CN111830471A - 一种基于时频分析的宽带雷达误差校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于时频分析的宽带雷达误差校准方法，该方法包括以下步骤：步骤一：获取模拟宽带雷达脉冲回波信号，被分别转入宽带雷达接收通道与宽带雷达参考通道过程中部分失真，得到宽带雷达接收信号与宽带雷达参考信号；对宽带雷达接收信号进行相参积累，得到宽带雷达脉冲积累信号；步骤二：对宽带雷达脉冲积累信号进行短时傅里叶变换后过滤干扰信号，并对其进行逆短时傅里叶变换得到宽带雷达校准信号；步骤三：采用基于幅相拟合的FIR滤波器设计方法，得到宽带雷达校准滤波器；步骤四：对宽带雷达实测回波信号进行分段，对宽带雷达实测回波信号每一段数据使用基于重叠保留法的快速傅里叶变换来实现快速卷积运算得到校准实测回波信号。

Description

一种基于时频分析的宽带雷达误差校准方法

技术领域

本发明涉及雷达领域，特别是涉及一种基于时频分析的宽带雷达误差校准方法。

背景技术

随着我国低空空域开放政策的推进，无人机以井喷式速度发展。然而，由于管理不规范、处置不及时等原因，无人机“黑飞”现象屡禁不止，给重要目标防护、大型活动安保、航空秩序维护等带来诸多隐患。因此，对无人机的探测及识别技术成为当前研究的热点。雷达可以获取目标尺寸、形状、距离、方位、速度、微多普勒等信息，在无人机探测与识别中具有独特优势。

幅相误差是制约雷达性能提高的瓶颈，传统的宽带雷达误差校准一般采用FIR滤波器。首先产生理想的宽带校准信号，分别注入参考通道和接收通道中；然后采用基于幅相拟合的FIR滤波器设计方法得到校准滤波器；最后使用校准滤波器与实测信号进行卷积，从而实现阵列误差校准。

传统雷达校准方法存在以下缺点：一是受限于信号源发射功率，校准信号的信噪比较低，期望频率响应受噪声的影响较大；二是雷达实际工作电磁环境复杂，存在移动通信、民航、卫星、广播等多种信号，对校准信号造成干扰，导致在干扰频率处，期望响应难以准确反应接收通道的真实特性；三是校准滤波器阶数较高时，将占用了大量的硬件资源，导致在FPGA难以实现。可见，传统雷达校准方法只适用于校正源功率较强、频谱较为纯净的理想环境，而在电磁频谱分布密集、有意无意干扰并存的城市环境中，校准效果显著下降，且对FPGA性能要求较高，在工程实现中有一定难度。

发明内容

本发明提供了一种基于时频分析的宽带雷达误差校准方法，以解决上述问题：校准信号的信噪比较低，期望频率响应受噪声的影响较大；不能适用于多种复杂情况；对FPGA性能要求较高，在工程中难以实现。

为解决上述技术问题，本发明是按如下方式实现的：一种基于时频分析的宽带雷达误差校准方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：获取模拟宽带雷达脉冲回波信号，所述模拟宽带雷达脉冲回波信号为理想线性调频信号；所述理想线性调频信号被转入宽带雷达接收通道过程中部分失真，得到宽带雷达接收信号r^(k)(t)，所述理想线性调频信号被转入宽带雷达接收通道过程中得到宽带雷达参考信号r_ref(t)，其中，k为噪声强度和信噪比需求，t为所述理想线性调频信号的持续时间；对所述宽带雷达接收信号r^(k)(t)进行相参积累，得到宽带雷达脉冲积累信号；

步骤二：对所述宽带雷达脉冲积累信号进行短时傅里叶变换后过滤干扰信号，并对其进行逆短时傅里叶变换得到宽带雷达校准信号

步骤三：根据所述宽带雷达参考信号r_ref(t)与所述宽带雷达校准信号

得到宽带雷达校准滤波器的期望频率响应，采用基于幅相拟合的FIR滤波器设计方法，得到宽带雷达校准滤波器h(n)；

步骤四：对宽带雷达实测回波信号x(n)进行分段，对所述宽带雷达实测回波信号x(n)每一段数据使用基于重叠保留法的快速傅里叶变换来实现快速卷积运算得到校准实测回波信号y(n)。

进一步地，所述理想线性调频信号、所述宽带雷达接收通道、所述宽带雷达参考通道分别采用相参时钟源。

进一步地，所述理想线性调频信号为：

其中，f₀为宽带雷达载频，μ为宽带雷达调频斜率，T₀为宽带雷达脉冲宽度，t为所述理想线性调频信号的持续时间，K为噪声强度和信噪比需求量；

所述宽带雷达接收信号r^(k)(t)为：

其中，

为宽带雷达校准信号，

为宽带雷达干扰信号，

为宽带雷达噪声通过所述宽带雷达接收通道后的输出信号，K为噪声强度和信噪比需求量；

根据公式(2)中所述宽带雷达接收信号r^(k)(t)确定的值，计算所述宽带雷达脉冲积累信号：

进一步地，所述步骤二中，根据公式(3)中所述宽带雷达脉冲积累信号确定的值，所述宽带雷达脉冲积累信号进行短时傅里叶变换表现为：

其中，w为窗函数，t′为所述宽带雷达脉冲积累信号的持续时间；

所述宽带雷达脉冲积累信号在时频图中呈直线分布，提取所述时频图中呈直线的信号值来过滤干扰信号，计算公式为：

其中，f为宽带雷达脉冲积累信号的频率；

根据公式(4)、公式(5)对过滤后的所述宽带雷达脉冲积累信号进行逆短时傅里叶变换得到雷达校准信号

进一步地，所述宽带雷达实测回波信号x(n)分段后相邻两段重叠L-1个点，各段表现为：

x_m(n)＝x(n+m(L₀-L+1))0≤n≤L₀-1 (6)，

其中，L为雷达校准滤波器h(n)阶数，L₀为分段长度，m为采样点数；

对每一段数据基于重叠保留法的快速傅里叶变换来实现快速卷积运算，可以表现为：

y_m(n)＝IFFT{FFT{x_m(n)}·FFT{h(n)}} (7)；

所述y_m(n)去掉前L-1个点保留其余点，将各段拼接得到所述校准实测回波信号y(n)。

综上所述，本发明的一种基于时频分析的宽带雷达误差校准方法，具有以下有益效果：

第一，抑制噪声，消除环境干扰信号；

第二，能够适用于多种复杂环境；

第三，降低FPGA性能要求，在工程中更易于实现。

附图说明

图1显示为本发明一种基于时频分析的宽带雷达误差校准方法的流程示意图。

图2显示为本发明实施例中获取的第一帧宽带雷达接收信号的时频示意图。

图3显示为本发明实施例经过脉冲积累后的宽带雷达接收信号时频示意图。

图4显示为本发明实施例宽带雷达接收信号经过干扰分离后的时频示意图。

图5显示为采用现有误差校准方法的校准结果示意图。

图6显示为本发明实施例的校准结果示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，一种基于时频分析的宽带雷达误差校准方法包括以下步骤：

步骤一：获取模拟宽带雷达脉冲回波信号，模拟宽带雷达脉冲回波信号为理想线性调频信号，理想线性调频信号为：

其中，f₀为宽带雷达载频，μ为宽带雷达调频斜率，T₀为宽带雷达脉冲宽度，t为理想线性调频信号的持续时间，K为噪声强度和信噪比需求量；理想线性调频信号被转入宽带雷达接收通道过程中部分失真，得到宽带雷达接收信号r^(k)(t)，转入过程中是在模拟复杂环境下进行的；理想线性调频信号被转入宽带雷达接收通道过程中得到宽带雷达参考信号r_ref(t)，转入过程中是在模拟理想环境下进行的；其中，k为噪声强度和信噪比需求，t为所述理想线性调频信号的持续时间；理想线性调频信号、宽带雷达接收通道、宽带雷达参考通道分别采用相参时钟源。如图2所示，通过宽带雷达接收通道后的宽带雷达接收信号r^(k)(t)为：

其中，

为宽带雷达校准信号，

为宽带雷达干扰信号，

为宽带雷达噪声通过宽带雷达接收通道后的输出信号；

共采集了K帧脉冲信号r⁽¹⁾(t),r⁽²⁾(t),…r^(K)(t)，在不同脉冲中，

是由校准信号经过一个单输入单输出系统而得，是完全相参的；接收噪声

主要由热噪声组成，是随机的(不相参)；干扰信号

主要由通信信号、地物杂波等多种成分组成，不完全相参。

如图3所示，据公式(2)中宽带雷达接收信号r^(k)(t)确定的值，对其进行相参积累，计算所述宽带雷达脉冲积累信号：

步骤二：对宽带雷达脉冲积累信号进行短时傅里叶变换后过滤干扰信号，并对其进行逆短时傅里叶变换得到宽带雷达校准信号

如图4所示，据公式(3)中宽带雷达脉冲积累信号确定的值，宽带雷达脉冲积累信号进行短时傅里叶变换过滤干扰信号，其表现为：

其中，w为窗函数，t′为宽带雷达脉冲积累信号的持续时间；

由于空间中干扰信号可能包括移动通信信号、地物杂波、卫星信号等多种信号，其组成十分复杂，一般在时频图中的分布无规律。因此，只需在时频图中提取出宽带雷达脉冲积累信号所在的直线，即可在保留有效校准信号的同时，滤除干扰信号，从而消除干扰信号的影响。宽带雷达脉冲积累信号在时频图中呈直线分布，提取时频图中呈直线的信号值来过滤干扰信号，计算公式为：

其中，f为宽带雷达脉冲积累信号的频率；

根据公式(4)、公式(5)对过滤后的宽带雷达脉冲积累信号进行逆短时傅里叶变换得到雷达校准信号

步骤三：根据宽带雷达参考信号r_ref(t)与宽带雷达校准信号

得到宽带雷达校准滤波器的期望频率响应，采用基于幅相拟合的FIR滤波器设计方法，得到宽带雷达校准滤波器h(n)；

步骤四：对宽带雷达实测回波信号x(n)进行分段，分段后相邻两段重叠L-1个点，各段表现为：

x_m(n)＝x(n+m(L₀-L+1))0≤n≤L₀-1 (6)，

其中，L为雷达校准滤波器h(n)阶数，L₀为分段长度，m为采样点数；

对每一段数据基于重叠保留法的快速傅里叶变换来实现快速卷积运算，可以表现为：

y_m(n)＝IFFT{FFT{x_m(n)}·FFT{h(n)}} (7)；

y_m(n)去掉前L-1个点保留其余点，将各段拼接得到所述校准实测回波信号y(n)。

如图5所示，对比传统校准方法，本发明一种基于时频分析的宽带雷达误差校准方法更好地消除了噪音和各种干扰的影响。

综上所述，本发明一种基于时频分析的宽带雷达误差校准方法，具有以下有益效果：

第一，抑制噪声，消除环境干扰信号；

第二，能够适用于多种复杂环境；

第三，降低FPGA性能要求，在工程中更易于实现。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种基于时频分析的宽带雷达误差校准方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：获取模拟宽带雷达脉冲回波信号，所述模拟宽带雷达脉冲回波信号为理想线性调频信号；所述理想线性调频信号被转入宽带雷达接收通道过程中部分失真，得到宽带雷达接收信号r^(k)(t)，所述理想线性调频信号被转入宽带雷达接收通道过程中得到宽带雷达参考信号r_ref(t)，其中，k取决于噪声强度和信噪比需求，t为所述理想线性调频信号的持续时间；对所述宽带雷达接收信号r^(k)(t)进行相参积累，得到宽带雷达脉冲积累信号；

步骤二：对所述宽带雷达脉冲积累信号进行短时傅里叶变换后过滤干扰信号，并对其进行逆短时傅里叶变换得到宽带雷达校准信号

步骤三：根据所述宽带雷达参考信号r_ref(t)与所述宽带雷达校准信号

得到宽带雷达校准滤波器的期望频率响应，采用基于幅相拟合的FIR滤波器设计方法，得到宽带雷达校准滤波器h(n)；

步骤四：对宽带雷达实测回波信号x(n)进行分段，对所述宽带雷达实测回波信号x(n)每一段数据使用基于重叠保留法的快速傅里叶变换来实现快速卷积运算得到校准实测回波信号y(n)。

2.根据权利要求1所述的一种基于时频分析的宽带雷达误差校准方法，其特征在于，所述理想线性调频信号、所述宽带雷达接收通道、所述宽带雷达参考通道分别采用相参时钟源。

3.根据权利要求1所述的一种基于时频分析的宽带雷达误差校准方法，其特征在于，所述步骤一中，所述理想线性调频信号为：

其中，f₀为宽带雷达载频，μ为宽带雷达调频斜率，T₀为宽带雷达脉冲宽度，t为所述理想线性调频信号的持续时间，K为噪声强度和信噪比需求量；

通过所述宽带雷达接收通道后的所述宽带雷达接收信号r^(k)(t)为：

其中，

为宽带雷达校准信号，

为宽带雷达干扰信号，

为宽带雷达噪声通过所述宽带雷达接收通道后的输出信号；

根据公式(2)中所述宽带雷达接收信号r^(k)(t)确定的值，计算所述宽带雷达脉冲积累信号：

4.根据权利要求3所述的一种基于时频分析的宽带雷达误差校准方法，其特征在于，所述步骤二中，根据公式(3)中所述宽带雷达脉冲积累信号确定的值，所述宽带雷达脉冲积累信号进行短时傅里叶变换表现为：

其中，w为窗函数，t′为所述宽带雷达脉冲积累信号的持续时间；

所述宽带雷达脉冲积累信号在时频图中呈直线分布，提取所述时频图中呈直线的信号值来过滤干扰信号，计算公式为：

其中，f为宽带雷达脉冲积累信号的频率；

根据公式(4)、公式(5)对过滤后的所述宽带雷达脉冲积累信号进行逆短时傅里叶变换得到雷达校准信号

5.根据权利要求1～4所述的一种基于时频分析的宽带雷达误差校准方法，其特征在于，所述宽带雷达实测回波信号x(n)分段后相邻两段重叠L-1个点，各段表现为：

x_m(n)＝x(n+m(L₀-L+1))0≤n≤L₀-1 (6)，

其中，L为雷达校准滤波器h(n)阶数，L₀为分段长度，m为采样点数；

对每一段数据基于重叠保留法的快速傅里叶变换来实现快速卷积运算，可以表现为：

y_m(n)＝IFFT{FFT{x_m(n)}·FFT{h(n)}} (7)；

所述y_m(n)去掉前L-1个点保留其余点，将各段拼接得到所述校准实测回波信号y(n)。

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