專利名稱：Fm雷達發射機脈沖的增強的脈沖響應測量的制作方法
技術領域：
本發明涉及脈沖調頻(FM)雷達信號的脈沖響應測量，并且尤其涉及相對于主響應振幅提供次級響應振幅的更準確的測量的增強的脈沖響應測量。
背景技術：
脈沖FM雷達是一種使用脈沖調頻信號探測目標的雷達的形式。比其它類型的信號相比使用脈沖調頻信號提供了更好范圍的分辨率和信噪比。可以使用各種類型的脈沖調頻信號，諸如脈沖線性調頻信號(pulsed linear chirp signal)(具有隨時間線性地改變的頻率的脈沖正弦信號)、脈沖非線性調頻信號(pulsed non-linear chirp signal)(具有隨時間非線性地改變的頻率的脈沖正弦信號)、脈沖相位編碼信號(pulsed phase-coded signal)(根據二進制碼被相位調制的脈沖正弦信號)。脈沖FM雷達接收機通過讓接收到的脈沖FM雷達信號通過匹配的濾波器從該信號提取關于目標的信息。匹配的濾波器在頻域中通常通過將接收到的脈沖FM雷達信號的樣本變換成頻域頻譜，將該頻譜與發射的脈沖FM雷達信號的頻域估計的復共軛相乘而得以實現。該過程將接收到的脈沖FM雷達信號“解擴(de-spread)”或“壓縮”成窄脈沖，并且由于此原因，它被稱為“脈沖壓縮”。關于脈沖壓縮的更多信息見Bassem R. MahafzE^PAtef Z. Elsherbeni ^t 2003 Champman & Ηει /CRC Press dj 白勺“Simulations for Radar Systems Design” 的 5. 3 部分。脈沖FM雷達發射機的“脈沖響應”，也被稱為“點擴散函數”，是重要的質量測量。 脈沖響應是根據從脈沖FM雷達發射機直接接收到的或者從非常小的點目標反射的脈沖FM 雷達信號的脈沖壓縮后所產生的圖像的亮度圖案。良好的脈沖響應具有對應于目標位置的大的值和對于所有周圍位置的小的值。換句話說，脈沖響應描述了脈沖FM雷達系統的空間分辨率。對脈沖響應的普通的損害是次級或者“疊影(ghost)，，響應。當脈沖FM雷達發射機不僅發射預期的或者“主”信號，還發射“疊影”信號(即，比主信號的振幅小并且相對于它延遲的主信號的拷貝)時，產生疊影響應。疊影信號通常由脈沖FM雷達發射機中的低級別的內部反射造成。在脈沖壓縮之后，疊影信號在不對應于目標的位置產生假脈沖，被稱為疊影脈沖或者疊影響應。疊影脈沖可以通過當目標未出現時給出第二目標的錯誤的指示， 或者替代地，通過當目標出現時模糊第二目標的反射來干擾雷達系統的正確的操作。由于這些原因，重要的是準確地表征脈沖FM雷達發射機的脈沖響應以及相應地校準對應的脈沖FM雷達接收機。包括諸如RSA6000頻譜分析器系列的實時頻譜分析器和諸如DP0/DSA70000B數字熒光示波器系列的實時示波器(兩者都可以從俄勒網州的比弗頓市的Tektronix有限公司購買)的測試和測量儀器可以被用于測量脈沖FM雷達信號的脈沖響應。這些測試和測量儀器使用采集系統獲取脈沖FM雷達信號的樣本，使用軟件或者數字信號處理電路對獲取的樣本進行脈沖壓縮，以及在顯示器上示出所產生的脈沖響應的可視圖像。但是，在進行脈沖壓縮之前，這些測試和測量儀器必須首先應用窗口函數(window function)到獲取到的樣本以避免截斷脈沖FM雷達信號并且由此在頻域中產生旁瓣，被稱為“頻譜泄漏”的效應。 窗口函數以主信號為中心并且因此適當地衰減了主信號。但是，如果脈沖FM雷達信號包括疊影信號，那么由于疊影信號相對于主信號是延遲的，所以該疊影信號不是位于窗口函數的中心而是位于窗口函數具有減小的振幅的部分中，于是窗口函數截斷了疊影信號。在脈沖壓縮之后這種疊影信號的截斷使得這些測試和測量儀器相對于主脈沖的振幅不準確地報告疊影脈沖的振幅。需要的是測量脈沖FM雷達信號的脈沖響應的方法，其相對于主響應的振幅提供次級響應的振幅的較準確的測量。
發明內容
因此，本發明的實施例提供測量脈沖FM雷達信號的脈沖響應的增強的方法，該方法相對于主響應的振幅提供次級響應的振幅的較準確的測量。采樣脈沖FM雷達信號以產生時域樣本記錄。該樣本記錄被窗口化(windowed)以產生窗口化的樣本記錄。該窗口化的樣本記錄被變換成頻域頻譜。該頻譜與發射的脈沖FM雷達信號的頻域估計的復共軛相乘以產生解擴的脈沖。該解擴的脈沖被變換到時域以產生具有主響應和次級響應的脈沖響應的測量。次級響應的振幅被修正以消除由窗口操作產生的錯誤。當結合所附的權利要求和附圖閱讀，根據以下的詳細說明，本發明的目的、優點和其它新穎的特征將會明顯。
圖1示出阻抗不連續或者其它缺點如何能夠使得脈沖FM雷達發射機產生疊影信號。圖2描述具有低級別反射的脈沖FM雷達信號。圖3示出窗口函數。圖4示出在應用圖3的窗口函數后圖2的脈沖FM雷達信號。圖5描繪使用常規的脈沖FM雷達接收機所產生的脈沖響應測量。圖6描述根據本發明實施例的脈沖FM雷達接收機的簡化的、高級框圖。圖7示出主信號和疊影信號的功率加權。圖8描繪用于各種疊影信號延遲的振幅修正因子。圖9描繪使用圖6的脈沖FM雷達接收機所產生的脈沖響應測量。
具體實施例方式為了幫助理解，現在更詳細地討論次級響應的振幅的測量中的不準確的來源。次級或者疊影信號是比主信號的振幅弱并且相對于它延遲的主信號的拷貝。疊影信號通常是由脈沖FM雷達發射機內的低級別的內部反射造成的。例如，如圖1所示，雷達發射機100中的阻抗不連續或者其它缺點使得從雷達激勵器105發射的部分主信號115從放大器110反射回到雷達激勵器105并且然后返回到放大器110。因此，對于每個主信號 115，發射機100還發射比主信號115的振幅弱并且相對于它延遲的疊影信號120。在圖2中，圖1的主信號115和次級信號120分別被描繪為脈沖線性調頻信號205 和210。疊影信號210比主信號205的振幅弱并且相對于它延遲了主信號205的長的1. 6/4 =40%。注意，雖然主信號和疊影信號被描繪為脈沖線性調頻信號，以下討論所討論的原則也可以應用到其它類型的脈沖調頻信號，諸如脈沖非線性調頻信號和脈沖相位編碼信號。圖3示出窗口函數305。窗口函數305以主信號205為中心，S卩，窗口函數305和主信號205都以時間=2為中心。圖4示出窗口函數305對脈沖FM雷達信號200的影響。由于窗口函數305以主信號205為中心，窗口函數305適當地衰減了主信號205，如主信號405中所示。但是，由于疊影信號210相對于主信號205延遲，疊影信號210不位于窗口函數305的中心但是位于窗口函數305具有減弱的振幅的部分中，從而窗口函數305截斷了疊影信號210的拖尾部 (trailing portion)，即，疊影信號210在時間=4之后的部分，如在疊影信號410中所示。圖5示出在脈沖壓縮之后疊影信號的這種截斷的效應。脈沖響應測量500具有主脈沖505以及分別延遲了主信號長的10%、20%、30%、和40%的疊影脈沖510、515、520 和525。每一個疊影信號的振幅應當被報告(import)為主信號的_20dB，但是由于上述討論的截斷效果，振幅被不準確地報告，振幅錯誤隨著延遲的增加而增加。例如，當疊影信號延遲了主信號的長的10%時，如在疊影脈沖510中示出的，振幅被報告為大約-20dB。但是，當疊影信號延遲了主信號的長的40%時，如在疊影脈沖525中所示的，振幅被報告為大約-23dB或者低大約3dB這么多(about 3dB too low)。由于截斷的疊影信號造成的錯誤大約為1. 3dB,以及其它錯誤總的加起來到大約3dB。圖6示出根據相對于主響應的振幅提供次級響應的振幅的更加準確的測量的本發明的實施例的脈沖FM雷達接收機600。模擬數字變換器605采樣脈沖FM雷達信號以產生時域樣本記錄。窗口函數610窗口化樣本記錄以產生窗口化的樣本記錄。窗口函數610 可以是任意形式的窗口函數，包括但不限于泰勒(Taylor)窗口、凱塞(Kaiser)窗口、布萊克曼-哈里斯(Blackman-Harris)窗口或者哈明(Hamming)窗口。離散傅里葉變換615將窗口化的樣本記錄轉變為頻域頻譜。乘法器620將頻譜與發射的脈沖FM雷達信號625，即期望已經被發射的脈沖FM雷達信號的頻域估計的復共軛相乘以產生解擴脈沖。發射脈沖 FM雷達信號的估計可以從接收到的脈沖FM雷達信號產生或者它可以基于用戶指定的參數被產生。離散傅里葉逆變換630將解擴脈沖變換到時域以產生具有主響應和次級響應的脈沖FM雷達信號的脈沖響應的測量。振幅修正635計算振幅修正因子并且使用它來修正次級響應的振幅以消除由窗口函數610造成的錯誤。以下例子示出了用于具有特定延遲值的疊影信號的振幅修正因子的計算圖7示出了主信號705的功率加權和延遲了主信號的長的40%的疊影信號710的功率加權。“功率加權”描述窗口函數305施加到信號所產生的信號功率的分配。疊影信號710的功率加權與主信號705的功率加權相似，除了它由于疊影信號延遲了主信號的長的40%的事實而被截斷了 40%。振幅修正因子等于主信號705的功率加權的積分(即，曲線以下的面積)與疊影信號710的功率加權的積分的比，或者在這個例子中，約為1. 3dB。功率加權的積分等于信號的能量。因此，振幅修正因子等于主信號的能量與疊影信號的能量的比。圖8示出了針對具有各種其它延遲值的疊影信號的振幅修正因子805。在本發明的一個實施例中，修正了脈沖響應測量的用戶選擇的部分，例如，疊影脈沖的峰值。在替代實施例中，脈沖響應測量的每個部分被修正以產生全部振幅修正的脈沖響應測量900，如圖9中所示。注意，與示出大的振幅錯誤的未經修正的疊影脈沖510、515、 520和525相比，疊影脈沖910、915、920和925具有更加接近于_20dB的振幅。另外注意， 根據圖8，在零延遲即主脈沖的位置的振幅修正因子是OdB。因此，修正脈沖響應測量的每個部分對主響應沒有影響，僅僅影響次級響應。盡管上述的本發明的實施例使用離散傅里葉變換來將窗口化的樣本記錄變換為頻域頻譜，但是各種其它實施例可以使用諸如哈特利(Hartley)變換或者線性調頻 Z(Chirp-Z)變換的其它變換。從上述的討論可以理解的是本發明表現了在脈沖FM雷達信號的脈沖響應的測量方面的顯著的提高。盡管為了說明的目的已經示出和描述了本發明的特定實施例，應當理解的是在不脫離本發明的精神和范圍的情況下可以進行各種修改。因此，本發明不應被限制除了所附的權利要求書以外。
權利要求
1.一種測量脈沖調頻雷達信號的脈沖響應的方法，包括步驟 采樣所述脈沖調頻雷達信號以產生時域樣本記錄；窗口化所述樣本記錄以產生窗口化的樣本記錄； 將所述窗口化的樣本記錄變換為頻域頻譜；將所述頻譜與發射的脈沖調頻雷達信號的頻域估計的復共軛相乘以產生解擴脈沖； 將所述解擴脈沖變換成所述脈沖響應的時域測量；以及修正所述脈沖響應的測量的振幅。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述修正步驟包括步驟 計算主信號的能量；計算次級信號的能量；計算所述主信號的能量和所述次級信號的能量的比；以及基于所述比，修正所述脈沖響應的測量的振幅。
3.如權利要求1所述的方法，其中，所述修正步驟包括修正所述脈沖響應的測量的用戶選擇的部分的步驟。
4.如權利要求1所述的方法，其中，所述修正步驟包括修正所述脈沖響應的測量的每個部分的步驟。
5.如權利要求1所述的方法，其中，所述窗口化步驟包括利用從由泰勒窗口、凱塞窗口、布萊克曼-哈里斯窗口和哈明窗口組成的組中選擇的窗口函數來窗口化所述樣本記錄的步驟。
6.如權利要求1所述的方法，其中，所述將所述窗口化的樣本記錄變換為頻域頻譜的步驟包括利用從由離散傅里葉變換、哈特利變換和線性調頻Z變換組成的組中選擇的變換來將所述窗口化的樣本記錄變換成頻域頻譜的步驟。
7.如權利要求1所述的方法，其中，所述脈沖調頻雷達信號包括從由脈沖線性調頻信號、脈沖非線性調頻信號和脈沖相位編碼信號組成的組中選擇的信號。
8.適用于實現權利要求1的方法的測試和測量儀器。
9.如權利要求8所述的測試和測量儀器，其中，所述測試和測量選自由實時頻譜分析器和實時示波器組成的組。
10.基于使用權利要求1的方法獲得的脈沖響應的測量而被校準的脈沖調頻雷達接收機。
11.一種顯示由測試和測量儀器產生的脈沖響應的測量的方法，包括步驟 采樣脈沖調頻雷達信號以產生時域樣本記錄；窗口化所述樣本記錄以產生窗口化的樣本記錄； 將所述窗口化的樣本記錄變換為頻域頻譜；將所述頻譜與發射的脈沖調頻雷達信號的頻域估計的復共軛相乘以產生解擴脈沖； 將所述解擴脈沖變換成所述脈沖響應的時域測量； 修正所述脈沖響應的測量的振幅；以及顯示所述脈沖響應的測量。
12.一種裝置包括用于采樣脈沖調頻雷達信號以產生時域樣本記錄的模擬數字變換器；用于窗口化所述樣本記錄以產生窗口化的樣本記錄的窗口函數；用于將所述窗口化的樣本記錄變換為頻域頻譜的時間至頻率變換；用于將所述頻譜與發射的脈沖調頻雷達信號的頻域估計的復共軛相乘以產生解擴脈沖的乘法器；用于將所述解擴脈沖變換成所述脈沖響應的時域測量的頻率至時間變換；以及用于基于振幅修正因子修正所述脈沖響應的測量的振幅的振幅修正。
13.如權利要求12所述的裝置，其中，所述振幅修正因子包括主信號的能量和次級信號的能量的比。
14.如權利要求12所述的裝置，其中，所述振幅修正修正所述脈沖響應的測量的用戶選擇的部分。
15.如權利要求12所述的裝置，其中，所述振幅修正修正所述脈沖響應的測量的每個部分。
16.如權利要求12所述的裝置，其中，所述窗口函數是從由泰勒窗口、凱塞窗口、布萊克曼-哈里斯窗口和哈明窗口組成的組中選擇的窗口函數。
17.如權利要求12所述的裝置，其中，所述時間至頻率變換從由離散傅里葉變換、哈特利變換和線性調頻Z變換組成的組中選擇。
18.如權利要求12所述的裝置，其中，所述脈沖調頻雷達信號包括從由脈沖線性調頻信號、脈沖非線性調頻信號和脈沖相位編碼信號組成的組中選擇的信號。
全文摘要
本發明提供FM雷達發射機脈沖的增強的脈沖響應測量。脈沖調頻(FM)雷達信號的增強的脈沖響應測量相對于主響應振幅提供次級響應振幅的較準確的測量。脈沖FM雷達信號被采樣以產生時域樣本記錄。該樣本記錄被窗口化以產生窗口化的樣本記錄。該窗口化的樣本記錄被變換為頻域頻譜。該頻譜與發射的脈沖FM雷達信號的頻域估計的復共軛相乘以產生解擴脈沖。該解擴脈沖被變換到時域以產生具有主響應和次級響應的脈沖響應的測量。修正次級響應的振幅以消除窗口化所引起錯誤。
文檔編號G01S7/40GK102375139SQ201010257349
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月12日 優先權日2010年8月12日
發明者S·托林, T·C·希爾三世 申請人:特克特朗尼克公司