一种新型零中频脉冲压缩雷达系统的信号性能补偿方法

摘要

本发明公开了一种新型零中频脉冲压缩雷达系统及其信号性能补偿方法。雷达回波信号经低噪声放大器后分为I、Q通路，再分别依次经预定义滤波器、模拟数字转换器连接到数字处理器，数字处理器对信号进行脉冲压缩和信号性能补偿。预定义滤波器用于滤除零中频接收机的直流偏移和闪烁噪声所在的频段，采用高通滤波器，通过测量闪烁噪声所在频段带宽，确定其截止频率。本发明电路可单片集成，具有传统脉冲压缩雷达的高距离分辨率优点，克服了零中频接收机性能不足，使其运用在高要求的脉冲压缩雷达系统中成为可能，得到高性能、低能耗、低成本、和小体积的雷达系统；也可在近距离自动安全探测系统、高灵敏度视觉信号探测器等小型雷达系统中广泛运用。

权利要求

1.一种新型零中频脉冲压缩雷达系统的信号性能补偿方法，其特征在于：雷达系统包括低噪声放大器、预定义滤波器、模拟数字转换器和数字处理器，雷达回波信号经低噪声放大器后分为I通路和Q通路，I通路和Q通路分别依次经各自的预定义滤波器进行滤波处理、模拟数字转换器进行模拟数字转换后连接到数字处理器，数字处理器中对信号进行脉冲压缩和信号性能补偿，预定义滤波器用于滤除零中频接收机的直流偏移和闪烁噪声所在的频段；

其中，数字处理器中进行的信号性能补偿过程具体包括以下步骤：

1)通过以下公式计算得到经过滤波后的标准参考信号s′i(t)：其中，s'i(t)为经过滤波后的标准参考信号，h(u)为预定义滤波器的冲击响应，sref(t-u)为卷积运算下的标准参考信号，u为卷积积分变量；

2)将经过滤波后的标准参考信号s′i(t)替换为卷积运算下的经过滤波后的标准参考信号s′i(t-u)代入以下公式计算得到标准参考信号经滤波压缩后的信号X'R(t)：其中， 为雷达标准参考信号；

3)将标准参考信号经滤波压缩后的信号X'R(t)代入以下公式计算得到幅度调整因子As：其中， 为经脉冲压缩后的回波的正峰值；

4)采用以下公式计算参考误差函数eref(t)：

其中，sref(t)为标准参考信号；

5)将参考误差函数eref(t)替换成卷积运算下的参考误差函数eref(t-u)代入以下公式计算参考补偿函数E'PDF(t)：

6)将上式中得到的参考补偿函数E'PDF(t)和幅度调整因子As代入以下公式计算补偿函数EPDF(t)：EPDF(t)＝As×E'PDF(t)；

7)将补偿函数EPDF(t)的中心与经脉冲压缩后的回波XR(t)的主瓣对齐，再将补偿函数EPDF(t)和经脉冲压缩后的回波XR(t)相加，最终完成对经脉冲压缩后的信号XR(t)的补偿。

2.根据权利要求1所述的一种新型零中频脉冲压缩雷达系统的信号性能补偿方法，其特征在于：所述的数字处理器为FPGA或DSP。

3.根据权利要求1所述的一种新型零中频脉冲压缩雷达系统的信号性能补偿方法，其特征在于：所述的预定义滤波器采用高通滤波器，通过测量雷达回波信号闪烁噪声的所在频段带宽，并将所在频段带宽的1.2-1.5倍频点作为预定义滤波器的截止频率。

说明书

一种新型零中频脉冲压缩雷达系统的信号性能补偿方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种雷达系统及其补偿方法，尤其是涉及通信与雷达系统领域的一种新型零中频脉冲压缩雷达系统及其信号性能补偿方法。

背景技术

[0002] 零中频接收机在移动通信系统中已经有着广泛的应用。在过去的十年里，为了实现单片集成，许多改进被应用于零中频系统。包括用AC耦合消除直流分量、直流偏移补偿的反正切解调、删除直流偏移的可变增益放大器(VGA)、低闪烁噪声射频混频器的设计以及通过信号处理对闪烁噪声转角频率的降低。不过，克服直流偏移和闪烁噪声影响的理想方法是修改基带信号，要在不损失任何信息的条件下完全滤除掉直流偏移。这样的调制方案包括寻呼机中用到的二元频率键控(BFSK)，CDMA标准定义下的宽带信号以及基于BOC调制下的Galileo OS信号。但是，这些方法并不适用于脉冲压缩雷达，因为绝大多数存在的脉冲压缩雷达信号有直流和低频分量。去除这些分量会引起性能退化。到目前为止，基于零中频架构的脉冲压缩雷达很少有人关注，它的性能受到直流偏移和闪烁噪声的影响。

发明内容

[0003] 为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种新型零中频脉冲压缩雷达系统及其信号性能补偿方法，以线性调频信号(LFM)为发射信号，是新型高集成度、高性能的脉冲压缩雷达系统，降低成本，减小体积和降低能耗。与通信系统中修正基带信号这种方法不同的是，本发明使用一个预定义滤波器(PDF)来消除解调雷达信号中的直流偏移和闪烁噪声，并且基于LFM信号和预定义滤波器来补偿损失的雷达性能。

[0004] 本发明采用的技术方案是：

[0005] 一、一种新型零中频脉冲压缩雷达系统：

[0006] 包括低噪声放大器、预定义滤波器、模拟数字转换器和数字处理器，雷达回波信号经低噪声放大器后分为I通路和Q通路，I通路和Q通路分别依次经各自的预定义滤波器进行滤波处理、模拟数字转换器进行模拟数字转换后连接到数字处理器，数字处理器对信号进行脉冲压缩和信号性能补偿，预定义滤波器滤除零中频接收机的直流偏移和闪烁噪声所在的频段。

[0007] 所述的数字处理器为FPGA或DSP。

[0008] 所述的预定义滤波器采用高通滤波器，通过测量雷达回波信号闪烁噪声的所在频段带宽，并将所在频段带宽的1.2-1.5倍频点作为预定义滤波器的截止频率。

[0009] 二、一种新型零中频脉冲压缩雷达系统的信号性能补偿方法：

[0010] 其中所述雷达系统包括低噪声放大器、预定义滤波器、模拟数字转换器和数字处理器，雷达回波信号经低噪声放大器后分为I通路和Q通路，I通路和Q通路分别依次经各自的预定义滤波器进行滤波处理、模拟数字转换器进行模拟数字转换后连接到数字处理器，数字处理器中对信号进行脉冲压缩和信号性能补偿，预定义滤波器用于滤除零中频接收机的直流偏移和闪烁噪声所在的频段；

[0011] 其中，数字处理器中进行的信号性能补偿过程具体包括以下步骤：

[0012] 1)通过以下公式计算得到经过滤波后的标准参考信号s'i(t)：

[0013]

[0014] 其中，s'i(t)为经过滤波后的标准参考信号，h(u)为预定义滤波器的冲击响应，sref(t-u)为卷积运算下的标准参考信号，u为卷积积分变量；

[0015] 2)将经过滤波后的标准参考信号s'i(t)替换为卷积运算下的经过滤波后的标准参考信号s'i(t-u)代入以下公式计算得到标准参考信号经滤波压缩后的信号X'R(t)：

[0016]

[0017] 其中， 为雷达标准参考信号；

[0018] 3)将标准参考信号经滤波压缩后的信号X'R(t)代入以下公式计算得到幅度调整因子As：

[0019]

[0020] 其中， 为经脉冲压缩后的回波的正峰值；

[0021] 4)采用以下公式计算参考误差函数eref(t)：

[0022]

[0023] 其中，sref(t)为标准参考信号；

[0024] 5)将参考误差函数eref(t)替换成卷积运算下的参考误差函数eref(t-u)代入以下公式计算参考补偿函数E'PDF(t)：

[0025]

[0026] 6)将上式中得到的参考补偿函数E'PDF(t)和幅度调整因子As代入以下公式计算补偿函数EPDF(t)：

[0027] EPDF(t)＝As×E'PDF(t)；

[0028] 7)将补偿函数EPDF(t)的中心与经脉冲压缩后的回波XR(t)的主瓣对齐，再将补偿函数EPDF(t)和经脉冲压缩后的回XR(t)相加，最终完成对经脉冲压缩后的信号XR(t)的补偿。

[0029] 所述的数字处理器为FPGA或DSP。

[0030] 所述的预定义滤波器采用高通滤波器，通过测量雷达回波信号闪烁噪声的所在频段带宽，并将所在频段带宽的1.2-1.5倍频点作为预定义滤波器的截止频率。

[0031] 本发明的有益效果是：

[0032] 本发明可广泛用于实现高度集成、高性能的脉冲压缩雷达系统。本发明同时结合零中频接收机成本低，体积小，能耗少，可以单片集成以及脉冲压缩雷达的距离分辨率高的优点，克服零中频接收机性能上的不足，使零中频接收机运用在高性能的脉冲压缩雷达系统中成为可能，从而得到高性能，低能耗，低成本，小体积的雷达。可以在近距离自动安全探测系统，高灵敏度视觉信号探测器等小型雷达系统中广泛地运用。

附图说明

[0033] 图1是本发明系统结构示意图。

[0034] 图2是本发明实施例经过预定义滤波器前后的雷达回波信号对比图。

[0035] 图3是实施例中使用截止频率为1MHz的Sallen-Key二阶有源高通滤波器作为预定义滤波器的电路图。

[0036] 图4是不同信噪比的两个回波经过图3所示预定义滤波器前后的波形。(a)图中的信噪比为60dB；(b)图中的信噪比为0dB。

[0037] 图5是实施例中信噪比分别为0dB和60dB时单一目标回波的实验结果。

[0038] 图6是实施例中降低预定义滤波器的截止频率并且同时接收两个目标的回波的实验结果。

[0039] 图7是实施例中同时接收三个目标的回波情况下使用与不使用本发明提出 的补偿方法的对比图。

具体实施方式

[0040] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0041] 如图1所示，本发明系统包括低噪声放大器、预定义滤波器、模拟数字转换器和数字处理器，雷达回波信号经低噪声放大器后分为I通路和Q通路，I通路和Q通路分别依次经各自的预定义滤波器进行滤波处理、模拟数字转换器进行模拟数字转换后连接到数字处理器，数字处理器用于对信号进行脉冲压缩和信号性能补偿，预定义滤波器用于滤除零中频接收机的直流偏移和闪烁噪声所在的频段，并且要求最小的低频带宽损失。

[0042] 这个预定义滤波器不需要任何关于接受信号的信息。因此，预定义滤波器的低频截止频率必须要根据雷达接收机的直流偏移和闪烁噪声特性来设计。图2显示了一个0dB信噪比的回波信号被闪烁噪声和白噪声强烈影响。可以看出直流偏移和闪烁噪声被预定义滤波器有效地滤除了。白噪声没有被预定义滤波器影响。

[0043] 数字处理器中的脉冲压缩为常规的脉冲压缩操作，性能补偿是对上述滤波造成的距离分辨率的损失进行补偿。

[0044] 本发明中，传统零中频接收机中I、Q通路的低通滤波器被性能指标已知的预定义滤波器代替，用于有效地滤除解调雷达信号中零中频下变频产生的直流和低频噪声分量。对滤波后的信号进行常规的脉冲压缩处理之后，再利用相应的补偿方法恢复由于上述滤波造成的距离分分辨率的指标损失。

[0045] 上述的数字处理器为FPGA或DSP。

[0046] 所述的预定义滤波器采用高通滤波器，通过测量零中频接收机闪烁噪声的所在频段带宽，并将所在频段带宽的1.2-1.5倍频点作为预定义滤波器的截止频率。

[0047] 本发明系统的信号性能补偿方法包括：雷达系统包括低噪声放大器、预定义滤波器、模拟数字转换器和数字处理器，雷达回波信号经低噪声放大器后分为I通路和Q通路，I通路和Q通路分别依次经各自的预定义滤波器进行滤波处理、模拟数字转换器进行模拟数字转换后连接到数字处理器，数字处理器用于对信号进行脉冲压缩和信号性能补偿，预定义滤波器用于滤除零中频接收机的直流偏移和闪烁噪声所在的频段。

[0048] 上述的数字处理器为FPGA或DSP。

[0049] 所述的预定义滤波器采用高通滤波器，通过测量雷达回波信号闪烁噪声的所在频段带宽，并将所在频段带宽的1.2-1.5倍频点作为预定义滤波器的截止频 率。

[0050] 预定义滤波器的参数通过测量脉冲压缩雷达接收信号特性进行设定，用以滤除零中频接收机的直流偏移和闪烁噪声所在的频段，且要求尽量小的低频段损失。这样使得预定义滤波器可滤除范围不超过整个回波信号频段的10％。

[0051] 其中，数字处理器中进行的信号性能补偿过程具体包括以下步骤：

[0052] 1)通过以下公式计算得到经过滤波后的标准参考信号s'i(t)：

[0053]

[0054] 其中，s'i(t)为经过滤波后的标准参考信号，h(u)为预定义滤波器的冲击响应，sref(t-u)为卷积运算下的标准参考信号，u为卷积积分变量；

[0055] 2)将经过滤波后的标准参考信号s'i(t)替换为卷积运算下的经过滤波后的标准参考信号s'i(t-u)代入以下公式计算得到标准参考信号经滤波压缩后的信号X'R(t)：

[0056]

[0057] 其中， 为雷达标准参考信号；

[0058] 3)将标准参考信号经滤波压缩后的信号X'R(t)代入以下公式计算得到幅度调整因子As：

[0059]

[0060] 其中， 为经脉冲压缩后的回波的正峰值；

[0061] 4)采用以下公式计算参考误差函数eref(t)：

[0062]

[0063] 其中，sref(t)为标准参考信号；

[0064] 5)将参考误差函数eref(t)替换成卷积运算下的参考误差函数eref(t-u)代入以下公式计算参考补偿函数E'PDF(t)：

[0065]

[0066] 6)将上式中得到的参考补偿函数E'PDF(t)和幅度调整因子As代入以下公式计算补偿函数EPDF(t)：

[0067] EPDF(t)＝As′E'PDF(t)

[0068] 7)将补偿函数EPDF(t)的中心与经脉冲压缩后的回波XR(t)的主瓣对齐，再将补偿函数EPDF(t)和经脉冲压缩后的回XR(t)相加，最终完成对经脉冲压缩后的信号XR(t)的补偿。

[0069] 本发明信号性能补偿方法通过与信号接收处理过程中的预定义滤波器进行配合，完成信号性能的补偿。

[0070] 本发明方法的设计原理如下：

[0071] 脉冲压缩可以用接收的回波(以se(t)表示)和脉冲压缩雷达的匹配滤波器的冲击响应(通常是传输信号的共轭复数，以s(t)表示)的卷积来表示。因此，被压缩的回波，也称为“距离分辨率”，可以写成：

[0072]

[0073] 其中，sref(t)是脉冲压缩雷达的参考信号，即s(t)归一化后的信号。当一个已知的脉冲压缩雷达用一个特定的雷达信号时，sref(t)可以认为是一个已知的信号。

[0074] 为了分析预定义滤波器如何影响公式1定义的脉冲压缩函数，我们引入了一个时域上的误差函数e(t)，即滤波前后之差：

[0075] e(t)＝se(t)-si(t)     (2)

[0076] 其中，si(t)是经过滤波的回波，也即脉冲压缩的输入信号。注意到e(t)依赖于回波的幅度和各目标的改变。

[0077] 预定义滤波器对sref(t)和si(t)的卷积造成的影响可以通过将公式1中的se(t)替换成si(t)＝se(t)-e(t)：

[0078]

[0079] 注意到公式3右边第一项等于公式1中的理想距离分辨率XR,ideal(t)。将第二项定义成EPDF(t)，即XR,ideal(t)和XR(t)之间的补偿函数,用以描述距离分辨率的损失和预定义滤波器造成的压缩后主瓣与第一旁瓣之比(RSM)的损失。根据上述定义，得到[0080] XR,ideal(t)＝XR(t)+EPDF(t)    (4)

[0081] 基于公式4，若EPDF(t)可以找到，则损失的距离分辨率和RSM都可以被完全恢复。在实际情况中如果se(t)的幅度因为不同的目标而不同而且预定义滤波器有实际的冲击响应，相应的EPDF(t)可以用从sref(t)得到的参考补偿函数来校准。

[0082] 为了得到这样一个参考补偿函数，我们先计算一个归一化的参考误差函数，记为eref(t)，它由实际的预定义滤波器的冲击响应h(t)得到。在时域上，经过滤波的sref(t)是sref(t)和h(t)的卷积，所以eref(t)可以由如下式5得到：

[0083]

[0084] 因此，参考补偿函数，记为E’PDF(t)可以由参考误差函数eref(t)和sref(t)计算得来。由公式3，

[0085]

[0086] 最后，对于任何不同目标，相应的EPDF(t)可以由E’PDF(t)计算得到：

[0087] EPDF(t)＝As′E'PDF(t)     (7)

[0088] 其中，As是一个幅度调整因子。

[0089] 若一个信号在滤波前后的脉冲压缩都是已知的，则脉冲压缩的损失比例常量就可以计算出来。一般来说，参考信号sref(t)和经过的滤波的参考信号，如：

[0090]

[0091] 可以被用作已知信号。其相应的脉冲压缩，X'R,ideal(t)和

[0092]

[0093] 可以用作计算脉冲压缩损失的比例常量。因此，对于不同目标，As可以由目标的距离分辨率XR(t)计算得来：

[0094]

[0095] 其中，^符号代表脉冲压缩的正峰值。一旦As确定下来，EPDF(t)可以由公式7得出，低频带宽损失导致的距离分辨率的损失可以用本发明的信号性能补偿方法来恢复。

[0096] 本发明的实施例：

[0097] 为了证实本发明方法在雷达信号应用中的有效性，使用实验装置来进行验证，包括：一个直接数字式频率合成器(DDS)用作产生雷达回波信号，使用300MHz的采样率，DDS系统可以精确地产生任意的正交调制的线性调频信号，并且带有特定的直流偏置和闪烁噪声。产生的回波信号经过一个预定义滤波器， 这个预定义滤波器由放大器AD8047以及电阻电容构成。一个高效的数字示波器(Tektronix MSO4104B)用于显示回波信号和经过滤波器后的回波，并且将数字化的数据传输给数字处理器。用这样一套系统，就精确地产生了一个10-MHz带宽和10-μs时宽的回波，并且带有闪烁噪声和100mV的直流偏置。下面详细说明这套系统运作的整个过程。

[0098] 本发明系统中使用截止频率为1MHz的Sallen-Key二阶有源高通滤波器。预定义滤波器的电路图如图3。预定义滤波器的传递函数H(s)为：

[0099]

[0100] 其中，s表示s变换中s域，电阻R1的阻值采用R1＝141Ω，电阻R2的阻值R2＝150Ω，电容C1和电容C1的电容值采用C1＝C2＝1nF，截止频率f0为： 

[0101] 图4表示不同信噪比的两个回波滤波前和滤波后的波形。在(a)图中，信噪比为60dB，噪声对信号基本无影响。在(b)图中，信噪比为0dB，信号被闪烁噪声和白噪声强烈影响。可以看出无论是直流偏置还是闪烁噪声都被滤波器有效地滤除。

[0102] 本实施例的实验结果如下：

[0103] 图5表示了在信噪比分别为0dB和60dB时，单一目标回波的实验结果。

[0104] 图中各个图线代表含义见左上方图例。在0dB信噪比情况下，由于上述预定义滤波器的影响，脉冲压缩后回波的高度比理想情况下即不经过预定义滤波器低，从图中计算得出这个高度损失比值(脉冲压缩高度损失比)约为3。在接下来的补偿过程中，60dB信噪比的脉冲压缩后的回波经补偿过程后，其主瓣和旁瓣非常接近理想情况下的曲线。0dB信噪比的脉冲压缩后的回波经补偿过程后，因为随机白噪声的影响，其主瓣和旁瓣与理想情况有轻微的偏差。比较未经过补偿过程的图线可看出，无论信噪比高低，补偿结果均较为理想。

[0105] 为了探测多个目标，可以减少被滤除的频段。因为这样脉冲压缩后的高度损失会有所减少并且探测到多个目标的概率会提升。本实施例使用第二个预定义滤波器，与上一个滤波器结构相同，只有电阻R1的阻值，电阻R2的阻值，电容C1的电容值，电阻C2的电容值这四个参数有所改变。

[0106] 这里R1＝707Ω，R2＝1.41kΩ，C1＝C2＝446pF，截止频率为500kHz。图6表示了有两个相距40米的目标，其雷达反射截面积分别归一化为1和0.6。由 于用了一个截止频率更低的预定义滤波器，脉冲压缩高度损失比降为2.1。对于不同的两个信噪比，补偿的结果都较为完美。与上例类似，由于白噪声的影响，较低信噪比的回波补偿后与理想曲线有轻微的偏差。

[0107] 图7表示了三个信噪比都是10dB,但雷达反射截面积分别归一化为1,0.6,1.2。

[0108] 由此可见，如果没有本发明方法，闪烁噪声的影响会非常强烈，而且许多错误的指示会与真实目标一起出现。相反，使用了本发明方法，所有的三个目标都被正确地补偿并且无误地探测出来。

[0109] 由此，本发明的新型高集成度、高性能的脉冲压缩雷达系统，它在降低成本，减小体积和降低能耗方面有着巨大的潜能。上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。