CN115494497A - 一种相位编码脉冲雷达信号测向方法 - Google Patents

一种相位编码脉冲雷达信号测向方法 Download PDF

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CN115494497A CN202211207983.7A CN202211207983A CN115494497A CN 115494497 A CN115494497 A CN 115494497A CN 202211207983 A CN202211207983 A CN 202211207983A CN 115494497 A CN115494497 A CN 115494497A
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雷舒杰
吴迎春
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秦令令
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Abstract

一种相位编码脉冲雷达信号的测向方法，针对二相编码、四相编码信号，首先利用平方法或四次方法对接收信号进行预处理，然后对其频域数据进行能量积累，通过自适应门限检测处理获得脉冲起止时刻；将对应起止时刻的原始采样宽带相位编码脉冲信号的脉内采样数据送入基于多相滤波结合短时傅里叶变换的信道化检测处理模块，获得单一码元对应的信号幅相参数及高精度频率信息；最后基于最优模糊的多基线干涉仪测向算法获取目标角度信息。本发明能够对微弱复杂调制信号进行检测识别，为被动探测***提供更加准确可靠的导引信息。

Description

一种相位编码脉冲雷达信号测向方法
技术领域
本发明涉及非合作雷达信号与信息处理领域，尤其涉及一种相位编码脉冲雷达信号测向方法。
背景技术
在电子探测应用领域，对抗双方总是尽可能的利用各种先进技术手段来制衡对手，一场场对抗演练共同推动着该技术领域的繁荣与进步。对于主动探测***来说，利用自身合作信号处理的优势，不仅可以在发送端采用灵活多变的信号形式保证己方雷达不被对方准确检测，还可以在接收端采用匹配处理方式提高回波信号信噪比，从而达到有效提取目标信息的目的；对于防御***来说，面对的不仅是频率宽开、高密度脉冲流、强噪声背景下的未知目标信息，而且信号种类及信号调制特征也越来越复杂多变。一直以来，如何从复杂信号环境中抑制噪声并提取有效目标信号成为摆在科研工作者面前的一大难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种相位编码脉冲雷达信号测向方法，能够对微弱复杂调制信号进行检测识别，为被动探测***提供更加准确可靠的导引信息。
为了到上述目的，本发明提供一种相位编码脉冲雷达信号的测向方法，包含以下步骤：
将原始采样数据复制成相同的两路，对其中一路通过FIFO缓存，对另外一路进行平方和四次方处理，对进行平方和四次方处理后的数据进行STFT变换，对经过STFT变换的数据进行能量累积，再通过自适应门限检测技术自动获取脉冲信号的起止时刻，根据脉冲信号的起止时刻，从通过FIFO缓存的原始采样数据中截取对应脉冲信号的起止时刻的数据，将截取的数据送入基于多相滤波结合短时傅里叶变换的信道化检测处理模块，获得单一码元对应的信号幅相参数及高精度频率信息，根据获得的频率及相位数据，结合各个天线的位置信息，采用基于最优模糊的多基线干涉仪测向算法获得目标的角度位置。
根据STFT变换后的峰值稳定性，判断数据的编码类型；
只有平方或者四次方后的信号是单频信号，STFT变换的峰值才可能是一串幅度相对稳定的数值；
若平方后的STFT变换的峰值数据稳定，则判别原始信号为二相编码信号；
若平方后的STFT变换的峰值数据不稳定，而四次方后STFT变换的峰值数据稳定，则判别原始信号为四相编码信号。
采用128点FFT方式实现STFT变换，滑动点数也为128点，
经STFT变换后，串行输出128信道幅相数据，由于FFT变换存在镜像，只选择前64个信道构建幅度/时间图，其中，时间分辨率Δt由采样率和单次信号处理点数共同决定：
Δt＝N/fs
其中，N为FFT点数，fs为采样率。
经STFT变换后的时频图中，能量积累后依次判定同一时刻各个信道信号能量是否超过设定的门限值，如果超过则选取其中能量最大的信道作为信号检测基准信道，否则继续进行下一时刻各信道信号能量与门限比较；
门限生成方式为：
Thre＝A*B+C
其中，Thre为信号检测动门限；C为装订分量，是一个固定的门限；B为腐蚀分量；A为信道内调节分量；
进行信号检测时，首先截取一段时间内的原始数据，并将它均匀分成N1段，依次计算各段内的最小值，选择各段内最小值中的最大值为调节分量A，选取B＝3.1625作为腐蚀分量。
所述获得单一码元对应的信号幅相参数及高精度频率信息的方法包含：
为了获得信号的幅度相位信息，首先将所有接收通道幅相数据相加求和，并利用如下公式进行平滑处理：
Figure BDA0003873529170000031
其中，xk表示当前时刻某信道幅度值，yk表示滤波输出值；本检测算法共包含64个信道，因此有64组yk，第n信道幅度数据用
Figure BDA0003873529170000032
来表示；当某信道连续三个时间刻度对应的信号幅度值超过门限，则将第四个时间刻度对应的频谱幅相数据作为信号的幅度和相位；
对第n信道幅度值
Figure BDA0003873529170000033
做门限检测，上角标表示信道号，下角标表示时间，取第三个过门限的值作为脉冲到达时刻TOA，在脉冲下降沿记录脉冲结束时刻，计算每个脉冲宽度PW；
当第n信道幅度值
Figure BDA0003873529170000034
时，记录当前信道号CH；当
Figure BDA0003873529170000035
时，同时送出跨道标志；结合信道号和信号的相位，求得信号的频率信息：
Figure BDA0003873529170000036
其中，N1表示信道号；
Figure BDA0003873529170000037
表示同信道单一时间刻度对应的相位差。
所述采用基于最优模糊的多基线干涉仪测向算法获得目标的角度位置的方法包含：
以八天线干涉仪为例，其详细步骤如下：
确定角度搜索范围；
俯仰角取β∈[0,60°]，方位角度取α∈[0,360°]，设置搜索俯仰角搜索步长为0.25°，俯仰角搜索步长为1°，则得到(αi,βj)，其中i∈[0,240]、j∈[0,360]，且i∈Z，j∈Z；记录各个位置下，各个天线之间实测的相位差(φmn)'ij；
遍历所有角度(αi,βj)，根据下式计算任意一组天线在相应角度下的理论相位值(φmn)ij；
(φmn)ij＝2π/λsinβj cosαi[(xm-xn)sinβj sinαi+(ym-yn)cosαi]
其中，λ为接收信号波长，αi为目标入射的方位角，βj为目标入射的俯仰角，(xi,yi)为天线的横纵坐标；
通过公式
Figure BDA0003873529170000041
以及步骤S5.2得到的
Figure BDA0003873529170000042
和(φmn)ij得到(kmn)ij，其中(kmn)ij为实测相位与理论相位之间的模糊数。
对任意固定的i和j遍历m＝1…7；n＝m+1…8可得到一组(kmn)ij，利用下式计算所有基线的模糊误差之和sij：
Figure BDA0003873529170000043
其中，round((kmn)ij)表示与(kmn)ij最接近的整数，|·|表示取绝对值；
记录所有角度(αi,βj)下的sij，并找出sij最小值所对应的角度(αI,βJ)，该角度即为目标的真实角度(αI,βJ)，其中，I、J为sij取最小值时对应的索引号。
本发明的优点在于：从***的角度出发给出了低截获概率雷达信号的信号检测、识别、关键参数估计、测向等详细侦测步骤；通过能量积累获得较高的处理增益；通过高增益检测截取脉内采样数据；通过多相滤波结合短时傅里叶变换的信号检测获得单一码元对应的频率及相位参数，最后通过高精度干涉仪测向为上级***提供更准确的角度导引信息，本发明在硬件实现过程中占用资源较少，在保证***实时性要求的前提下，具有较强的工程应用价值。
附图说明
图1是本发明提供的一种相位编码脉冲雷达信号测向方法的工作流程框图。
图2是本发明的信号检测示意图。
具体实施方式
以下根据图1和图2，具体说明本发明的较佳实施例。
对于主动探测雷达来说，发射信号和目标回波信号都是合作信号，通过匹配滤波、相参积累等合作信号处理方式可获得高积累增益，进而获得准确目标参数；但是对于被动防御***来说，由于很难获得匹配滤波参数，很难获得高的积累增益，只能采用非相参积累等非合作信号处理的方式进行信号检测。对于常规雷达信号，***往往利用目标的频率、脉宽、到达时间、幅度、相位、角度等信号特征进行归类识别，并采取一定的分类准则剔除噪声和干扰，达到提取目标信息的目的。但当信号带宽大于信道处理带宽时，传统窄带接收机将造成信息丢失。发展宽带雷达信道化接收机是宽带信号处理的必然，因为它在目标截获概率、信号处理增益、信道均衡以及软件可重构等方面具有窄带接收机不可比拟的优势。基于短时傅里叶变换(STFT)的常规信道化检测方案，瞬时处理带宽能够高达1GHz，但单一信道处理的信号带宽较窄，不能适应诸如线性调频信号和相位编码信号这样的宽带雷达信号。而基于多相滤波结构的信道化检测方案不仅具有较高的瞬时处理带宽，还具有很高的单一通道处理带宽，能够有效处理上述宽带信号，本发明在此基础上开展相位编码信号的检测及处理工作。
如图1所示，发明提供一种相位编码脉冲雷达信号的测向方法，包含以下步骤：
步骤S1、将原始采样数据复制成相同的两路，对其中一路通过FIFO缓存，对另外一路进行平方和四次方处理。
步骤S2、对进行平方和四次方处理后的数据进行STFT变换，根据STFT变换后的峰值稳定性，判断数据的编码类型；
只有平方或者四次方后的信号是单频信号，STFT变换的峰值才可能是一串幅度相对稳定的数值；
若平方后的STFT变换的峰值数据稳定，则判别原始信号为二相编码信号；
若平方后的STFT变换的峰值数据不稳定，而四次方后STFT变换的峰值数据稳定，则判别原始信号为四相编码信号；
选择128点FFT方式实现，滑动点数也为128点(无重叠)，经STFT变换后，串行输出128信道幅相数据，由于FFT变换存在镜像，可以只选择前64个信道构建幅度/时间图，其中时间分辨率由采样率和单次信号处理点数共同决定；
其计算公式为：
Δt＝N/fs
其中，N为FFT点数，fs为采样率；
步骤S3、对经过STFT变换的数据进行能量累积，从而对峰值数据进行平滑处理，再通过自适应门限检测技术自动获取脉冲信号的起止时刻，以提升低截获概率雷达的检测灵敏度；
经STFT变换后的时频图中，能量积累后依次判定同一时刻各个信道信号能量是否超过设定的门限值，如果超过则选取其中能量最大的信道作为信号检测基准信道，否则继续进行下一时刻各信道信号能量与门限比较；
图2为信号检测的示意图，其中每一条竖线代表信号的频谱值，竖线之间的间隔即为时间精度Δt；
门限基于自适应方式实现，具有较强的抗噪声及目标参数变化能力，其生成方式为：
Thre＝A*B+C
其中，Thre为信号检测动门限；C为装订分量，它是一个固定的门限；B为腐蚀分量；A为信道内调节分量；
进行信号检测时，首先截取一段时间内的原始数据，并将它均匀分成N1段，依次计算各段内的最小值，选择各段内最小值中的最大值为调节分量A，这里选取B＝3.1625作为腐蚀分量，因为20log10(3.1625)＝10，代表信号能量超过固定门限10dB；
步骤S4、根据步骤S3中获取的脉冲信号的起止时刻，从步骤S1中通过FIFO缓存的原始采样数据中截取对应脉冲信号的起止时刻的数据，将截取的数据送入基于多相滤波结合短时傅里叶变换的信道化检测处理模块，获得单一码元对应的信号幅相参数及高精度频率信息；
只有当128点FFT数据全为一个码元数据时，FFT谱峰才表现为单频信号谱峰，否则信号能量分散在较宽的频谱范围，为后继测向准确，只有正确选取一个码元内的幅相数据及频率数据，分析结果才是有效的；
为了获得信号的幅度相位信息，首先将所有接收通道幅相数据相加求和，并利用如下公式进行平滑处理：
Figure BDA0003873529170000061
其中，xk表示当前时刻某信道幅度值，yk表示滤波输出值；本检测算法共包含64个信道，因此有64组yk，第n信道幅度数据用
Figure BDA0003873529170000071
来表示；在图2所示的时频图中，当某信道连续三个时间刻度对应的信号幅度值超过门限，则将第四个时间刻度对应的频谱幅相数据作为信号的幅度和相位；
对第n信道幅度值
Figure BDA0003873529170000072
(上角标表示信道号，下角标表示时间)做门限检测，取第三个过门限的值作为脉冲到达时刻TOA，在脉冲下降沿记录脉冲结束时刻，计算每个脉冲宽度PW；
当第n信道幅度值
Figure BDA0003873529170000073
时，记录当前信道号CH；当
Figure BDA0003873529170000074
时，同时送出跨道标志；结合信道号和信号的相位，可以求得信号的频率信息，其计算公式如下：
Figure BDA0003873529170000075
其中，N1表示信道号；
Figure BDA0003873529170000076
表示同信道单一时间刻度对应的相位差；
通过上述方法，便获得了单部雷达信号的脉冲描述字信息PDW，对于多部同时到达信号的PDW信息可以对不同的信道检测获得；
步骤S5、利用步骤S4获得的频率及相位数据，结合各个天线的位置信息，采用基于最优模糊的多基线干涉仪测向算法，获得目标的角度位置，为上级***提供准确的引导信息；
以八天线干涉仪为例，其详细步骤如下：
步骤S5.1、确定角度搜索范围；
俯仰角取β∈[0,60°]，方位角度取α∈[0,360°]，设置搜索俯仰角搜索步长为0.25°，俯仰角搜索步长为1°，则得到(αi,βj)，其中i∈[0,240]、j∈[0,360]，且i∈Z，j∈Z；记录各个位置下，各个天线之间实测的相位差(φmn)'ij；
步骤S5.2、遍历所有角度(αi,βj)，根据下式计算任意一组天线在相应角度下的理论相位值(φmn)ij；
(φmn)ij＝2π/λsinβj cosαi[(xm-xn)sinβj sinαi+(ym-yn)cosαi]
其中，λ为接收信号波长，αi为目标入射的方位角，βj为目标入射的俯仰角，(xi,yi)为天线的横纵坐标；
步骤S5.3、通过公式
Figure BDA0003873529170000081
以及步骤S5.2得到的
Figure BDA0003873529170000082
和(φmn)ij得到(kmn)ij，其中，(kmn)ij为实测相位与理论相位之间的模糊数。
步骤S5.4、对任意固定的i和j遍历m＝1…7；n＝m+1…8可得到一组(kmn)ij，利用下式计算所有基线的模糊误差之和sij：
Figure BDA0003873529170000083
其中，round((kmn)ij)表示与(kmn)ij最接近的整数，|·|表示取绝对值；
记录所有角度(αi,βj)下的sij，并找出sij最小值所对应的角度(αI,βJ)，该角度即为目标的真实角度(αI,βJ)，其中，I、J为sij取最小值时对应的索引号。
步骤S6、将上述检测、识别及参数估计结果上报上级***，供其决策使用。
本发明从***的角度出发给出了二相编码、四相编码脉冲雷达信号的检测、识别及参数处理步骤，能够对微弱复杂调制信号进行检测、识别，并利用码元内的频率及相位参数信息进行多基线干涉仪测向。本发明适用于无人机载被动雷达探测***，可通过嵌入式DSP/FPGA/GPU软件实现。本发明能够适应不同带宽、不同调制及编码方式等复杂信号环境，对相位编码脉冲雷达信号具备较强的搜索跟踪及测向能力，为被动探测***提供更加准确可靠的导引信息，具有很高的工程应用价值。
需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种相位编码脉冲雷达信号的测向方法，其特征在于，包含以下步骤：
将原始采样数据复制成相同的两路，对其中一路通过FIFO缓存，对另外一路进行平方和四次方处理，对进行平方和四次方处理后的数据进行STFT变换，对经过STFT变换的数据进行能量累积，再通过自适应门限检测技术自动获取脉冲信号的起止时刻，根据脉冲信号的起止时刻，从通过FIFO缓存的原始采样数据中截取对应脉冲信号的起止时刻的数据，将截取的数据送入基于多相滤波结合短时傅里叶变换的信道化检测处理模块，获得单一码元对应的信号幅相参数及高精度频率信息，根据获得的频率及相位数据，结合各个天线的位置信息，采用基于最优模糊的多基线干涉仪测向算法获得目标的角度位置。
2.如权利要求1所述的相位编码脉冲雷达信号的测向方法，其特征在于，根据STFT变换后的峰值稳定性，判断数据的编码类型；
只有平方或者四次方后的信号是单频信号，STFT变换的峰值才可能是一串幅度相对稳定的数值；
若平方后的STFT变换的峰值数据稳定，则判别原始信号为二相编码信号；
若平方后的STFT变换的峰值数据不稳定，而四次方后STFT变换的峰值数据稳定，则判别原始信号为四相编码信号。
3.如权利要求2所述的相位编码脉冲雷达信号的测向方法，其特征在于，采用128点FFT方式实现STFT变换，滑动点数也为128点，
经STFT变换后，串行输出128信道幅相数据，由于FFT变换存在镜像，只选择前64个信道构建幅度/时间图，其中，时间分辨率Δt由采样率和单次信号处理点数共同决定：
Δt＝N/fs
其中，N为FFT点数，fs为采样率。
4.如权利要求3所述的相位编码脉冲雷达信号的测向方法，其特征在于，经STFT变换后的时频图中，能量积累后依次判定同一时刻各个信道信号能量是否超过设定的门限值，如果超过则选取其中能量最大的信道作为信号检测基准信道，否则继续进行下一时刻各信道信号能量与门限比较；
门限生成方式为：
Thre＝A*B+C
其中，Thre为信号检测动门限；C为装订分量，是一个固定的门限；B为腐蚀分量；A为信道内调节分量；
进行信号检测时，首先截取一段时间内的原始数据，并将它均匀分成N1段，依次计算各段内的最小值，选择各段内最小值中的最大值为调节分量A，选取B＝3.1625作为腐蚀分量。
5.如权利要求4所述的相位编码脉冲雷达信号的测向方法，其特征在于，所述获得单一码元对应的信号幅相参数及高精度频率信息的方法包含：
为了获得信号的幅度相位信息，首先将所有接收通道幅相数据相加求和，并利用如下公式进行平滑处理：
Figure FDA0003873529160000021
其中，xk表示当前时刻某信道幅度值，yk表示滤波输出值；本检测算法共包含64个信道，因此有64组yk，第n信道幅度数据用
Figure FDA0003873529160000022
来表示；当某信道连续三个时间刻度对应的信号幅度值超过门限，则将第四个时间刻度对应的频谱幅相数据作为信号的幅度和相位；
对第n信道幅度值
Figure FDA0003873529160000023
做门限检测，上角标表示信道号，下角标表示时间，取第三个过门限的值作为脉冲到达时刻TOA，在脉冲下降沿记录脉冲结束时刻，计算每个脉冲宽度PW；
当第n信道幅度值
Figure FDA0003873529160000024
时，记录当前信道号CH；当
Figure FDA0003873529160000025
时，同时送出跨道标志；结合信道号和信号的相位，求得信号的频率信息：
Figure FDA0003873529160000026
其中，N1表示信道号；
Figure FDA0003873529160000027
表示同信道单一时间刻度对应的相位差。
6.如权利要求4所述的相位编码脉冲雷达信号的测向方法，其特征在于，采用基于最优模糊的八天线干涉仪测向算法获得目标的角度位置的方法包含：
确定角度搜索范围；
俯仰角取β∈[0,60°]，方位角度取α∈[0,360°]，设置搜索俯仰角搜索步长为0.25°，俯仰角搜索步长为1°，则得到(αi,βj)，其中i∈[0,240]、j∈[0,360]，且i∈Z，j∈Z；记录各个位置下，各个天线之间实测的相位差(φmn)'ij；
遍历所有角度(αi,βj)，根据下式计算任意一组天线在相应角度下的理论相位值(φmn)ij；
(φmn)ij＝2π/λsinβjcosαi[(xm-xn)sinβjsinαi+(ym-yn)cosαi]
其中，λ为接收信号波长，αi为目标入射的方位角，βj为目标入射的俯仰角，(xi,yi)为天线的横纵坐标；
通过公式
Figure FDA0003873529160000031
以及步骤S5.2得到的
Figure FDA0003873529160000032
和(φmn)ij得到(kmn)ij，其中，(kmn)ij为实测相位与理论相位之间的模糊数；
对任意固定的i和j遍历m＝1…7；n＝m+1…8可得到一组(kmn)ij，利用下式计算所有基线的模糊误差之和sij：
Figure FDA0003873529160000033
其中，round((kmn)ij)表示与(kmn)ij最接近的整数，|·|表示取绝对值；
记录所有角度(αi,βj)下的sij，并找出sij最小值所对应的角度(αI,βJ)，该角度即为目标的真实角度(αI,βJ)，其中，I、J为sij取最小值时对应的索引号。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116599606A (zh) * 2023-07-19 2023-08-15 中国电子科技集团公司第二十九研究所 基于信道化加权互相关处理的扩谱信号接收方法及***
CN116819185A (zh) * 2023-08-29 2023-09-29 南京航天工业科技有限公司 一种复杂电磁环境下基于信道化的数字鉴相方法及***

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