一种基于MISO体制的无模糊距离扩展方法

摘要

一种基于MISO体制的无模糊距离扩展方法，它属于雷达抗折叠回波技术领域。本发明解决了现有的信号波形设计处理距离折叠回波方法在回波成分较为复杂情况下很难识别出距离折叠回波，对雷达系统探测性能提升的效果有限的问题。本发明基于MISO体制设计一种脉间相位编码信号使距离无模糊回波和距离折叠回波在角度维产生搬移，通过设计用于回波数据匹配处理的参考信号，可以将1次距离折叠回波从回波中提取出来，以此类推，可将2次、3次距离折叠回波及更高次距离折叠回波提取出来，实现不同次数距离折叠回波的分离，与现有波形设计距离折叠回波处理方法相比，本发明方法通过搬移可将各次距离折叠回波提取出来。本发明可以应用于雷达抗折叠回波技术领域用。

说明书

技术领域

本发明属于雷达抗距离折叠回波技术领域，具体涉及一种基于MISO体制的无模糊距离扩展方法。

背景技术

雷达可收到位于其最大无模糊探测距离之外的物体的较强回波，并将其误以为是位于其最大无模糊探测距离之内，从而产生距离折叠，由于距离折叠回波会导致目标距离测量错误，影响雷达目标探测性能，如何解决回波距离折叠问题就成为雷达系统探测性能研究的一个关键问题。

现有的信号波形设计处理距离折叠回波方法主要通过中国余数定理来设计几组不同重复周期信号来识别距离折叠回波，但这种方法在回波成分较为复杂情况下很难识别出距离折叠回波，或者通过直接增加无模糊测距范围的方式来处理距离折叠回波，但这种方式会导致测速范围减小，因此，现有的信号设计处理距离折叠回波方法对雷达系统探测性能提升的效果有限。

发明内容

本发明的目的是为解决现有的信号设计处理距离折叠回波方法在回波成分较为复杂情况下很难识别出距离折叠回波的问题，从而影响雷达系统探测性能。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

步骤一：雷达由M个间距为d的阵元发射不同信号，M个阵元呈线性阵列，由单个阵元接收回波信号，且接收端有M个匹配滤波器，实现M个阵元发射信号的分离；

设计雷达第m个阵元发射的第k个脉冲信号u_t,(m,k)(t)的表达式如公式(1)所示：

其中：j为虚数单位，m为阵元序号，m＝1,2,…,M，k为脉冲信号序号，K为积累脉冲数，k＝1,2,…,K，T_r为脉冲重复周期，T为脉冲宽度，f₀为发射信号载频，b为搬移系数，rect(·)为矩形脉冲函数，t代表时间；

s_m(t)为正交波形，且s_m(t)满足

其中：*为卷积运算符号，δ(t)为冲激函数，i′和j′分别代表M中的第i′个和第j′个阵元；

提取第1次距离折叠回波时，设计参考信号的形式如下：

则公式(1)的第m个阵元发射的第k个脉冲信号对应的回波信号u_r,(m,k)(t)与参考信号进行匹配处理，得到匹配处理后的回波数据u_{match,(m,k,n)}；

步骤二：雷达的各阵元分别发射公式(1)信号与不能解决距离折叠回波现象的MISO信号，则对于N_source个回波成分的情况，雷达发射公式(1)所示信号的第k个脉冲信号在接收端匹配处理得到回波数据U_k(t)，雷达发射不能解决距离折叠回波现象的MISO信号的第k个脉冲信号在接收端匹配处理得到回波数据X_k(t)，通过设计搬移系数控制距离无模糊回波和高于1次的距离折叠回波在角度维上的搬移量，使回波数据X_k(t)减去回波数据U_k(t)得到距离无模糊回波和高于1次的距离折叠回波数据Y_k(t)；

步骤三：计算距离折叠回波数据Y_k(t)的协方差矩阵，并通过滤波求得最优权矢量w_m,opt；

步骤四：利用最优权矢量计算出雷达各个阵元发射信号的回波数据中的1次折叠回波数据，即将各个阵元回波数据中的距离无模糊回波和高于1次的距离折叠回波成分抑制掉，提取出1次距离折叠回波数据；

步骤五：按照步骤一至步骤四的过程，将发射信号回波中的各次距离折叠回波数据依次提取出来，实现无模糊距离的扩展。

本发明的有益效果是：本发明的一种基于MISO体制的无模糊距离扩展方法，本发明基于MISO体制设计一种脉间相位编码信号使距离无模糊回波和距离折叠回波在角度维产生一定搬移量，通过设计用于回波数据匹配处理的参考信号，可以将1次距离折叠回波从回波中提取出来，以此类推，可将2次距离折叠回波，3次距离折叠回波及更高次距离折叠回波依次提取出来，即实现不同次数距离折叠回波的分离，分离出的不同成分空域时域信息皆未改变，相比较于现有的信号波形设计距离折叠回波处理方法，本发明的方法通过搬移可以将各次距离折叠回波提取出来，而且现有的各种信号处理方法可直接对分离出的成分进行处理，即本发明提出的距离折叠回波处理方法与现有的各种信号处理方法不冲突，可进行级联处理，大大提高了雷达探测性能。

附图说明

图1为本发明的雷达M个阵元组成的线性阵列示意图；

图2为雷达各阵元发射的不能解决距离折叠回波现象的MISO信号的示意图；

图3(a)为雷达发射本发明设计的公式(1)信号，匹配处理后的结果图；

其中：1次距离折叠回波在角度维位置无变化，距离无模糊回波在角度维上向负角度方向上搬移了0.2单位，2次距离折叠回波在角度维上向正角度方向上搬移了0.2单位；

图3(b)为雷达发射本发明设计的公式(1)信号和不能解决距离折叠回波现象的MISO信号，得到各阵元发射不能解决距离折叠回波现象的MISO信号对应的1次距离折叠回波数据d_m(t)的结果图；

其中：距离无模糊回波以及2次距离折叠回波被抑制，在角度多普勒谱上只剩下1次距离折叠回波；

图4(a)为雷达发射本发明设计的公式(1)信号，匹配处理后的结果图；

其中：距离无模糊回波在角度维上向负角度方向上搬移了0.4单位，1次距离折叠回波在角度维上向负角度方向上搬移了0.2单位；

图4(b)为雷达发射本发明设计的公式(1)信号和不能解决距离折叠回波现象的MISO信号，得到各阵元发射不能解决距离折叠回波现象的MISO信号对应的2次距离折叠回波数据d_m(t)的结果图；

其中：距离无模糊回波以及1次距离折叠回波被抑制，在角度多普勒谱上只剩下2次距离折叠回波。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于MISO体制的无模糊距离扩展方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：雷达由M个间距为d的阵元发射不同信号，M个阵元呈线性阵列，由单个阵元接收回波信号，且接收端有M个匹配滤波器，实现M个阵元发射信号的分离；

设计雷达第m个阵元发射的第k个脉冲信号u_t,(m,k)(t)的表达式如公式(1)所示：

其中：j为虚数单位，m为阵元序号，m＝1,2,…,M，k为脉冲信号序号，K为积累脉冲数，k＝1,2,…,K，T_r为脉冲重复周期，T为脉冲宽度，f₀为发射信号载频，b为搬移系数，用于调整距离折叠回波在角度维上的搬移量，bmk为脉间相位码，rect(·)为矩形脉冲函数，t代表时间；rect(·)为矩形脉冲函数，t代表时间；

s_m(t)为正交波形，保证在雷达接收端实现信号分选，且s_m(t)满足

其中：*为卷积运算符号，δ(t)为冲激函数，i′和j′分别代表M中的第i′个和第j′个阵元；s_i′(t)和s_j′(t)均为正交波形；

提取第1次距离折叠回波时，设计参考信号的形式如下：

则公式(1)的第m个阵元发射的第k个脉冲信号对应的回波信号u_r,(m,k)(t)与参考信号进行匹配处理，得到匹配处理后的回波数据u_{match,(m,k,n)}；n为回波折叠次数；步骤二：雷达的各阵元分别发射公式(1)信号与不能解决距离折叠回波现象的MISO信号，则对于N_source个回波成分的情况，雷达发射公式(1)所示信号的第k个脉冲信号在接收端匹配处理得到回波数据U_k(t)，雷达发射不能解决距离折叠回波现象的MISO信号的第k个脉冲信号在接收端匹配处理得到回波数据X_k(t)，通过设计搬移系数控制距离无模糊回波和高于1次的距离折叠回波在角度维上的搬移量，使回波数据X_k(t)减去回波数据U_k(t)得到距离无模糊回波和高于1次的距离折叠回波数据Y_k(t)；

所述不能解决距离折叠回波现象的MISO信号是指不能使折叠回波在角度维上产生搬移，进而与无模糊回波分离的MISO信号。

步骤三：计算距离折叠回波数据Y_k(t)的协方差矩阵，并通过滤波求得最优权矢量w_m,opt；

步骤四：利用最优权矢量计算出雷达各个阵元发射信号(指不能解决距离折叠回波现象的MISO信号)的回波数据中的1次距离折叠回波数据，即将各个阵元回波数据中的距离无模糊回波和高于1次的距离折叠回波成分抑制掉，提取出1次距离折叠回波数据；

步骤五：按照步骤一至步骤四的过程，将发射信号回波中的各次距离折叠回波数据依次提取出来，实现无模糊距离的扩展。

步骤五中依据步骤一中用于匹配处理的参考信号的设计方法，通过设计参考信号将信号回波数据中的各次距离折叠回波依次提取出来；

参考信号如下所示：

其中：当h分别取2、3、4……时，分别得到对应的参考信号，重复步骤一至步骤四的操作，即可将2、3、4……次距离折叠回波依次提取出来，实现无模糊距离的扩展，h代表第h次距离折叠回波。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一所述的一种基于MISO体制的无模糊距离扩展方法进行进一步的限定，所述步骤一中得到匹配处理后的回波数据u_{match,(m,k,n)}的具体过程为：

雷达发射公式(1)所示的信号探测目标，则第m个阵元发射的第k个脉冲信号对应的回波信号u_r,(m,k)(t)如公式(6)所示：

其中：τ为回波延时，回波延时τ表示如下：

其中：R表示被探测目标与雷达实际径向距离，v为被探测目标径向速度，c为光速，R₀为被探测目标与雷达等效径向距离，R_max为被探测目标与雷达的最大无模糊距离，n表示回波折叠次数；当n＝0时表示回波距离无模糊；

波离角θ是指被探测目标和雷达的连线与水平方向呈θ角，波离角θ对应的流型矢量a(θ)表示如下：

其中：λ为发射信号波长，且λ＝c/f₀；要求本发明设置·为乘法运算符，[·]^T为矩阵转置运算符；

则雷达发射信号的第k个脉冲信号对应的回波数据U_r,k(t)表示如下：

其中：u_r,(m,k)(t)表示第m个阵元发射的第k个脉冲信号对应的回波信号，且u_r,(m,k)(t)为一行向量；

提取第1次距离折叠回波时，回波信号u_r,(m,k)(t)在接收端与设计的参考信号进行匹配处理；设计的参考信号的形式如公式(4)所示：

经过匹配处理得到的回波数据u_{match,(m,k,n)}如公式(10)所示：

其中：ρ表示回波强度，第一部分可看做一常数值；第二部分可用于回波多普勒处理，测量目标速度值，第一部分与第二部分乘积记为其与阵元序号m无关；第三部分e^-j2πbm(n-1)则为具有距离折叠回波现象的信号产生的附加量，其中n为回波折叠次数，(n-1)b为折叠次数为n的回波在角度维搬移量；当n＝1即回波距离无模糊时，附加量相位值为0，即对其无影响。为中间变量，且

当折叠次数为n＝1时，相位附加量e^-j2πbm(n-1)为1，即1次距离折叠回波在角度维上不会产生搬移；

当折叠次数为n不等于1时，距离无模糊回波和高于1次的距离折叠回波在角度维上会产生搬移。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式二所述的一种基于MISO体制的无模糊距离扩展方法进行进一步的限定，所述步骤二雷达的各阵元分别发射公式(1)信号与不能解决距离折叠回波现象的MISO信号，则对于N_source个回波成分的情况，雷达发射公式(1)所示信号的第k个脉冲信号在接收端匹配处理得到回波数据U_k(t)，雷达发射不能解决距离折叠回波现象的MISO信号的第k个脉冲信号在接收端匹配处理得到回波数据X_k(t)，通过设计搬移系数控制距离无模糊回波和高于1次的距离折叠回波在角度维上的搬移量，使回波数据X_k(t)减去回波数据U_k(t)得到距离无模糊回波和高于1次的距离折叠回波数据Y_k(t)；其具体过程为：

步骤二一：雷达的各阵元分别发射公式(1)信号与不能解决距离折叠回波现象的MISO信号；

雷达的各阵元分别发射公式(1)信号与不能解决距离折叠回波现象的MISO信号，不能解决距离折叠回波现象的MISO信号同样通过各阵元发射相互正交波形、与公式(1)信号区别在于无脉间相位编码；

雷达第m个阵元发射不能解决距离折叠回波现象的MISO信号的第k个脉冲信号x_t,(m,k)(t)的表达式如下：

其中：g_m(t)为正交波形，且正交波形g_m(t)满足下式：

g_j′(t)与s_i′(t)正交，实现在接收端的信号分离：

s_i′(t)*gj_′(t)＝0i′,j′∈[1,M](13)

步骤二二：对于公式(1)所示信号的来自波离角θ方向的回波成分，信号的第k个脉冲在接收端匹配处理后的回波数据U_match,k(t)表示如下：

式中：u_{match,(m,k,n)}为第m个阵元发射的第k个脉冲信号经过匹配处理后的回波数据；⊕为哈达玛积运算符，L(n-1,b)＝[e^{-j2π(n-1)b·0},e^-j2π(n-1)b·1,…,e^{-j2π(n-1)b·(M-1)}]^T为公式(1)所示信号产生的空域搬移矢量，n为回波折叠次数；

对于来自波离角θ方向的回波成分，雷达发射不能解决距离折叠回波现象的MISO信号的第k个脉冲匹配处理后对应的回波数据X_match,k(t)表示如下：

则将式(15)减去式(14)得到：

当回波距离1次折叠，即回波折叠次数n＝1时，L(n-1,b)＝[1,1,…,1]^T，则式(16)等于(a(θ)-a(θ)⊕L(n-1,b))＝[0,0,…,0]^T；当回波折叠次数n≠1时，即式(16)等于(a(θ)-a(θ)⊕L(n-1,b))≠[0,0,…,0]^T，则距离1次距离折叠回波数据被对消掉，而距离无模糊数据及高于1次的距离折叠回波数据被保留下来；

记公式(1)所示信号有N_source个回波成分，各个回波成分对应的波离角度为各个回波成分对应的距离折叠次数为回波折叠次数为大于等于0的整数；

则对于N_source个回波成分的情况，雷达发射公式(1)所示信号的第k个脉冲信号在接收端匹配处理得到的回波数据U_k(t)表示如下：

上式中：为来自波离角θ₁方向的回波成分匹配处理后对应的中间变量，为的转置；

同理，对于N_source个回波成分的情况，雷达发射不能解决距离折叠回波现象的MISO信号的第k个脉冲信号在接收端匹配处理得到的回波数据X_k(t)表示如下：

则距离折叠回波数据Y_k(t)通过式(18)减去式(17)得到：

Y_k(t)＝X_k(t)-U_k(t)(19)

则为避免距离无模糊回波和高于1次的距离折叠回波在角度维搬移回原位置，搬移量(n-1)b需满足条件表示整数集合，即搬移量(n-1)b不等于整数。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式三所述的一种基于MISO体制的无模糊距离扩展方法进行进一步的限定，所述步骤三计算距离折叠回波数据Y_k(t)的协方差矩阵，

并通过滤波求得最优权矢量w_m,opt，其具体过程为：

距离折叠回波数据Y_k(t)的协方差矩阵R_Y为：

R_Y＝E[Y_k(t)Y_k(t)^H](20)

其中：E[·]表示数学期望运算；Y_k(t)^H为Y_k(t)的共轭矩阵；

将第m个阵元发射的信号对应的回波数据z_m(t)从U_k(t)中分离出来，z_m(t)表示如下：

则最优权矢量w_m,opt通过求解下式得到：

表示求的最小值，w_m,opt为一列向量，[·]^H为共轭转置运算，||·||₂表示二范数运算，通过计算上式，得到最优权矢量w_m,opt表示如下：

其中：[·]^-1为求逆运算，r_Y,Z＝E[Y_k(t)z_m(t)^H]，r_Y,Z为中间变量。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式四所述的一种基于MISO体制的无模糊距离扩展方法进行进一步的限定，所述利用最优权矢量计算出雷达各个阵元发射信号的回波数据中的1次折叠回波数据，即将各个阵元回波数据中的距离无模糊回波和高于1次的距离折叠回波成分抑制掉，提取出1次距离折叠回波数据，其具体过程为：

雷达第m个阵元发射的信号对应的1次距离折叠回波数据d_m(t)表示如下：

同理，计算出雷达其他阵元发射的不能解决距离折叠回波现象的MISO信号中的1次距离折叠回波数据，即雷达各个阵元发射的不能解决距离折叠回波现象的MISO信号对应的回波数据中距离无模糊回波成分和高于1次距离折叠回波成分被抑制掉，得到1次距离折叠回波数据。

实施例

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

采用本发明设计公式(1)信号，通过设计用于回波匹配处理的参考信号，结合滤波处理，可以将1次距离折叠回波从回波中提取出来，以此类推，可将2次距离折叠回波，3次距离折叠回波及更高次距离折叠回波依次提取出来，即实现不同次数距离折叠回波的分离，下面是具体实验参数与结果：

实验设置参数如下：

表1实验参数

如图2所示，雷达(MISO体制阵列各种阵元)发射不能解决距离折叠回波现象的MISO信号的情况下，处于同一波束范围内，与雷达径向速度相近，等效距离相同的距离无模糊回波，1次距离折叠回波，2次距离折叠回波在角度多普勒维上交叠在一起，无法对其进行分辨；

由图3(a)所示，雷达(MISO体制阵列各种阵元)发射本发明设计的公式(1)信号情况下，通过设计用于匹配处理的参考信号，将其用于对回波的匹配处理，1次距离折叠回波在角度维位置无变化，距离无模糊回波在角度维上向负角度方向上搬移了0.2单位，2次距离折叠回波在角度维上向正角度方向上搬移了0.2单位，在角度维上实现了分离；

由图3(b)所示，雷达(MISO体制阵列各种阵元)发射本发明设计的公式(1)信号和不能解决距离折叠回波现象的MISO信号，针对性的设计用于匹配处理的参考信号，对匹配处理后的结果相减得到距离无模糊以及2次距离折叠回波数据，用其对本发明设计的信号得到的回波进行滤波处理，距离无模糊以及2次距离折叠回波被抑制，在角度多普勒谱上只剩下1次距离折叠回波；

由图4(a)所示，雷达(MISO体制阵列各种阵元)发射本发明设计的公式(1)信号的情况下，通过设计用于匹配处理的参考信号，将其用于对回波的匹配处理，2次距离折叠回波在角度维位置无变化，距离无模糊回波在角度维上向负角度方向上搬移了0.4单位，1次距离折叠回波在角度维上向负角度方向上搬移了0.2单位，在角度维上实现了分离；

由图4(b)所示，雷达(MISO体制阵列各种阵元)发射本发明设计的公式(1)信号和不能解决距离折叠回波现象的MISO信号，针对性的设计用于匹配处理的参考信号，对匹配处理后的结果相减得到距离无模糊以及1次距离折叠回波数据，进而得到其协方差矩阵，用其对本发明设计的信号得到的回波进行滤波处理，距离无模糊以及1次距离折叠回波被抑制，在角度多普勒谱上只剩下2次距离折叠回波。