一种波形分集阵列雷达发射信号的发射模块

1.本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种波形分集阵列雷达发射信号的发射模块。


背景技术：

2.随着电子信息技术的不断发展，雷达干扰方法与抗干扰算法之间的斗争日趋激烈和复杂。其中，假目标产生器通过截取并转发雷达发射信号，诱导雷达系统把虚拟假目标当成真实目标处理，严重阻碍了雷达系统对干扰鉴别的能力，使得雷达对真实目标的参数估计与跟踪性能恶化。因此在新体制雷达体制下，通过改变发射信号的形式，下挖掘目标与干扰的脉冲信息成为抗主瓣欺骗式干扰的一种有效方法。
3.常常基于大规模可编程逻辑阵列(field programmable gate array,fpga)实现单一的雷达发射信号，进行目标的参数估计、抗干扰处理以及杂波抑制。然而雷达发射信号在传输过程中会因为外部环境干扰，外部环境的不同变化对单一的雷达发射信号存在不同的干扰，使得效果不佳。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种波形分集阵列雷达发射信号的发射模块。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.本发明提供的一种波形分集阵列雷达发射信号的发射模块，应用于ppga，包括：
6.基带信号处理模块，用于获取不同雷达工作模式下的量化后的复数基带信号、该基带信号对应的量化后的复数权值以及该基带信号的复数频率偏移量，对基带信号进行处理；
7.变频产生模块，用于产生基带信号的多个复数频率偏移量，并在多个复数频率偏移量中选择当前时刻基带信号对应的复数频率偏移量；
8.变频处理模块，用于根据基带信号对应的复数频率偏移量，对处理后的基带信号进行变频处理，得到当前时刻的中频发射信号；
9.时钟模块，用于为ppga提供外部时钟信号；
10.波形产生时序控制模块，用于外部时钟信号的上升沿到来时，产生标志整个雷达硬件系统工作起始状态标志位的雷达导前信号，以使雷达硬件系统处于工作选择状态；
11.波形产生时序控制模块，用于当接收到工作选择信号时，判断雷达导前信号的下降沿是否到来，如果到来则将该雷达工作模式下的当前时刻的中频发射信号发射出去。
12.其中，不同雷达工作模式下的发射信号为雷达工作在mimo模式下的第一中频发射信号、雷达工作在相控阵模式下的第二中频发射信号、雷达工作在fda-mimo模式下的第三中频发射信号以及雷达工作在在epc-mimo模式下的第四中频发射信号。
13.其中，中频载频为f0下mimo雷达的第m(m＝1,2,
…
,m)阵元的第一中频发射信号可表示为：
14.p
mimo,m
(t)＝sm(t)exp{j2πf0t},m＝1,2,
…
,m第二中频发射信号表示为：
[0015][0016]
其中，式中第一项为线性调频信号基带波形，第三项为相控阵雷达的发射方向权值a(θ)，通过调节θ来改变雷达波束指向，f0为中频载频；带宽为b，脉冲宽度为t
p
，射频载频为fs；
[0017]
第三中频发射信号表示为：
[0018][0019]
其中，sm(t)为第m个发射阵元基带正交波形，e为发射信号总能量,fm为第m个发射阵元的载频，可表示为fm＝f0 (m-1)δf，m＝1,2,
…
,m；
[0020]
第四中频发射信号表示为：
[0021][0022]
其中，γ表示编码系数，第五项为epc-mimo脉冲编码矢量c
m,k
m个发射阵元，各阵元按间距为d的一维线阵排列，当各发射通道的基带信号sm(t)，l和m表示相应的发射阵元。
[0023]
其中，复数频率偏移量存在输出频率、初始相位与时钟频率之间的变化关系：
[0024][0025][0026]
其中，f
clk_in
为dds输入时钟频率，c为输通道数，n为输出相位的位宽，δθ为相位精度。
[0027]
其中，量化后的复数基带信号如下步骤获得：
[0028]
获取中频载波下雷达的各个阵元在不同工作下的基带信号；
[0029]
将基带信号进行i倍插值以及低通滤波，得到量化后的复数基带信号。
[0030]
其中，量化后的权值通过如下步骤获得：
[0031]
获取中频载波下雷达的各个阵元在不同工作下基带信号的权值；
[0032]
将基带信号的权值进行量化处理，得到量化后的权值。
[0033]
可选的，变频处理模块，进一步用于将中频发射信号分配至dac。
[0034]
本发明提供的一种波形分集阵列雷达发射信号的发射模块，首先当fpga检测到外部时钟信号的上升沿到来时，产生雷达导前信号用于标志整个雷达硬件系统工作起始状态，其次通过获取不同雷达工作模式下的量化的复数基带信号和复数权值来对基带信号进行处理；之后产生雷达不同模式下的频率偏移量信号，并对其进行数据选择后对处理后的基带信号进行变频处理，得到当前雷达工作模式下中频发射信号；最后判断雷达发射脉冲prf的下降沿是否到来，如果到来则将该雷达工作模式下产生的中频发射信号发射出去。本发明不但可以实现传统的相控阵和mimo雷达体制，还实现fda和epc-mimo这两种波形分集新体制，从而提高雷达系统发射信号的多样性。
[0035]
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0036]
图1是本发明实施例提供的本发明提供的一种波形分集阵列雷达发射信号的发射模块的示意图；
[0037]
图2是本发明实施例提供的fpga内部结构示意图；
[0038]
图3是本发明实施例提供的发射模块具体数据处理框图；
[0039]
图4是本发明实施例提供的波形分集阵列雷达发射信号时序图；
[0040]
图5是本发明实施例提供的相控阵6
°
发射权值基带信号处理结果图；
[0041]
图6是本发明实施例提供的epc-mimo第5和第6个发射脉冲编码基带信号实部处理结果；
[0042]
图7是本发明实施例提供的matlab发射通道基带信号处理过程示意图；
[0043]
图8a是本发明实施例提供的fpga中dds前四通道频偏数据仿真示意图；
[0044]
图8b是本发明实施例提供的fpga中dds频偏数据有效性验证示意图；
[0045]
图9是本发明实施例提供的相控阵6
°
权值变频处理结果；
[0046]
图10是本发明实施例提供的fda在频率步进δf＝40khz下的变频处理结果图；
[0047]
图11a是本发明实施例提供的相控阵6
°
方向权值处理后的基带信号虚部与matlab对比图；
[0048]
图11b是本发明实施例提供的相控阵0
°
方向权值处理后的基带信号虚部与matlab对比图；
[0049]
图11c是本发明实施例提供的相控阵-6
°
方向权值处理后的基带信号虚部与matlab对比图；
[0050]
图12a是本发明实施例提供的相控阵6
°
方向权值中频信号与matlab对比图；
[0051]
图12b是本发明实施例提供的相控阵6
°
方向权值中频信号频谱；
[0052]
图12c是本发明实施例提供的相控阵-6
°
方向权值中频信号频谱；
[0053]
图13a是本发明实施例提供的二相mimo零方向权值处理后的基带信号实部与matlab对比图；
[0054]
图13b是本发明实施例提供的多相mimo零方向权值处理后的基带信号实部与matlab对比图；
[0055]
图14a是本发明实施例提供的fpga二相mimo中频信号频谱图；
[0056]
图14b是本发明实施例提供的fpga多相mimo中频信号频谱图；
[0057]
图14c是本发明实施例提供的fpga二相mimo中频信号正交性验证图；
[0058]
图15a是本发明实施例提供的epc-mimo第五个发射信号进行脉冲编码后的基带信号虚部与matlab对比图；
[0059]
图15b是本发明实施例提供的epc-mimo第六个发射信号进行脉冲编码后的基带信号虚部与matlab对比图；
[0060]
图16a是本发明实施例提供的相干fda中频信号与matlab对比图；
[0061]
图16b是本发明实施例提供的相干fda中频信号频谱图；
[0062]
图17a是本发明实施例提供的fpga中fda-mimo二相中频频谱图；
[0063]
图17b是本发明实施例提供的fpga中fda-mimo多相中频频图；
[0064]
图17c是本发明实施例提供的fpga对中频fda-mimo信号处理有效性验证图。
具体实施方式
[0065]
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0066]
参考图1，本发明提供的一种波形分集阵列雷达发射信号的发射模块，应用于ppga包括：
[0067]
基带信号处理模块11，用于获取不同雷达工作模式下的量化后的基带信号、该基带信号对应的量化后的复数权值以及该基带信号的复数频率偏移量，对基带信号进行处理；
[0068]
其中，不同雷达工作模式下的发射信号为雷达工作在mimo模式下的第一中频发射信号、雷达工作在相控阵模式下的第二中频发射信号、雷达工作在fda-mimo模式下的第三中频发射信号以及雷达工作在在epc-mimo模式下的第四中频发射信号。量化后的基带信号可以通过获取中频载波下雷达的各个阵元在不同工作下的基带信号；将基带信号进行i倍插值以及低通滤波，得到量化后的基带信号。量化后的权值可以通过获取中频载波下雷达的各个阵元在不同工作下基带信号的权值；将基带信号的权值进行量化处理，得到量化后的权值。
[0069]
值得说明的是：假设雷达具有m个发射阵元，各阵元按间距为d的一维线阵排列，当各发射通道的基带信号sm(t)满足相互正交，即
[0070][0071]
式中，l和m表示相应的发射阵元。
[0072]
考虑到mimo模式下，雷达方向权值一般情况下为1，中频载频为f0下mimo雷达的第m(m＝1,2,
…
,m)阵元的第一中频发射信号可表示为：
[0073]
p
mimo,m
(t)＝sm(t)exp{j2πf0t},m＝1,2,
…
,m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0074]
第二中频发射信号表示为：
[0075][0076]
其中，式中第一项为线性调频信号基带波形，第三项为相控阵雷达的发射方向权值a(θ)，通过调节θ来改变雷达波束指向，f0为中频载频；带宽为b，脉冲宽度为t
p
，射频载频为fs；
[0077]
第三中频发射信号表示为：
[0078][0079]
其中，sm(t)为第m个发射阵元基带正交波形，e为发射信号总能量,fm为第m个发射阵元的载频，可表示为fm＝f0 (m-1)δf，m＝1,2,
…
,m；
[0080]
第四中频发射信号表示为：
[0081][0082]
其中，γ表示编码系数，第五项为epc-mimo脉冲编码矢量c
m,k d。
[0083]
变频产生模块12，用于产生基带信号的多个复数频率偏移量，并在多个复数频率偏移量中选择当前时刻基带信号对应的复数频率偏移量；
[0084]
fpga内部结构如图2所示，变频产生模块根据雷达的雷达工作模式来对dds控制产生各通道的载频信号并存储起来，用于后续在中频信号控制时序下结合变频处理模块来完成对不同通道基带信号的数字变频，该模块有四个dds组成，在400mhz的时钟频率下工作在4通道输出模式，通过控制频率控制字以及相位控制字来完成对各通道载频的数据控制，其输出频率、初相与时钟频率关系为
[0085][0086]
变频处理模块13，用于根据基带信号对应的复数频率偏移量，对处理后的基带信号进行变频处理，得到当前时刻的中频发射信号；
[0087]
波形分集阵列雷达发射波形模块需要在fpga中构建三部分进行数据处理，分别基带信号处理模块、各通道频率偏移量产生模块以及变频处理，具体数据处理框图如图3所示。通过配置图3中各部分模块的参数来实现波形分集阵列雷达不同功能下发射信号。变频处理模块，可以将中频发射信号分配至dac。
[0088]
时钟模块14，用于为ppga提供外部时钟信号；
[0089]
波形产生时序控制模块15，用于外部时钟信号的上升沿到来时，产生标志整个雷达硬件系统工作起始状态标志位的雷达导前信号，以使雷达硬件系统处于工作选择状态；
[0090]
波形产生时序控制模块15，用于当接收到工作选择信号时，判断雷达导前信号的下降沿是否到来，如果到来则将该雷达工作模式下的当前时刻的中频发射信号发射出去。
[0091]
时钟模块和波形产生时序控模块共同完成波形发射阵列雷达发射波形的时序控制，其中时钟模块以外部时钟源提供统一的200mhz系统工作时钟，通过fpga内部的pll核对外部时钟进行倍频/降频处理输出各模块所需要的时钟；
[0092]
参考图4，波形产生时序控模块产生雷达导前信号tp即为周期100us，高电平1us，用于标志整个雷达硬件系统工作起始状态标志位；雷达发射脉冲信号prf即周期100us，高电平2.5us，用于控制发射板卡利用dac输出fpga产生的各通道波形分集阵列雷达发射中频信号，并且通过对prf检测计数来片选不同发射脉冲下的发射复数权值ωm；在200mhz时钟下基带信号处理控制检测到prf高电平后拉高20us用于基带信号处理；在400mhz时钟下雷达频率偏移量片选控制，用于片选dds输出各通道的载频信号，检测到基带信号处理控制时序低电平时拉高10us；中频信号处理时序由16个脉宽为2.5us的高低电平组成，用于变频处理模块完成各通道的数据处理，具体时序结构如图4所示。
[0093]
基带信号处理模块根据雷达的雷达工作模式来对基带信号进行处理，如在相控阵模块下，通过对发射脉冲信号prf进行计数来选择不同波束指向的发射权值a(θ)；在epc-mimo模式下同样通过对发射脉冲信号prf计数来选择不发射脉冲下的脉冲编码矢量c
m,k
对
雷达发射信号进行编码；在fda模式和mimo模式下，其发射权值都为1，因此不对其进行处理。图5和图6分别以相控阵6
°
权值以及epc-mimo第5和第6发射脉冲编码实部处理结果。
[0094]
值得说明的是：雷达的发射信号的基本构成主要分为三部分，分别为复数形式的基带发射信号复数权值ωm以及各通道频偏量exp{j2πft}。因此波形分集阵列雷达发射信号模块主要分为两部分，如图7部分所示，图为基于matlab进行雷达基带波形的产生、数据预处理以及波形框架的验证，为fpga内部模块的搭建与发提供各节点的数据参考；如图2部分为基于fpga进行硬件系统的设计，利用fpga实现matlab中基带信号处理、发射权值处理、各通道频率偏移量产生以及各通道变频处理，最终利用fpga实现相控阵、mmo雷达、频率分集阵列雷达以及阵元脉冲编码雷达中频信号的产生。
[0095]
图8a和图8b为fpga的dds前四通道频率偏移波形仿真，以及将fpga仿真数据导出来，利用matlab分析输出载频有效性验证。
[0096]
值得说明的是：变频处理模块来完成不同雷达发射样式下各通道的中频处理，当工作在相控阵模式、mimo模式通过配置dds输出相同的载频信号exp{j2πf0t}，与对应通道的线性调频信号或者正交波形完成数字变频处理并存储起来，在雷达发射脉冲信号prf高电平控制下输出中频信号给射频组件；当工作在epc-mimo模式下同样控制dds输出相同的载频信号exp{j2πf0t}，对完成脉冲编码后的基带正交波形进行变频处理并存储起来，而工作在fda-mimo雷达模式是配置dds来输出相应通道具有频偏的载频信号exp{j2πfmt}实现对各发射通道引入频率偏移并存储，使得雷达发射方向图相对于传统雷达方向图增加了距离维信息的特点，提高雷达区分不同距离目标的能力，并且可以利用距离维的信息对通过对多重模糊杂波进行距离补偿，实现在体制雷达对在空间中的空时杂波分离；中频发射信号在雷达发射脉冲信号prf高电平控制下通过dac输出给射频组件完成射频处理后，辐射到空间中实现雷达信号的发射。图9和图10分别为相控阵6
°
权值变频处理结果和fda在频率步进δf＝40khz下的变频处理结果。
[0097]
本发明提供的一种波形分集阵列雷达发射信号的发射模块，首先当fpga检测到外部时钟信号的上升沿到来时，产生雷达导前信号用于标志整个雷达硬件系统工作起始状态，其次通过获取不同雷达工作模式下的量化的复数基带信号和复数权值来对基带信号进行处理；之后产生雷达不同模式下的频率偏移量信号，并对其进行数据选择后对处理后的基带信号进行变频处理，得到当前雷达工作模式下中频发射信号；最后判断雷达发射脉冲prf的下降沿是否到来，如果到来则将该雷达工作模式下产生的中频发射信号发射出去。本发明不但可以实现传统的相控阵和mimo雷达体制，还实现fda和epc-mimo这两种波形分集新体制，从而提高雷达系统发射信号的多样性。
[0098]
本发明提出的方法通过改变波形分集阵列雷达发射信号模块中各模块的参数，即可以实现传统的相控阵雷达发射信号产生和电扫功能、还可以实现mimo雷达、epc-mimo雷达以及fda雷达体制的发射信号产生。
[0099]
下面通过仿真实验进一步证明本发明的有益效果。
[0100]
仿真实验使用标准的等距线阵，阵元数为16，阵元间距是半波长，带宽50mhz，中频载频150mhz，dds输入时钟400mhz，dds通道数为4，fda频率步进40khz，雷达发射脉冲重复频率10khz，一个相干处理时间(cpi)内包含16个发射脉冲：
[0101]
仿真实验一：以6
°
方向权值、零方向权值以及-6
°
方向权值下相控阵为例验证发射
信号硬件模块对相控阵数据处理的有效性，满足带宽50mhz，中心频率150mhz。
[0102]
图11a、图11b和图11c分别为fpga在6
°
、0
°
和-6
°
方向权值下相控阵基带信号处理结果与matlab适应数据处理对比。图12a中fpga在6
°
方向权值下相控阵中频信号处理结果与matlab适应数据处理对比结果；图12b和图12c为fpga在6
°
和-6
°
方向权值下中频信号的频谱，满足中心频率150mhz，带宽50mhz的设计要求。
[0103]
仿真实验二：以零方向权值下多相/二相mimo为例验证发射信号硬件模块对mimo数据处理的有效性，验证发射信号硬件模块对epc-mimo数据处理的有效性，满足带宽50mhz，中心频率150mhz。
[0104]
图13a和图13b分别为fpga中二相和多相mimo基带信号实部部在零方向权值处理与matlab相应数据处理对比；图14a和图14b分别为fpga产生二相和多相mimo中频信号频谱，图14c为fpga产生的二相mimo中频信号通过下变频到基带后的正交性验证结果。
[0105]
仿真实验三：以零方向权值下多相码epc-mimo第5个和第6个发射脉冲中频信号为例，满足带宽50mhz，中心频率150mhz。
[0106]
图15a和图15b分别为fpga中epc-mimo多相码基带信号在第5个和第6个进行脉冲编码后基带信号虚部与matlab相应数据处理对比结果。
[0107]
仿真实验四：以零方向权值下以中心频率150mhz，频率步进40khz下的fda中频信号例，验证发射信号硬件模块对fda数据处理的有效性，满足带宽50mhz，中心频率150mhz。
[0108]
图16a给出fpga产生相干fda中频信号与matlab相应数据处理对比结果；图16b左侧为fpga产生相干fda中频信号频谱，右侧为第一通道和第四通道相干fda中频信号频谱。
[0109]
图17a和图17b分别为基带正交波形为二相码和多相码下的fda-mimo变频处理模块上变频到中频信号的频谱，图17c为二相fda-mimo中频信号下变频到基带信号各通道之间的相关性，左下角为红色宽的放大图，验证了发射信号硬件模块对fda-mimo数据处理的有效性。
[0110]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。