用于谐波雷达方位高分辨探测的方法和系统与流程

1.本发明涉及谐波雷达技术领域，具体地，涉及一种用于谐波雷达方位高分辨探测的方法和系统。


背景技术：

2.谐波雷达通过发射经过特别设计的电磁波信号，辐射到带有半导体节点的电子目标或金属所含的的非线性节点上，由于非线性节点对激励信号具有谐波变换关系，从而在激励场的作用下产生与激励信号具有谐波关系的二次辐射场信号，通过检测高次谐波实现对各种含半导体或金属节点目标的探测。
3.由于生活环境中存在各种各样的电子节点与非线性金属节点，这使得采用谐波雷达对可疑目标局域进行扫描时，可受到波束内以及波束旁瓣附近存在的多种非线性节点的影响，从而影响对目标的横向分辨率，不易精确定位目标方位。
4.专利文献cn107064956a(申请号：cn201611012638.2)公开了一种地基太赫兹测云雷达系统及其探测方法，线性调频信号产生模块产生脉宽可调的线性调频信号，频率综合器模块产生发射激励信号和接收激励信号，太赫兹发射模块产生太赫兹发射信号，太赫兹接收模块将太赫兹回波信号转换为中频信号，中频信号接收处理模块产生基带信号，信号处理模块对基带信号进行信号处理，上位机根据信号处理模块的信号处理结果完成云观测数据反演处理。
5.在现有的谐波雷达探测系统中，一般采用天线方位锥削所形成的幅度加权的方法来对目标的方位位置做出判决，通常采用如下判据：
6.1)目标回波点的功率必须处于局部最大值，这样可以保证该回波点信号功率极大值对应天线方位极大值方向；
7.2)目标回波附近周围的的非期望非线性节点所辐射的二次场信号必须小于一定的值，这样可以预防目标点附近存在强干扰信号，可能会泄漏进入并对目标点形成干扰。
8.采用上述判据的关键在于目标回波点的功率必须对抗目标附近的非线性节点信号。传统处理方法存在着对期望的非线性目标方位定位精度不高，对目标附近的干扰非线性节点抑制效果不足的问题，由于目标信号附近的干扰节点信号总是伴随目标信号而接收到的，从而使得传统谐波雷达对非线性目标的定位方法可应用性较差。


技术实现要素：

9.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于谐波雷达方位高分辨探测的方法和系统。
10.根据本发明提供的用于谐波雷达方位高分辨探测的方法，包括：
11.步骤1：构造解析发射信号和本地参考信号，依次沿扫描方向移动并发射相应信号；
12.步骤2：对接收到的非线性节点再辐射信号进行调理和数字化采样，记录和分析非
线性节点谐波回波的相位历史；
13.步骤3：根据相位历史估计非线性目标谐波回波的功率谱；
14.步骤4：根据功率谱进行恒虚警与聚类分析，检测高次谐波通道上的目标。
15.优选的，所述步骤1包括：
16.步骤1.1：使用本地振荡器产生一组角频率为[ω1，ω2，
…
，ωq]的解析发射信号]的解析发射信号从观测位置x1到x
p
移动的过程中发射解析信号；
[0017]
步骤1.2：根据发射信号同步构造本地参考信号，得到二次谐波参考信号的解析表达式三次谐波参考信号的解析表达式为三次谐波参考信号的解析表达式为
…
，n次谐波参考信号的解析表达式为
[0018]
其中：q表示角频率的数量共有q组；q表示第q个角频率变量，q＝1，...，n；a表示发射信号幅度；j表示虚数单位，满足j2＝-1；x0表示观测序号0对应的横坐标；t表示连续时间变量；表示第q个信号的角频率；表示第q个角频率处的二次谐波的幅度值；∑表示求和；exp表示以自然常数e为底的指数函数。
[0019]
步骤1.3：依次沿扫描方向移动到观测位置x1到x
p
，依次发射p组信号。
[0020]
优选的，所述步骤2包括：
[0021]
对接收到的非线性节点再辐射信号进行调理并以周期t进行数字化复采样，每组观测形成n点数据向量，计算得到与双程延迟相对应的数据向量相对应的数据向量对应扫描方向的p组观测，得到p
×
n维观测矩阵：x＝{xi，x
i 1
，
…
x
i p-1
}；
[0022]
其中，t1表示第1个采样周期对应的采样时刻；x1表示第1个采样周期中采样得到的数据；i表示第i个采样周期，i＝1，...，n；
[0023]
对应距离rm处二次谐波信号相位历史的解析表达式处二次谐波信号相位历史的解析表达式三次谐波信号的解析表达式
…
，n次谐波信号的解析表达式为
[0024]
其中：m表示目标的数量共有m个；m表示第m个目标，其中m＝1，...，m；表示第q个观测角频率下得到的二次谐波信号相位值；c表示光传播速度。
[0025]
优选的，所述步骤3包括：
[0026]
步骤3.1：对每个谐波通道的w点复采样构造列向量e
(k)
＝{1，e
jω
，
…
，e
jω(w-1)
}
t
，其中，ω取π为圆周率常数，t为采样周期，n为复采样点数；
[0027]
步骤3.2：对每个谐波通道r计算n个复相位信号序列e
(k)
的自相关矩阵：
[0028][0029]
其中，r(i)是输入相位序列的自相关矩阵，表达式为：
[0030][0031]
步骤3.3：计算第k个通道n个复相位信号序列ek的功率谱
[0032]
其中：x(g)表示第g次观测处的横坐标；eh表示复相位信号序列e的复共轭转置；上标h表示复共轭转置；ek表示第k个谐波通道接收到的复相位信号矩阵；上标k表示第k个谐波通道。
[0033]
优选的，所述步骤4包括：
[0034]
步骤4.1：对得到的高次谐波功率谱p
(k)
(m)，依据恒虚警准则形成检验统计量，依据该量对相应谱位置上的目标的存在与否进行判决，并形成具有s个元素的判决向量u＝{u1，
…
，u
s-1
}，其中，u表示判决量，u表示判决量u组成的判决向量；
[0035]
步骤4.2：依据恒虚警判决向量中待聚合元素之间的欧氏距离进行目标簇聚合，每个待聚合点对其余点的距离向量为dj＝{d1，
…
，ds}，其中，di＝u
e-uh，e≠h，i∈[1，
…
，s]，则一个簇表示为ic＝{ii，
…
，i
i v-1
}，其距离满足{di≤ε，
…
，d
v-1
≤ε}，ε的选择主要根据功率谱的分辨率来决定，功率谱分辨率越高，ε也就越小，经过功率加权目标簇聚合得到第k次谐波接收通道的目标信息，经过目标簇聚合之后，接收谐波信号成为目标聚合簇；
[0036]
其中，ue表示第e个判决向量；d0表示第0个聚合点对其余点的距离量；e、h分别表示判决向量的序号e和h；下标v表示共有v个目标簇；ε表示在给定功率谱分辨率下的元素间欧氏距离门限。
[0037]
根据本发明提供的用于谐波雷达方位高分辨探测的系统，包括：
[0038]
模块m1：构造解析发射信号和本地参考信号，依次沿扫描方向移动并发射相应信号；
[0039]
模块m2：对接收到的非线性节点再辐射信号进行调理和数字化采样，记录和分析非线性节点谐波回波的相位历史；
[0040]
模块m3：根据相位历史估计非线性目标谐波回波的功率谱；
[0041]
模块m4：根据功率谱进行恒虚警与聚类分析，检测高次谐波通道上的目标。
[0042]
优选的，所述模块m1包括：
[0043]
模块m1.1：使用本地振荡器产生一组角频率为[ω1，ω2，
…
，ωq]的解析发射信号从观测位置x1到x
p
移动的过程中发射解析信号；
[0044]
模块m1.2：根据发射信号同步构造本地参考信号，得到二次谐波参考信号的解析表达式三次谐波参考信号的解析表达式为三次谐波参考信号的解析表达式为
…
，n次谐波参考信号的解析表达式为
[0045]
其中：q表示角频率的数量共有q组；q表示第q个角频率变量，q＝1，...，n；a表示发射信号幅度；j表示虚数单位，满足j2＝-1；x0表示观测序号0对应的横坐标；t表示连续时间变量；表示第q个信号的角频率；表示第q个角频率处的二次谐波的幅度值；∑表示求和；exp表示以自然常数e为底的指数函数。
[0046]
模块m1.3：依次沿扫描方向移动到观测位置x1到x
p
，依次发射p组信号；
[0047]
优选的，所述模块m2包括：
[0048]
对接收到的非线性节点再辐射信号进行调理并以周期t进行数字化复采样，每组观测形成n点数据向量，计算得到与双程延迟相对应的数据向量相对应的数据向量对应扫描方向的p组观测，得到p
×
n维观测矩阵：x＝{xi，x
i 1
，
…
x
i p-1
}；
[0049]
其中，t1表示第1个采样周期对应的采样时刻；x1表示第1个采样周期中采样得到的数据；i表示第i个采样周期，i＝1，...，n；
[0050]
对应距离rm处二次谐波信号相位历史的解析表达式处二次谐波信号相位历史的解析表达式三次谐波信号的解析表达式
…
，n次谐波信号的解析表达式为
[0051]
其中：m表示目标的数量共有m个；m表示第m个目标，其中m＝1，...，m；表示第q个观测角频率下得到的二次谐波信号相位值；c表示光传播速度。
[0052]
优选的，所述模块m3包括：
[0053]
模块m3.1：对每个谐波通道的w点复采样构造列向量e
(k)
＝{1，e
jω
，
…
，e
jω(w-1)
}
t
，其中，ω取π为圆周率常数，t为采样周期，n为复采样点数；
[0054]
模块m3.2：对每个谐波通道r计算n个复相位信号序列e(k)的自相关矩阵：
[0055][0056]
其中，r(i)是输入相位序列的自相关矩阵，表达式为：
[0057][0058]
模块m3.3：计算第k个通道n个复相位信号序列ek的功率谱
[0059]
其中：x(g)表示第g次观测处的横坐标；eh表示复相位信号序列e的复共轭转置；上标h表示复共轭转置；ek表示第k个谐波通道接收到的复相位信号矩阵；上标k表示第k个谐波通道。
[0060]
优选的，所述模块m4包括：
[0061]
模块m4.1：对得到的高次谐波功率谱p
(k)
(m)，依据恒虚警准则形成检验统计量，依据该量对相应谱位置上的目标的存在与否进行判决，并形成具有s个元素的判决向量u＝{u1，
…
，u
s-1
}，其中，u表示判决量，u表示判决量u组成的判决向量；
[0062]
模块m4.2：依据恒虚警判决向量中待聚合元素之间的欧氏距离进行目标簇聚合，每个待聚合点对其余点的距离向量为dj＝{d1，
…
，ds}，其中，di＝u
e-uh，e≠h，i∈[1，
…
，s]，则一个簇表示为ic＝{ii，
…
，i
i v-1
}，其距离满足{di≤ε，
…
，d
v-1
≤ε}，ε的选择主要根据功率谱的分辨率来决定，功率谱分辨率越高，ε也就越小，经过功率加权目标簇聚合得到第k次谐波接收通道的目标信息，经过目标簇聚合之后，接收谐波信号成为目标聚合簇；
[0063]
其中，ue表示第e个判决向量；d0表示第0个聚合点对其余点的距离量；e、h分别表示判决向量的序号e和h；下标v表示共有v个目标簇；ε表示在给定功率谱分辨率下的元素间欧氏距离门限。
[0064]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0065]
(1)本发明提高了谐波雷达方位分辨率，解决了谐波雷达所面临的易受波束附近大量存在的非线性干扰节点辐射信号影响的问题；
[0066]
(2)本发明使用相参积累和谱估计技术替代传统直接使用非相参信号对目标谐波信号进行判决的方式，大幅提高了噪声背景中的非线性目标信号检测的信噪比。
附图说明
[0067]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0068]
图1为探测位置关系图。
具体实施方式
[0069]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0070]
实施例：
[0071]
如图1所示，本发明主要用于谐波雷达方位高分辨目标检测领域中，可抑制波束附近大量存在的非线性干扰节点辐射信号影响，同时采用相参处理的方法，提高了噪声背景中的非线性目标信号检测的信噪比。
[0072]
本发明的核心内容主要为相参信号的产生与谐波信号的处理方法，该方法主要包括：
[0073]
步骤1：构造解析发射信号和本地参考信号，依次沿扫描方向移动并发射相应信号；
[0074]
步骤2：将接收到的非线性节点再辐射信号进行调理和数字化采样，记录和分析数字化非线性节点谐波回波的相位历史；
[0075]
步骤3：根据相位历史估计非线性目标谐波回波的功率谱；
[0076]
步骤4：根据功率谱进行恒虚警与聚类分析，检测高次谐波通道上的目标。
[0077]
所述步骤1主要实现具备横向谐波目标高分辨的波形，包括：
[0078]
步骤1.1：使用本地振荡器产生一组角频率为[ω1，ω2，
…
，ωq]的解析发射信号]的解析发射信号从观测位置x1到x
p
移动的过程中发射解析信号；
[0079]
步骤1.2：根据发射信号同步构造本地参考信号，得到二次谐波参考信号的解析表达式三次谐波参考信号的解析表达式为三次谐波参考信号的解析表达式为
…
，n次谐波参考信号的解析表达式为
[0080]
其中：q表示角频率的数量共有q组；q表示第q个角频率变量，q＝1，...，n；a表示发射信号幅度；j表示虚数单位，满足j2＝-1；x0表示观测序号0对应的横坐标；t表示连续时间变量；表示第q个信号的角频率；表示第q个角频率处的二次谐波的幅度值；∑表示
求和；exp表示以自然常数e为底的指数函数。
[0081]
步骤1.3：依次沿扫描方向移动到观测位置x1到x
p
，依次发射p组信号。
[0082]
所述步骤2主要用于数字化记录和分析非线性节点谐波回波的相位历史，包括：
[0083]
对接收到的非线性节点再辐射信号进行调理并以周期t进行数字化复采样，每组观测形成n点数据向量，计算得到与双程延迟相对应的数据向量相对应的数据向量对应扫描方向的p组观测，得到p
×
n维观测矩阵：x＝{xi，x
i 1
，
…
x
i p-1
}；
[0084]
其中，t1表示第1个采样周期对应的采样时刻；x1表示第1个采样周期中采样得到的数据；i表示第i个采样周期，i＝1，...，n；
[0085]
对应距离rm处二次谐波信号相位历史的解析表达式处二次谐波信号相位历史的解析表达式三次谐波信号的解析表达式
…
，n次谐波信号的解析表达式为
[0086]
其中：m表示目标的数量共有m个；m表示第m个目标，其中m＝1，...，m；表示第q个观测角频率下得到的二次谐波信号相位值；c表示光传播速度。
[0087]
所述步骤3主要用于估计非线性目标谐波回波的功率谱，包括：
[0088]
步骤3.1：对每个谐波通道的w点复采样构造列向量e
(k)
＝{1，e
jω
，
…
，e
jω(w-1)
}
t
，其中，ω取π为圆周率常数，t为采样周期，n为复采样点数；
[0089]
步骤3.2：对对每个谐波通道计算n个复相位信号序列e
(k)
的自相关矩阵：
[0090][0091]
其中，r(i)是输入相位序列的自相关矩阵：
[0092][0093]
步骤3.3：计算第k个通道n个复相位信号序列ek的功率谱
[0094]
所述步骤4主要用检测高次谐波通道上的目标，包括：
[0095]
步骤4.1：对于上述步骤估计得到的高次谐波功率谱p
(k)
(m)，依据恒虚警准则形成检验统计量，依据该量对相应谱位置上的目标的存在与否进行判决，并形成具有s个元素的判决向量u＝{u1，
…
，us}。
[0096]
步骤4.2：目标簇聚合主要依据恒虚警判决向量中待聚合元素之间的欧氏距离进行，每个待聚合点对其余点的距离向量为dj＝{d1，
…
，ds}，其中，di＝u
e-uh，且有e≠h，i∈[1，
…
，s]则一个簇可以表示为ic＝{ii，
…
，i
i v-1
}，其距离必须满足{di≤ε，
…
，d
v-1
≤ε}，ε的选择主要根据功率谱的分辨率来决定，功率谱分辨率越高，ε也就越小，经过功率加权目标簇聚合得到第k次谐波接收通道的目标信息，经过目标簇聚合之后，接收谐波信号成为目标聚合簇。
[0097]
根据本发明提供的用于谐波雷达方位高分辨探测的系统，包括：模块m1：构造解析发射信号和本地参考信号，依次沿扫描方向移动并发射相应信号；模块m2：对接收到的非线
性节点再辐射信号进行调理和数字化采样，记录和分析非线性节点谐波回波的相位历史；模块m3：根据相位历史估计非线性目标谐波回波的功率谱；模块m4：根据功率谱进行恒虚警与聚类分析，检测高次谐波通道上的目标。
[0098]
所述模块m1包括：模块m1.1：使用本地振荡器产生一组角频率为[ω1，ω2，
…
，ωq]的解析发射信号从观测位置x1到x
p
移动的过程中发射解析信号；
[0099]
模块m1.2：根据发射信号同步构造本地参考信号，得到二次谐波参考信号的解析表达式三次谐波参考信号的解析表达式为三次谐波参考信号的解析表达式为
…
，n次谐波参考信号的解析表达式为
[0100]
其中：q表示角频率的数量共有q组；q表示第q个角频率变量，q＝1，...，n；a表示发射信号幅度；j表示虚数单位，满足j2＝-1；x0表示观测序号0对应的横坐标；t表示连续时间变量；表示第q个信号的角频率；表示第q个角频率处的二次谐波的幅度值；∑表示求和；exp表示以自然常数e为底的指数函数。
[0101]
模块m1.3：依次沿扫描方向移动到观测位置x1到x
p
，依次发射p组信号；
[0102]
所述模块m2包括：
[0103]
对接收到的非线性节点再辐射信号进行调理并以周期t进行数字化复采样，每组观测形成n点数据向量，计算得到与双程延迟相对应的数据向量相对应的数据向量对应扫描方向的p组观测，得到p
×
n维观测矩阵：x＝{xi，x
i 1
，
…
x
i p-1
}；
[0104]
其中，t1表示第1个采样周期对应的采样时刻；x1表示第1个采样周期中采样得到的数据；i表示第i个采样周期，i＝1，...，n；
[0105]
对应距离rm处二次谐波信号相位历史的解析表达式处二次谐波信号相位历史的解析表达式三次谐波信号的解析表达式
…
，n次谐波信号的解析表达式为
[0106]
其中：m表示目标的数量共有m个；m表示第m个目标，其中m＝1，...，m；表示第q个观测角频率下得到的二次谐波信号相位值；c表示光传播速度。
[0107]
所述模块m3包括：模块m3.1：对每个谐波通道的w点复采样构造列向量e
(k)
＝{1，e
jω
，
…
，e
jω(w-1)
}
t
，其中，ω取π为圆周率常数，t为采样周期，n为复采样点数；模块m3.2：对每个谐波通道r计算n个复相位信号序列e
(k)
的自相关矩阵：
[0108][0109]
其中，r(i)是输入相位序列的自相关矩阵，表达式为：
[0110][0111]
模块m3.3：计算第k个通道n个复相位信号序列ek的功率谱其中：
x(g)表示第g次观测处的横坐标；eh表示复相位信号序列e的复共轭转置；上标h表示复共轭转置；ek表示第k个谐波通道接收到的复相位信号矩阵；上标k表示第k个谐波通道。
[0112]
所述模块m4包括：模块m4.1：对得到的高次谐波功率谱p
(k)
(m)，依据恒虚警准则形成检验统计量，依据该量对相应谱位置上的目标的存在与否进行判决，并形成具有s个元素的判决向量u＝{u1，
…
，u
s-1
}，其中，u表示判决量，u表示判决量u组成的判决向量；模块m4.2：依据恒虚警判决向量中待聚合元素之间的欧氏距离进行目标簇聚合，每个待聚合点对其余点的距离向量为dj＝{d1，
…
，ds}，其中，di＝u
e-uh，e≠h，i∈[1，
…
，s]，则一个簇表示为ic＝{ii，
…
，i
i v-1
}，其距离满足{di≤ε，
…
，d
v-1
≤ε}，ε的选择主要根据功率谱的分辨率来决定，功率谱分辨率越高，ε也就越小，经过功率加权目标簇聚合得到第k次谐波接收通道的目标信息，经过目标簇聚合之后，接收谐波信号成为目标聚合簇；其中，ue表示第e个判决向量；d0表示第0个聚合点对其余点的距离量；e、h分别表示判决向量的序号e和h；下标v表示共有v个目标簇；ε表示在给定功率谱分辨率下的元素间欧氏距离门限。
[0113]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
[0114]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。