一種高重頻脈衝雷達擴展測距範圍的波形設計方法與流程
2023-10-22 20:19:12
本發明涉及擴展高重頻脈衝雷達測距範圍的波形設計方法，屬於雷達信號設計與處理領域。
背景技術：
脈衝體制雷達的距離摺疊問題一直以來是pd雷達關注的重要問題。脈衝-都卜勒體制雷達的距離模糊和速度模糊問題是一對固有的矛盾，延長信號周期可以擴大距離探測範圍，但同時也會使測速範圍縮小進而導致速度模糊。雷達對目標進行探測時，遠距離的摺疊回波經距離摺疊進入檢測區域，淹沒檢測區域的目標，造成目標檢測困難。這種模糊現象在高重頻脈衝雷達中更為明顯。高重頻信號具有大的平均功率，能夠增大雷達的作用範圍。同時高重頻脈衝雷達具有大的無模糊測速能力，但高的脈衝重複頻率在獲得以上優越性能的同時也會帶來高的測距模糊；當減小脈衝重複頻率時，雷達在增大無模糊測距範圍的同時，會帶來佔空比和平均功率減小的問題。
解決摺疊回波問題的波形設計的思路是對發射信號的脈衝進行標記以在回波處理中解模糊，這種標記的方法可以採用脈間頻率編碼、相位編碼等。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決高重頻脈衝雷達由脈衝周期重複引起的距離模糊的問題，以及避免在無模糊測距範圍增大的同時佔空比和平均功率下降的問題，而提出一種高重頻脈衝雷達擴展測距範圍的波形設計方法。
本發明的目的是距離高度模糊情況下，設計一種脈內調頻脈間調相信號通過參數設計和信號處理方法，將不同距離摺疊回波在都卜勒維進行分離，從而擴大無模糊測距範圍。該方法主要針對高重頻脈衝雷達距離模糊問題，根據探測環境的目標速度範圍和高重頻脈衝雷達測速範圍，考慮將速度探測區間分成若干部分，設計脈衝波形參數，使遠距離擴展雜波在都卜勒譜上搬移到不同區域，並使不同摺疊次數回波的都卜勒測量範圍不重疊，從而做到將摺疊回波在都卜勒維進行分離。這種波形設計方法，可以靈活設計參數在特定情況下提高無模糊測距範圍，又能保持高佔空比和平均功率。可以根據目標速度範圍，靈活調整脈間調相因子，使不同摺疊次數的回波在都卜勒域分離開，進而調整測距和測速範圍。
一種高重頻脈衝雷達擴展測距範圍的波形設計方法包括以下步驟：
步驟一：根據雷達探測環境中目標最大速度為v1和高重頻脈衝信號的最大探測速度v，確定脈間調相因子α，以及確定速度範圍與目標真實速度和距離摺疊次數的對應關係；
步驟二：根據步驟一確定的參數α，對線性調頻脈衝信號進行脈間相位調製，得到脈內線性調頻脈間相位調製脈衝信號；
步驟三：雷達發射脈內線性調頻脈間相位調製脈衝信號，對接收到的目標反射的回波進行距離處理，得到目標的視在距離；
步驟四：對步驟三得到的距離處理結果，進行脈間都卜勒處理，並根據速度結果解距離模糊得到目標真實距離。
本發明的有益效果為：
本發明方法在保證高的佔空比和平均功率的同時解決高重頻雷達的距離模糊問題。高重頻的一個重要優勢是能夠為脈衝雷達提供無模糊測速能力。當檢測環境中目標最大速度遠小於高重頻雷達的最大測速範圍時，可通過採用脈內線性調頻脈間相位調製信號通過靈活設置脈間調相因子，在都卜勒維解距離模糊，進而擴大雷達的無模糊測距範圍。同時又能保持高的佔空比和平均功率。
本發明波形設計方法得到的脈內線性調頻脈間相位調製信號的無模糊測距範圍比相同脈衝重複頻率的線性調頻脈衝信號增大m倍，無模糊測速範圍縮小為1/m，佔空比和平均功率相同。值得注意的是，雖然無模糊測速範圍減小，但是當前探測環境中目標最大速度僅為無模糊測速範圍的1/m，即測速範圍的減少並不影響雷達對當前環境中目標的檢測，m由探測環境中目標最大速度和信號最大無模糊測速範圍決定。可以靈活設計參數在特定情況下提高無模糊測距範圍，又能保持高佔空比和平均功率。本發明得到的脈內線性調頻脈間相位調製信號和與它具有同樣測距測速範圍的線性調頻脈衝信號相比具有更大的佔空比和平均功率，是後者的m倍。
附圖說明
圖1為本發明所設計信號示意圖，圖中b為線性調頻脈衝信號的帶寬，f為信號頻率，為線性調頻脈衝的相位編碼值：
圖2為摺疊回波與發射信號示意圖，τd為回波時間延遲；
圖3為雷達回波的都卜勒處理結果，其中包含位於不同距離摺疊範圍擁有最大可檢測速度的目標；
圖4為線性調頻脈衝仿真實驗結果圖；
圖5為本發明所設計信號仿真實驗結果圖。
具體實施方式
具體實施方式一：一種高重頻脈衝雷達擴展測距範圍的波形設計方法按照以下步驟實施：
高重頻脈衝信號能實現很大的無模糊測速範圍，設為：0～v，假設當前探測情況下目標最大速度為v1，且v1＜v，都卜勒探測範圍有部分浪費。這時採用脈內線性調頻脈間調相脈衝信號，根據速度關係進行參數設計，使不同摺疊距離回波的都卜勒頻率搬移到不同區域，在都卜勒維對不同摺疊距離的回波進行分離。
脈內線性調頻脈間相位調製脈衝信號的處理過程與線性調頻信號處理過程基本一致。脈內進行相關處理得到距離信息，脈間都卜勒處理得到速度信息，最後根據處理結果進行解模糊計算。
步驟一：根據目標最大速度為v1和高重頻脈衝信號的最大探測速度v，確定脈間調相因子α；
步驟二：根據步驟一確定的參數α，對線性調頻脈衝信號進行脈間相位調製，得到脈內線性調頻脈間相位調製脈衝信號；
步驟三：雷達發射脈內線性調頻脈間相位調製脈衝信號，對接收到的目標反射的回波進行距離相關處理，此結果為目標的視在距離；
步驟四：對步驟三得到的距離處理結果，進行脈間都卜勒處理，並根據速度結果解距離模糊；根據處理得到的速度和步驟一確定的速度範圍與目標真實速度和距離摺疊次數的對應關係，得到目標真實速度與距離摺疊次數，結合步驟三得到的目標的視在距離，得到目標的真實距離；
具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：所述步驟一中根據雷達探測環境中目標最大速度為v1和高重頻脈衝信號的最大探測速度v，確定參數α，以及確定速度範圍與目標真實速度和距離摺疊次數的對應關係的具體過程為：
設取m為小於m'的最大整數，取α＝1/m。
設目標最大速度是都卜勒最大探測速度的1/m'，取m為小於m'的最大整數，因此可將都卜勒範圍分為m部分，通過參數設計，使不同摺疊次數的回波分別落入不同區域，進而無模糊測距範圍擴大了m倍。
無模糊距離範圍的目標回波的速度範圍為-v1～v1，距離摺疊次數為m的目標回波對應的速度範圍是-v1+mαv～v1+mαv，由fft變換原理可知，都卜勒頻率無模糊範圍為-fp/2～fp/2，當頻率為fp/2～fp時，將模糊至-fp/2～0部分，其中fp為脈衝重複頻率。所以摺疊回波相對應的速度區間-v1+mαv～v1+mαv中，超過v小於2v-v1的部分將平移至-v～-v1部分，具體劃分方法見表2及圖3。為使摺疊回波的都卜勒頻率區間不產生混疊，該信號的最大可解距離摺疊次數為m。
其它步驟及參數與具體實施方式一相同。
具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：所述步驟二中根據步驟一確定的α，對線性調頻脈衝信號進行脈間相位調製，得到脈內線性調頻脈間相位調製脈衝信號的具體過程為：
如圖1所示，本發明採用的信號是脈內線性調頻脈間相位調製脈衝信號，脈衝信號採用線性調頻脈衝，為解決脈衝周期重複引起的距離模糊問題，對脈衝信號之間進行二次相位調製，本發明採用信號形式如下：
其中n為相干積累周期內調頻脈衝序號，n為相干積累周期數，k為調頻斜率，t為調頻周期，t為時間，tp為脈衝重複周期，f0為載頻。
其它步驟及參數與具體實施方式一或二相同。
具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：所述步驟三中雷達發射脈內線性調頻脈間相位調製脈衝信號，對接收到的目標反射的回波進行距離處理，得到目標的視在距離具體為：
將每個脈衝重複周期的目標回波用相應脈衝重複周期的發射脈衝的匹配濾波器進行濾波，得到距離處理結果，所述距離處理結果為目標的視在距離r0。
當目標回波為距離摺疊回波時，進行上述處理時，距離處理之後的結果比無模糊回波的結果多一項相位項，此相位項會對都卜勒處理結果產生影響。圖2所示為摺疊1次回波示意圖。設回波距離摺疊次數為m，經過距離處理後，由脈間調相產生的相位偏差和頻移如下式所示：
其它步驟及參數與具體實施方式一至三之一相同。
具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是：所述步驟四中對步驟三得到的距離處理結果，進行脈間都卜勒處理，並根據速度結果解距離模糊得到目標真實距離的具體過程為：
對相參積累時間內n個脈衝的同一個距離單元的數據做傅立葉變換，得到速度處理結果。將速度結果參照步驟1確定的速度範圍與目標真實速度和距離摺疊次數的對應關係得到目標的真實速度和距離摺疊次數m，結合步驟三得到的目標的視在距離r0，得到目標的真實距離rx，其中，c為光速。
脈間都卜勒處理時，(3)式中第一項會使回波的都卜勒頻率產生頻移，頻移量如式(4)，1/tp為都卜勒測量範圍，可知頻移量相對於都卜勒測量範圍的大小由脈間調相因子和摺疊次數決定。當回波無距離模糊時，脈衝間的相位調製在距離處理過程中相互抵消，不會對速度處理結果產生影響。
步驟一中假設高重頻脈衝信號的最大探測速度v，當前探測情況下目標最大速度為v1，設為取m為小於m'的最大整數，設α＝1/m，則
其中，fsum為都卜勒處理的都卜勒頻率範圍大小。
由(5)式可知，第m次摺疊回波的待檢測速度範圍的回波落入速度譜的-v1+mαv～v1+mαv區域，其中超過v小於2v-v1的部分將搬移至-v～-v1部分，不同摺疊次數回波的都卜勒頻率在信號處理之後不會產生混疊，由此可以根據回波的都卜勒頻率確定目標的摺疊次數。
其它步驟及參數與具體實施方式一至四之一相同。
由以上分析可知，不同摺疊次數的回波的都卜勒頻率會產生不同的搬移，為了能在都卜勒維對模糊回波進行區分，要求摺疊回波搬移後都卜勒區域不發生重疊。顯然無模糊測速範圍相應地縮小，縮小倍數由最大探測摺疊次數決定。通過參數設計，可以使各摺疊距離內一定速度範圍的回波在都卜勒譜上不重疊，這樣可以在都卜勒維進行距離摺疊回波的分離，進而擴大無模糊測距範圍，雖然無模糊測速範圍減小，但因為高重頻無模糊測速範圍比當前檢測環境中目標的最大速度大很多，設置參數時可以保證目標最大速度可以被無模糊檢測即可。同時，脈衝信號仍能保持高的佔空比和平均功率。
採用以下實施例驗證本發明的有益效果：
實施例一：
信號參數如表1所示，高重頻雷達最大探測速度為3000m/s，設目標最大速度為：340m/s，根據參數可知無模糊測距範圍摺疊次數為8，脈間調相因子為0.125，都卜勒維區域與摺疊次數的對應關係如表2和圖3所示，圖3為目標所在距離單元的都卜勒處理結果，展示了每個摺疊距離範圍內擁有最大速度的目標的都卜勒處理結果，說明了位於不同距離摺疊範圍內目標的都卜勒速度將搬移至不同區間。仿真實驗中在不同距離摺疊範圍內設置5個目標，目標信息如表3所示。
表1信號參數設置
表2都卜勒維區域與摺疊次數對應關係
表3目標距離速度信息
由表3可知，目標1是無模糊距離內目標，其它目標的距離分別經1、3、5、6次摺疊後模糊距離與目標1相同，且各目標具有相同的速度。若採用線性調頻脈衝信號進行探測，信號處理之後，所有目標將重合為一點，產生模糊，如附圖4。採用脈內線性調頻脈間相位調製脈衝信號處理結果如附圖5，結果顯示在距離維可以得到各目標的模糊距離信息，根據回波都卜勒頻率落入的區間可以得到目標的摺疊次數和速度信息，進而得到目標真實的距離速度信息。
本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，本領域技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。