一种非线性调频信号欠采样处理方法

摘要

本发明公开了一种非线性调频信号欠采样处理方法，所述方法具体包括：步骤1)对经过下变频到基带后的雷达回波信号s(t)以低于雷达系统发射信号st(t)带宽的采样频率进行AD欠采样；得到欠采样回波信号sp(t)；步骤2)在数字域将欠采样回波信号sp(t)与去斜数字参考信号进行混频，获得去斜后的数字信号sd(t)；步骤3)对去斜后的数字信号sd(t)进行上采样，将上采样后的信号与参考线性调频信号进行线性调频恢复出宽带回波信号sm(t)；步骤4)将恢复后的宽带回波信号sm(t)与发射信号st(t)进行匹配滤波后，进行脉冲压缩得到目标一维距离像。本发明的方法能够在雷达距离向测绘范围较小时实现宽带非线性调频信号欠采样处理，同时，降低了系统采样率，减少了数据传输量和存储量。

说明书

技术领域

本发明涉及雷达(声纳)信号处理技术领域，特别涉及一种非线性调频信号欠采样处理方法。

背景技术

ISAR作为一种高分辨率成像雷达己在空间目标探测中得到广泛应用。为了获取观测区域或观测目标更多的信息，宽带雷达通常采用宽带(超宽带)发射信号。相比较于线性调频信号，非线性调频信号具有低旁瓣并且无需加权等优点，因而无信噪比损失，在雷达(声呐)系统中应用越来越受到人们的重视。然而，在宽带雷达系统中宽带非线性调频信号对系统A/D采样、存储传输设备要求较高，这极大地限制了雷达的成像分辨率。

线性调频信号脉冲压缩可利用匹配滤波和去斜频率分析法实现，当雷达距离向观测范围较小时，宽带LFM雷达可以采用去斜方法来降低信号带宽，文献[1](Caputi WJ.Stretch:A time-transformation technique[J].IEEE Transactions on Aerospaceand Electronic Systems,1971(2):269-278.)的去斜频率分析法在接收端将信号与调频斜率相反的线性调频信号相乘，将线性调频信号转化为单频信号，通过去斜处理技术可降低雷达系统A/D采样率；文献[2](詹学丽,王岩飞,王超,等.一种用于合成孔径雷达的数字去斜方法[J].雷达学报,2015(2015年04):474-480.)提出一种合成孔径雷达线性调频信号数字去斜方法，利用低于雷达系统Nyqusit采样率对雷达回波信号进行采样，在数字域对采样的回波信号进行去斜处理，此方法不仅降低了对系统采样和存储要求，还提高了处理精度。然而传统线性调频信号去斜处理方法并不适用于非线性调频信号处理；文献[3](Mir HS,Wong U K T.Low-rate sampling technique for range–windowed radar/sonar usingnonlinear frequency modulation[J].IEEE Transactions on Aerospace andElectronic Systems,2015,51(3):1972-1979.)提出一种针对非线性调频信号(NLFM)低速率采样处理方法，但是该方法实现过程计算量较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的非线性调频信号采样处理方法存在的上述缺陷，针对雷达距离向观测范围较小时的应用场景，提供一种非线性调频信号欠采样处理方法。该方法能够降低对雷达硬件系统要求，实现了宽带非线性调频雷达信号的低速率A/D采样处理。

为实现上述目的，本发明提出一种非线性调频信号欠采样处理方法，该方法的具体步骤包括：

步骤1)对经过下变频到基带后的雷达回波信号s(t)以低于雷达系统发射信号s_t(t)带宽的采样频率进行AD欠采样；得到欠采样回波信号s_p(t)；

步骤2)在数字域将欠采样回波信号s_p(t)与去斜数字参考信号进行混频，获得去斜后的数字信号s_d(t)；

步骤3)对去斜后的数字信号s_d(t)进行上采样，将上采样后的信号与参考线性调频信号进行线性调频恢复出宽带回波信号s_m(t)；

步骤4)将恢复后的宽带回波信号s_m(t)与发射信号r(t)进行匹配滤波后，进行脉冲压缩得到目标一维距离像。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：

步骤101)雷达点目标回波信号s(t)为非线性调频信号，表示为窄带倒S形调频信号g(t)与宽带线性调频信号s_L(t)的复合信号：

其中，K_f为宽带线性调频信号s_L(t)的调频率，T_p为脉冲时间宽度；

步骤102)雷达回波信号s(t)下变频解调后为：

s_R(t)＝g(t-τ)·s_L(t-τ)＝g(t-τ)·exp(jπK_f(t-τ)²),-T_p/2≤t-τ≤T_p/2

其中，τ为回波时延，τ＝2R/c，R为目标到雷达接收机的距离；

步骤103)对解调后的回波信号s_R(t)以低于雷达系统发射信号s_t(t)带宽的采样频率进行AD欠采样，得到欠采样回波信号s_p(t)；

将回波信号s_R(t)与采样脉冲p(t)进行卷积：

其中，-T_p/2≤nt_s-τ≤T_p/2，t_s为A/D采样时间间隔，t_s＝1/f_s；采样脉冲f_s≤B，B为发射信号s_t(t)的带宽，N为采样点数。

作为上述方法的一种改进，所述采样率f_s还满足关系式:B_s≤f_s，B_s满足：

其中，K_f为线性调频信号s_L(t)的调频率，B_g为窄带倒S形调频信号g(t)的带宽，l为宽带雷达距离向观测范围，c为光速，通常情况下，B_g＜＜B。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

所述数字域去斜参考信号s_ref(t)为：

其中，T_r＞T_p为参考信号脉冲宽度，不小于采样窗时间，K_f为宽带线性调频信号s_L(t)的调频率；

数字离散化得到：

其中，M为参考信号离散化的点数；

欠采样回波信号s_p(t)与去斜参考信号s_ref(t)进行混频，

式中-T_p/2≤nt_s-τ≤T_p/2，-T_r/2≤mt_s≤T_r/2；

令则：

s_d(t)为去斜后的数字信号。

作为上述方法的一种改进，所述步骤4)具体包括：

将线性调制后恢复出的宽带回波信号s_m(t)与发射信号s_t(t)进行匹配滤波，得到目标距离向脉冲压缩后的一维距离像，点目标一维距离像为：

s₀＝IFFT(FFT(s_m(t)))*conj{FFT(s_t(t))}。

本发明的优势在于：

本发明的方法能够在雷达距离向测绘范围较小时实现宽带非线性调频信号欠采样处理，同时，降低了系统采样率，减少了数据传输量和存储量。

附图说明

图1为本发明的非线性调频信号欠采样处理方法的流程图；

图2为本发明的线性调频信号与非线性调频信号时频关系示意图；

图3为本发明的非线性调频回波信号欠采样后时频图；

图4为本发明的数字域去斜参考信号时频图；

图5为本发明的欠采样回波数字域去斜后时频图；

图6为本发明的恢复出的非线性调频回波信号时频图；

图7(a)为现有技术的匹配滤波脉冲压缩法得到的点目标一维距离像仿真结果图；

图7(b)本发明的欠采样处理方法得到的点目标一维距离像仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的非线性调频信号欠采样处理方法进行详细说明。

本发明提供了一种宽带非线性调频信号欠采样处理方法，首先对宽带非线性调频回波信号进行欠采样，得到数字回波信号，然后将数字回波信号与数字参考信号混频完成数字域去斜，得到数字去斜后的窄带回波信号，通过对数字去斜后的窄带回波信号进行上采样和线性调频恢复出宽带非线性调频信号，继而可以通过匹配滤波完成宽带非线性调频信号的脉冲压缩。本发明实现了宽带非线性调频信号欠采样处理，同时，降低了系统采样率，减少了数据传输量和存储量。

如图1所示，一种非线性调频信号欠采样处理方法，该处理方法具体实施步骤包括：

步骤1)对经过下变频到基带后的雷达回波信号s(t)以低于雷达系统发射信号s_t(t)带宽的采样频率进行AD欠采样；得到欠采样回波信号s_p(t)；

如图2所示，非线性调频信号s(t)可以被看做是窄带倒S形调频信号g(t)与宽带线性调频信号s_L(t)的复合信号，采用低于非线性调频发射信号带宽的采样率f_s对宽带回波信号直接进行欠采样，得到数字回波信号。采样率f_s满足关系式：

B_s≤f_s≤B，

B为非线性调频信号s_t(t)的带宽，B_s为数字域去斜后的回波信号带宽：

其中，K_f为线性调频信号s_L(t)的调频率，B_g为窄带倒S形调频信号g(t)的带宽，l为宽带雷达距离向观测范围，c为光速，通常情况下B_g＜＜B,当距离像观测范围l不太大时，能够满足B_s≤f_s≤B。

非线性调频信号的频率时间关系示意图如图2所示。非线性调频信号s(t)表示为窄带信号g(t)和宽带线性调频信号s_L(t)组成的复合信号，数学模型表示如下：

其中，K_f为线性调频信号s_L(t)的调频率，T_p为脉冲时间宽度。

在雷达系统中，点目标的回波信号下变频解调后为：

s_R(t)＝g(t-τ)·s_L(t-τ)＝g(t-τ)·exp(jπK_f(t-τ)²),-T_p/2≤t-τ≤T_p/2

其中，τ为回波时延，τ＝2R/c，R为目标到雷达接收机的距离。

对回波信号s_R(t)进行低速率A/D欠采样，相当于将回波信号s_R(t)与采样脉冲p(t)进行卷积：

-T_p/2≤nt_s-τ≤T_p/2，式中t_s为A/D采样时间间隔，t_s＝1/f_s；N为采样点数，为采样脉冲，欠采样后回波信号时频关系图如图3所示。

步骤2)在数字域欠采样回波信号与去斜数字参考信号混频获得去斜后的数字信号；去斜数字参考信号为采用相同采样率f_s对去斜参考线性调频参考信号欠采样得到的信号；

本步骤在后端计算机上处理，无需专门的器件设备。

数字域去斜参考信号为：

其中，T_r＞T_p为参考信号脉冲宽度，一般不小于采样窗时间。数字离散化得到：其中，M为参考信号离散化的点数；

欠采样回波信号与去斜参考信号混频获得去斜后的数字信号s_d(t)：

式中-T_p/2≤nt_s-τ≤T_p/2，-T_r/2≤mt_s≤T_r/2。

令

点目标回波信号与去斜参考信号相乘得到的一个载频为f_i的窄带倒S形调频信号，其表达式为:其中R_ref为去斜参考信号参考距离。如图4所示，三个点目标欠采样回波信号数字域去斜后得到的窄带信号的时频关系图。

步骤3)对数字去斜后的信号s_d(t)进行上采样，将上采样后的信号与参考线性调频信号进行线性调频恢复出宽带回波信号s_m(t)；

步骤4)将恢复后的宽带回波信号s_m(t)与发射信号s_t(t)进行匹配滤波后，进行脉冲压缩得到目标一维距离像。

将线性调制后恢复出的宽带回波信号s_m与发射参考信号进行匹配滤波，可得到目标距离向脉冲压缩后的一维距离像，点目标一维距离像表示为：

s₀＝IFFT(FFT(s_m(t)))*conj{FFT(s_t(t))}

基于上述非线性调频信号欠采样处理方法，在本实施例中，雷达发射非线性调频信号时宽T_p为20us，带宽B为300MHz，雷达接收机A/D采样率150MHz，参考距离R_ref选取为2000m，采样窗选取的长度为600m，采样窗时长T_ref为24us,三个点目标距离雷达接收机距离分别为1900m、2000m、2010m。回波信号经过雷达接收机欠采样的信号时频图如图3所示，从图中可以看出，经过雷达接收机欠采样后，宽带非线性调频回波信号出现混叠现象。使用欠采样的线性调频参考信号与欠采样回波混频去斜处理，数字域去斜参考信号时频关系图如图4所示，本实例中，去斜参考信号时宽24us,调频率为K_f＝15e¹²Hz/s，经过混频后，当雷达距离像观测范围相对较小时，欠采样回波信号转变为窄带信号，窄带信号时频关系图如图5所示。从图6可以看出，经过数字域混频去斜和上采样、线性调频后，可以从雷达接收机接收到的欠采样信号恢复出宽带线性调频信号。图7(a)和图7(b)分别给出了Nyquist采样率下传统匹配滤波得到的点目标一维距离像结果和本发明的方法得到的点目标一维距离像结果，从图中可以看出，本发明的所提出的方法可以在欠采样的情况下得到与传统匹配滤波一致的距离向脉冲压缩结果。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。