一种雷达脉间相位编码信号旁瓣抑制方法

1.本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种雷达脉间相位编码信号旁瓣抑制方法。


背景技术：

2.mimo(multiple input multiple output)技术能够在给定雷达尺寸与天线个数下实现更高的角度分辨率因而被广泛使用。mimo技术在应用时，选择一个合适的波形是至关重要的。mimo雷达波形除了需要满足分辨率与低旁瓣等需求外，发射波形需实现相互正交。脉间相位编码技术是实现mimo发射波形相互正交的重要途径之一。
3.脉间相位编码技术基本思路如下：在发射端，线性调频连续波(frequency modulation continuous wave，fmcw)信号经脉间相位编码序列调制信号初相，由各天线同时发射。在接收端，由于接收天线同时接收不同发射天线的信号回波，不可避免存在发射天线间的回波信号耦合，通常情况下，需对回波信号进行解码，实现回波分离。然而，解码处理后各发射天线的残余正交分量仍然存在，该分量由目标幅度加权后将引起多普勒频谱上旁瓣整体抬高。此时，弱目标会淹没在强目标的高旁瓣中导致漏检。因此，如何降低多普勒旁瓣，提高多普勒维目标的信干噪比(signal to interference plus noise ratio，sinr)动态范围是脉间相位编码波形在mimo雷达应用时亟需解决的问题。
4.针对上述脉间相位编码波形多普勒旁瓣抬高问题，已有大量研究从编码设计出发，通过提高脉间相位编码序列正交性，缓解残余正交分量影响。然而，编码设计对多普勒维sinr动态范围的提高是有限的。文献《slow time waveform design for mimo gmti radar using cazac sequences，2018 ieee radar conference》中提到，即便通过编码设计得到具有强正交性的脉间相位编码序列，其多普勒维sinr动态范围也不会超过10log
10
(l)db，其中l为编码序列长度，即调频连续波序列个数。并且随着发射天线个数与目标数量的增加，该动态范围将继续降低，导致脉间相位编码信号在实际应用中仍有限制。
5.为了解决脉间相位编码信号多普勒旁瓣抬升的问题，需要进一步研究多普勒旁瓣抑制方法，降低残余正交分量影响，提高多普勒动态范围。对此，德国德尔福公司在专利《residue cancellation for automated vehicle mimo radar》(专利号为：us9952319)中提出使用目标频谱加窗截断的方法提取目标信息，恢复解码残余正交分量，进而消除残余正交分量影响。该方法是对目标信息的粗估计，虽然残余正交分量消除后多普勒旁瓣有所降低，但易在频谱上引起伪峰，造成检测虚警。美国通用汽车在专利《multi-target detection in cdma radar system》(专利号为：us10795013b2)中提出了通过目标检测信息进行解码残余信号时域重构与消除。然而该方法在时域进行信号重构，并且未考虑参数估计误差等因素，因此多普勒旁瓣抑制效果鲁棒性差。此外，构造时域信号与多次时频转换将大幅增加计算量。


技术实现要素：

6.本发明公开一种雷达脉间相位编码信号旁瓣抑制方法，能够快速有效地抑制强目标多普勒旁瓣，提高多普勒维sinr动态范围，从而提高对弱目标的检测能力，降低漏检率。
7.本发明通过以下技术方案实现。
8.一种雷达脉间相位编码信号旁瓣抑制方法，包括：
9.发射天线信号根据相位编码序列进行调制并同时发射，目标反射的回波信号由接收天线接收；对接收到的所述回波信号进行匹配滤波处理，获取距离多普勒频谱，并完成距离维目标检测，得到过检距离点；
10.针对每一个所述过检距离点，通过多普勒维目标检测得到i个强目标多普勒频率与峰值信息；依次对每一过检目标点，通过所述强目标多普勒频率与峰值信息结合基于误差模型的正交分量频域响应建立峰值点校正矩阵，得到当前目标校正后的峰值点；
11.采用假设检测方法，以最大sinr为准则恢复该目标的多普勒频谱，在频域进行当前目标的残余正交分量消除，最后重复完成过检目标点残余正交分量消除，直至该距离点多普勒动态范围大于阈值。
12.本发明的有益效果：
13.本发明通过选定编码设计准则，具有强正交性的脉间相位编码序列，初步满足多普勒维动态范围需求，针对强目标的残余正交分量抬高多普勒旁瓣，提出基于强目标检测信息与解码残余正交分量频域响应的方法，快速恢复干扰残余信号频谱，从而直接在频域进行干扰消除，完成旁瓣抑制；并且，加入参数估计误差模型，以提高强目标频谱恢复精度，实现多普勒旁瓣稳健抑制。
附图说明
14.图1为本发明脉间相位编码信号旁瓣抑制方法流程图；
15.图2为本发明脉间相位编码信号时频相位图；
16.图3为本发明多普勒旁瓣抑制方法处理流程图；
17.图4为本发明解码信号多普勒频谱与旁瓣抑制后多普勒频谱对比图。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明作详细说明。
19.如图1所示，本具体实施方式中的一种雷达脉间相位编码信号旁瓣抑制方法，具体包括：
20.步骤一、发射天线信号根据相位编码序列进行调制并同时发射，目标反射的回波信号由接收天线接收；
21.本实施例中，所述相位编码序列采用以下方式获取：
22.确定发射天线个数为n，单帧调频序列个数为l，调频序列重复周期为t，以最小峰值干扰残差(peak interference residual，pir)为准则，设计n组相位编码序列，记作a1,a2,
…
,an，每组序列长度为l；
[0023][0024]
其中an(l)与ah(l)分别为序列an与序列ah的第l个元素，代表第n个发射天线与第h个发射天线在第l个fmcw信号的相位编码值；为最大多普勒频率。
[0025]
如图2所示，本实施例中，所述发射天线信号根据相位编码序列进行调制并同时发射，具体包括：根据所述相位编码序列对fmcw信号在脉间进行相位调制，由n个发射天线同时发射。具体实施时，发射端所有天线同时发射时频系数完全一致的fmcw信号，每一发射天线的信号初相由对应编码序列调制，并且相位编码值随发射脉冲切换，即第n个发射天线在第l个发射周期的信号调制初相φ为编码值an(l)。
[0026]
本实施例中，所述目标反射的回波信号由接收天线接收，具体为：由m个接收天线在接收端对所述回波信号进行de-chirp与ad采样处理，得到大小为k
×
l
×
m的数字回波信号，其中，k为快时间采样点数，m为接收天线个数，l为单帧调频序列个数。
[0027]
步骤二、对接收到的所述回波信号进行匹配滤波处理，获取距离多普勒(range-doppler，rd)频谱，并完成距离维目标检测，得到过检距离点；
[0028]
本实施例中，具体包括以下步骤：
[0029]
201、对接收到的单个调频连续波信号进行数据加窗与fft处理，完成目标距离维聚焦；
[0030]
202、根据距离-慢时间谱沿每一距离点上进行慢时间解码处理，完成回波信号分离，得到m
×
n个虚拟通道的距离-慢时间谱；
[0031]
203、对所述m
×
n个虚拟通道的距离-慢时间谱沿慢时间维度做fft处理，完成目标二维聚焦，得到m
×
n个虚拟通道rd谱；
[0032]
204、对所述m
×
n个虚拟通道rd谱进行非相参积累处理，并在完成非相参积累的rd谱上进行距离维目标检测，获得j个过检距离点。
[0033]
步骤三、针对每一个所述过检距离点，通过多普勒维目标检测得到i个强目标多普勒频率与峰值信息；依次对每一过检目标点，通过所述强目标多普勒频率与峰值信息结合基于误差模型的正交分量频域响应建立峰值点校正矩阵，得到当前目标校正后的峰值点；然后，采用假设检测的方法，以最大sinr为准则快速恢复该目标的多普勒频谱，在频域进行完成当前目标的残余正交分量消除。最后，重复完成过检目标点残余正交分量消除，直至该距离点多普勒动态范围大于阈值sinr
min
。
[0034]
301、对第j个过检距离点进行多普勒维目标检测，得到i个过检目标，将过检目标按照峰值幅度进行排序，分别记作目标target1、target2、
…
、targeti；具体实施时，j初始值为1，
[0035]
302、根据第i目标targeti距离索引rangeindex与多普勒索引dopplerindex，在m
×
n个虚拟通道的rd谱上提取多通道峰值p1、p2、
…
、p
mn
数据，重拍峰值数据得到峰值矩阵p：
[0036][0037]
将所述峰值矩阵与基于误差模型的峰值点校正矩阵b
δ
相乘，得到校正后的峰值点幅相p
δ
'；具体实施时，i初始值为1；
[0038]
基于误差模型的正交分量频域响应矩阵为a
δ
[0039][0040]
上述a
δ
为向量矩阵，矩阵中每一元素均为长度为l的复数序列。a
δ
中第n行第h列元素记作a
n/h,δ
，由序列a
n/h,δ
进行傅里叶变换得到。所述a
n/h,δ
序列的第l个元素为表示加入测速误差δ的残余正交分量，其中λ表示信号波长；具体，测速误差δ设置为q种情况，取值包括
[0041][0042]
通过a
δ
可求得峰值点校正矩阵为
[0043][0044]
从而，由峰值矩阵与基于误差模型的峰值校正矩阵相乘，得到校正后的峰值点为
[0045]
p
δ
'＝pb
δ
ꢀꢀꢀ
(6)
[0046]
303、根据目标多普勒索引确定基于误差模型的正交分量频谱矩阵a
δ
位移量为doppleridx，得到矩阵a
δ
|
doppleridx
，由校正后的峰值点p
δ
'与a
δ
|
doppleridx
相乘得到恢复的目标频谱记为y
δ,target
，在所述目标频谱y
δ,target
中去除峰值点信息后，得到残余正交分量项为yδ,residual
；
[0047]yδ,target
＝p
δ
'a
δ
|
doppleridx
ꢀꢀꢀ
(7)
[0048]yδ,residual
＝y
δ,target-p
ꢀꢀꢀ
(8)
[0049]
304、在多普勒频谱y上消除强目标信号频谱干扰残余项y
δ,residual
，得到频谱y
δ
'；
[0050]yδ
'＝y-y
δ,residual
ꢀꢀꢀ
(9)
[0051]
305、计算不同误差模型下频谱y
δ
'的sinr，更新y为最大sinr对应频谱；
[0052][0053][0054]
306、计算频谱最强点与噪声功率之比得到当前多普勒维sinr动态范围，若该动态范围大于等于sinr
min
，则完成该距离点多普勒旁瓣抑制，继续步骤307；否则令i＝i 1，重复302至306进行该距离点下一目标的残余正交分量消除；
[0055]
307、j＝j 1，重复301至307，直至完成所有过检距离点多普勒旁瓣抑制。
[0056]
实施例1:
[0057]
本实施例中设置3个目标，包括2个强目标与1个弱目标，其中参数采取：
[0058]
发射天线个数n＝3
[0059]
接受天线个数m＝4
[0060]
调频序列个数l＝256
[0061]
调频序列重复周期t＝50us
[0062]
快时间采样点数k＝625
[0063]
最小峰值干扰残差pir＝29.67db
[0064]
误差模型个数q＝8
[0065]
多普勒维sinr动态范围阈值sinr
min
＝23db
[0066]
本实施案例中由于多目标残余正交分量叠加，解码后多普勒维的sinr动态范围仅为14.9db，如图4所示，此时，弱目标已被淹没在旁瓣中无法检测。通过本方法完成强目标残余正交分量消除后，多普勒旁瓣得到有效抑制，弱目标显现，此时多普勒维的sinr动态范围提高至27.8db。可见该方法可有效降低多普勒旁瓣，扩大脉间相位编码信号多普勒维的sinr动态范围，提高弱目标检测能力。并且，该方法完成旁瓣消除后可保持频谱平坦，避免形成多普勒伪峰造成检测虚警现象。
[0067]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实例而已，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。