一种利用时间分集和频率分集提高目标分辨力的方法

摘要

本发明提供一种利用时间分集和频率分集提高目标分辨力的方法，包括如下步骤：1，设定雷达发射脉冲信号为不同频率F1、F2的长脉冲与短脉冲组合；2，将雷达发射脉冲信号以不同频率F1、F2发射，实现频率分集；3，接收不同目标反射的不同频率F1、F2的回波，进行初步处理和存储；4，将雷达发射脉冲信号以F1和F2两个不同频率对同一目标进行不同频率的分时照射，实现时间分集；5，接收再次照射不同目标反射的F1和F2两个不同频率的回波进行初步处理和存储；6，得到对同一目标的有效信号个数；7，进行有效目标提取，获得其幅度和时间的信息。本发明采用频率分集、时间分集技术，降低了目标的起伏特性，提高了目标的分辨力。

说明书

技术领域

本发明涉及场面监视雷达信号处理技术领域，尤其是涉及一种利用时间分集和频 率分集提高目标分辨力的方法。

背景技术

随着航空运输业的发展，航空公司的规模日益壮大，机场的年吞吐量逐年递增， 飞行业务量的增加使地服车辆也相应增加。在机场地面运行中，不可避免地存在着飞 机与飞机、飞机与车辆之间的冲突，由此可能出现地面交通的拥挤、混乱，直接导致 机场运行效率和安全保障水平的下降。此外，由于下雨、下雪或者雾霾等恶劣天气所 造成的低能见度，以及建筑物的遮挡、复杂的地形、管制员的视角等因素，都将使地 面管理变得更加复杂，增加了飞行器与机动车场面冲突的危险。如何在复杂的机场环 境和恶劣的气象条件下管理好日益增多的飞机和车辆，成为机场地面指挥管理中急需 解决的问题。

场面监视雷达是监视机场中飞行区域的飞机及车辆等地面移动目标或固定障碍物 的雷达，帮助塔台和站坪的管制员借助场面监视雷达显示器清楚地了解地面飞机和车 辆的位置，为机场复杂变化的态势提供全天时、全天候的状态感知。由于场面监视雷 达的原理等同于一次雷达，因此，不可避免地存在由于机场地形的复杂所导致的回波 多次反射和间接反射的问题，在真回波的基础上会叠加由于多次反射和间接反射所引 起的假回波；此外，不同的气象条件，特别是暴雨等恶劣的气象条件，导致杂波复杂 变换，引入了更多的干扰，使得回波中夹杂着各种不同原因造成的虚假目标和大量杂 波信号，真正的目标信号会有较大的起伏和闪烁。

传统的场面监视雷达采用一个固定的频点进行扫描，使目标任意时刻只能被一个 固定频点照射，照射时间不足，回波中的杂波和假回波成分复杂，不易区分；传统的 场面监视雷达在任何时刻，对于任意一个目标，只有一次扫描的机会，当天线转动， 波束扫描过后，目标需要等到下一个天线的扫描周期才可以被照射，直接导致目标的 照射次数比较少，引入假回波和杂波概率比较大，且不能对目标形成积累照射效应； 由于传统的场面监视雷达单次照射导致的假回波不易被滤除，特别是暴雨等恶劣气象 条件下，杂波引入的噪声比较大，也不易被滤除，导致目标的起伏特性较大，存在闪 烁现象，给目标的正确提取带来较大的困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种利用时间分集 和频率分集提高目标分辨力的方法，降低目标的起伏特性，提高场面监视雷达对目标 的分辨力。

本发明要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种利用时间分集和频率分 集提高目标分辨力的方法，包括如下步骤：

步骤1，设定雷达发射脉冲信号为不同频率F1、F2的长脉冲与短脉冲的组合，其 中，长脉冲时宽为T_L，短脉冲时宽为T_S；

步骤2，通过天线将雷达发射脉冲信号以不同频率F1、F2发射，使之照射到不同 的目标上，实现频率分集，所述两个频率之间的波束宽度保持一定的方位角差θ；

步骤3，接收不同目标反射的不同频率F1、F2的回波，进行初步处理和存储；其 中，对F1的回波信号进行长脉冲处理和短脉冲处理后，将长脉冲与短脉冲合成后再存 储在RAM1中，对F2的回波信号进行长脉冲处理和短脉冲处理后，将长脉冲与短脉冲 合成后再存储在RAM2中；

步骤4，通过天线转动进行波束扫描，雷达发射脉冲信号以F1和F2两个不同频 率对同一目标进行不同频率的分时照射，即上一次F2频率的波束照射到的目标，本次 以F1频率的波束照射，实现时间分集；

步骤5，接收再次照射不同目标反射的F1和F2两个不同频率的回波进行初步处 理和存储；其中，对F1的回波信号进行长脉冲处理和短脉冲处理后，将长脉冲与短脉 冲合成后再存储在RAM3中，对F2的回波信号进行长脉冲处理和短脉冲处理后，将长 脉冲与短脉冲合成后再存储在RAM4中；

步骤6，根据两次不同时间、不同频率照射到同一目标的处理过的回波信号进行 提取和延迟对齐，得到对同一目标的有效信号个数；

步骤7，根据提取的同一目标延迟对齐的信号，进行积累检测，设定一个固定值M， 如果步骤6中的有效信号个数大于或者等于固定值M，则判定该目标为真实目标；如 果步骤6中的有效信号个数小于固定值M，则判定该目标为杂波或者虚假目标，丢弃， 根据积累检测的结果，对处理后的所有目标进行有效目标提取，获得其幅度和时间的 信息。

优选地，所述步骤1中，设定所述雷达发射脉冲信号的波形组合为：F1的远距长 脉冲T_L1+F2的远距长脉冲T_L2+F1的近距短脉冲T_s1+F2的近距短脉冲T_s2。

优选地，所述步骤1中，设定所述雷达发射脉冲信号的波形组合为：F1的远距长 脉冲T_L1+F1的近距短脉冲T_s1+F2的远距长脉冲T_L2+F2的近距短脉冲T_s2。

优选地，所述步骤2中，通过天线将雷达发射脉冲信号以F1和F2两个不同的频 率进行发射，设定发射脉冲波形为F1、F2两种频率同时发射或交替顺序发射。

优选地，所述步骤2中，所述的方位角差θ大于0度但小于或者等于0.5度。

优选地，所述步骤3中，具体包括：

步骤31：对不同频率F1和F2的不同回波信号分别进行射频信号转换为中频信号 的处理，将射频转换成频率为F₀₁和F₀₂的中频信号，执行步骤32；

步骤32：对两路中频信号分别进行中频接收处理，通过A/D采样，将模拟信号转 换为数字信号，对数字信号进行数字下变频的变换，将一路中频信号转换为IQ两路基 带信号，同时带来频谱的搬迁，通过抽取滤波滤掉中频部分，只保留基带信号；采用 F_S1的频率对F₀₁的中频信号采样，通过数字下变频和滤波后只保留(F_S1-F₀₁)部分的 频谱；采用F_S2的频率对F₀₂的中频信号采样，通过数字下变频和滤波后只保留(F_S2-F₀₂) 部分的频谱；将两路基带信号按照脉冲宽度分为长脉冲LFM1、LFM2和短脉冲S1、S2 分别进行处理，对长脉冲LFM1、LFM2执行步骤33，对短脉冲S1、S2执行步骤34；

步骤33：对两路长脉冲LFM1、LFM2分别进行脉冲压缩和窗函数滤波的处理，将 脉冲压缩信号转换为脉冲信号L1、L2，执行步骤35；

步骤34：对两路短脉冲S1、S2不做特殊处理，进行延迟，等待长脉冲处理后的 信号，进行时间对齐，执行步骤35；

步骤35：将处理后的两路长脉冲L1、L2和短脉冲S1、S2分别进行合成，按照短 脉冲对应近距离的目标，长脉冲对应远距离的目标，在时间上，短脉冲在前，长脉冲 在后，执行步骤36；

步骤36：根据步骤35的合成处理结果，对F1和F2两个不同频率的一个波束宽 度内照射到的目标提取的回波信号按照幅度和时间信息进行存储，分别存储在RAM1 和RAM2中。

优选地，所述步骤5中，具体包括：

步骤51：对不同频率F1和F2的不同回波信号分别进行射频信号转换为中频信号 的处理，将射频转换成频率为F₀₁和F₀₂的中频信号，执行步骤52；

步骤52：对两路中频信号分别进行中频接收处理，通过A/D采样，将模拟信号转 换为数字信号，对数字信号进行数字下变频的变换，将一路中频信号转换为IQ两路基 带信号，同时带来频谱的搬迁，通过抽取滤波滤掉中频部分，只保留基带信号；采用 F_S1的频率对F₀₁的中频信号采样，通过数字下变频和滤波后只保留(F_S1-F₀₁)部分的 频谱；采用F_S2的频率对F₀₂的中频信号采样，通过数字下变频和滤波后只保留(F_S2-F₀₂) 部分的频谱；将两路基带信号按照脉冲宽度分为长脉冲LFM1、LFM2和短脉冲S1、S2 分别进行处理，对长脉冲LFM1、LFM2执行步骤53，对短脉冲S1、S2执行步骤54；

步骤53：对两路长脉冲LFM1、LFM2分别进行脉冲压缩和窗函数滤波的处理，将 脉冲压缩信号转换为脉冲信号L1、L2，执行步骤55；

步骤54：对两路短脉冲S1、S2不做特殊处理，进行延迟，等待长脉冲处理后的 信号，进行时间对齐，执行步骤55；

步骤55：将处理后的两路长脉冲L1、L2和短脉冲S1、S2分别进行合成，按照短 脉冲对应近距离的目标，长脉冲对应远距离的目标，在时间上，短脉冲在前，长脉冲 在后，执行步骤56；

步骤56：根据步骤55的合成处理结果，对F1和F2两个不同频率的一个波束宽 度内照射到的目标提取的回波信号按照幅度和时间信息进行存储，分别存储在RAM3 和RAM4中。

优选地，所述步骤6中，提取上一次F2照射回波处理后存储的RAM2中的数据和 本次F1照射回波处理后存储的RAM3中的数据，设定一个固定的门限值P_level对每个 信号进行门限检测，上一次F2照射回波处理后存储的RAM2中的数据中，大于P_level的有效信号个数为N_F2，本次F1照射回波处理后存储的RAM3中的数据中，大于P_level的有效信号个数为N′_F1，将经过门限检测的有效信号进行延迟对齐，此时，对同一目 标的有效信号个数为(N_F2+N′_F1)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、针对传统的场面监视雷达只有一个固定的频点进行扫描，使目标任意时刻只能 被一个固定频点照射，照射时间不足，回波中的杂波和假回波成分复杂了，不易区分 的问题，本发明由于采用了频率分集技术，使得目标在同一次扫描周期内被两个不同 的频率F1和F2照射到，增加了照射的频率和回波的能量积累，并且，在同一时刻， 照射的范围由一个固定的频率扩展到了两个不同的频率，而且，由于两次照射的频率 不同，相互独立，增加了信号与噪声的比值，可以降低目标的起伏特性，提高了目标 的分辨力。

2、针对传统的场面监视雷达在任何时刻，对于任意一个目标，只有一次扫描的机 会，直接导致目标的照射次数比较少，引入假回波和杂波概率比较大，且不能对目标 形成积累照射效应的问题，本发明采用时间分集技术，增加了目标在同一扫描周期内 被照射的机会，相应地增大了回波的能量积累，有益于增加信号与噪声的比值，降低 目标的起伏特性，同时，由于两次连续的照射，有力的降低了目标的闪烁，提高了目 标的分辨力。

附图说明

图1为利用时间分集和频率分集提高目标分辨力的方法的流程示意图。

图2为图1所示步骤101中的不同频率不同时宽的雷达发射脉冲信号的波形组合 示意图(组合方式一)。

图3为图1所示步骤101中的不同频率不同时宽的雷达发射脉冲信号的波形组合 示意图(组合方式二)。

图4为图1所示步骤102中的实现频率分集的示意图。

图5为图1所示步骤103中对不同目标反射的不同频率的回波进行初步处理和存 储的流程示意图。

图6为图1所示步骤104中的实现时间分集的示意图。

图7为图1所示步骤105中对再次照射不同目标反射的不同频率的回波进行初步 处理和存储的流程示意图。

图8为图1所示步骤106中对处理过的回波信号进行提取和延迟对齐的流程示意 图。

图9为图1所示步骤107中实现杂波与目标的分辨的流程示意图。

图中部品标记名称：1-天线，2-转台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施 例对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并不用于限定本发明。

一种利用时间分集和频率分集提高目标分辨力的方法，如图1所示，其具体步骤 按照先后顺序如下：

步骤101，设计不同频率不同时宽的雷达发射脉冲信号。其具体做法是：根据实 际需要监视的距离范围，将监视区域划分为近距和远距，近距采用短脉冲信号进行直 接照射，远距则设定为线性调频信号LFM进行照射，设定雷达发射脉冲信号为F1和 F2两个不同频率的长脉冲与短脉冲的组合，长脉冲和短脉冲时宽分别为T_L和T_S。波 形的设计方法可以有多种组合，如图2所示的波形组合方式是：F1的远距长脉冲T_L1+F2的远距长脉冲T_L2+F1的近距短脉冲T_s1+F2的近距短脉冲T_s2。或者，如图3所 示的组合方式是：F1的远距长脉冲T_L1+F1的近距短脉冲T_s1+F2的远距长脉冲T_L2+F2的近距短脉冲T_s2。

步骤102，通过天线以不同方位角将不同频率的脉冲信号同时发射，照射到不同 目标上，实现频率分集。具体做法是：如图4所示，天线1在转台2的驱动下做旋转 运动，在t₀时，通过天线1将两个不同频率的雷达发射脉冲信号以不同频率F1、F2 并且是以一个固定的夹角θ同时照射出去，并使之照射到不同的目标，如飞机、车辆 等，此时，即两个不同频率的雷达发射脉冲信号之间的方位角差为θ，该方位角差θ 大于0度但小于或者等于0.5度，通常是0.1度、0.2度、0.3度或者0.4度。在一个 波束宽度内，包含多次步骤101中所设定的波形，即多次雷达发射脉冲信号对同一方 向同一目标的多次照射，设定1个波束宽度φ内对同一目标的多次照射的个数为N_PRF。

步骤103，接收不同目标反射的不同频率的回波，进行初步处理和存储。其具体 的流程示意图如图5所示，包括：

步骤1031：对不同频率F1、F2的不同回波信号分别进行射频信号转换为中频信 号的处理，通过限幅、低噪放、STC增益控制、滤波等处理，将射频信号转换成频率 为F₀₁和F₀₂的中频信号，执行步骤1032；

步骤1032：对两路中频信号分别进行中频接收处理，通过A/D采样，将模拟信号 转换为数字信号，对数字信号进行数字下变频的变换，将一路中频信号转换为IQ两路 基带信号，同时带来频谱的搬迁，通过抽取滤波滤掉中频部分，只保留基带信号。采 用F_S1的频率对F₀₁的中频信号采样，通过数字下变频和滤波后只保留(F_S1-F₀₁)部分 的频谱。采用F_S2的频率对F₀₂的中频信号采样，通过数字下变频和滤波后只保留 (F_S2-F₀₂)部分的频谱。将两路基带信号按照脉冲宽度分为长脉冲LFM1、LFM2和短脉 冲S1、S2分别进行处理，对长脉冲LFM1、LFM2执行步骤1033，对短脉冲S1、S2执 行步骤1034；

步骤1033：对两路长脉冲LFM1、LFM2分别进行脉冲压缩和窗函数滤波的处理， 将脉冲压缩信号转换为脉冲信号L1、L2，执行步骤1035；

步骤1034：对两路短脉冲S1、S2不做特殊处理，进行延迟，等待长脉冲处理后 的信号，进行时间对齐，执行步骤1035；

步骤1035：将处理后的两路长脉冲L1、L2和短脉冲S1、S2分别进行合成，按照 短脉冲对应近距离的目标，长脉冲对应远距离的目标，在时间上，短脉冲在前，长脉 冲在后。执行步骤1036。

步骤1036：根据步骤1035的合成处理结果，对F1和F2两个不同频率的一个波 束宽度内照射到的目标提取的回波信号按照幅度和时间信息进行存储，分别存储在 RAM1和RAM2中。

步骤104，通过天线转动，对不同角度的不同目标进行不同频率的照射，同时实 现对同一目标(上一次照射到的目标)实现不同频率的分时照射，实现时间分集。具 体做法是：如图6所示，天线1在转台2的驱动下做旋转运动，设定天线1的旋转周 期为T_RPM。通过天线1的转动，再次将雷达发射脉冲信号以F1和F2两个不同的频率 进行照射，对同一目标进行不同频率的分时照射，即上一次F2频率的波束照射到的目 标，本次以F1频率的波束照射，实现时间分集，如图6所示，F2(t₀+Δt)与F1(t₀) 处于重合位置。

步骤105，接收再次照射不同目标所反射的不同频率的回波，进行初步处理和存 储。其具体的流程示意图如图7所示，包括：

步骤1051：对不同频率F1和F2的不同回波信号分别进行射频信号转换为中频信 号的处理，通过限幅、低噪放、STC增益控制、滤波等处理，将射频转换成频率为F₀₁和F₀₂的中频信号，执行步骤1052；

步骤1052：对两路中频信号分别进行中频接收处理，通过A/D采样，将模拟信号 转换为数字信号，对数字信号进行数字下变频的变换，将一路中频信号转换为IQ两路 基带信号，同时带来频谱的搬迁，通过抽取滤波滤掉中频部分，只保留基带信号。采 用F_S1的频率对F₀₁的中频信号采样，通过数字下变频和滤波后只保留(F_S1-F₀₁)部分 的频谱。采用F_S2的频率对F₀₂的中频信号采样，通过数字下变频和滤波后只保留 (F_S2-F₀₂)部分的频谱。将两路基带信号按照脉冲宽度分为长脉冲LFM1、LFM2和短脉 冲S1、S2分别进行处理，对长脉冲LFM1、LFM2执行步骤1053，对短脉冲S1、S2执 行步骤1054；

步骤1053：对两路长脉冲LFM1、LFM2分别进行脉冲压缩和窗函数滤波的处理， 将脉冲压缩信号转换为脉冲信号L1、L2，执行步骤1055；

步骤1054：对两路短脉冲S1、S2不做特殊处理，进行延迟，等待长脉冲处理后 的信号，进行时间对齐，执行步骤1055；

步骤1055：将处理后的两路长脉冲L1、L2和短脉冲S1、S2分别进行合成，按照 短脉冲对应近距离的目标，长脉冲对应远距离的目标，在时间上，短脉冲在前，长脉 冲在后。执行步骤1056。

步骤1056：根据步骤1055的合成处理结果，对F1和F2两个不同频率的一个波 束宽度内照射到的目标提取的回波信号按照幅度和时间信息进行存储，分别存储在 RAM3和RAM4中。

步骤106，将两次不同时间不同频率照射到同一目标的处理过的回波信号进行提 取和延迟对齐。其具体的流程示意图如图8所示，包括：

步骤1061：根据时间分集的原理，上一次F2照射到的目标和本次F1照射到的目 标为同一目标，提取上一次F2照射回波处理后存储在RAM2中的数据和本次F1照射回 波处理后存储在RAM3中的数据，执行步骤1062；

步骤1062：由于一个波束宽度φ内包含多个回波脉冲N_PRF，因此，有2×N_PRF个信 号同时对应同一个目标，对每个信号进行门限的检测，设定一个固定的门限值P_level进行门限检测，即将高于此门限值P_level的信号判定为有效信号，对低于此门限值的 信号判定为杂波，丢弃。

通过步骤1061提取的RAM2和RAM3的数据，分别与P_level进行比较判断，获得有 效信号的个数，即上一次F2照射到的存储在RAM2中的数据中，大于P_level的有效数 据个数为N_F2，本次F1照射到的存储在RAM3中的数据中，大于P_level的有效数据个数 为N′_F1。执行步骤1063；

步骤1063：根据上一次F2回波与本次F1回波的接收和处理时间的延迟，将经过 门限检测的有效信号进行延迟对齐，此时，对同一目标的有效信号个数为(N_F2+N′_F1)。

步骤107，对提取的同一目标的信号进行进一步处理，实现杂波与目标的分辨。 其具体的处理流程示意图如图9所示，包括：

步骤1071：根据延迟对齐的信号，进行积累检测，设定一个固定值M，如果有效 信号的个数(N_F2+N′_F1)大于或者等于固定值M，则判定该目标为真实目标，执行步 骤1072；如果有效信号的个数(N_F2+N′_F1)小于固定值M，则判定该目标为杂波或者 虚假目标，丢弃；

步骤1072：根据步骤1071积累检测的结果，对处理后的所有目标进行有效目标 提取。

由于本发明采用频率分集技术，即通过天线1将雷达发射脉冲信号以F1和F2两 个不同的频率进行发射，设定发射脉冲波形为F1和F2两种频率同时发射，且两个频 率之间的波束宽度保持一定的方位夹角θ，波束宽度均为φ，同时设定一定的脉冲发 射频率，使得1个波束宽度φ内对同一目标的多次照射的个数为N_PRF。因此，对于同 一个目标，可以使得该目标在同一个扫描周期内不仅被F1照射到，还会被F2照射到， 增加了照射的频率和回波的能量积累，并且，在同一时刻，照射的范围也由一个固定 的频率扩展到了两个不同的频率，由于两次照射的频率不同，且相互独立，增加了信 号与噪声的比值，从而可以降低目标的起伏特性，提高了目标的分辨力。

同时，由于本发明采用时间分集技术，即通过天线1的转动，再次将发射脉冲波 形以F1和F2两个不同的频率进行照射，对同一目标进行不同频率的分时照射，即上 一次F2频率的波束照射到的目标，本次以F1频率的波束照射。因此，增加了目标在 同一个扫描周期内被照射的机会，相应地增大了回波的能量积累，有益于增加信号与 噪声的比值，降低目标的起伏特性；同时，由于两次连续的照射，可以有力地降低目 标的闪烁，提高了目标的分辨力。

需要说明的是，在步骤102中，不限于通过天线1以不同方位角将不同频率的雷 达发射脉冲信号同时发射，照射到不同目标上，以实现频率分集。也可以是通过天线 1以不同方位角将不同频率的雷达发射脉冲信号以交替顺序发射，照射到不同目标上， 以实现频率分集，例如，先把F1的长、短脉冲发射完，再发射F2的长、短脉冲。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是， 凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。