干转发方法，包括：
在观测时间窗口内，采用雷达参考信号对接收到的雷达波信号进行下变频处理，以及，对所述基带信号进行波形检测和参数估计；
在转发时间窗口内，根据所述点频分量的相位和频率生成与所述基带信号相参的转发基带信号，以及采用所述雷达参考信号对所述转发基带信号进行上变频处理。
可选地，所述转发时间窗口大于所述观测时间窗口。
本说明书提供一种多频连续波相干转发装置，包括：
频率信号源，用于产生上变频和下变频用的雷达参考信号；
下变频模块，用于采用雷达参考信号对接收到的雷达波信号进行下变频处理，得到基带信号；所述雷达波信号为多频连续波信号；
检测估计模块，用于对所述基带信号进行波形检测和参数估计，得到点频分量的相位和频率；
转发基带信号生成模块，用于根据所述点频分量的相位和频率生成与所述基带信号相参的转发基带信号；
上变频模块，用于采用所述雷达参考信号对所述转发基带信号进行上变频处理，生成转发信号并发射转发信号。
可选地，所述多频连续波相干转发装置包括一收发天线；所述收发天线与所述下变频模块和所述上变频模块通过开关连接；所述上变频模块和所述下变频模块交替地与所述天线导通，而实现下变频处理和上变频处理。
可选地，所述上变频模块对转发基带信号进行上变频处理的时间，大于所述下变频模块对接收到的雷达波信号进行下变频处理的时间。
本说明书提供一种基于多频连续波的远距离目标探测***，包括一次雷达和安装在远距离目标上的转发装置；
所述一次雷达用于发射雷达波信号；所述雷达波信号为多频连续波信号；
所述转发装置用于采用雷达参考信号对接收到的雷达波信号进行下变频处理，得到基带信号；对所述基带信号进行波形检测和参数估计，得到点频分量的相位和频率；根据所述点频分量的相位和频率生成与所述基带信号相参的转发基带信号；采用所述雷达参考信号对所述转发基带信号进行上变频处理，生成转发信号并发射所述转发信号；所述射频参考信号的频率与所述一次雷达信号的载波频率相近；
所述一次雷达还用于接收所述转发信号，根据所述转发信号确定所述远距离目标的距离-速度。
可选地，所述转发装置包括一收发天线；
所述收发天线与所述下变频模块和所述上变频模块均连接；所述上变频模块和所述下变频模块交替地与所述天线连接，而实现下变频处理和上变频处理。
可选地，所述上变频模块对转发基带信号进行上变频处理的时间，大于所述下变频模块对接收到的雷达波信号进行下变频处理的时间。
可选地，所述转发装置周期性地根据所述多频连续波信号生成所述转发信号。
本说明书提供的转发方法中，转发基带信号是与基带信号相参的信号，而用于下变频处理的雷达参考信号与用于上变频处理的雷达参考信号为同一信号，所以通过转发基带信号和雷达参考信号进行上变频处理得到的基带信号是与雷达波信号相参的信号。在转发信号传播至一次波雷达时的功率大于反射信号的功率的情况下，一次雷达在目标距离较远的情况下仍然能够收到大于可识别功率强度的转发信号，因此一次雷达的探测距离可以比接收目标反射信号确定的探测距离要远很多。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1是实施例提供的多频连续波相干转发方法的流程图；
图2是实施例提供的转发方法处理施加划分方法示意图；
图3是实施例提供的多频连续波相干转发装置的结构示意图；
其中：11-频率信号源，12-下变频模块，13-检测估计模块，14-转发基带信号生成模块，15-上变频模块。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本说明书实施例提供一种多频连续波相干转发方法，应用在远距离目标的转发装置中，以使得转发装置能够对接收到的一次雷达发送的雷达波信号进行转发。
在对本说明书提供的方法和装置进行讲解前，首先对一次雷达实现目标探测原理做分析。
假设一次雷达发射的、照射到目标上的雷达波信号时间相位函数为
Figure BDA0002586432980000051
则目标散射的回波信号对应的时间相位函数为
Figure BDA0002586432980000052
其中，fc为一次雷达的载波频率，fD为多普勒频移，
Figure BDA0002586432980000053
为一次雷达载波在t0时刻的相位，
Figure BDA0002586432980000054
为目标散射系数中的相位因子；对于窄带雷达信号，目标散射系数中的相位因子为恒定值，并且连续波雷达对目标回波的检测估计与该相位无关。而本实施例提供的方法为生成与目标散射的回波信号频率和相位特性相同，但是功率大于回波信号的转发信号。
图1是实施例提供的多频连续波相干转发方法的流程图。如图1所示，本实施例提供的方法包括步骤S101-S104。
S101：采用雷达参考信号对接收到的雷达波信号进行下变频处理，得到基带信号。
步骤S101中，雷达波信号为一次雷达发射的，包括多个基带频率的连续波信号。雷达参考信号为转发装置中的应答频率源和频率合成器生成的一高频信号；雷达参考信号的频率与雷达波信号中的载波频率相近；此处所说的相近是：雷达参考信号与雷达波信号频率的标称值相同，而实际二者可能相同，也可以有较小的频率差异。
可以想到，采用雷达参考信号对接收到的雷达波信号进行下变频处理后，获得的基带信号中的任意一个点频信号，其频率和参考信号和接受到的雷达信号中对应点频分量之间的频率差异相同，其相位与参考信号和接受到的雷达信号对应的点频分量之间的相位差异相同。
具体的，假设照射到目标上的雷达波信号时间相位函数为
Figure BDA0002586432980000061
Figure BDA0002586432980000062
转发装置中采用自带频率源生成的雷达参考信号时间相位函数为
Figure BDA0002586432980000063
则基带信号对应的相位函数为
Figure BDA0002586432980000064
Figure BDA0002586432980000065
其中
Figure BDA0002586432980000066
为雷达参考信号的初始相位，fe为生成雷达参考信号的频率远相对于一次雷达载波频率的频率误差。
应当注意的是，前述
Figure BDA0002586432980000067
仅是用于表达基带信号，实际中
Figure BDA0002586432980000068
的初始相位和频率特性均未知。S102：对基带信号进行波形检测和参数估计，得到其中点频分量的相位和频率。
步骤S102中，可以采用周期图方法、自回归方法、MUSIC方法等各种已有的方法对基带信号进行波形检测和参数估计，确定各个电频信号的相位和频率。
接S101中的描述，对基带信号进行分析，得到点频分量的相位和频率即是确定初始相位
Figure BDA0002586432980000069
和频率参数fest＝fD-fe。
S103：根据各点频分量的相位和频率生成与基带信号相参的转发基带信号。
步骤S103中，转发装置以各点频分量的相位和频率为依据，生成与基带信号相参的转发基带信号。转发基带信号为
Figure BDA0002586432980000071
Figure BDA0002586432980000072
S104：采用雷达参考信号对转发基带信号进行上变频处理，生成转发信号并发发射转发信号。
步骤S104中，转发装置基于雷达参考信号，重新对转发基带信号进行上变频处理，生成转发信号。转发信号
Figure BDA0002586432980000073
Figure BDA0002586432980000074
步骤S104中生成的转发信号的功率大于目标反射的雷达波信号功率。
根据前述的分析可知，转发基带信号是与基带信号相参的信号，而用于下变频处理的雷达参考信号与用于上变频处理的雷达参考信号为同一信号，所以通过转发基带信号和雷达参考信号进行上变频处理得到的基带信号是与雷达波信号相参的信号。
而前述步骤S104发送的转发信号的功率大于经由远距离目标反射形成的反射信号功率。转发信号传播至一次雷达时的功率也将大于反射信号的功率，在一次雷达识别灵敏度确定的情况下，一次雷达探测远距离目标的探测距离可以比接收反射信号确定的探测距离要远很多。
采用本实施例提供的转发装置后，在不扩大一次雷达的发射频率，不改变雷达工作方式，也无需使用高稳时钟源的情况下，仅使得转发装置根据接收到的雷达波信号生成转发信号就可以扩大一次雷达对安装转发装置的远距离目标的探测距离。
图2是实施例提供的转发方法处理施加划分方法示意图。如图2所示，本实施例中，转发装置周期性的执行前述的转发方法，其执行周期为Tcy；在一个执行周期中，转发装置采用半双工的收发方式进行工作，用于获取雷达波信号的窗口时间(也就是对接收的雷达波信号进行下变频处理的时间)为Tms，执行步骤S102的时间为Tpc(也就是用于频率和相位估计的时间)，用于生成转发信号的窗口时间为Tpd(也就是对转发基带信号进行上变频处理的时间)。
也就是说，前述方法采用半双工模式执行：在观测时间窗口内，采用雷达参考信号对接收到的雷达波信号进行下变频处理，以及，对基带信号进行波形检测和参数估计；在转发时间窗口内，根据点频分量的相位和频率生成与基带信号相参的转发基带信号，以及采用雷达参考信号对转发基带信号进行上变频处理。
可以想到，转发装置周期性的执行前述的转发方法可以避免因为远距离目标相对一次雷达位置改变、远距离目标速度改变等与步骤S102中参数估计不匹配而造成的误差累计。转发装置采用半双工工作方式，可以按照需要提高转发信号功率而避免转发装置产生自激励，达到提高雷达探测距离的效果。
如图2所示，生成转发信号的窗口时间为Tpd大于获取雷达波信号的窗口时间为Tms可以减小转发信号不连续对一次雷达探测造成的影响，实现远距离目标飞行状态的有效跟踪。
除了提供前述的转发方法外，本实施例还提供一种多频连续波相干转发装置。图3是实施例提供的多频连续波相干转发装置的结构示意图。如图3所示，转发装置包括频率信号源11、下变频模块12、检测估计模块13、转发基带信号生成模块14和上变频模块15。
频率信号源11用于产生上变频和下变频用的雷达参考信号。具体应用中，频率信号源11可以包括一射频源和一频率合成器，频率合成器根据射频源产生的基准频率形成雷达参考信号。雷达参考信号是对标称值与一次雷达中载波频率相同的信号。
下变频模块12用于采用雷达参考信号对接收到的雷达波信号进行变频处理，得到基带信号。
检测估计模块13用于对所述基带信号进行波形检测和参数估计，得到各个点频分量的相位和频率。实际应用中，检测估计模块13可以采用周期图方法、自回归方法、MUSIC方法等各种可能的方法对基带信号进行波形检测和参数估计，确定各个电频信号的相位和频率。
转发基带信号生成模块14用于根据点频分量的相位和频率生成与基带信号相参的转发基带信号。
上变频模块15用于采用雷达参考信号对转发基带信号进行上变频处理，生成转发信号并发射转发信号。
如前述的转发方法，本实施例中提供的转发装置生成的转发信号功率大于远距离目标反射雷达波信号形成的反射信号，因此可以使得一次雷达对远距离目标的探测距离更远。
本实施例中，转发装置包括一个收发天线；收发天线与下变频模块12和上变频模块15通过开关连接；通过开关的关断，上变频模块15和下变频模块12交替地与天线导通，实现下变频处理和上变频处理。
如前述的方法，本实施例中，上变频模块15对转发基带信号进行上变频处理的时间大于下变频模块12对接收到的雷达波信号进行下变频处理的时间。
本说明书实施例还提供一种基于多频连续波的远距离目标探测***。探测***包括一次雷达和安装在远距离目标上的转发装置。
一次雷达用于发射雷达波信号。雷达波信号为多频连续波信号。
转发装置包括频率信号源11、下变频模块12、检测估计模块13、转发基带信号生成模块14和上变频模块15。频率信号源11用于产生上变频和下变频用的雷达参考信号。具体应用中，频率信号源11可以包括一射频源和一频率合成器，频率合成器根据射频源产生的基准频率形成雷达参考信号。雷达参考信号是对标称值与一次雷达中载波频率相同的信号。
下变频模块12用于采用雷达参考信号对接收到的雷达波信号进行变频处理，得到基带信号。
检测估计模块13用于对基带信号进行波形检测和参数估计，得到各个点频分量的相位和频率。实际应用中，检测估计模块13可以采用周期图方法、自回归方法、MUSIC方法等各种可能的方法对基带信号进行波形检测和参数估计，确定各个点频信号的相位和频率。
转发基带信号生成模块14用于根据点频分量的相位和频率生成与基带信号相参的转发基带信号。
上变频模块15用于采用雷达参考信号对转发基带信号进行上变频处理，生成转发信号并发射转发信号。
一次雷达在接收到转发信号后，还可以根据转发信号确定远距离目标的距离和/或速度。具体的，一次雷达在接收到转发信号后，对转发信号进行下变频处理，以根据其中的转发基带信号确定远距离目标的距离和速度。
具体应用中，转发装置可以包括一收发天线；上变频模块15和下变频模块12通过开关与收发天线连接，通过开关关断而实现二者与收发天线的导通和关断，继而实现下变频处理和上变频处理。
如前，本实施例中，上变频模块15对转发基带信号进行上变频处理的时间大于下变频模块12对接收的雷达波信号进行下变频处理的时间；转发装置周期地根据多频联系波信号生成转发信号。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多频连续波相干转发方法，其特征在于，包括：
采用雷达参考信号对接收到的雷达波信号进行下变频处理，得到基带信号；所述雷达波信号为多频连续波信号；所述雷达参考信号的频率与所述雷达波信号中的载波频率相近；
对所述基带信号进行波形检测和参数估计，得到其中点频分量的相位和频率；
根据各所述点频分量的相位和频率生成与所述基带信号相参的转发基带信号；
采用所述雷达参考信号对所述转发基带信号进行上变频处理，生成转发信号并发射所述转发信号；
采用半双工模式执行所述相干转发方法，包括：
在观测时间窗口内，采用雷达参考信号对接收到的雷达波信号进行下变频处理，以及，对所述基带信号进行波形检测和参数估计；
在转发时间窗口内，根据所述点频分量的相位和频率生成与所述基带信号相参的转发基带信号，以及采用所述雷达参考信号对所述转发基带信号进行上变频处理。
2.根据权利要求1所述的多频连续波相干转发方法，其特征在于，所述转发时间窗口大于所述观测时间窗口。
3.一种用于实现权利要求1所述的方法的多频连续波相干转发装置，其特征在于，所述转发装置采用半双工模式执行相干转发，装置包括：
频率信号源，用于产生上变频和下变频用的雷达参考信号；
下变频模块，用于采用雷达参考信号对接收到的雷达波信号进行下变频处理，得到基带信号；所述雷达波信号为多频连续波信号；
检测估计模块，用于对所述基带信号进行波形检测和参数估计，得到点频分量的相位和频率；
转发基带信号生成模块，用于根据各所述点频分量的相位和频率生成与所述基带信号相参的转发基带信号；
上变频模块，用于采用所述雷达参考信号对所述转发基带信号进行上变频处理，生成转发信号并发射转发信号。
4.根据权利要求3所述的多频连续波相干转发装置，其特征在于：
包括一收发天线；所述收发天线与所述下变频模块和所述上变频模块通过开关连接；所述上变频模块和所述下变频模块交替地与所述天线导通，而实现下变频处理和上变频处理。
5.根据权利要求4所述的多频连续波相干转发装置，其特征在于：
所述上变频模块对转发基带信号进行上变频处理的时间，大于所述下变频模块对接收到的雷达波信号进行下变频处理的时间。
6.一种基于多频连续波的远距离目标探测***，其特征在于，包括一次雷达和安装在远距离目标上的转发装置；所述转发装置用于实现权利要求1所述的方法；所述转发装置包括用于实现上变频处理的上变频模块和用于实现下变频处理的下变频模块；
所述一次雷达用于发射雷达波信号；所述雷达波信号为多频连续波信号；
所述转发装置用于采用雷达参考信号对接收到的雷达波信号进行下变频处理，得到基带信号；对所述基带信号进行波形检测和参数估计，得到点频分量的相位和频率；根据所述点频分量的相位和频率生成与所述基带信号相参的转发基带信号；采用所述雷达参考信号对所述转发基带信号进行上变频处理，生成转发信号并发射所述转发信号；所述雷达参考信号的频率与所述一次雷达信号的载波频率相近；
所述一次雷达还用于接收所述转发信号，根据所述转发信号确定所述远距离目标的距离和径向速度。
7.根据权利要求6所述的远距离目标探测***，其特征在于：
所述转发装置包括一收发天线；
所述收发天线与所述下变频模块和所述上变频模块均连接；所述上变频模块和所述下变频模块交替地与所述天线连接，而实现下变频处理和上变频处理。
8.根据权利要求7所述的远距离目标探测***，其特征在于：
所述上变频模块对转发基带信号进行上变频处理的时间，大于所述下变频模块对接收到的雷达波信号进行下变频处理的时间。
9.根据权利要求6所述的远距离目标探测***，其特征在于：
所述转发装置周期性地根据所述多频连续波信号生成所述转发信号。
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