專利名稱：基于調(diào)變脈沖序列的高精度測距雷達(dá)的模糊處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，尤其涉及一種基于調(diào)變脈沖序列的高精度 測距雷達(dá)的模糊處理方法。
背景技術(shù)：
雷達(dá)是一種利用無線電波來測定物體位置的無線電設(shè)備，電磁波 同聲波一樣，根據(jù)遇到障礙物的回波信號，在雷達(dá)的接收機(jī)確定目標(biāo) 的大小、運(yùn)動特征等，利用電磁波反射特性實(shí)現(xiàn)距離目標(biāo)的測量等工 作。工作波長越短的電磁波，其粒子性越明顯，傳播的直線性越好， 反射性能越強(qiáng)。反之，雷達(dá)的工作波長越長，其波動性則越明顯，衍 射效應(yīng)則更加明顯。通常雷達(dá)用的是微波波段的無線電波，今年來也 有激光雷達(dá)的出現(xiàn)，采用光頻率波段實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的功能。奮達(dá)通過測量 發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時間差來確定實(shí)際距離，電》茲波以光速傳 播，具有較高的定位精度。目標(biāo)的方位確定可以利用'夫錢的尖銳方位 波束測量,根據(jù)仰角和距離確定目標(biāo)高度。根據(jù)多普勒效應(yīng)，雷達(dá)還 能夠測量目標(biāo)和測量雷達(dá)之間的相對運(yùn)動來完成目標(biāo)的速度測量，對 于運(yùn)動的物體其反射的回?fù)苄盘柕念l率與雷達(dá)發(fā)射頻率不同，兩者的 差值稱為多普勒頻率，運(yùn)動速度越高的物體，其多普勒頻率偏移越明 顯。從多普勒頻率中可提取的主要信息之一是雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離 變化率。當(dāng)目標(biāo)與干擾雜波同時存在于雷達(dá)的同一空間分辨單元內(nèi)時，雷達(dá)利用它們之間多普勒頻率的不同能從干擾'雜波中檢測和跟龍
目標(biāo)。利用雷達(dá)可以探測飛機(jī)、艦艇、導(dǎo)彈以及其他軍事目標(biāo)，除了軍事用途外，雷達(dá)在交通運(yùn)輸上可以用來為飛機(jī)、艦船導(dǎo)航，在天文學(xué)上可以用來研究星體，在氣象上可以用來探測臺風(fēng)，囊雨，烏云。雷達(dá)在選擇使用的波形時，通常會根據(jù)需要完成的任務(wù)不同而不
雷達(dá)系統(tǒng)可以采用CW( Continuous Waveforms,連續(xù))波參者脈沖波，其中CW可以是調(diào)制后也可以是未調(diào)制的波形，而真體的調(diào)制方法可以采用模擬的方式也可以采用數(shù)字的方式。無論采用何種波形以及調(diào)制方式，都需要能夠了解該波形的功率譜密度，才能夠確定距離和多
普勒偏差的測量解析度。在測量遠(yuǎn)距離物體時，可以通遽探測序列刊
曰
號的回波信號來確定，但是在測量時，會面臨針對某一頻率的電磁干擾，因此可以采用多種頻率通過跳頻的方式完成雷達(dá)的目標(biāo)測量工作。但是，步進(jìn)式頻率調(diào)變測量方法會產(chǎn)生一段范圍內(nèi)的模糊距離，該距離的大小和具體的頻率調(diào)變步長相關(guān)。而且，該調(diào)史距離也會影響到目標(biāo)定位的解析度，二者形成了一對兒矛盾，類似于測不準(zhǔn)原理。由于模糊的原因，該方法不能夠得到較好的定位精度。本發(fā)明通過多次脈沖掃描的方式，通過頻率和脈寬的綜合調(diào)節(jié)，完成貝標(biāo)的快速、精準(zhǔn)的定位。
綜上所述，通過對于可調(diào)脈寬序列的高精度測距雷達(dá)中的模糊問題的處理，能夠同時提高常規(guī)雷達(dá)的抗干擾性，在不影響該抗干擾性能的前提下能夠提高測量雷達(dá)的精度，通過雷達(dá)的發(fā)射'信號調(diào)整和雷達(dá)回波信號的處理即可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述方法，對現(xiàn)有的設(shè)備改動較 小?？紤]到前述情況，存在克服相關(guān)技術(shù)中不足的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例要解決的技術(shù)問題是提供一種基于調(diào)變脈沖序列的 高精度測距雷達(dá)的模糊處理方法，通過線性頻率調(diào)節(jié)步長的動態(tài)調(diào) 整，實(shí)現(xiàn)長距離的高精度定位，并將速度變化和多普勒頻移相關(guān)，利 用譜分析的方法確定相應(yīng)的頻率分辨圖樣?？梢越鉀Q才莫糊距離長短和 分辨能力高低之間的矛盾，同時給出了調(diào)變脈沖序列測量的完整實(shí)現(xiàn) 流程。
本發(fā)明所給出的基于調(diào)變脈沖序列的高精度測距雷達(dá)的模糊處理 方法，可以應(yīng)用于基于高精度探測的各種場景。利用成熟的信號處理
方法，對回波信號進(jìn)行解析和分析，從而快速完成定位。具體包括 可變脈寬的變頻探測序列分辨率確定方法，針對雷逸回波信號的 相鄰脈沖疊加區(qū)域進(jìn)行分析，確定所能分辨的最小目標(biāo)夂寸差異，通 過傅里葉變換實(shí)現(xiàn)頻率漂移量的測定。
雷達(dá)脈沖序列中的模糊問題處理方法，給出了基乎脈沖寬度、脈 沖頻率以及時間三維跳躍式實(shí)現(xiàn)方案，對目標(biāo)運(yùn)動所形成的回波信號 的頻率譜進(jìn)行分析，提取相關(guān)的信息量。借助于本原根的概念，實(shí)現(xiàn) 脈沖序列在信號空間的均勻分布。針對多徑信號的特有場景，結(jié)合對 于方向圖與目標(biāo)運(yùn)動相關(guān)特性的分析，在雷達(dá)接收機(jī)進(jìn)行相位偏差消除。
本發(fā)明還給出了完成的調(diào)變脈沖序列探測的高精度定位流程，針對多普勒效應(yīng)下進(jìn)行信號的譜分析，首先通過微小步長的長距掃描定
位遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，再逐漸倍頻調(diào)節(jié)頻率步長逼近最小;f莫糊距離，最后
完成非模糊的高精度定位。其中，對于非勻速物體的速度矢量進(jìn)行分解，實(shí)現(xiàn)針對目標(biāo)位置估計(jì)的相位消除。所用超外差接收系統(tǒng)中引入自適應(yīng)低通濾波器窗口調(diào)整裝置，實(shí)現(xiàn)動態(tài)回波數(shù)據(jù)采集和濾除功能。
從以上技術(shù)方案中可以看出，本發(fā)明通過對于雷達(dá)信號的探測序列調(diào)整和雷達(dá)接收機(jī)的信號處理軟件升級，能夠完成長旌離非模糊的高精度定位，在現(xiàn)有的系統(tǒng)中易于升級，具有較好的擴(kuò)展性且成本相對較低。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解，本發(fā)明的目的和其它優(yōu)點(diǎn)可通過在縮寫的說明書、權(quán)利要求書，以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。


結(jié)合描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例的附圖，根據(jù)以下對本發(fā)明的各
發(fā)明的詳細(xì)描述，將更易于理解本發(fā)明的這些和其它特征，其中圖1示意性示出了超外差接收機(jī)雷達(dá)系統(tǒng)的簡化框圖；圖2描述了脈沖序列測量的最小分辨率確定方法；圖3描述了調(diào)頻雷達(dá)脈沖序列的定位的模糊處理; 圖4描述了雷達(dá)測量時的多徑干擾對于距離測量的干擾； 圖5描述了多普勒效應(yīng)對于脈沖序列雷達(dá)測量的影響； 圖6描述了調(diào)變步進(jìn)頻率實(shí)現(xiàn)非模糊高精度定位的鴻程圖； 圖7描述了步進(jìn)式線性跳頻的時域波形對應(yīng)關(guān)系； 圖8示出雷達(dá)回波信號在不同距離和步進(jìn)頻率重建的輪廓曲線； 圖9示出雷達(dá)回波信號反傅里葉變換后的時域波形和脈沖序列對 應(yīng)關(guān)系；
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。, 圖1示意性示出了超外差接收機(jī)雷達(dá)系統(tǒng)的簡化框圖。發(fā)射機(jī)產(chǎn) 生的重復(fù)窄脈沖雷達(dá)信號序列，由雷達(dá)發(fā)射天線輻射到空間，收發(fā)開 關(guān)在發(fā)射天線和接收天線之間通過時分復(fù)用的方式完成發(fā)射和接收。 空間的反射物目標(biāo)截獲會對輻射在其上的一部分蕾達(dá)信號進(jìn)行散射， 少量信號沿著雷達(dá)的方向返回形成雷達(dá)回波信號，并由接收機(jī)加以放 大。在接收系統(tǒng)中，如圖所示，101為信號分路器，用于將信號一分 二 ，同時輸入兩個之i 各進(jìn)4亍處理，分別為I (In the phase*簡稱同相) 支路和Q (Quadrature,簡稱正交)支路，在兩個支路均需要數(shù)字信 號處理部件和I信號與Q信號的相位校正過程。102為混頻器，用于 將本振產(chǎn)生的信號作為解碼信號，103為移相器，用于產(chǎn)生兩個支路 不同的混頻信號，104為本振信號源，產(chǎn)生穩(wěn)定的余弦波，頻率固定為fD， 105為低通濾波器，可以將產(chǎn)生的窗外雜擾濾除，106為所用低通濾波器的濾波窗口控制器，通過接收端末端處理的反饋信號，實(shí)時對低通濾波器進(jìn)行調(diào)整。放大器用于解調(diào)后信號的恢復(fù)，108加法器將兩個支路的信號進(jìn)行合并，并經(jīng)檢波器進(jìn)行判斷，確定當(dāng)前信號幅度，如果接收機(jī)輸出的信號幅度足夠大，則目標(biāo)祐j企測，否則，丟失目標(biāo)。雷達(dá)通常測定目標(biāo)的方位和距離，但回波信號也包含目標(biāo)特性的信息，109多普勒處理即用于高速移動物體所產(chǎn)生的多普勒頻移的偏移量提取，通過該偏移量控制低通濾波窗的窗口大小，從而實(shí)現(xiàn)ADT ( Automatic Tracking with Surveillance Radars',簡稱監(jiān)一見雷達(dá)自動跟蹤)功能。
對于窄帶帶通信號可以表示為x(,) = K,) Re(exp(2;r/。/ +州》)，其中
W)為信號幅度，叉為載波頻率，-W為相位。帶通信號也可以通過信號的同相和正交分量表示，x(0-x,(0cos2;r/j-jce(0sin27r/j ，其中A《)為信號的同相分量，；c。(0為信號的正交分量。該信號的復(fù)包絡(luò)可以表示為W(,)w(,)e滿VW ,于是;cORe化We，V2"0，復(fù)包絡(luò)的單邊頻譜為= 2"o)xo),其中t/(w)為頻率域的階躍函lt， IO)為信號x(t)的傅里葉變換，將進(jìn)行逆傅里葉變化可以得到y(tǒng)(0 = W) +雄)，雄)為x(t)的希爾伯特變換。因此該等效系統(tǒng)可以通過原始接收信號和該信號的希爾伯特變換求和計(jì)算出。對于能量有限的信號可以用其ESD (Energy Spectrum Density,簡稱能量i普密度)函數(shù)表示；而對于功率有限信號可以用其PSD ( Power Spectrum Density,簡稱功率譜密度)函數(shù)表示。ESD定義為信號的傅里葉變換的模值的平方，即
9<formula>formula see original document page 10</formula> PSD定義為信號的時間自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變 換，即尸<formula>formula see original document page 10</formula>。才艮據(jù)相關(guān)的i普分析理^侖，可以 得到接收信號的譜密度分布，從而對與系統(tǒng)中接收信號的.頻率差進(jìn)行 分析，得到相應(yīng)的多普勒偏移量。
圖2描述了脈沖序列測量的最小分辨率確定方法。.其中201表示入 射脈沖序列，其脈沖寬度為r ，脈沖周期用PRI ( Pulse Repetition Interval,簡稱脈沖重復(fù)周期)表示，f嚴(yán)PRT1。 202表示雷達(dá)的回波脈 沖序列，203為距離測量過程中遇到的最小間隙差，其中R1和R2分別 表示測量物體的前沿和后沿與脈沖源的距離。204為入射雷達(dá)單個脈 沖的放大顯示圖，205為反射后的回波信號脈沖，206為,發(fā)生信號混疊 時的脈沖回波部分。最小分辨率為Ad = i 2-《=c"-"/2 = cW2,經(jīng)過 R1和R2反射后兩個邊沿的回波時間差為2Ad/c , ，I定.At/ = /xr ，其中 為常數(shù)系數(shù)表示該間隙的最小距離。當(dāng)0</ <1/2時，回波的信號會發(fā) 生重疊，此時對于該目標(biāo)距離無法進(jìn)行判斷，重疊部分為(l-2/ )r。 因此最小的分辨能力為^ = 1/2的物體，為了使雷達(dá)檢測系統(tǒng)能夠檢測 更為微小的目標(biāo)，應(yīng)盡量使雷達(dá)的脈沖序列波的脈沖寬度減小。
對于舉行脈沖序列信號<formula>formula see original document page 10</formula>，其中對0 =^R6 / r)為矩
形脈沖信號，脈沖寬度為r，為了處理方便將信號f(t)轉(zhuǎn)換為傅里葉級
數(shù)的表示方式<formula>formula see original document page 10</formula>,根據(jù)周期性信號的傅里葉變化可知，<formula>formula see original document page 10</formula>于是信號的幅度譜可以計(jì)算為，尸@)= g ^!sinc(Z!E^(w—^！)，其頻域包絡(luò)為sinc函數(shù)的離散鐠。
/) = —00 r
通常雷達(dá)發(fā)出的信號不可能為無限長序列，因此常用的方法是對于信 號序列采用加窗的方式進(jìn)行序列截?cái)?。用?)和#( )分別表示加窗后
的信號和對應(yīng)的頻率域譜，于是對于窗大小為N的截?cái)嘈蛄械念l域譜 為戶(w卜2;r^VTsincO且;r5;sinc(，)50y-^)，包絡(luò)和加窗前完
全一致，由于非無限長截?cái)嗵匦?，所形成的譜分布為以抽樣函數(shù)為取 樣點(diǎn)所形成的離散譜，通過對于接收回波信號的譜分析，可以測量出 返回波形的4壬4可頻移。
圖3描述了調(diào)頻雷達(dá)脈沖序列的定位的模糊處理。圖中給出了 3 所用脈沖序列的三維調(diào)變曲線，301, 302和303分別表示時間軸、 脈沖頻率軸和脈沖寬度軸。在tl t8的時間段內(nèi)共有7+狀態(tài)，分別 為",/"r》，(,2,/5,r2)，(』/2,r3), (,4,/3,r2)，(』/5,r2) ， 06,/7,^)和(,7,/2 j3)。 也即在每一時刻，所用的頻率和脈沖寬度可以不同，因?yàn)閷τ诶走_(dá)發(fā) 射信號而言，采用同一頻率可能會發(fā)生衰落或者來自某i特定頻率的 干擾，因此采用不同的頻率實(shí)際上能夠?qū)崿F(xiàn)一種變相的分集來抵抗衰 落，更為重要的是，通過不同的頻率來控制發(fā)射脈沖序列能夠獲得較 高的解析度。為了簡化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，可以采用線性頻率步進(jìn)的方式來 實(shí)現(xiàn)調(diào)頻處理，假定對于一個N載波系統(tǒng)，第i不載波;頻率fi為
其中0&、iV。在[iT,iT+T]內(nèi)，所發(fā)射的脈沖序列信號為 S, (0 = 4 cos(2tt乂, +《)，目標(biāo)反射信號(0 = 4 ' cos(2tt乂 (卜2(i 。 _ W) / c) +《) 其中v為目標(biāo)運(yùn)動速度，目標(biāo)向探測雷達(dá)運(yùn)動時速度符號為正，反之，目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá)時符號為負(fù)。于是通過圖1系統(tǒng)，進(jìn)而可以計(jì)算出同相 分量和正交分量分別為，
x,(/)二4."cos(4;r/(y-i o)/c) ， xe0) = 4'"sin(47ryXw-"o)7c) 其復(fù)包絡(luò)可以表示為x, =4'v4"("-《'^ ，通過對于復(fù)包絡(luò)的逆傅里
葉變化可以推算出時域信號，x(")-丄g;^exp(i^)為1/Q支路信號 的傅里葉變化，根據(jù)雷達(dá)測距基本原理可知，
對于靜態(tài)的物體，其速度v為零，于是所形成的譜信號逆變換可
以簡化為卓)=sin兀("2《攀—"。 sin(&" i _ 2wi 。A/(c") i)
圖3所示序列可以采用本原根序列完成，f^ — mod^q-ly.^N-l )， 如此可以將頻率或者脈沖的分布變換在完全均勻的一維玄間內(nèi)。
圖4描述了雷達(dá)測量時的多徑干擾對于距離測量的干擾。其中， 401為發(fā)射天線，402為天線的仰角，當(dāng)仰角為正時，直射電波通過 水平方向之上位置發(fā)射，當(dāng)仰角為負(fù)時，直射電波通過水平方向之下 位置發(fā)射，403為天線水平線和測量地點(diǎn)的地表切線之間的夾角，404 為地球表面反射點(diǎn)，405為探測目標(biāo)，406-408為根據(jù)探測區(qū)域的不 同位置的區(qū)域分類。當(dāng)雷達(dá)天線俯視鏡面反射的表面時，會產(chǎn)生多路 徑干涉現(xiàn)象。在鏡面反射體上的電波反射服從反射定律。
盡管在地球表面上同時存在多條反射路徑，但通常都只討論單條 反射路徑。垂直面天線方向圖較寬且最大值指向水平面的雷達(dá)，對低 仰角目標(biāo)而言，方向圖傳播因子的影響可以忽略不計(jì)。而且在反射表
12面反射后會引起附加相位差，還有部分相位差是由天線在直射方向和反射方向上傳播因子的相位差引起的。由于相位差，直射波和反射波在目標(biāo)處要么干涉相加要么干涉相消。直射信號和反射信號兩個回波
信號在接收天線也發(fā)生類似的干涉。406為接收端所謂的干涉區(qū)，當(dāng)
相位差為^"弧度的整數(shù)倍時，會發(fā)生等效干涉，此時信號為兩路信號的疊加組成，干涉合成信號的方向圖可以表示為,=|4 + ",-'"|，其
中4為直射信號幅度，4為反射信號幅度，r為反射系數(shù)，a為直射波和反射波在疊加點(diǎn)處的總相位差。當(dāng)動目標(biāo)405以恒定高度接近雷達(dá)時，仰角會不斷增加，其方向圖傳播因子將在最大值和最小值之間周期地變化。目標(biāo)距離和高度遠(yuǎn)大于天線的高度時，方向圖僅是目標(biāo)仰角的函數(shù)，而與目標(biāo)距離和高度無關(guān)。當(dāng)目標(biāo)接近雷達(dá)地平線，其位置低于地平面，此時沒有多徑效應(yīng)，檢測信號處于繞射區(qū)408,在此區(qū)域內(nèi)的直射線和反射線不再明顯區(qū)分開來，因而不能再用射線光學(xué)原理進(jìn)行分析，需要從波動光學(xué)理論進(jìn)行分析,根樣Maxwell方程組能夠給出解析的近似解形式。在干涉區(qū)406和繞射區(qū)408之間存在一個過度區(qū)域部分407，在此區(qū)域，不僅不能利用射線光學(xué)假設(shè)，而且此區(qū)域的電磁波理論求解非常復(fù)雜，通常通過兩個區(qū)域內(nèi)插的方法來獲得相關(guān)的場形。對于粗糙反射面，通?？梢岳媒?jīng)驗(yàn)公式r = exp[-2(2^si輝)2]來計(jì)算，其中H為反射表面的欺負(fù)高度的標(biāo)準(zhǔn)偏
義
差，^為入射余角。而多徑信號傳輸所經(jīng)過反射點(diǎn)的確定可以通過下面的Fishback的經(jīng)典三次方程模型來確定，2《-3GG, + [G2 - 2ae+ & + 2a^G = 0其中G為發(fā)射天線距離目標(biāo)的地表弧度，Gi和《分另'i為發(fā)射天線 和目標(biāo)距離反射點(diǎn)的地表弧度，Ee-ka為地球的有效半徑，k為修正 常數(shù)，通常取值為4/3, a為地球半徑(6370km)， hl和h2為發(fā)射天 線和目標(biāo)所處位置的海拔高度。
圖5描述了多普勒效應(yīng)對于脈沖序列雷達(dá)測量的影響。其中501, 502為探測序列在到達(dá)目標(biāo)之前的脈沖，周期為l//f，脈沖寬度為r, 實(shí)際距離為"，507為目標(biāo)，以速度v向探測雷達(dá)運(yùn)動。當(dāng)脈沖502
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運(yùn)動方向相反，會引發(fā)脈沖壓縮，脈沖502和目標(biāo)507石並撞后反射， 形成脈沖503 ，其寬度為ct'，其中r'〈:r。在目標(biāo)和脈沖504接觸時，
目標(biāo)運(yùn)動距離為d，可以計(jì)算出此時目標(biāo)的運(yùn)動距離為"=^^,由
c + v
距離守恒原理可知c / X ' = cA, — c《-1 /(v + c),于是，回波序列的脈沖重 復(fù)頻率為(c + v),/( c-v), 同樣可知，回波序歹'J的脈沖寬度為 (c-v)W(c + v),于是根據(jù)接收到的回波信號，發(fā)射探測序列的雷達(dá)可
以確定目標(biāo)運(yùn)動的徑向速度，而在垂直方向上運(yùn)動的速度則需要通過 借助跟蹤系統(tǒng)來完成。對于發(fā)射球面探測波的全向雷達(dá)，會收到來自 不同方向角的回波信號，根據(jù)目標(biāo)在徑向上的速度方向變化可以確定 目標(biāo)的大致運(yùn)動方向。對于非勻速運(yùn)動的目標(biāo)則需要對于回波信號的
高階信號處理和分析來獲得。從圖中也可以看出，回波信號505和 506的脈沖寬度變窄，而脈沖重復(fù)周期同樣縮短。對于和探測雷達(dá)序 列相反方向運(yùn)動的目標(biāo)，則會產(chǎn)生比探測信號脈寬更寬，重復(fù)周期更 長的回波信號。
14圖6描述了調(diào)變步進(jìn)頻率實(shí)現(xiàn)非模糊高精度定佐的流程圖。通常距離的分辨率和系統(tǒng)的帶寬相關(guān)，但是測量的距離在限鬼的范圍內(nèi)會發(fā)生距離模糊，因?yàn)橄辔凰诘闹笖?shù)項(xiàng)以2;r為周期，通過減小步進(jìn)頻率可以增加模糊距離的上限，但是會降低定位的精度，在定位精度和模糊距離之間存在一對兒矛盾。分辨率和模糊距離之間的關(guān)系為
Ai 二一，其中A/為頻率調(diào)變步長，增大步長可&提高史位精度。n
為脈沖數(shù)，顯而易見，增加定位脈沖序列可以提高定位精度，但無疑會增加系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。由于復(fù)包絡(luò)的相位p為4;ry;(W-i 。)/c,于
是l，卜4;r(v/-i 。)/c，目標(biāo)距離i 。 =|^|丄+v,,但是由于^=一一"，△/ △/ 4;r
于是^^丄+ W，即^(^)丄化+ w丄，和該距離相距.整數(shù)倍的目標(biāo)都會出現(xiàn)在探測信號范圍之內(nèi)，無法確定實(shí)際的距
2A/
離，引發(fā)距離模糊問題。增大步長在提高定位精度的同時，也會縮小模糊距離，在相同距離范圍內(nèi)的模糊點(diǎn)增多，增加了進(jìn)一步確定目標(biāo)的復(fù)雜度。本發(fā)明采用脈沖頻率步長的調(diào)變的方式，首趟利用微調(diào)脈沖步長獲得目標(biāo)的大致位置，再利用寬頻步長調(diào)節(jié)探測脈沖，完成精確定位。
對于運(yùn)動的目標(biāo)，其逆傅里葉變換后的序列為<formula>formula see original document page 15</formula>其'申相位項(xiàng)會對
接收頻譜造成干擾，需要在接受時能夠?qū)⒃擁?xiàng)干擾消除。
在步驟S601，對于接收系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)上電，準(zhǔn)備發(fā)射探測脈沖序列；
在步驟S602,選擇初始的線性脈沖調(diào)變頻率的步長為a乂，此時的
A/;應(yīng)當(dāng)具有較小的值，來完成大范圍的目標(biāo)初始佐置磯定；
在步驟S603，增大線性步長，使得4/;+1=104/;,此時的測試精度會 增大，但是模糊距離會變??；
在步驟S604，確定增大線性調(diào)頻步長后的脈沖回波序列探測的信 號是否發(fā)生距離變化，如果S604的結(jié)果為是，則進(jìn)入步驟S605，否 則返回步驟S603,繼續(xù)擴(kuò)大線性調(diào)頻的步長。注意，此處的10倍頻 只是擴(kuò)大調(diào)頻步長的一個常數(shù)倍數(shù)，也可以選擇不同'的倍頻方法，如 增大不同的倍數(shù)或者在增大頻率時采用非線性步長的方式，具體的倍 頻的方式不構(gòu)成對于本發(fā)明的限制。
在步驟S605,由于此時已經(jīng)達(dá)到模糊距離的下限，再進(jìn)一步調(diào)整 會引發(fā)定位距離的重復(fù)變化，由于模糊距離為確定的倍數(shù)，繼續(xù)探測 已經(jīng)沒有必要，于是停止倍頻操作。此時可以定位的目標(biāo)距離屬于一
個較大的范圍，為l[i-丄,i +丄]之內(nèi)。
在步驟S606，可以完成目標(biāo)的精確定位，此時選拷r較大的頻率變 化步長，使其分辨率么/ = ~^~在限定范圍之內(nèi)，a/2~^~，其中iU
為目標(biāo)定位需要滿足的分辨率。根據(jù)多普勒信號的脈沖展開因子，計(jì) 算出相應(yīng)的多普勒頻移，進(jìn)而完成目標(biāo)速度的估計(jì)。于是運(yùn)動目標(biāo)的 相位模糊項(xiàng)通過乘法器的作用后，可以完全消除。
圖7描述了步進(jìn)式線性跳頻的時域波形對應(yīng)關(guān)系。其中701表示時間軸，702表示頻率軸，703為變頻曲線的過零'點(diǎn)，704為時域波
形。對于歸一化的發(fā)送信號的復(fù)包絡(luò)可以表示為，^>) = e''2"^+〃'2/2)。其回波信號可以表示為&(/) = ^,"'('-"2/2)，其中r^2i /c。在經(jīng)過接收機(jī)的低通濾波器后，將高頻的成分濾除，可以得到回波信號的相位為，0(,) = 2"(-/Qr + f r)2)，于是，回波信號的瞬時頻率可以通過
相位的微分項(xiàng)計(jì)算出，/;(0 =丄1州)=//(,-小從而獲得信號經(jīng)過？？丁(Fast Fourier Transform,簡稱快速傅里葉變換)計(jì)算后的頻率解析度，進(jìn)而提高對于目標(biāo)的脈沖展寬和波形變化分析的精度。由于頻率的升高，所形成的波形逐漸密集，在發(fā)射信號的帶寬之內(nèi)形成線性變頻的調(diào)頻波。
對于常用的調(diào)幅和調(diào)相方式，通常將幅度和相位與調(diào)制信號相關(guān)，如波形的有無、振幅為正或?yàn)樨?fù)，相位為+ ;r或者-;r表示。而在調(diào)頻
方式下，通常采用不同的頻率表示調(diào)制信號的高低電平，調(diào)制頻率可以用相位的微分來表示/ (/)=丄^^(,)，于是，所形成的調(diào)頻信號為
= cos(2;r# + 厶(0刮?？梢岳谜{(diào)制信號直接控制振蕩器的振蕩頻率，控制決定載波振蕩器振蕩頻率的元件或電路參數(shù)的數(shù)值。實(shí)際設(shè)備中，通常采用諧振回路來實(shí)現(xiàn)振蕩頻率的改變，對于LC振
蕩器，主要通過振蕩器中的電容和電感改變振蕩頻率；^對于RC振
蕩器，則主要通過電阻和電容改變諧振頻率。用調(diào)制信號去控制電感電容或電阻即可實(shí)現(xiàn)，常用的可控電容元件有電抗管電路和變?nèi)荻O
管；常用的可控電感元件是具有鐵氧體磁芯的電感線圈或電抗管電路；可控電阻元件有二極管和場效應(yīng)管。將可控參'數(shù)ife/f牛或電路代替
17振蕩回路的某一元件直接并接在振蕩回路兩端，振蕩頻率依賴于可控 參數(shù)元件的參數(shù)，通過調(diào)制信號控制元件的參數(shù)值,乂人.萄動態(tài)地調(diào)整 載波振蕩器的頻率?；蛘咴谖⒉òl(fā)射機(jī)中，利用速調(diào)管振蕩器將調(diào)制 信號加至反射極，使其振蕩頻率受控于加在管上的反射極電壓，完成 振蕩器和調(diào)制信號相關(guān)。調(diào)頻方式中的頻率和調(diào)制信號相關(guān)，實(shí)際上 在具體實(shí)現(xiàn)過程中，調(diào)頻可以通過調(diào)相間接實(shí)現(xiàn)。調(diào)頻方式釆用類似 石英晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度較高的載波振蕩器，在其后級進(jìn)行調(diào)相， 所得到的調(diào)頻波的中心頻率穩(wěn)定度比一般的調(diào)制方式要高。釆用調(diào)頻 方式的調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)較為復(fù)雜，但是通常這種方法具有較高的調(diào)制 靈敏度，單位調(diào)制電壓所產(chǎn)生的振蕩頻率偏移較其它方式更大，且最 大頻率偏移與調(diào)制信號頻率無關(guān)。
圖8示出雷達(dá)回波信號在不同距離和步進(jìn)頻率重建的輪廓曲線。
所用的脈沖序列為256方波脈沖串，放大器增益為40dB，目標(biāo)位置 向量為{996，998, 1000,1002,1004},初始探測頻率間隔為10KHz, FFT 長度為256。脈沖重復(fù)周期為O.lms,目標(biāo)的RCS( Radar Cross Section, 簡稱雷達(dá)散射截面)均為lm2。圖中801表示初始粗探測雷達(dá)回波所 形成的輪廓圖像，此時模糊距離達(dá)到15km，從粗掃描散射回波的分 析可知，目標(biāo)反射體約處于lkm附近。在頻率調(diào)節(jié)步長IO倍頻后， 其模糊距離進(jìn)一步減小為1.5km,此時進(jìn)一步細(xì)化目標(biāo)位置，見802。 最終定位圖像如803所示，可以清晰的計(jì)算出15m范圍內(nèi)，5個目標(biāo) 的位置分布，根據(jù)模糊距離內(nèi)各個取樣點(diǎn)的周期性排列規(guī)則，可以確 定目標(biāo)的實(shí)際位置。圖9示出雷達(dá)回波信號反傅里葉—變換后的時域波形和月永沖序列對應(yīng)關(guān)系。
雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域內(nèi)熟練的技術(shù)人員可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修泉。
權(quán)利要求
1、一種基于調(diào)變脈沖序列的高精度測距雷達(dá)的模糊處理方法，其特征在于包括以下內(nèi)容可變脈寬的變頻探測序列分辨率確定方法；雷達(dá)脈沖序列中的模糊問題處理方法；測距雷達(dá)接收機(jī)中的多徑干擾消除方法；可調(diào)變脈沖序列的非模糊高精度定位流程；高精度定位消除模糊的超外差接收系統(tǒng)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于調(diào)變脈沖序列的高精度測距雷達(dá)的模 糊處理方法，其特征在于所述可變脈寬的變頻探測序列分辨率確定方 法，具體包括雷達(dá)回波信號的相鄰脈沖疊加區(qū)域確定方法；測量目標(biāo)的最小間隙差確定；基于Fourier變換的離散譜頻率定位。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于調(diào)變脈沖序列的高精度測距雷達(dá)的模 糊處理方法，其特征在于所述雷達(dá)脈沖序列中的模糊問題處理方法， 具體包括基于脈沖寬度、脈沖頻率以及時間三維跳躍式探測.方，法； 目標(biāo)運(yùn)動速度及其譜分析方法； 基于本原根的序列確定方法。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于調(diào)變脈沖序列的高精度測距雷達(dá)的模 糊處理方法，其特征在于所述測距雷達(dá)接收機(jī)中的多徑干擾消除方法，具體包括地球形狀的橢球模型修正；多徑信號的地表反射點(diǎn)確定方法；方向圖與目標(biāo)運(yùn)動相關(guān)特性分析方法；粗糙表面的信號反射相位差確定方法。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于調(diào)變脈沖序列的高精度測距雷達(dá)的模 糊處理方法，其特征在于所述可調(diào)變脈沖序列的非模糊高精度定位流 程，具體包括多普勒效應(yīng)下的譜分析方法；微小步長的長距掃描定位遠(yuǎn)距離的方法；倍頻調(diào)節(jié)頻率步長逼近最小模糊距離的方法；擴(kuò)大步長后的高精度定位方式；非勻速運(yùn)動的目標(biāo)運(yùn)動速度和距離的粗略估計(jì)方法。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于調(diào)變脈沖序列的高精度測距雷達(dá)的模 糊處理方法，其特征在于所述高精度定位消除模糊的超外差接收系 統(tǒng)，具體包括基于I/Q支路的分離處理方式； 多普勒頻移的相位提取裝置； 基于譜分析的相位估計(jì)誤差對消； 自適應(yīng)低通濾波器窗口調(diào)節(jié)裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，本發(fā)明實(shí)施例公開了一種基于調(diào)變脈沖序列的高精度測距雷達(dá)的模糊處理方法。本發(fā)明實(shí)施例方法包括可變脈寬的變頻探測序列分辨率確定方法；雷達(dá)脈沖序列中的模糊問題處理方法；測距雷達(dá)接收機(jī)中的多徑干擾消除方法；可調(diào)變脈沖序列的非模糊高精度定位流程；高精度定位消除模糊的超外差接收系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的方法，通過對于雷達(dá)信號的探測序列調(diào)整和雷達(dá)接收機(jī)的信號處理軟件升級，能夠完成長距離非模糊的高精度定位，在現(xiàn)有的系統(tǒng)中易于升級，具有較好的擴(kuò)展性且成本相對較低。本發(fā)明可以解決雷達(dá)測量的模糊距離遠(yuǎn)近和目標(biāo)探測分辨能力高低之間的矛盾，同時給出了調(diào)變脈沖序列測量的完整實(shí)現(xiàn)流程。
文檔編號G01S7/28GK101666873SQ20091007912
公開日2010年3月10日 申請日期2009年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月4日
發(fā)明者彬 李, 沛 羅, 譚代煒, 郭秉禮, 顧畹儀, 黃善國 申請人:北京郵電大學(xué)