CN111983579A - 一种参差脉冲重复时间消除雷达速度模糊的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种参差脉冲重复时间消除雷达速度模糊的方法，包括：将复基带信号分成两个通道：一个通道进行逐脉冲噪声电平估计，得到噪声功率P_Ni，另一个通道首先通过奇偶脉冲分离的地物杂波抑制器，将地物杂波抑制后，得到目标信号x’_T1T2(I,Q)；目标信号经过相关估计器得到R0、R1(T1)和R1(T2)。将P_Ni、R0、R1(T1)和R1(T2)进行处理和运算，得到速度谱宽信号；将P_Ni、Vra1和Vra2进行速度模糊判断和消除速度模糊的处理和运算后，得到目标准确径向平均速度。本发明提高了雷达测量速度范围、计算复杂度低。

Description

一种参差脉冲重复时间消除雷达速度模糊的方法

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，尤其涉及一种参差脉冲重复时间消除雷达速度模糊的方法。

背景技术

目标的速度信息是雷达测量里关键参数之一，对于目标跟踪、识别和分类具有重要的作用。雷达对目标速度信息提取的方法都是测量回波中的多普勒频率，而在微波和毫米波雷达中，脉冲重复频率形成了对同一距离门目标的多普勒信号采样。脉冲重复频率限制了雷达对目标速度测量的范围，如果目标的速度大于1/2脉冲重复频率，则会发生速度模糊。

许多国内外同行对消除速度模糊获得真实的速度估计，做了大量的工作，较为朴素想法是提高重复频率，加大速度测量范围，这在短距离雷达应用可能会奏效，但是也会带来距离模糊等其他问题，限制了其应用场景。更多的同行采用参差重复频率的方法，该方法要求雷达交替发射多个重复频率的信号，对于双重频来说，重频比一般是2:3，3:4和4:5等，但是在具体退模糊的过程中一般是采用类似中国余数定理的常规方法，这类常规方法计算复杂度较高且只适合信噪比较高的点目标应用场合；并且如果相位估计处于k(k为正整数)边缘，模糊速度估计细微偏差会带来最终真实速度较大的跳变；进一步限制了这类方法的应用范围。

因此，开发一种稳定高效的速度去模糊方法或技术在雷达应用领域极为迫切，特别是针对中高速点目标、面目标(比如气象目标)的中长距离的应用场合。

发明内容

本发明的针对现有参差重频退速度模糊技术和方法的问题，本发明提供了一种完整的参差脉冲重复时间消除雷达速度模糊并实现地杂波抑制技术。能够高效、实时的进行模糊速度的退模糊，获得准确真实的目标速度估计，并能滤除杂波干扰，提高目标速度估计精度。

一种参差脉冲重复时间消除雷达速度模糊的方法，包括：要求雷达发射参差重频的脉冲信号，重复时间为T1和T2，且T1/T2＝N/(N+1)，N为2至9的整数，λ为雷达工作波长；

在数字接收机中，将复基带信号分成两个通道：一个通道进行逐脉冲噪声电平估计，给出当前第i个接收脉冲信号的噪声功率P_Ni；另一个通道首先通过奇偶脉冲分离的地物杂波抑制器，将地物杂波抑制后，得到目标信号x’_T1T2(I,Q)；目标信号x’_T1T2(I,Q)，一方面经过1个0阶相关估计器得到0阶相关估计R0，另一方面经过2个1阶相关估计器得到基于T1时间延时的1阶相关估计R1(T1)和基于T2时间延时的1阶相关估计R1(T2)。将P_Ni、R0、R1(T1)和R1(T2)进行处理和运算，得到速度谱宽信号，并将其输出；将R1(T1)和R1(T2)进行运算，得到可能存在速度模糊的两种速度估计Vra1和Vra2；将P_Ni、Vra1和Vra2进行速度模糊判断和消除速度模糊的处理和运算后，得到目标准确径向平均速度。

进一步地，如上所述的参差脉冲重复时间消除雷达速度模糊的方法，所述地物杂波抑制包括以下步骤：

第一步：对参差脉冲进行1bit的计数，形成“01010101……”的奇偶指示信号Odd_Even，“0”的时间段表示偶脉冲对应的时间段，“1”时间段表示奇脉冲对应的时间段；

第二步：根据Odd_Even信号分别缓存2个奇脉冲、偶脉冲数据；

所述数据用x(m,n)表示，其中m代表脉冲编号，n代表库元编号，当前脉冲数据用{x(0，n)，n＝1……N}表示，前一个脉冲用{x(-1，n)，n＝1……N}，前一个脉冲用{x(-2，n)，n＝1……N}，总共要缓存2级；

第三步：对缓存的奇脉冲、偶脉冲数据经过滤波器滤波后，再通过奇偶脉冲重组器按照奇偶指示信号Odd_Even进行奇偶对应以合成一路信号，得到杂物抑制后的复基带信号信号x’_T1T2(I,Q)。

进一步地，如上所述的参差脉冲重复时间消除雷达速度模糊的方法，所述滤波器根据最小可测量多普勒频率为界设计滤波器。

进一步地，如上所述的参差脉冲重复时间消除雷达速度模糊的方法，所述速度模糊判断包括：

采用参差重复脉冲，重复频率的比值互质，由于

则能获得不模糊的多普勒频率范围是(-NF₁，NF₂)，亦即(-(N+1)F2，(N+1)F2)；

假定多普勒频率为f_d在重复频率F₁和F₂条件下，分别测得的可能模糊多普勒频率为f_am1和f_am2，则f_am1、f_am2与f_d的关系如下：

f_am1＝f_d+m₁F₁ m₁＝-N:N

f_am2＝f_d+m₂F₂ m₂＝-(N+1):N+1

计算上式中的频率差Δf_am＝f_am1-f_am2，发现模糊多普勒频率差随着真实多普勒频率变化有一定的规律，在正频率部分：

而负频率部分，Δf_am的符号相反：

可以看出Δf_am在各个区间是固定的，通过Δf_am就可以确定真实多普勒频率所在区间，然后根据所在模糊区间f_am1和f_am2的模糊度来进行去模糊处理。

进一步地，如上所述的参差脉冲重复时间消除雷达速度模糊的方法，所述消除速度模糊的处理包括：

经过多普勒频率去模糊得到真实的多普勒频率后，通过以下公式即可得到真实的速度估计:

θ₁＝arctan(R₁)

上式中，R₁代表1阶相关计算，M为脉冲积累数，θ₁为R₁的相位，V为速度信息，λ为雷达波长，τ_s为雷达重复周期。

有益效果：

本发明提供的的方法，采用新的速度模糊识别和校正方法，不但实现雷达测量速度范围提高到NF1/(2)[或(N+1)F2/(2)]的效果，且计算复杂度大大降低。本发明在算法设计中一体化地物杂波抑制处理，使得速度估计和速度谱宽的估计不受地物杂波和噪声起伏的影响。

附图说明

图1为本发明缓解速度模糊处理和地杂波抑制原理框图；

图2为初步速度估算和地杂波抑制数据选择示意图；

图3为IIR滤波器设计方法示意图；

图4为参差频率3：2的处理算法流图；

图5为参差频率4：3的处理算法流图；

图6为参差频率5：4的处理算法流图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明要求雷达发射参差重频的脉冲信号，重复时间[或频率]为T1[或F1，F1＝1/T1]和T2[或F2，F2＝1/T2]，且T1/T2＝N/(N+1)[或F1/F2＝(N+1)/N]，N为2至9的整数，λ为雷达工作波长。本发明是这样实现的，如图1所示，在数字接收机中，将复基带信号分成两个通道：一个通道进行逐脉冲噪声电平估计，给出当前第i个接收脉冲信号的噪声功率P_Ni；另一个通道首先通过奇偶脉冲分离的地物杂波抑制器，将地物杂波抑制后，得到目标信号x’_T1T2(I,Q)；目标信号x’_T1T2(I,Q)，一方面经过1个0阶相关估计器得到0阶相关估计R0，另一方面经过2个1阶相关估计器得到基于T1时间延时的1阶相关估计R1(T1)和基于T2时间延时的1阶相关估计R1(T2)。将P_Ni、R0、R1(T1)和R1(T2)进行处理和运算，得到速度谱宽信号，并将其输出。将R1(T1)和R1(T2)进行运算，得到可能存在速度模糊的两种速度估计Vra1和Vra2。将P_Ni、Vra1和Vra2进行本发明提出的速度模糊判断和消除速度模糊的处理和运算后，得到目标准确径向平均速度，并将其输出。

1、地物杂波抑制

1.1奇偶脉冲分离器

由于采用参差发射脉冲，在做地物杂波抑制之前，需要将数字复基带信号进行奇偶分离，具体的做法：

第一步：对参差脉冲进行1bit的计数，形成“01010101……”的奇偶指示信号Odd_Even，“0”的时间段表示偶脉冲对应的时间段，“1”时间段表示奇脉冲对应的时间段。如图2中间隔分布的脉冲分别代表奇偶脉冲对应的时间段。

第二步：根据Odd_Even信号分别缓存2个奇脉冲、偶脉冲数据，数据结构如下表：

表1：奇偶脉冲数据缓存结构

表中的数据用x(m,n)表示，其中m代表脉冲编号，n代表库元(距离单元)编号，当前脉冲数据用{x(0，n)，n＝1……N}表示，前一个脉冲用{x(-1，n)，n＝1……N}，前一个脉冲用{x(-2，n)，n＝1……N}，总共要缓存2级。

当前脉冲{x(0，n)}，在F_IIR滤波时不用缓存，但滤波计算完毕后需要用{x(0，n)}替代{x(-1，n)}，{x(-1，n)}替代{x(-2，n)}，最后将{x(-2，n)}移出缓存。

由于F_IIR滤波器也需要缓存滤波器输出的数据，所以上述数据结构和数据更新方法也要用到滤波器输出数据。

1.2 F_IIR滤波器

F_IIR滤波器的作用是地物杂波的抑制，依据是对不运动的雷达平台，地物杂波与雷达平台相对静止，地物杂波所形成的多普勒频率集中在0频附近，通过零频抑制可将地物杂波和运动目标进行分离，滤除杂波。地物杂波滤波器由多级二阶节联而成，每个二阶节差分方程为：

在奇偶分离后，奇脉冲和偶脉冲都有相同重复频率，所以可采用同样的滤波器设计方法，可根据最小可测量多普勒频率为界设计滤波器，例如X波段雷达要测量的最小速度为0.5m/s，则对应的最小多普勒频率为33Hz，F_IIR滤波器的通带频率可设为25Hz，阻带频率可设为5Hz，在脉冲重复频率为1KHz，阻带衰减70dB，通带起伏0.1dB的条件设计出来的滤波器的幅度相应如所示：

滤波器输出结果，通过奇偶脉冲重组器合成一路信号，其方法是按照奇偶指示信号Odd_Even进行奇偶对应。

2、速度估计

2.11阶相关估计器

速度是目标参数估计的重要参数，根据回波信号的多普勒信息(频率变化)即可提取目标速度信息。由于速度的存在，在不同脉冲间同一距离门的回波信号会被多普勒信号(信号频率为多普勒频率)调制。在具体实现上，根据频率是相位的微分，理论上可通过如下几个公式求出速度。

θ₁＝arctan(R₁) (3)

上式中，R₁代表1阶相关计算，M为脉冲积累数，θ₁为R₁的相位，V为速度信息，λ为雷达波长，τ_s为雷达重复周期。

本发明由于采用参差重频去速度模糊的技术，该技术在计算R₁时如图2，通过2个1阶相关估计器，即公式(2)，得到基于T1时间延时的1阶相关估计R1(T1)和基于T2时间延时的1阶相关估计R1(T2)。

在实际计算R1(T1)和R1(T2)的步骤：第1步计算瞬时1阶相关序列{Rt＝Z(m+1)·Z^*(m)，m＝0，1，…M}；第2步将序列{Rt}的奇数点和偶数点分别累加求和得到R1(T1)和R1(T2)；

2.2速度去模糊算法

传统的速度去模糊算法中，根据R1(T1)和R1(T2)通过如下公式可直接得到无模糊的速度：

这类常规方法计算复杂度较高，并且如果相位估计处于±kπ(k为正整数)边缘，模糊速度估计细微偏差会带来最终真实速度较大的跳变。

本发明采用参差重复脉冲，重复频率的比值要求互质，由于相邻的自然数肯定互质，一般

能获得不模糊的多普勒频率范围是(-NF₁，NF₂)，亦即(-(N+1)F2，(N+1)F2)。假定多普勒频率为f_d，在重复频率F₁和F₂条件下，分别测得的可能模糊多普勒频率为f_am1和f_am2，则f_am1、f_am2与f_d的关系如下：

计算公式6中的频率差Δf_am＝f_am1-f_am2，发现模糊多普勒频率差随着真实多普勒频率变化有一定的规律，在正频率部分：

而负频率部分，Δf_am的符号相反：

可以看出Δf_am在各个区间是固定的，通过Δf_am就可以确定真实多普勒频率所在区间，然后根据所在模糊区间f_am1和f_am2的模糊度来进行去模糊处理。例如位于

区间f_am1和f_am2都没有模糊，位于

区间f_am1模糊了1个奈奎斯特区间，f_am2模糊了2个奈奎斯特区间。

经过多普勒频率去模糊得到真实的多普勒频率后，通过公式(4)即可得到真实的速度估计。

应用实例

在气象雷达***中，为了提高速度测量范围，重频比为3:2，4:3，5:4应用的比较广泛。图4、图5、图6分别给出了各重频比速度去模糊的具体实现过程。

在3:2中，有5个分支；在4:3中，有7个分支，在5:4中，有9个分支。每个分支都是通过模糊速度差值确定真实速度的实际区间。

下面以三者中最复杂的5:4为例子进行说明，由于多普勒频率与速度成正比，图6中，不模糊速度范围V1和V2就对应了脉冲重复频率关联的F1/2和F2/2，校正处理后的不模糊速度范围Vu对应了2F1或2.5F2，ΔV对应了F2/8或F1/10，亦即Vu/20。

第一个分支是公式(7)和公式(8)里的Δf_am＝0部分，表明重频F1测得的v1和重频F2测得的v2都没有速度模糊，不用进行速度补偿。

第二个分支是公式(7)里Δf_am＝F₂，8ΔV对应了F2，表明实际速度是正速度；重频F1测得的v1没有发生模糊；重频F2测得的v2模糊了一个周期，对v2校正，v2+8ΔV。

第三个分支是公式(8)里Δf_am＝-F₂，-8ΔV对应了F2，表明实际速度是正速度；重频F1测得的v1没有模糊；重频F2测得的v2模糊了1个周期，对v2校正，v2-8ΔV。

第四个分支是公式(7)里

N取4，-2ΔV对应了

表明实际速度是正速度；重频F1测得的v1模糊了一个周期，对v1校正：v1+10ΔV；重频F2测得的v2模糊了一个周期，对v2校正：v2+8ΔV。

第五个分支是公式(8)里

N取4，2ΔV对应了

表明实际速度是负速度；重频F1测得的v1模糊了1个周期，对v1校正：v1-10ΔV；重频F2测得的v2模糊了1个周期，对v2校正：v2-8ΔV。

第六个分支是公式(7)里

N取4，6ΔV对应了

表明实际速度是正速度；重频F1测得的v1模糊了1个周期，对v1校正：v1+10ΔV；重频F2测得的v2模糊了2个周期，对v2校正：v2+16ΔV。

第七个分支是公式(8)里

N取4，-6ΔV对应了

表明实际速度是负速度；重频F1测得的v1模糊了1个周期，对v1校正：v1-10ΔV；重频F2测得的v2模糊了2个周期，对v2校正：v2-16ΔV。

第八个分支是公式(7)里

N取4，-4ΔV对应了

表明实际速度是正速度；重频F1测得的v1模糊了2个周期，对v1校正：v1+20ΔV；重频F2测得的v2模糊了2个周期，对v2校正：v2+16ΔV。

第九个分支是公式(8)里

N取4，4ΔV对应了

表明实际速度是负速度；重频F1测得的v1模糊了2个周期，对v1校正：v1-20ΔV；重频F2测得的v2模糊了2个周期，对v2校正：v2-16ΔV。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种参差脉冲重复时间消除雷达速度模糊的方法，其特征在于，包括：要求雷达发射参差重频的脉冲信号，重复时间为T1和T2，且T1/T2＝N/(N+1)，N为2至9的整数，λ为雷达工作波长；

在数字接收机中，将复基带信号分成两个通道：一个通道进行逐脉冲噪声电平估计，给出当前第i个接收脉冲信号的噪声功率P_Ni；另一个通道首先通过奇偶脉冲分离的地物杂波抑制器，将地物杂波抑制后，得到目标信号x’_T1T2(I,Q)；目标信号x’_T1T2(I,Q)，一方面经过1个0阶相关估计器得到0阶相关估计R0，另一方面经过2个1阶相关估计器得到基于T1时间延时的1阶相关估计R1(T1)和基于T2时间延时的1阶相关估计R1(T2)。将P_Ni、R0、R1(T1)和R1(T2)进行处理和运算，得到速度谱宽信号，并将其输出；将R1(T1)和R1(T2)进行运算，得到可能存在速度模糊的两种速度估计Vra1和Vra2；将P_Ni、Vra1和Vra2进行速度模糊判断和消除速度模糊的处理和运算后，得到目标准确径向平均速度。

2.根据权利要求1所述的参差脉冲重复时间消除雷达速度模糊的方法，其特征在于，所述地物杂波抑制包括以下步骤：

第一步：对参差脉冲进行1bit的计数，形成“01010101……”的奇偶指示信号Odd_Even，“0”的时间段表示偶脉冲对应的时间段，“1”时间段表示奇脉冲对应的时间段；

第二步：根据Odd_Even信号分别缓存2个奇脉冲、偶脉冲数据；

所述数据用x(m,n)表示，其中m代表脉冲编号，n代表库元编号，当前脉冲数据用{x(0，n)，n＝1……N}表示，前一个脉冲用{x(-1，n)，n＝1……N}，前一个脉冲用{x(-2，n)，n＝1……N}，总共要缓存2级；

第三步：对缓存的奇脉冲、偶脉冲数据经过滤波器滤波后，再通过奇偶脉冲重组器按照奇偶指示信号Odd_Even进行奇偶对应以合成一路信号，得到杂物抑制后的复基带信号信号x’_T1T2(I,Q)。

3.根据权利要求2所述的参差脉冲重复时间消除雷达速度模糊的方法，其特征在于，所述滤波器根据最小可测量多普勒频率为界设计滤波器。

4.根据权利要求1所述的参差脉冲重复时间消除雷达速度模糊的方法，其特征在于，所述速度模糊判断包括：

采用参差重复脉冲，重复频率的比值互质，由于

则能获得不模糊的多普勒频率范围是(-NF₁，NF₂)，亦即(-(N+1)F2，(N+1)F2)；

假定多普勒频率为f_d在重复频率F₁和F₂条件下，分别测得的可能模糊多普勒频率为f_am1和f_am2，则f_am1、f_am2与f_d的关系如下：

f_am1＝f_d+m₁F₁ m₁＝-N:N

f_am2＝f_d+m₂F₂ m₂＝-(N+1):N+1

计算上式中的频率差Δf_am＝f_am1-f_am2，发现模糊多普勒频率差随着真实多普勒频率变化有一定的规律，在正频率部分：

而负频率部分，Δf_am的符号相反：

可以看出Δf_am在各个区间是固定的，通过Δf_am就可以确定真实多普勒频率所在区间，然后根据所在模糊区间f_am1和f_am2的模糊度来进行去模糊处理。

5.根据权利要求4所述的参差脉冲重复时间消除雷达速度模糊的方法，其特征在于，所述消除速度模糊的处理包括：

经过多普勒频率去模糊得到真实的多普勒频率后，通过以下公式即可得到真实的速度估计:

θ₁＝arctan(R₁)

上式中，R₁代表1阶相关计算，M为脉冲积累数，θ₁为R₁的相位，V为速度信息，λ为雷达波长，τ_s为雷达重复周期。

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