一种基于脉间相位频谱双捷变的波形设计方法与流程

1.本发明属于雷达波形设计技术领域，具体涉及一种基于脉间相位频谱双捷变的波形设计方法。


背景技术：

2.脉冲多普勒(pulse doppler，pd)雷达在距离维分辨的基础上利用回波的多普勒效应，可以实现在不同速度目标之间、运动目标与杂波之间的有效分辨。传统的pd雷达系统中，为实现脉冲间的相参累积及采用fft进行快速计算，通常在一个相参处理周期(coherent processing interval，cpi)内以固定的脉冲重复时间(pulse repetition time，prt)或脉冲重复频率(pulse repetition frequency，prf)发射一连串完全相同的相参脉冲，通过对接收回波进行快时间脉冲压缩与慢时间傅立叶变换处理，实现回波能量的相参累积，从而获得目标的距离
‑
速度二维分辨结果。
3.然而，由于传统pd雷达系统中prt、载频、各脉冲脉内调制方式等参数的取值是固定不变的，因此雷达在一个cpi内发射的脉冲是相同的。从目标回波的角度看，雷达无法判断所检测的回波具体位于哪一个发射周期中，即对于时延超过一个prt的远距目标，其回波将以prt为单位，出现周期性的模糊，即距离模糊。从杂波的角度看，距离维与目标回波一样，杂波回波将以prt为单位，产生距离维周期性的折叠，即杂波折叠现象。因此，对于杂波功率较强，杂波覆盖距离较远的场景，折叠的杂波会显著抬升杂波基底，严重影响远距离低速小目标的检测。
4.综上所述，现有技术中，由于pd雷达系统中prt、载频、各脉冲脉内调制等参数均为固定值，导致了pd雷达系统的回波沿距离维出现了距离模糊与杂波折叠等问题，进而降低了远距离低速小目标的检测精度。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种基于脉间相位频谱双捷变的波形设计方法，能够生成具有较强距离选通特性的pd雷达波形，有效抑制传统pd雷达波形中存在的距离模糊与杂波折叠的问题。
6.本发明提供的一种基于脉间相位频谱双捷变的波形设计方法，包括如下步骤：
7.步骤1、确定脉内调制方式，生成m种频谱捷变信号；
8.步骤2、定义任意两个频谱捷变信号间的二维互模糊函数为公式(1)所示：
[0009][0010]
其中，u(t)与v(t)均为频谱捷变信号，f
d
为多普勒频移量，τ为时移量，t为时间轴，()
*
为取共轭计算；
[0011]
将所述步骤1中产生的m种频谱捷变信号代入公式(1)，即可得到m2个二维互模糊函数，取二维互模糊函数模值的最大值构建二维互模糊函数矩阵cam
m
×
m
；
[0012]
步骤3、基于所述步骤2构建的二维互模糊函数矩阵cam
m
×
m
，采用动态规划算法产生
长度为n的脉间频谱捷变脉冲串；
[0013]
步骤4、利用混沌映射与量化的方式，生成一组码数为n的二相编码序列x
phase_code
；
[0014]
步骤5、以x
phase_code
中的每个码片作为步骤3中获得的脉间频谱捷变脉冲串中每个脉冲的初相进行调制，得到脉间相位频谱双捷变脉冲串作为最终的pd雷达信号作为输出。
[0015]
进一步地，所述步骤1中的脉内调制为选用相位编码的方式，所述相位编码包括巴克码、弗兰克码及霍夫曼码。
[0016]
进一步地，所述步骤1中的脉内调制为选用非线性调频的方式，则所述m种频谱捷变信号的生成过程如下：
[0017]
选择l种窗函数，利用窗函数产生l种非线性调频信号；从l种非线性调频信号中选择q种非线性调频信号，再对所述q种非线性调频信号的时频曲线进行加权求和得到m/2种非线性调频信号；最后，通过改变m/2种非线性调频信号的调频率的符号获得m种非线性调频信号，所述m种非线性调频信号即为所述m种频谱捷变信号。
[0018]
进一步地，所述步骤3中基于所述步骤2构建的二维互模糊函数矩阵cam
m
×
m
，采用动态规划算法产生长度为n的脉间频谱捷变脉冲串的过程，包括如下步骤：
[0019]
步骤3.1、从所述二维互模糊函数矩阵cam
m
×
m
中选出最小值对应的p对频谱捷变信号，再从p对频谱捷变信号中选择一对作为待产生脉冲串信号的起始信号；设置所述待产生脉冲串信号中脉冲序号p的初始值为3；
[0020]
步骤3.2、采用如下公式计算需要优化的距离段数量rc：
[0021]
rc＝2
·
r/(c
·
t
r
)
[0022]
其中，r为雷达探测距离，t
r
为所述待产生脉冲串信号的脉冲重复时间，c为光速；
[0023]
从所述步骤3.1确定的起始信号开始以相邻的rc个脉冲作为优化单元opc，设优化单元opc包含的脉冲数为lopc，即初始状态lopc＝rc；若p≤lopc，则执行步骤3.3；否则，将所述优化单元opc右移一个脉冲，执行步骤3.3；
[0024]
步骤3.3、从cam
m
×
m
中选出当前优化单元opc中所有信号w
i
的二维互模糊函数模值的最大值wo
i
×
m
，再对wo
i
×
m
的各项求和得到从swo1×
m
中选出最小值对应的信号，作为当前脉冲序号p处的信号；其中，i为信号的编号，且1≤i≤q，q为所述优化单元opc中已确定的信号数，当opc中的信号均确定时q＝lopc；
[0025]
步骤3.4、若p不等于脉冲串长度n，则令p自加1，执行步骤3.2；否则，则保存当前优化结果，若lopc不大于n
‑
1，则令lopc自加1，并使p＝3，按照所述步骤3.1中选择的起始信号，执行步骤3.2，若lopc大于n
‑
1，则执行步骤3.5；
[0026]
步骤3.5、从所述步骤3.4中保存的所有优化结果中选择一组距离选通特性最佳的结果作为局部最优解，若p＝0，则执行步骤3.6；若p≠0，则令p自减1，且从所述步骤3.1中得到的信号中再选择一对与已选起始信号不同的信号，作为新的起始信号，执行步骤3.2；
[0027]
步骤3.6、从所述步骤3.5确定的所有局部最优解中选择一组距离选通特性最佳的结果作为全局最优解，所述全局最优解为所述待产生脉间频谱捷变脉冲串信号。
[0028]
进一步地，所述步骤4中的利用混沌映射与量化的方式，生成一组码数为n的二相编码序列的方式，如下式所示：
[0029][0030]
其中，x
k
为混沌序列，为确定二项编码的阈值，k为混沌序列的长度。
[0031]
进一步地，所述优化单元包含3个脉冲。
[0032]
有益效果：
[0033]
1、本发明通过脉间采用相位编码、脉内采用不同的调制方式，使生成的pd雷达信号波形具有较强的距离选通特性，提高了对距离模糊与折叠杂波的抑制能力，同时，基于脉间相位频谱双捷变的信号降低了信号的可复制性，因此从雷达波形的角度掌握了干扰对抗的主动权。
[0034]
2、本发明通过脉间采用相位编码、脉内采用非线性调频(nlfm)的方式，使生成的pd雷达信号波形具有较强的距离选通特性的同时，波形中单个脉冲自相关函数具有较好的旁瓣特性。
附图说明
[0035]
图1为本发明提供的一种基于脉间相位频谱双捷变的波形设计方法的流程图。
[0036]
图2为现有技术中距离选通的原理示意图。
[0037]
图3为采用本发明提供的一种基于脉间相位频谱双捷变的波形设计方法以脉内采用nlfm为例生成的pd雷达信号的时频关系示意图。
[0038]
图4(a)为采用本发明提供的一种基于脉间相位频谱双捷变的波形设计方法使用窗函数设计法生成的三种nlfm信号的时频曲线示意图。
[0039]
图4(b)为采用本发明提供的一种基于脉间相位频谱双捷变的波形设计方法使用窗函数设计法生成的三种nlfm信号的实部与虚部示意图。
[0040]
图4(c)为本发明提供的一种基于脉间相位频谱双捷变的波形设计方法使用窗函数设计法生成的三种nlfm信号的频谱示意图。
[0041]
图4(d)为本发明提供的一种基于脉间相位频谱双捷变的波形设计方法使用窗函数设计法生成的三种nlfm信号的自相关结果示意图。
[0042]
图5为本发明提供的一种基于脉间相位频谱双捷变的波形设计方法中采用动态规划算法生成脉间频谱捷变脉冲串的流程图。
[0043]
图6为本发明提供的一种基于脉间相位频谱双捷变的波形设计方法中采用的动态规划算法中长度为3的优化单元示意图。
[0044]
图7(a)为现有技术中参数固定lfm脉冲串的模糊函数的三维视图。
[0045]
图7(b)为现有技术中参数固定lfm脉冲串的模糊函数的距离
‑
幅度投影图。
[0046]
图8(a)为本发明提供的一种基于脉间相位频谱双捷变的波形设计方法所生成的相位频谱双捷变脉冲串的模糊函数的三维视图。
[0047]
图8(b)为本发明提供的一种基于脉间相位频谱双捷变的波形设计方法所生成的相位频谱双捷变脉冲串的模糊函数的距离
‑
幅度投影图。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图，对本发明进行详细描述。
[0049]
传统pd雷达系统中的prt、载频、各脉冲脉内调制等参数为固定值，这使雷达回波沿距离维将会出现距离模糊与杂波折叠的现象。如果pd雷达信号中的每个脉冲都采用不同调制方式，且各脉冲间尽可能正交，那么通过在接收端设置一组接收滤波器，且每个滤波器与特定的发射脉冲相对应，使每个发射脉冲的回波只能通过与之相对应的滤波器，设置滤波器组每次观测的距离为r＝t
r
c/2，观察其它距离上的目标可以通过以t
r
为时延移动滤波器组，这样就将整个观测距离以r为单位划分成了多个距离段，从而解决了距离模糊的问题，此外，由于各脉冲间具有良好的正交性使杂波经折叠后仍无法积累相参，因此也解决了杂波折叠的问题。
[0050]
基于上述分析，本发明提供了一种基于脉间相位频谱双捷变的波形设计方法，其基本思想是：通过脉间采用相位编码、脉内采用不同的调制方式，以选定的距离段内的距离选通特性最佳作为优化目标，利用动态规划算法设计得到脉间相位频谱双捷变的pd雷达信号。
[0051]
本发明提供的一种基于脉间相位频谱双捷变的波形设计方法，以脉内选用nlfm为例其流程如图1所示，具体包括以下步骤：
[0052]
步骤1、确定脉内调制方式，生成频谱捷变信号。脉内调制既可以选用已有的自相关函数旁瓣特性良好的相位编码如：巴克码、弗兰克码、霍夫曼码等，也可以选用nlfm。若选用相位编码，则可以直接使用已有相位编码序列作为频谱捷变信号，产生方法与现有技术相同。
[0053]
若选用nlfm信号，则产生方式如下：选择l种窗函数，利用窗函数设计法产生l种nlfm信号；从l种nlfm信号中选择q种nlfm信号，采用对q种nlfm信号的时频曲线进行加权求和的方式，得到m/2种nlfm信号；再通过改变m/2种nlfm信号的调频率的符号(正、负)获得m种nlfm信号，m代表频谱捷变信号的个数。
[0054]
本发明提供的方法，以脉内采用nlfm为例，设计的脉间相位频谱双捷变信号，由于现有可用的窗函数数量有限，为获得数量足够多的nlfm信号，可以通过对现有nlfm信号的时频曲线加权，产生新的nlfm信号，并采用正、负两种调频率来设计。例如，采用hanning窗函数、tukey窗函数产生hanning窗nlfm信号和tukey窗nlfm信号，然后对hanning窗nlfm信号和tukey窗nlfm信号的时频曲线进行加权求和得到新的nlfm信号，这三种nlfm信号的时频曲线如图4(a)所示、实部与虚部如图4(b)、频谱如图4(c)所示、自相关结果如图4(d)所示。
[0055]
步骤2、定义步骤1中所设计的信号间的二维互模糊函数为公式(1)所示：
[0056][0057]
其中，u(t)与v(t)分别表示两种频谱捷变信号，将步骤1生成的m种频谱捷变信号代入公式(1)可得到m2个二维互模糊函数；取每个二维互模糊函数模值的最大值，构建二维互模糊函数矩阵cam
m
×
m
。
[0058]
步骤3、采用动态规划算法产生长度为n的脉间频谱捷变脉冲串。流程如图5所示，具体步骤如下：
[0059]
步骤3.1、从二维互模糊函数矩阵cam
m
×
m
中选出最小值对应的p对频谱捷变信号，再从p对中选择一对作为脉冲串的起始信号，设置频谱捷变脉冲串信号中的脉冲序号p的初始值为3；
[0060]
步骤3.2、假设雷达探测距离为r，脉冲的prt为t
r
，光速为c，采用公式(2)计算需要优化的距离段数量为rc，即初始状态lopc＝rc：
[0061]
rc＝2
·
r/(c
·
t
r
)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0062]
以步骤3.1确定的起始信号作为第一、二个脉冲的信号，从第一个脉冲开始，以相邻的lopc个脉冲作为优化单元opc。
[0063]
判断频谱捷变脉冲串信号的当前位置p是否在优化单元opc内，如果p≤lopc则说明当前位置在优化单元opc内，则执行步骤3.3；否则，将优化单元opc右移一个脉冲，执行步骤3.3。如图6所示，图6为以优化单元opc的长度等于3为例。
[0064]
步骤3.3、从cam
m
×
m
中选出当前opc中的所有信号w
i
(i＝1,...,q)(q表示优化单元内已确定的信号个数，当opc内的信号均确定时q＝lopc)的二维互模糊函数模值的最大值wo
i
×
m
(i＝1,...,q)，再对wo
i
×
m
的各项求和，得到从swo中选出最小值对应的信号，作为当前脉冲序号p处的信号。
[0065]
步骤3.4、判断p是否等于脉冲串长度n，如果不相等，则令p自加1，执行步骤3.2；如果相等，则保存当前优化结果，若lopc不大于n
‑
1，则使lopc＝lopc 1，并使p＝3，然后保持步骤3.1中选择的起始信号不变，执行步骤3.2，若lopc大于n
‑
1，则执行步骤3.5。
[0066]
步骤3.5、从步骤3.4的所有优化结果中选择一组距离选通特性最佳的结果作为局部最优解。判断p是否为零，如果p＝0则输出当前优化结果，如果p≠0，则使p＝p
‑
1，并从步骤3.1中得到的p对信号中再选择一对与已选起始信号不同的信号，作为新的起始信号，执行步骤3.2。
[0067]
步骤3.6、从步骤3.5输出的所有局部最优解中选择一组距离选通特性最佳的结果作为全局最优解，从而得到了脉间频谱捷变脉冲串。
[0068]
步骤4、利用混沌映射与量化的方式，生成一组码数为n的二相编码序列x
phase_code
。
[0069]
混沌映射与量化的方式如公式(3)所示：
[0070][0071]
其中，x
k
为混沌序列，为确定二项编码的阈值，k为混沌序列的长度。
[0072]
步骤5、以x
phase_code
中的每个码片作为步骤3中获得的脉间频谱捷变脉冲串中每个脉冲的初相进行调制，得到脉间相位频谱双捷变脉冲串作为最终的pd雷达信号作为输出。
[0073]
为了证明采用本发明提供的一种基于脉间相位频谱双捷变的波形设计方法所设计的波形具有较好的距离选通特性，以脉内选用nlfm为例，通过如下实验仿真进行验证：
[0074]
仿真参数设置如下：信号的脉宽为50μs、prt为500μs，信号带宽为10mhz，采样率为12mhz。选择的窗函数有101种，利用窗函数设计法得到101种nlfm信号，再从这101种nlfm信
号中每次随机选择5种，对其时频曲线做加权，得到300种nlfm信号，再通过改变调频率的符号(正、负)获得600种nlfm信号。待产生的捷变脉冲串包含200个脉冲，雷达探测距离为300km，需要优化的距离段的数量为4。采用本发明提供的基于脉间相位频谱双捷变波形设计方法产生的脉冲串的模糊函数如图8所示。通过与图7显示的参数固定的lfm脉冲串的模糊函数进行对比可以得到如下结论：从距离维来看，雷达探测距离中包含的4个距离段的距离选通特性可以达到30db以上；而相同信号参数下，传统参数固定的chirp脉冲串的这4个距离段没有距离选通特性，从而证明了本发明所提方法的有效性。
[0075]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。