CN102998659B

CN102998659B - 基于脉间调制的多普勒频谱赋形方法及系统

Info

Publication number: CN102998659B
Application number: CN201210521198.9A
Authority: CN
Inventors: 孟藏珍; 许稼; 彭应宁; 彭石宝; 郭锐; 王力宝
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: CN102998659A

Abstract

本发明提出一种基于脉间调制的多普勒频谱赋形方法及系统。其中，方法包括以下步骤：通过波形产生器产生发射脉冲并确定发射脉冲的多普勒频谱赋形函数；根据多普勒频谱赋形函数给发射脉冲进行脉间调制生成调制脉冲；接收调制脉冲(回波信号)并数字采样；以及对采样得到的调制脉冲进行脉间快速傅里叶变换获得赋形多普勒频谱。根据本发明实施例的方法，通过对发射脉冲多普勒频谱进行赋形，可提高雷达抗干扰性能，同时为多发多收雷达系统正交波形分离提供新的技术途径。

Description

基于脉间调制的多普勒频谱赋形方法及系统

技术领域

本发明涉及雷达信号处理领域，特别涉及一种基于脉间调制的多普勒频谱赋形方法及系统。

背景技术

雷达具有全天时、全天候、穿透性等优良特性，在导航、遥感、测绘、侦察、警戒、火控等民用和军事领域有着广泛的应用。但是一方面随着电磁环境的复杂化，尤其是欺骗干扰的应用，对雷达抗干扰性能提出了更高要求；另一方面，随着新技术新体制雷达探测系统的出现，如多输入多输出合成孔径雷达（Multiple Input Multiple Output Synthetic Aperture Radar,简称MIMO-SAR）系统等，面临的新问题对信号处理方法提出了迫切需求。

为此，雷达领域已经提出了挖掘利用慢时间维，即多普勒域的信息来提高雷达性能的许多有效方法。如利用运动目标在短相干处理间隔（CoherentProcessing Interval简称CPI）中的瞬态多普勒效应，采用动目标检测（MotiveTarget Detector，简称MTD）方法。将雷达放置在移动平台上，利用空间采样等效为时间采样的思想，在慢时间维进行长相干处理，获取探测区域高分辨图像的合成孔径方法。随着军事、民用需求的提升，满足大测绘带高分辨（High Resolution Wide Swath,简称HRWS）需要以及提高系统地面动目标显示（Ground Moving Target Indication,简称GMTI），提出许多新体制新技术SAR系统，如方位向多孔径SAR、距离向多孔径SAR、MIMO-SAR等。

然而，目前相参脉冲体制雷达对于慢时间维多普勒域信息的利用，无论是短时间相干处理还是长时间相干处理，都是基于原始的多普勒谱。由于现在复杂电磁环境背景下，欺骗干扰已成为混淆雷达情报的一种新型潜在威胁。现有主要采用复杂波形设计、工作频点捷变、重复周期参差、天天转速变化等方法，而在慢时间维多普勒域考虑很少。在长时间相干积累处理中，新体制新技术SAR系统的出现，对目标信息的利用提出更高要求。MIMO-SAR系统因为可以利用发射分集和接收分集获得更多的自由度，成为当前雷达领域的热点研究。但是，其要求发射信号的正交性要好，这极大限制了其实用化进程。正交波形一般分为两类：频分正交波形和码分正交波形。目前，研究多集中在频分正交波形，而同频码分正交波形因为实际中互相关不为零，在长时间相干积累中会产生互相关噪声，降低图像质量，难以实用化。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为达到上述目的，本发明一方面的实施例提出一种基于脉间调制的多普勒频谱赋形方法，包括以下步骤：S1：通过波形产生器产生发射脉冲并确定所述发射脉冲的多普勒频谱赋形函数；S2：根据所述多普勒频谱赋形函数给所述发射脉冲进行脉间调制生成调制脉冲；S3：接收所述调制脉冲并对所述所述调制脉冲进行采样；以及S4：对所述采样得到的调制脉冲进行脉间快速傅里叶变换获得赋形多普勒频谱。

根据本发明实施例的方法，通过对发射脉冲进行多普勒频谱赋形，可提高雷达的抗干扰性能，同时为多发射波形雷达系统正交波形的分离提供新的技术途径。

本发明的一个实施例中，所述多普频谱赋形函数为，A(t_m)·exp(jθ(t_m))，其中，t_m表示慢时间，m表示为第m个脉冲间隔周期，A(t_m)表示频谱幅度赋形函数。

本发明的一个实施例中，所述脉间调制通过如下公式进行调制：s(t)=p(t)·A(t_m)·exp(jθ(t_m))，其中，p(t)表示发射脉冲波形，t表示快时间。

本发明的一个实施例中，所述调制函数中A(t_m)和θ(t_m)是自变量t_m的任意函数。

本发明的一个实施例中，所述p(t)是单个波形或是多个波形的叠加波，其表达式如下：其中，N_T表示雷达系统发射波形的个数。

本发明的一个实施例中，所述函数A(t_m)和θ(t_m)对不同发射波形是不一样的，即p_i(t)对应的调制函数为A_i(t_m)和θ_i(t_m)。

本发明的一个实施例中，所述赋形多普勒频谱为有限谱宽，并且满足如下关系：其中，B_a表示脉间调制多普勒频谱赋形前的信号频谱谱宽，f_PRF表示脉冲重复周期。

为达到上述目的，本发明的实施例另一方面提出一种基于脉间调制的多普勒频谱赋形系统，包括：确定函数模块，用于通过波形产生器产生发射脉冲并确定所述发射脉冲的多普勒频谱赋形函数；调制模块，用于根据所述多普勒频谱赋形函数给所述发射脉冲进行脉间调制生成调制脉冲；采样模块，用于接收所述调制脉冲并对所述调制脉冲进行采样；以及变换模块，用于对所述采样得到的调制脉冲进行脉间快速傅里叶变换获得赋形多普勒频谱。

根据本发明实施例的系统，通过为发射脉冲确定多普勒频谱赋形函数，从而提高了雷达的抗干扰性能，同时为多发射波形雷达系统正交波形的分离提供新的技术途径。

本发明的一个实施例中，所述确定函数模块的多普频谱赋形函数为，A(t_m)·exp(jθ(t_m))，其中，t_m表示慢时间，m表示为第m个脉冲间隔周期，A(t_m)表示频谱幅度赋形函数。

本发明的一个实施例中，所述调制模块通过如下公式进行调制：s(t)=p(t)·A(t_m)·exp(jθ(t_m))，其中，p(t)表示发射脉冲波形，t表示快时间。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于脉间调制的多普勒频谱赋形方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的未作脉间调制时的多普勒频谱图；

图3为根据本发明一个实施例的脉间调制后的多普勒频谱图；以及

图4为根据本发明一个实施例的基于脉间调制的多普勒频谱赋形系统的框架图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

图1为本发明实施例的基于脉间调制的多普勒频谱赋形方法的流程图。如图1所示，根据本发明实施例的基于脉间调制的多普勒频谱赋形方法，包括以下步骤：

步骤S101，通过波形产生器产生发射脉冲并确定发射脉冲的多普勒频谱赋形函数。

具体地，确定多普勒频谱赋形函数A(t_m)·exp(jθ(t_m))，其中，t_m表示慢时间，m表示为第m个脉冲间隔周期，A(t_m)和θ(t_m)是自变量t_m的任意函数。。对于不同发射波形选择不同调制函数，即N_T种发射波形，就对应N_T种调制函数，可表示为：A_i(t_m)·exp(jθ_i(t_m))，i＝1,2,...,N_T。

在本发明的实施例中，雷达参数为：信号带宽B＝80MHz，雷达重复频率f_PRF=2000Hz，平台速度V_s=120m/s，为单发射波形单接收系统，即N_T=1，N_R＝1天线孔径为1米。实验中点目标设置与平台最短斜距4000米。当单波形时选择一种调制函数，取A(t_m)=1，即不作幅度赋形，取f_a=200Hz，θ(t_m)取一次线性函数，用公式可表示为：θ(t_m)=2πf_at_m=400πt_m。上述公式表示脉间调制函数，将实现多普勒频谱的中心频率搬移200Hz。

步骤S102，根据多普勒频谱赋形函数给发射脉冲进行脉间调制生成调制脉冲。

具体地，对每一个发射脉冲依据多普频谱赋形函数进行脉间调制，如下式所示：s(t)=p(t)·A(t_m)exp(jθ(t_m))，其中，p(t)表示发射脉冲波形，t表示快时间，脉冲重复周期为。对于多发射波形，p(t)又可表示为：从而多发射波形而言脉间调制可表示为：

在本发明的一个实施例中，根据上述计算结果对每一个发射脉冲依据多普频谱赋形函数进行脉间调制可表示为，s(t)=p(t)·exp(j·400πt_m)。

其中，p(t)选择线性调频脉冲，t表示快时间，脉冲重复周期为f_PRF=2000Hz，脉冲宽度为T_p=10μs。根据上述选定参数则可表示为：

p (t) = rect (\frac{t}{T_{p}}) \exp (jπ \cdot 8e12 \cdot t^{2}),

其中，rect(x)代表矩形函数。

步骤S103，接收调制脉冲并对调制脉冲进行采样。

具体地，对接收脉冲逐个进行采样。其中，第k，k＝1,2,3...，接收通道的目标的回波信号如下式所示：

s_{k} (t, t_{m}) = Σ_{i = 1}^{N_{T}} a_{k} (t_{m}) p_{i} (t - \frac{2 R_{k, i} (t)}{c}) \exp (- j \frac{4 π}{λ} R_{k, i} (t)) \cdot A_{i} (t_{m}) \cdot \exp (j θ_{i} (t_{m})),

其中，a_k(t)由第k个接收波束方向图对信号带来的幅度调制，λ表示载波波长。R_k，i(t)表示第i个发射装置到目标的距离与目标到第k个接收装置之间的距离和。采集之后，将所采集到的脉冲进行保存。步骤S104，对采样得到的调制脉冲进行脉间快速傅里叶变换获得赋形多普勒频谱。

具体地，对采样的接收脉冲做脉间快速傅里叶变换（Fast FourierTransform，简称FFT），获得赋形多普勒频谱。用公式可表示如下：

S_{k} (t, f) = Σ_{i = 1}^{N_{T}} S_{a} (t, f) &CircleTimes; FFT [A_{i} (t_{m}) \cdot \exp (j θ_{i} (t_{m}))],

其中，S_a(t,f)表示不同快时间未做脉间调制时的距离-多普勒域频谱。

图2为根据本发明一个实施例的未作脉间调制时的多普勒频谱图。图3为根据本发明一个实施例的脉间调制后的多普勒频谱图。如图2和图3所示，经过本发明实施例的实验参数和调制函数进行脉间调制后，成功的将多普勒频谱的中心频点从0Hz处搬移到f_a=200Hz处。

根据本发明实施例的方法，通过为发射脉冲确定多普勒频谱赋形函数，可提高雷达的抗干扰性能，同时为多发射波形雷达系统正交波形的分离提供新的技术途径。

图4为根据本发明一个实施例的基于脉间调制的多普勒频谱赋形系统的框架图。如图3所示，根据本发明实施例的基于脉间调制的多普勒频谱赋形系统包括确定函数模块100、调制模块200、采样模块300和变换模块400。

具体地，确定函数模块100用于通过波形产生器产生发射脉冲并确定发射脉冲的多普勒频谱赋形函数。

确定多普勒频谱赋形函数A(t_m)·exp(jθ(t_m))，其中，t_m表示慢时间，m表示为第m个脉冲间隔周期，A(t_m)和θ(t_m)是自变量t_m的任意函数。对于不同发射波形选择不同调制函数，即N_T种发射波形，就对应N_T种调制函数，可表示为：A_i(t_m)·exp(jθ_i(t_m))，i＝1,2,...,N_T。

在本发明的实施例中，雷达参数为：信号带宽B＝80MHz，雷达重复频率f_PRF=2000Hz，平台速度V_s=120m/s，为单发射波形单接收系统，即N_T=1，N_R=1天线孔径为1米。实验中点目标设置与平台最短斜距4000米。当单波形时选择一种调制函数，取A(t_m)=1，即不作幅度赋形，取f_a=200Hz，θ(t_m)取一次线性函数，用公式可表示为：θ(t_m)=2πf_at_m=400πt_m。上述公式表示脉间调制函数，将实现多普勒频谱的中心频率搬移200Hz。

调制模块200用于根据多普勒频谱赋形函数给发射脉冲进行脉间调制生成调制脉冲。

对每一个发射脉冲依据多普频谱赋形函数进行脉间调制，如下式所示：s(t)=p(t)·A(t_m)exp(jθ(t_m))，其中，p(t)表示发射脉冲波形，t表示快时间，脉冲重复周期为。对于多发射波形，p(t)又可表示为：从而多发射波形而言脉间调制可表示为：

p (t) = rect (\frac{t}{T_{p}}) \exp (jπ \cdot 8e12 \cdot t^{2}),

其中，rect(x)代表矩形函数。

采样模块300用于接收调制脉冲并对调制脉冲进行采样。

对接收脉冲逐个进行采样。其中，第k，k＝1,2,3...，接收通道的目标的回波信号如下式所示：

s_{k} (t, t_{m}) = Σ_{i = 1}^{N_{T}} a_{k} (t_{m}) p_{i} (t - \frac{2 R_{k, i} (t)}{c}) \exp (- j \frac{4 π}{λ} R_{k, i} (t)) \cdot A_{i} (t_{m}) \cdot \exp (j θ_{i} (t_{m})),

其中，a_k(t)由第k个接收波束方向图对信号带来的幅度调制，λ表示载波波长。R_k，i(t)表示第i个发射装置到目标的距离与目标到第k个接收装置之间的距离和。采集之后，将所采集到的脉冲进行保存。

变换模块400用于对采样得到的调制脉冲进行脉间快速傅里叶变换获得赋形多普勒频谱。

对采样的接收脉冲做脉间快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，简称FFT），获得赋形多普勒频谱。用公式可表示如下：

S_{k} (t, f) = Σ_{i = 1}^{N_{T}} S_{a} (t, f) &CircleTimes; FFT [A_{i} (t_{m}) \cdot \exp (j θ_{i} (t_{m}))],

应当理解，本发明的方法实施例中的具体操作过程可与系统实施例中的各个模块和单元的描述相同，此处不再详细描述。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种基于脉间调制的多普勒频谱赋形方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过波形产生器产生发射脉冲并确定所述发射脉冲的多普勒频谱赋形函数，所述多普频谱赋形函数为，A(t_m)·exp(jθ(t_m))，其中，t_m表示慢时间，m表示为第m个脉冲间隔周期，A(t_m)表示频谱幅度赋形函数；

S2：根据所述多普勒频谱赋形函数给所述发射脉冲进行脉间调制生成调制脉冲，所述脉间调制通过如下公式进行调制，s(t)＝p(t)·A(t_m)·exp(jθ(t_m))，其中，p(t)表示发射脉冲波形，t表示快时间；

S3：接收所述调制脉冲并对所述调制脉冲进行采样；以及

S4：对所述采样得到的调制脉冲进行脉间快速傅里叶变换获得赋形多普勒频谱，

其中，所述函数A(t_m)和θ(t_m)对不同发射波形不同，与p_i(t)对应的调制函数为A_i(t_m)和θ_i(t_m)。

2.如权利要求1所述的基于脉间调制的多普勒频谱赋形方法，其特征在于，所述调制函数中A(t_m)和θ(t_m)是自变量t_m的任意函数。

3.如权利要求1所述的基于脉间调制的多普勒频谱赋形方法，其特征在于，所述p(t)是单个波形或是多个波形的叠加波，其表达式如下：

p (t) = Σ_{i = 1}^{N_{T}} p_{i} (t),

其中，N_T表示雷达系统发射波形的个数。

4.如权利要求1所述的基于脉间调制的多普勒频谱赋形方法，其特征在于，所述赋形多普勒频谱为有限谱宽，并且满足如下关系：

| B_{a} + \frac{d}{{dt}_{m}} θ (t_{m}) | \leq f_{PRF},

其中，B_a表示脉间调制多普勒频谱赋形前的信号频谱谱宽，f_PRF表示脉冲重复周期。

5.一种基于脉间调制的多普勒频谱赋形系统，其特征在于，包括：

确定函数模块，用于通过波形产生器产生发射脉冲并确定所述发射脉冲的多普勒频谱赋形函数，所述确定函数模块的多普频谱赋形函数为，A(t_m)·exp(jθ(t_m))，其中，t_m表示慢时间，m表示为第m个脉冲间隔周期，A(t_m)表示频谱幅度赋形函数；

调制模块，用于根据所述多普勒频谱赋形函数给所述发射脉冲进行脉间调制生成调制脉冲，所述调制模块通过如下公式进行调制，s(t)＝p(t)·A(t_m)·exp(jθ(t_m))，其中，p(t)表示发射脉冲波形，t表示快时间；

采样模块，用于接收所述调制脉冲并对所述调制脉冲进行采样；以及

变换模块，用于对所述采样得到的调制脉冲进行脉间快速傅里叶变换获得赋形多普勒频谱，

6.如权利要求5所述的基于脉间调制的多普勒频谱赋形系统，其特征在于，所述调制函数中A(t_m)和θ(t_m)是自变量t_m的任意函数。

7.如权利要求5所述的基于脉间调制的多普勒频谱赋形系统，其特征在于，所述p(t)是单个波形或是多个波形的叠加波，其表达式如下：

p (t) = Σ_{i = 1}^{N_{T}} p_{i} (t),

其中，N_T表示雷达系统发射波形的个数。

8.如权利要求5所述的基于脉间调制的多普勒频谱赋形系统，其特征在于，所述赋形多普勒频谱为有限谱宽，并且满足如下关系：

| B_{a} + \frac{d}{{dt}_{m}} θ (t_{m}) | \leq f_{PRF},