伪随机序列在探地雷达应用中回波数据预处理方法

摘要

本发明一种伪随机序列在探地雷达应用中回波数据预处理方法，涉及微波探测技术，包括，将长伪随机序列按照探地雷达的作用盲区分组；探地雷达发射时依次发送一个分组的伪随机序列；在每个发射周期内对回波数据进行预处理，融合各发送分组的回波数据，形成可用于成像处理的完整的回波数据。本发明方法克服了目前处理方法无法实现的超长伪随机序列在探地雷达中的应用，解决了目前处理方法作用盲区大的问题，有效地提高了探地雷达系统动态范围、增大了探地雷达的探测距离。

说明书

技术领域

本发明涉及超宽带微波探测技术领域伪随机序列在探地雷达应用中回波数据预处理方法，特别是一种对超长伪随机序列发射、接收以及回波数据预处理的方法。

背景技术

根据雷达分辨理论，为了提高探地雷达的测距精度和距离分辨力，要求信号具有大的带宽。为了提高探地雷达的探测深度，要求信号具有大的能量。在系统的发射和馈电设备峰值功率受限的情况下，大的信号能量只能靠增加信号的时宽来得到。所以，为了提高探地雷达的探地深度、测量精度和分辨能力，要求信号具有大的带宽、时宽、能量乘积。单载频脉冲信号的时宽和带宽乘积接近于1，大的时宽和带宽不可兼得，因此需要采用具有大时宽带宽积的脉冲压缩信号。

伪随机序列是脉冲压缩信号的一种，是将宽度为T的长脉冲分成N个宽度为τ的子脉冲。子脉冲的相位可以有多种调制方法，如果相位的取值只限于取0、π两个数值，则称此编码信号为二相编码信号。如果相位的取值可以取两个以上的数值。则称多相编码信号。这种信号的主要特点是：模糊函数大多呈近似图钉型，尖峰周围有均匀的非零基台；带宽为子码元时宽τ的倒数，时宽带宽乘积为码长N；当码长N远大于1时，自相关函数的峰值主旁瓣比趋近于所以采用长的伪随机序列，在不降低分辨率的情况下就能得到大的时宽带宽积的脉冲压缩信号，可以提高发射功率，提高系统动态范围，增大探地雷达的探测距离。

伪随机序列要调制到一定的载波频率上发射，因为电磁波在地表下传输会有能量损耗，并且损耗与电磁波的频率成正比。在探地雷达中，为了获得大的探测深度，一般在分辨率满足要求的情况下，尽可能选择低的工作频率。

探地雷达的工作流程一般是按照脉冲工作的，即发射信号以脉冲形式发射，发射和接收交替进行，在发射时间T_t内，接收机由于直达波的影响以及出于安全考虑而选择不接收，因此如果发射T_t持续时间较长，则对应的雷达的作用盲区越大。

由上述阐述可知，为了达到很深的探测距离，需要发射很长的伪随机序列，并且采用较低的载频，但因此会带来很大的雷达工作盲区，甚至于无法实现。

发明内容

针对上述问题，本发明人提出一种可以采用超长的伪随机序列，并且不增大探地雷达的工作盲区的处理方法。本发明的主要目的在于：提出一种在改变目前探地雷达工作流程的基础上，对回波数据的预处理方法，将超长伪随机序列应用于探地雷达，扩大探地雷达的系统动态范围、提高探地雷达的探测深度，并且不以提高雷达的峰值功率和增大雷达的工作盲区为代价。

本发明的目的是由以下技术途径实现的：

一种伪随机序列在探地雷达应用中回波数据预处理方法，其特征在于，包括：

步骤A)序列分组，将长度为N的伪随机序列分成m组长度为n的子序列(N、m、n为整数)，伪随机序列的长度时指伪随机系列所包含的子码个数；

步骤B)分组发射，每个脉冲重复周期发射一组包含n个子码的子序列，m个脉冲重复周期完成一个长伪随机序列的发射；(因为步骤A)中共有m组子序列，一个脉冲重复周期只发射一组，所以需要m个脉冲重复周期，此处m与步骤A)中的m相同，表示同样大小的一个数)

步骤C)回波数据预处理，对回波数据进行预处理，获得用于成像处理的完整的回波数据。

所述的处理方法，其所述步骤A)序列分组，包括：

步骤A1：根据雷达系统对工作盲区的要求，确定最大发射脉冲宽度T_t；

步骤A2：最大发射脉冲宽度T_t除以每个子码调制的载波周期数n1与载波周期τ_c的积，获得最大发射脉冲宽度包含的子码个数n；

步骤A3：长伪随机序列长度N除以每个子序列长度n，获得发射完一个长度为N的伪随机序列需要的脉冲重复周期个数m。

所述的处理方法，其所述步骤B)分组发射，是在雷达控制单元控制下，从第一组子码序列开始依次发射长度为n的子码序列，m个脉冲重复周期之后，再从第一组子码序列开始循环发射。

所述的处理方法，其所述步骤C)回波数据预处理，包括：

步骤C1：对每个脉冲重复周期A/D采样后的回波数据在数据形成过程增加脉冲标识，脉冲标识从1至m重复标记；(因为共需要m个脉冲重复周期发射，所有共有m个脉冲重复周期的回波数据，此处m与步骤A)中的m相同，表示同样大小的一个数)

步骤C2：按照数据位数和所需要的数据积累次数，确定每个脉冲重复周期以及最终输出回波数据的缓存宽度和深度；

步骤C3：每个脉冲重复周期的回波数据滤除系统当前的噪声电平；

步骤C4：每个脉冲重复周期的回波数据向后移位与前一个脉冲重复周期的回波数据融合；完成m-1次数据融合后，获得用于成像处理的完整的一帧回波数据。(此处m与步骤A)中的m相同，表示同样大小的一个数)

步骤C5：对经过上述预处理的一帧回波数据增加帧标识；

所述的处理方法，其所述增加脉冲标识，是对每一个脉冲重复周期的回波数据增加脉冲标识，用于后续数据的积累。

所述的处理方法，其所述回波数据的缓存宽度和深度，是为了防止积累过程中数据溢出，并且尽量减少占用的资源而合理地扩大每个数据的位宽及深度。

所述的处理方法，其所述每个脉冲重复周期的回波数据向后移位的个数L为子序列的长度n、每个子码调制的载波周期数n1、载波周期τ_c以及雷达系统采样率f_s的乘积，即L＝n×n1×τ_c×f_s。

所述的处理方法，其所述回波数据滤除系统噪声电平，包含雷达系统热噪声、量化噪声以及当前环境噪声的噪声电平的综合结果，滤除系统噪声电平的过程为回波数据减去噪声数据电平。

所述的处理方法，其所述帧标识，用于成像处理过程，对于预处理后可用于成像处理的一帧回波数据增加帧标识，帧标识具有明显不同与回波数据的特点。

所述的处理方法，其系统当前噪声电平的求解，包括：

步骤D1：在探地雷达系统零输入的情况下录取系统噪声数据，包含系统热噪声、量化噪声以及当前环境噪声的噪声来源；

步骤D2：对噪声数据进行频谱分析，滤除突发性的干扰噪声；

步骤D3：求取噪声数据的幅度和幅度均值，并转化为噪声数据电平。

本发明的有益效果是：在采用了一种分组发射、分组接收的雷达工作流程的基础上，对接收的回波数据采用了预处理算法，得到了可用于成像处理的完整的回波数据，如果采用目前探地雷达完全发射接收的工作流程，将由于工作盲区太大而无法应用超长伪随机序列，即使采用了分组发射、分组接收的雷达工作方法，如果不采用本发明中的回波信号预处理方法，也不能得到正确的结果。本发明使得超长伪随机序列应用在探地雷达中成为可能，可以克服采用目前处理方法无法实现以及作用盲区大的问题，有效地扩大了探地雷达的动态范围，可以在相同的发射功率下比目前探地雷达获得更大的探测距离，并且没有引起雷达工作盲区的增加。

附图说明

图1.1是目前探地雷达工作流程图。

图1.2是本发明超长伪随机序列探地雷达工作流程图。

图2是本发明中回波数据预处理算法的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1.1为目前探地雷达工作流程图，图1.2为本发明超长伪随机序列探地雷达工作流程图，其中，实线框表示相同处理方式，虚线框表示不同处理方式。

如图1.1和图1.2所示：对于伪随机序列，尤其是超长伪随机序列应用到探地雷达时，雷达工作流程区别于目前探地雷达的工作流程，本发明采用将伪随机序列，特别是超长伪随机序列，按照雷达对工作盲区的要求分组，按照分组的大小控制发射，对回波信号数据进行预处理后，再进行成像处理。

图1.2为本发明伪随机序列在探地雷达应用中回波数据预处理方法的框图，其包括：

步骤A)序列分组，将长度为N的伪随机序列分成m组长度为n的子序列，包括：

步骤A1：根据雷达系统对工作盲区的要求，确定最大发射脉冲宽度T_t；

步骤A2：最大发射脉冲宽度T_t除以每个子码调制的载波周期数n1与载波周期τ_c的积，获得最大发射脉冲宽度包含的子码个数n；

步骤A3：长伪随机序列长度N除以每个子序列长度n，获得发射完一个长度为N的伪随机序列需要的脉冲重复周期个数m。

步骤B)分组发射，每个脉冲重复周期发射一组包含n个子码的子序列，m个脉冲重复周期完成一个长伪随机序列的发射，是在雷达控制单元控制下，从第一组子码序列开始依次发射长度为n的子码序列，m个脉冲重复周期之后，再从第一组子码序列开始循环发射。

步骤C)回波数据预处理，对回波数据进行预处理，获得用于成像处理的完整的回波数据，包括：

步骤C1：对每个脉冲重复周期A/D采样后的回波数据在数据形成过程增加脉冲标识，脉冲标识从1至m重复标记；

步骤C2：按照数据位数和所需要的数据积累次数，确定每个脉冲重复周期以及最终输出回波数据的缓存宽度和深度；

步骤C3：每个脉冲重复周期的回波数据滤除系统当前的噪声电平；

步骤C4：每个脉冲重复周期的回波数据向后移位与前一个脉冲重复周期的回波数据融合；完成m-1次数据融合后，获得用于成像处理的完整的一帧回波数据。

步骤C5：对经过上述预处理的一帧回波数据增加帧标识。

本发明信号分组发射的方法是，首先根据雷达系统对工作盲区的要求，确定最大发射脉冲宽度T_t，再按照每个子码调制的载波周期数n1以及载波周期τ_c确定最大发射脉冲宽度可包含的子码个数n，即每个脉冲重复周期发射的子码个数。以发射码长为65536的超长伪随机序列，工作载频10MHz的编码信号为实施例，按照雷达系统工作盲区的要求，最大发射脉冲宽度T_t为800ns，每个子码调制的载波周期数n1＝1，即子码宽度为100ns，由此可以得到每个脉冲重复周期发射的子码个数n＝8；将长度为65536的伪随机序列分成8192组长度为8的子序列，每次发射8个子码，8个子码的持续时间为t为800ns，共需要8192个脉冲重复周期完成一个长度为65536的超长伪随机序列的发射。

图2是本发明中回波数据预处理算法的示意图。以上述发射长度为65536的伪随机序列，每次发射8个子码，8个子码的持续时间为800ns，回波窗T_r长度为5us，回波采样速率为f_s为60MHz为实施例，则每个脉冲重复周期(PRF)的回波数据长度为300个样值点，每个PRF的回波数据较前一个PRF的回波数据向后移位t×f_s＝48个样点后与前一个PRF的回波数据积累，依次完成全部8192个PRF的回波数据融合，产生(8192×48+252)＝393220点数据，对按照上述算法处理完成后的393220点数据进行成像处理。

图2回波数据预处理算法的具体步骤为：

步骤1：读取回波窗数据，将接收的一个PRF回波数据滤除噪声后，缓存T_r×f_s点至缓存器1；

步骤2：判断PRF的个数是否等于1，如果等于1，则将缓存器1的T_r×f_s点数据存入缓存器2；转入步骤3，如果PRF的个数不等于1转入步骤4；

步骤3：缓存器2将前t×f_s点数据存入存储器3，返回步骤1；

步骤4：缓存器1将前(t_r-t)×f_s点与缓存器2的后(T_r-t)×f_s点逐位累加，累加的结果放入缓存器2前(T_r-t)×f_s点；

步骤5：缓存器1后t×f_s点放入缓存器2的后t×f_s点；

步骤6：判断PRF的个数是否等于m，如果等于m，则将缓存器2的数据放入存储器3，存储器3中的数据即为最终需要的回波数据，结束；如果PRF的个数不等于m，则转入步骤3。

以上所用到的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质进行的相关修改，均仍属于本发明权利要求保护的范围。