一種非線性調(diào)頻信號去斜處理方法與流程

本發(fā)明涉及雷達(dá)(聲納)信號處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種非線性調(diào)頻信號去斜處理方法。

背景技術(shù)：

線性調(diào)頻信號(lfm)與非線性調(diào)頻信號(nlfm)都是利用非線性相位調(diào)制來獲得大時寬帶寬積的雷達(dá)(聲吶)信號，線性調(diào)頻信號由于其具有易產(chǎn)生、可去斜處理等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。但是線性調(diào)頻信號脈沖壓縮后旁瓣較高，在應(yīng)用中，通常采用加窗的方法來抑制旁瓣，但加窗在降低旁瓣的同時會展寬主瓣并造成信噪比損失。非線性調(diào)頻(nlfm)信號由于不需要采用加窗的方式降低旁瓣，這樣就避免了因加權(quán)處理而引入的信噪比損失和分辨率下降等問題,但是，傳統(tǒng)去斜方法對線性調(diào)頻信號進(jìn)行混頻去斜處理后是一個單頻信號，可以直接進(jìn)行傅里葉變換得到目標(biāo)一維距離像，而非線性調(diào)頻信號去斜處理后是一個有帶寬的信號，通過傅里葉變換無法得到目標(biāo)一維距離像，由此可知，傳統(tǒng)去斜方法對非線性調(diào)頻信號并不適用，在寬帶雷達(dá)系統(tǒng)中寬帶非線性調(diào)頻信號對雷達(dá)接收機(jī)a/d采樣、存儲傳輸設(shè)備提出較高的要求。

為了得到高分辨率，寬帶雷達(dá)通常發(fā)射極寬帶寬的線性調(diào)頻信號，在接收端去斜處理(參考文獻(xiàn)：caputiwj.stretch:atime-transformationtechnique[j].ieeetransactionsonaerospaceandelectronicsystems,1971(2):269-278.)后進(jìn)行低速率a/d采樣處理，而標(biāo)準(zhǔn)的去斜處理方法不適用于非線性調(diào)頻信號。yehl,wongkt,mirhs.等人證明了標(biāo)準(zhǔn)的去斜處理方法僅適用于線性調(diào)頻信號，不適用于其他恒模多項式相位信號(參考文獻(xiàn)：yehl,wongkt,mirhs.viable/inviablepolynomial-phasemodulationsfor"stretchprocessing"[j].ieeetransactionsonaerospaceandelectronicsystems,2012,48(1):923-926.)。mirhs,wongukt等人提出了一種針對非線性調(diào)頻信號(nlfm)低速率采樣處理方法，但是該方法需知道非線性調(diào)頻信號的相位函數(shù),然后計算接收窗內(nèi)每個時延時刻混頻后信號的相位值,實現(xiàn)過程復(fù)雜且計算量巨大(參考文獻(xiàn)：mirhs,wongukt.low-ratesamplingtechniqueforrange–windowedradar/sonarusingnonlinearfrequencymodulation[j].ieeetransactionsonaerospaceandelectronicsystems,2015,51(3):1972-1979.)

在雷達(dá)系統(tǒng)中，寬帶非線性調(diào)頻信號對硬件實現(xiàn)和使用環(huán)境的要求較高，由于信號帶寬的增加會給接收機(jī)的檢波帶來很大的壓力，此時相比于可使用去斜處理方法的線性調(diào)頻信號，需要更高速的a/d轉(zhuǎn)換器以及更高速的數(shù)據(jù)存儲，這極大地限制了雷達(dá)的成像分辨率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，為解決非線性調(diào)頻信號處理對雷達(dá)系統(tǒng)的硬件要求比較高的技術(shù)問題，提出一種非線性調(diào)頻信號去斜處理方法，利用該去斜處理方法降低了對雷達(dá)接收機(jī)a/d采樣率、傳輸量的要求，實現(xiàn)了寬帶非線性調(diào)頻雷達(dá)信號的低速率采樣處理，本發(fā)明所提出的方法同時也適用于線性調(diào)頻信號的去斜處理。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出的一種非線性調(diào)頻信號去斜處理方法，該方法的具體處理步驟包括:

步驟1)將基帶非線性調(diào)頻信號調(diào)制至雷達(dá)射頻工作頻率后生成發(fā)射信號，接收發(fā)射信號對應(yīng)的回波信號；

步驟2)利用線性調(diào)頻信號對非線性調(diào)頻信號回波進(jìn)行去斜處理，對去斜處理后的回波信號進(jìn)行a/d采樣；

步驟3)將a/d采樣后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換到頻域形式，在頻域進(jìn)行頻譜擴(kuò)展至奈奎斯特采樣率，即在頻域進(jìn)行補(bǔ)零至奈奎斯特采樣率，頻譜擴(kuò)展處理后進(jìn)行傅里葉逆變換到時域形式；

步驟4)將時域形式的信號進(jìn)行線性調(diào)頻，將線性調(diào)頻后的信號與發(fā)射參考信號進(jìn)行匹配濾波，得到目標(biāo)一維距離像，所述的發(fā)射參考信號與步驟1)中發(fā)射信號的形式相同。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的基帶非線性調(diào)頻信號表示為：

其中，非線性調(diào)頻信號調(diào)頻函數(shù)表示為f(t)＝f0+kt+fe(t)，k為去斜參考線性調(diào)頻信號調(diào)頻率，b為非線性調(diào)頻信號帶寬，tp為非線性調(diào)頻信號脈沖寬度，k的正負(fù)取決于非線性調(diào)頻信號頻率變化趨勢,fe(t)為頻率偏移函數(shù)，即為某個時刻非線性調(diào)頻信號實際頻率與去斜參考線性調(diào)頻信號頻率之差。f0為非線性調(diào)頻信號去斜處理后的中心頻率。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的發(fā)射信號表示為：

其中，tp為非線性調(diào)頻信號脈沖寬度，fc為非線性調(diào)頻信號的載頻。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的回波信號表示為：

其中，τ＝2r/c，r為目標(biāo)與雷達(dá)接收機(jī)之間的距離，c表示光速，σ為目標(biāo)的反射系數(shù)。發(fā)射信號se(t)經(jīng)傳輸后，距離r處的目標(biāo)回波信號為sr(t)，而信號sr(t)是目標(biāo)對信號se(t)的延時。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的步驟2)具體包括：將回波信號sr(t)與去斜參考線性調(diào)頻信號sref(t)進(jìn)行混頻，然后取下邊帶濾波后進(jìn)行低速率a/d采樣；

所述的去斜參考線性調(diào)頻信號表示為：

其中，選取的去斜參考線性調(diào)頻信號的時間寬度為采樣窗時間長度tref，調(diào)頻率|k|＝b/tp，b為非線性調(diào)頻信號帶寬，tp為非線性調(diào)頻信號脈沖寬度，k的正負(fù)取決于非線性調(diào)頻信號頻率變化趨勢,對應(yīng)時延為τ0＝2rref/c，rref為去斜參考距離：

混頻并濾波后的信號表示為：

經(jīng)過與線性調(diào)頻信號混頻去斜處理后，信號帶寬變?yōu)?|fe(t)|max，定義非線性調(diào)頻信號線性度為l＝|fe(t)|max/b，它反映了非線性調(diào)頻信號偏移去斜參考線性調(diào)頻信號的程度，當(dāng)l＜0.5時，雷達(dá)接收機(jī)所需的帶寬就小于非線性調(diào)頻信號帶寬，達(dá)到了降低a/d采樣率的效果，非線性調(diào)頻信號線性度l越小，對雷達(dá)接收機(jī)a/d采樣率要求也就降低的越多。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的步驟4)具體包括：利用線性調(diào)頻參考信號對經(jīng)傅里葉逆變換后的信號進(jìn)行線性頻率調(diào)制，所述的線性調(diào)頻參考信號表示為：

線性頻率調(diào)制后的信號表示為：

然后，以原發(fā)射信號作為參考信號，將線性頻率調(diào)制后恢復(fù)出的原回波信號與該參考信號進(jìn)行匹配濾波，得到目標(biāo)一維距離像表示為：

s0＝ifft(fft(sm))*conj{fft(s)}

其中，conj表示求共軛，fft表示傅里葉變換，ifft表示傅里葉逆變換。

本發(fā)明的一種非線性調(diào)頻信號去斜處理方法優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明的方法通過在非線性調(diào)頻信號與線性調(diào)頻信號混頻去斜處理、低速率a/d采樣后，進(jìn)行頻譜擴(kuò)展和線性頻率調(diào)制以恢復(fù)原回波信號，將恢復(fù)的回波信號與原發(fā)射參考信號進(jìn)行匹配濾波便能夠得到目標(biāo)一維距離像.從而使得本發(fā)明提供的方法能夠降低寬帶非線性調(diào)頻信號對接收機(jī)a/d采樣、傳輸設(shè)備的要求，使非線性調(diào)頻信號的去斜處理易于實現(xiàn)，且該方法不僅適用于非線性調(diào)頻信號去斜處理，也同樣適用于線性調(diào)頻信號，對于寬帶雷達(dá)系統(tǒng)而言具有重要的現(xiàn)實意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的一種非線性調(diào)頻信號去斜處理方法流程圖；

圖2為本發(fā)明中的海明窗窗函數(shù)的頻譜；

圖3為本發(fā)明中的海明窗窗函數(shù)產(chǎn)生的非線性調(diào)頻信號調(diào)頻特性；

圖4為本發(fā)明中的回波信號頻率時間示意圖；

圖5為本發(fā)明中的去斜處理后回波信號頻率時間示意圖；

圖6為本發(fā)明中的頻域補(bǔ)零；

圖7為本發(fā)明中的基于去斜處理的非線性調(diào)頻信號一維成像仿真結(jié)果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明所述的一種非線性調(diào)頻信號去斜處理方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，為本發(fā)明提出的非線性調(diào)頻信號去斜處理方法流程圖。該處理方法具體實施步驟包括:

步驟1)將基帶非線性調(diào)頻信號調(diào)制至雷達(dá)射頻工作頻率后生成發(fā)射信號，接收發(fā)射信號對應(yīng)的回波信號；

步驟2)利用線性調(diào)頻信號對回波信號進(jìn)行去斜處理，對去斜處理后的回波信號進(jìn)行a/d采樣；

步驟3)將a/d采樣后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換到頻域形式，在頻域進(jìn)行頻譜擴(kuò)展至奈奎斯特采樣率，即在頻域補(bǔ)零至奈奎斯特采樣率，頻譜擴(kuò)展處理后進(jìn)行傅里葉逆變換到時域形式；

步驟4)將時域形式的信號進(jìn)行線性調(diào)頻，將線性調(diào)頻后的信號與發(fā)射參考信號進(jìn)行匹配濾波，得到目標(biāo)一維距離像，所述的發(fā)射參考信號與步驟1)中發(fā)射信號的形式相同。

基于上述非線性調(diào)頻信號去斜處理方法，下面以實際應(yīng)用為例，具體闡述本發(fā)明方法的具體實施過程：步驟1)將基帶非線性調(diào)頻信號s(t)調(diào)制至雷達(dá)射頻工作頻率后生成發(fā)射信號se(t)，發(fā)射信號經(jīng)距離r處的目標(biāo)反射的回波信號為sr(t)。在本實施例中，所述的非線性調(diào)頻信號可通過海明窗窗函數(shù)設(shè)計，也可由其他調(diào)頻函數(shù)或方法產(chǎn)生非線性調(diào)頻信號。本文中所采用的海明窗窗函數(shù)頻譜如圖2所示，所設(shè)計的非線性調(diào)頻信號調(diào)頻特性如圖3所示，設(shè)計的非線性調(diào)頻信號帶寬為200mhz,脈沖寬度為20us。

所述的基帶非線性調(diào)頻信號表示為：

所述的發(fā)射信號表示為：

其中，tp為非線性調(diào)頻信號脈沖寬度，非線性調(diào)頻信號調(diào)頻函數(shù)表示為f(t)＝f0+kt+fe(t)，k為去斜參考線性調(diào)頻信號調(diào)頻率，b為非線性調(diào)頻信號帶寬，k的正負(fù)取決于非線性調(diào)頻信號頻率變化趨勢,t表示時間，fe(t)為頻率偏移函數(shù)，即為一個時刻非線性調(diào)頻信號實際頻率與去斜參考線性調(diào)頻信號頻率之差,f0為去斜處理后信號的中心頻率，fc為非線性調(diào)頻信號的載頻。

發(fā)射信號se(t)經(jīng)傳輸后，距離r處的目標(biāo)回波信號為sr(t)，信號sr(t)是目標(biāo)對信號se(t)的延時；因此，所述的回波信號可表示為：

其中，τ＝2r/c，r為目標(biāo)與雷達(dá)接收機(jī)之間的距離，c表示光速，σ為目標(biāo)的反射系數(shù)。

在本實施例中，選取四個目標(biāo)的距離分別為[1800200020102115],反射系數(shù)分別為[1213]，回波信號的時頻圖如圖4所示。

步驟2)對非線性調(diào)頻信號回波進(jìn)行去斜處理，對去斜處理后的回波信號進(jìn)行低速率a/d采樣：即將回波信號sr(t)與去斜參考線性調(diào)頻信號sref(t)進(jìn)行去斜處理，然后取下邊帶濾波后進(jìn)行a/d采樣。選取去斜參考線性調(diào)頻信號的時間寬度為采樣窗時長tref，其調(diào)頻率k＝b/tp，b為非線性調(diào)頻信號帶寬，tp為非線性調(diào)頻信號脈沖寬度，對應(yīng)時延為τ0＝2rref/c，rref為去斜參考距離。

所述的去斜參考線性調(diào)頻信號表示為：

混頻并濾波后的信號表示為：

經(jīng)過與線性調(diào)頻信號混頻去斜處理后，信號帶寬變?yōu)?|fe(t)|max，定義非線性調(diào)頻信號線性度為l＝|fe(t)|max/b，它反映了非線性調(diào)頻信號偏移去斜參考線性調(diào)頻信號的程度，當(dāng)l＜0.5時，雷達(dá)接收機(jī)所需的帶寬就小于非線性調(diào)頻信號帶寬，達(dá)到了降低a/d采樣率的效果，l越小，雷達(dá)接收機(jī)a/d采樣率也就降低的越多。

在本實施例中，采樣窗選取的長度為600m，采樣窗時長tref為24us,參考距離rref選取為2000m，回波信號經(jīng)過去斜后的信號時頻圖如圖5所示，從圖中可以看出，經(jīng)過線性調(diào)頻信號去斜后，該回波信號的帶寬大大降低,對雷達(dá)接收機(jī)a/d采樣率和數(shù)據(jù)傳輸存儲要求大大降低。

對于傳統(tǒng)去斜方法對非線性調(diào)頻信號并不適用的問題，本發(fā)明的方法通過在非線性調(diào)頻信號與線性調(diào)頻信號混頻去斜處理、低速率a/d采樣后，進(jìn)行頻譜擴(kuò)展和線性頻率調(diào)制以恢復(fù)原回波信號，將恢復(fù)的回波信號與原發(fā)射參考信號進(jìn)行匹配濾波便能夠得到目標(biāo)一維距離像，從而實現(xiàn)了非線性調(diào)頻信號的去斜處理。

步驟3)如圖6所示，將a/d采樣后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換到頻域形式，在頻域進(jìn)行頻譜擴(kuò)展至奈奎斯特采樣頻率，具體實施方法：在頻域進(jìn)行補(bǔ)零至奈奎斯特采樣頻率，頻譜擴(kuò)展處理后再傅里葉逆變換到時域形式；

步驟4)將時域形式的信號進(jìn)行線性頻率調(diào)制以恢復(fù)出原回波信號，將恢復(fù)出的回波信號與發(fā)射參考信號進(jìn)行匹配濾波。所述的步驟4)具體包括：利用線性調(diào)頻參考信號對經(jīng)傅里葉逆變換后的信號進(jìn)行線性調(diào)制，所述的線性調(diào)頻參考信號表示為：

線性調(diào)制后的信號表示為：

然后，以發(fā)射信號作為參考信號，將線性調(diào)制后恢復(fù)出的原回波信號與該參考信號進(jìn)行匹配濾波，即可得到目標(biāo)一維距離像，該目標(biāo)一維距離像表示為：

s0＝ifft(fft(sm))*conj{fft(s)}(8)

其中，conj表示求共軛，fft表示傅里葉變換，ifft表示傅里葉逆變換。

從圖7仿真的一維距離像可以看出，4個點(diǎn)目標(biāo)能夠清晰分辨出來，且旁瓣較低，無需進(jìn)行加權(quán)抑制旁瓣。由此可知，本發(fā)明提供的上述去斜處理方法在實現(xiàn)對非線性調(diào)頻信號脈沖壓縮的同時，降低了寬帶非線性調(diào)頻信號雷達(dá)接收機(jī)采樣率和傳輸量，實現(xiàn)了寬帶非線性調(diào)頻信號去斜低采樣率處理功能。

最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。