專利名稱：一種偽隨機復(fù)合調(diào)制信號的非完全匹配處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達(dá)信號處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到偽隨機復(fù)合調(diào)制(FSK/PSK)雷達(dá)信號的處理技術(shù)。
背景技術(shù)：
眾所周知，雷達(dá)主要用于搜索和跟蹤飛機、艦船等目標(biāo)，而目標(biāo)回波通常伴隨有山丘、雨、雪和海浪等雜波，雜波往往比目標(biāo)回波強的多?，F(xiàn)代雷達(dá)面臨更加惡劣的電磁環(huán)境，各種有源和無源干擾總是與雷達(dá)同步發(fā)展，特別是近年迅速發(fā)展起來的低可觀測性目標(biāo)(俗稱隱身目標(biāo))技術(shù)，大幅度降低了目標(biāo)對電磁波的反射。為了從這種復(fù)雜的環(huán)境和各種干擾中獲取目標(biāo)信息，必然對雷達(dá)信號處理技術(shù)提出更高、更新的要求。傳統(tǒng)的雷達(dá)信號處理方法不斷地得到新的突破，如脈沖壓縮(簡稱脈壓)雷達(dá)的出現(xiàn)，它是匹配濾波器系統(tǒng)的一種實際實現(xiàn)，有效地解決了雷達(dá)作用距離和分辨率之間的矛盾。
由文獻(xiàn)(張賢達(dá).現(xiàn)代信號處理.北京清華大學(xué)出版社，1995)，s(t)是已知信號，若濾波器沖激響應(yīng)hm(t)滿足hm(t)＝ks*(t0-t)(1)式中k為常數(shù)，t0為使濾波器物理可實現(xiàn)的附加遲延，下標(biāo)m表示匹配，*表示共軛。則濾波器對輸入信號s(t)的響應(yīng)輸出信噪比(SNR)最大，該濾波器稱為匹配濾波器。
文獻(xiàn)(黃德雙等.高分辨雷達(dá)智能信號處理技術(shù).北京機械工業(yè)出版社，2001)指出窄帶雷達(dá)信號中，目標(biāo)近似為點目標(biāo)，接收回波波形sR(t)與發(fā)射信號sT(t)基本相同，即sR(t)≈sT(t)，對應(yīng)的匹配濾波器設(shè)計為hm(t)＝ksT(t0-t) (2)式中k為常數(shù)，t0為使濾波器物理可實現(xiàn)的附加遲延。下標(biāo)T表示發(fā)射，下標(biāo)R表示接收，下標(biāo)m表示匹配。
寬帶雷達(dá)信號中，點目標(biāo)變?yōu)檠鼐嚯x延伸的面目標(biāo)，發(fā)射信號經(jīng)目標(biāo)反射后的回波與原發(fā)射信號發(fā)生很大的差異。假設(shè)目標(biāo)后向散射的沖激響應(yīng)為h(t)，則對發(fā)射信號sT(t)的接收回波信號sR(t)可以表示為sR(t)＝sT(t)h(t) (3)式中表示卷積。對應(yīng)的匹配濾波器設(shè)計為hm(t)＝ksT(t0-t)h(t0-t) (4)式中表示卷積，k為常數(shù)，t0為使濾波器物理可實現(xiàn)的附加遲延。下標(biāo)T表示發(fā)射，下標(biāo)R表示接收，下標(biāo)m表示匹配。
為加以區(qū)分，本發(fā)明中把上述的處理過程叫做“匹配濾波處理方法”，圖1是該方法的原理框圖。圖中sT(t)是雷達(dá)發(fā)射信號，下標(biāo)T表示發(fā)射，目標(biāo)散射表示目標(biāo)對發(fā)射信號的影響，hm(t)是匹配濾波器的沖激響應(yīng)，下標(biāo)m表示匹配，R(τ)是匹配濾波處理后的輸出，τ表示時間延遲。
文獻(xiàn)(羅宏、許小劍、黃培康等.目標(biāo)寬帶雷達(dá)特征信號的建模和預(yù)測.電子學(xué)報，1999)指出在光學(xué)區(qū)，復(fù)雜目標(biāo)一般可以看成是由許多個孤立的散射中心組成的。雷達(dá)發(fā)射并接收寬帶信號，對獲取的頻域數(shù)據(jù)H(ω)做傅立葉反變換，得到目標(biāo)一維距離像，本發(fā)明中近似為目標(biāo)的后向散射沖激響應(yīng)h(t)。
h(t)=∫-∞+∞H(ω)ejωtdω---(5)]]>式中t表示時間，ω表示角頻率。
匹配濾波處理方法的實質(zhì)是通過設(shè)計匹配濾波器，實現(xiàn)對不同類型發(fā)射信號匹配接收目的，在得到最大信噪比(SNR)同時，獲取目標(biāo)信息，匹配濾波器的沖激響應(yīng)與回波信號是共軛鏡像的關(guān)系。窄帶雷達(dá)信號中，得到雷達(dá)發(fā)射信號多普勒頻率延遲和時間延遲信息；寬帶雷達(dá)信號中，得到反映目標(biāo)特征信息的距離像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于復(fù)合調(diào)制(FSK/PSK)信號的雷達(dá)的非完全匹配信號處理技術(shù)，以期雷達(dá)能獲得目標(biāo)散射特征信息，得到更大的信噪比輸出。
為了方便地描述本發(fā)明中的內(nèi)容，首先做以下幾個術(shù)語定義
1.偽隨機FSK(頻移鍵控)/PSK(相移鍵控)信號偽隨機FSK/PSK信號是同時實現(xiàn)跳頻和調(diào)相的一種信號，其中FSK跳頻序列遵循一定規(guī)律隨機變化，PSK調(diào)相序列為二元偽隨機序列。
2.偽隨機FSK/PSK信號復(fù)包絡(luò)形式如下s(t)=Σn=0N-1cnΠ(t-nTT)ej2πant---(6)]]>式中N為子脈沖總數(shù)，T為子脈沖寬度，cn為PSK序列，an為偽隨機FSK/PSK信號中第n個子脈沖的頻率，對應(yīng)為FSK序列，∑表示全體求和。
3.非完全匹配處理信號與發(fā)射信號相比引入失配相位的處理信號，稱為非完全匹配處理信號。
4.非完全匹配處理信號的復(fù)包絡(luò)形式如下c(t)=Σn=0N-1cnΠ(t-nTT)ej(2πant+Φn)---(8)]]>式中N為子脈沖總數(shù)，T為子脈沖寬度，cn為PSK序列，an為非完全匹配處理信號中第n個子脈沖的頻率，對應(yīng)為FSK序列，∑表示全體求和，Φn為非完全匹配處理信號中第n個子脈沖的失配相位。
5.復(fù)合調(diào)制信號的非完全匹配處理將信號能量優(yōu)化分配到目標(biāo)重要頻率點上，并提取失配相位產(chǎn)生非完全匹配處理信號，通過對回波信號互相關(guān)接收，實現(xiàn)信號處理的過程。
6.基頻頻率f0＝1/T(10)式中f0是基頻頻率，它表示本發(fā)明中偽隨機FSK/PSK信號和非完全匹配處理信號的最小頻率，T為子脈沖寬度。
7.矩形窗 式中M表示矩形窗的點數(shù)。
本發(fā)明提供一種偽隨機復(fù)合調(diào)制信號的非完全匹配處理方法(如圖2所示)，其特征包括如下步驟第一步獲得目標(biāo)一維距離像接收雷達(dá)寬帶信號，對獲取的頻域數(shù)據(jù)H(ω)做傅立葉反變換，得到目標(biāo)一維距離像h(t)；h(t)=∫-∞+∞H(ω)ejωtdω---(12)]]>式中t表示時間，ω表示角頻率；第二步對第一步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)，采用下面方法，得到目標(biāo)一維距離像h(t)的頻域數(shù)據(jù)；首先，對第一步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)按照Nyquist采樣定理，2倍采樣，得到離散化的目標(biāo)一維距離像；然后，使離散化的目標(biāo)一維距離像采樣點數(shù)是2的整數(shù)倍，如果采樣點數(shù)不是2的整數(shù)倍，離散化的目標(biāo)一維距離像末尾補零滿足；最后，利用FFT算法實現(xiàn)第一步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)的傅立葉交換，得到目標(biāo)一維距離像h(t)的頻域數(shù)據(jù)；
第三步對第二步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)的頻域數(shù)據(jù)，取絕對值，得到目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的幅頻值，同時得到與目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的幅頻值對應(yīng)的目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的相頻值；第四步利用第三步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的幅頻值，采用下面方法，得到偽隨機FSK/PSK信號；首先，對第三步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的所有頻率點處幅頻值求和，再把目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的所有頻率點處的幅頻值除以上面求得的和值，得到目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的歸一化幅頻值；然后，把目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的歸一化幅頻值乘以偽隨機FSK/PSK信號的子脈沖總數(shù)N，取整，得到各倍頻在偽隨機FSK/PSK信號中出現(xiàn)的次數(shù)矩陣，該次數(shù)矩陣的元素位置表示偽隨機FSK/PSK信號中子脈沖的倍頻數(shù)；接著，隨機抽取上面得到的各倍頻在偽隨機FSK/PSK信號中出現(xiàn)次數(shù)矩陣的元素位置，將隨機抽取到的該倍頻出現(xiàn)次數(shù)矩陣元素位置處元素值減一，同時記錄本次抽取到的元素位置，把該位置值(倍頻數(shù))保存為元素個數(shù)等于子脈沖總數(shù)N矩陣的第一個元素值；同樣，將第二次抽取到的各倍頻出現(xiàn)次數(shù)矩陣的元素位置保存為元素個數(shù)等于子脈沖總數(shù)N矩陣的第二個元素值，以此類推；如果隨機抽取到的各倍頻出現(xiàn)次數(shù)矩陣的元素位置處元素值為零，就把該位置移位到各倍頻出現(xiàn)次數(shù)矩陣的后面，并且下次隨機抽取的各倍頻出現(xiàn)次數(shù)矩陣元素位置范圍減一；重復(fù)上述過程，直到各倍頻出現(xiàn)次數(shù)矩陣的所有元素值均為零，得到的那個元素個數(shù)等于子脈沖總數(shù)N的矩陣，就是偽隨機FSK/PSK信號中各子脈沖出現(xiàn)的倍頻數(shù)矩陣，該倍頻數(shù)矩陣乘以基頻頻率f0；得到FSK序列an；再接著，利用隨機函數(shù)rand()產(chǎn)生
上均勻分布的數(shù)，當(dāng)數(shù)值大于等于0.5時，取值+1，當(dāng)數(shù)值小于0.5時，取值-1，產(chǎn)生一個長度等于子脈沖總數(shù)N的均勻二相編碼序列，即為相移鍵控PSK序列cn；最后，由上面得到的頻移鍵控FSK序列an，相移鍵控PSK序列cn，指定的N和T，按照下面公式，
偽隨機FSK/PSK信號復(fù)包絡(luò)形式如下s(t)=Σn=0N-1cnΠ(t-nTT)ej2πant---(13)]]>式中N為子脈沖總數(shù)，T為子脈沖寬度，cn為PSK序列，an為偽隨機FSK/PSK信號中第n個子脈沖的頻率，對應(yīng)為FSK序列，∑表示全體求和； 就可以得到偽隨機FSK/PSK信號；第五步利用第三步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的相頻值，與目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的幅頻值一一對應(yīng)的抽取各倍頻處的相位值，將這些相位值依次順序排列，得到倍頻失配相位矩陣；第六步利用第五步得到的倍頻失配相位矩陣，采用下面方法，得到各子脈沖失配相位序列；首先，把各子脈沖失配相位值在非完全匹配處理信號中出現(xiàn)的次數(shù)矩陣等于第四步中各倍頻在偽隨機FSK/PSK信號中出現(xiàn)的次數(shù)矩陣，該次數(shù)矩陣的元素位置表示非完全匹配處理信號子脈沖的倍頻數(shù)；然后，對上面得到的各子脈沖失配相位值在非完全匹配處理信號中出現(xiàn)的次數(shù)矩陣，隨機抽取各子脈沖失配相位值出現(xiàn)次數(shù)矩陣的元素位置(元素位置表示倍頻數(shù))，根據(jù)第五步得到的倍頻失配相位矩陣，得到隨機抽取到的各子脈沖失配相位值出現(xiàn)次數(shù)矩陣元素位置表示的倍頻數(shù)對應(yīng)的相位值，做為非完全匹配處理信號中當(dāng)前子脈沖的失配相位值，當(dāng)前子脈沖的失配相位值做為元素個數(shù)等于子脈沖總數(shù)N矩陣的第一個元素值，并且將隨機抽取到的各子脈沖失配相位值出現(xiàn)次數(shù)矩陣元素位置處的元素值減一；同理，將第二次抽取到的各子脈沖失配相位值在非完全匹配處理信號中出現(xiàn)的次數(shù)矩陣的元素位置表示的倍頻數(shù)對應(yīng)的相位值，做為元素個數(shù)等于子脈沖總數(shù)N矩陣的第二個元素值，并且將隨機抽取到的各子脈沖失配相位值出現(xiàn)次數(shù)矩陣元素位置處的元素值減一，以此類推；如果隨機抽取到的各子脈沖失配相位值出現(xiàn)次數(shù)矩陣元素位置處元素值為零，就把該位置移位到各子脈沖失配相位值出現(xiàn)次數(shù)矩陣的后面，并且下次隨機抽取的各子脈沖失配相位值出現(xiàn)次數(shù)矩陣元素位置范圍減一；重復(fù)上述過程，直到各子脈沖失配相位值出現(xiàn)次數(shù)矩陣的每個元素值均為零；最后，把上面得到的元素個數(shù)等于子脈沖總數(shù)N的矩陣做為各子脈沖失配相位序列，即Φn；第七步利用第四步得到的偽隨機FSK/PSK信號和第六步得到的各子脈沖失配相位序列，采用下面方法，得到非完全匹配處理信號；將第六步得到的各子脈沖失配相位序列Φn與各倍頻數(shù)一一對應(yīng)的加入第四步得到的偽隨機FSK/PSK信號中，得到非完全匹配處理信號；非完全匹配處理信號復(fù)包絡(luò)形式如下c(t)=Σn=0N-1cnΠ(t-nTT)ej(2πant+Φn)---(15)]]>式中N為子脈沖總數(shù)，T為子脈沖寬度，cn為PSK序列，an為非完全匹配處理信號中第n個子脈沖的頻率，對應(yīng)為FSK序列，∑表示全體求和，Φn表示各子脈沖失配相位序列； 第八步對第四步得到的偽隨機FSK/PSK信號和第七步得到的非完全匹配處理信號，采用下面方法，得到兩者互相關(guān)結(jié)果；首先，對第四步得到的偽隨機FSK/PSK信號，取傅立葉變換(FFT)，得到偽隨機FSK/PSK信號的頻域數(shù)據(jù)；然后，對第七步得到的非完全匹配處理信號，取傅立葉變換(FFT)，得到非完全匹配處理信號的頻域數(shù)據(jù)；
接著，把上面得到的偽隨機FSK/PSK信號的頻域數(shù)據(jù)共軛點乘上面得到的非完全匹配處理信號的頻域數(shù)據(jù)；最后，對上面得到的偽隨機FSK/PSK信號的頻域數(shù)據(jù)和非完全匹配處理信號的頻域數(shù)據(jù)的共軛點乘結(jié)果，取反傅立葉變換(IFFT)，得到偽隨機FSK/PSK信號和非完全匹配處理信號的互相關(guān)結(jié)果；公式如下χ(v)=1Td∫-∞∞s(t)c(t+v)dt---(17)]]>式中s(t)表示偽隨機FSK/PSK信號，c(t)表示非完全匹配處理信號，Td表示信號s(t)和c(t)的持續(xù)時間(如果應(yīng)用到雷達(dá)信號體現(xiàn)為脈寬)，v表示時間延遲；第九步對第八步得到的偽隨機FSK/PSK信號和非完全匹配處理信號的互相關(guān)結(jié)果，選擇矩形窗；第十步利用第八步得到的偽隨機FSK/PSK信號和非完全匹配處理信號的互相關(guān)結(jié)果，采用下面方法，恢復(fù)出目標(biāo)一維距離像；首先，以第八步得到的偽隨機FSK/PSK信號和非完全匹配處理信號的互相關(guān)結(jié)果圖形的中點為中心，左右對稱交換位置(IFFTSHIFT)，取絕對值，得到偽隨機FSK/PSK信號和非完全匹配處理信號互相關(guān)結(jié)果的模值；然后，在上面得到的偽隨機FSK/PSK信號和非完全匹配處理信號互相關(guān)結(jié)果的模值中心處兩側(cè)，用長度等于第二步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)采樣點數(shù)的矩形窗乘以偽隨機FSK/PSK信號和非完全匹配處理信號互相關(guān)結(jié)果圖形，得到恢復(fù)出的目標(biāo)一維距離像；恢復(fù)出的目標(biāo)一維距離像如下式χ(τ)=(T-|τ|)Σk=0K-1Pkej(2πakτ+Φk)---(18)]]>式中T表示子脈沖寬度，τ表示時間延遲，K表示目標(biāo)一維距離像h(t)的采樣點數(shù)，Pk表示目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的歸一化幅頻值，ak表示目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的頻率，Φk表示目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的相位值，∑表示全體求和；
第十一步利用第一步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)與第十步得到的恢復(fù)出目標(biāo)一維距離像，采用下面方法，得到雷達(dá)系統(tǒng)非完全匹配處理輸出結(jié)果；首先，對第十步得到的恢復(fù)出的目標(biāo)一維距離像，取傅立葉變換(FFT)，得到恢復(fù)出的目標(biāo)一維距離像的頻域數(shù)據(jù)；然后，把上面得到的恢復(fù)出的目標(biāo)一維距離像的頻域數(shù)據(jù)共軛點乘第二步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)的頻域數(shù)據(jù)；最后，對上面得到的恢復(fù)出的目標(biāo)一維距離像的頻域數(shù)據(jù)和第二步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)的頻域數(shù)據(jù)的共軛點乘結(jié)果，取反傅立葉變換(IFFT)，得到雷達(dá)系統(tǒng)非完全匹配處理輸出結(jié)果。
非完全匹配處理輸出結(jié)果，公式如下R(τ)=∫-∞∞h(v)χ(v+τ)dv---(19)]]>式中τ表示時間延遲，v表示相關(guān)積分過渡變量，h(v)表示目標(biāo)一維距離像，χ(v)對應(yīng)公式如下χ(v)=1Td∫-∞∞s(t)c(t+v)dt---(20)]]>式中s(t)表示偽隨機FSK/PSK信號，c(t)表示非完全匹配處理信號，Td表示信號s(t)和c(t)的持續(xù)時間(如果應(yīng)用到雷達(dá)信號體現(xiàn)為脈寬)，v表示時間延遲；經(jīng)過以上步驟后，就可以實現(xiàn)對于偽隨機復(fù)合調(diào)制(FSK/PSK)信號的非完全匹配處理。
本發(fā)明工作原理分析非完全匹配處理方法原理如下如圖3所示，非完全匹配處理輸出為R(τ)=1Td∫-∞∞[s(t-τ)⊗h(t)]×c(t)dt---(21)]]>
式中表示卷積，×表示一般乘法，s(t)表示偽隨機FSK/PSK信號，c(t)表示非完全匹配處理信號，Td表示信號s(t)和c(t)的持續(xù)時間(如果應(yīng)用到雷達(dá)信號體現(xiàn)為脈寬)，τ表示時間延遲，h(t)表示目標(biāo)一維距離像。把卷積的定義式代入(21)并改變積分順序得R(τ)=1Td∫-∞∞h(v)∫-∞∞s(t-v-τ)c(t)dtdv---(22)]]>對式(22)積分得R(τ)=∫-∞∞h(v)χ(v+τ)dv---(23)]]>式(23)中χ(v)=1Td∫-∞∞s(t)c(t+v)dt---(24)]]>下面理論推導(dǎo)通過偽隨機FSK/PSK信號s(t)和非完全匹配處理信號c(t)的互相關(guān)結(jié)果，恢復(fù)出目標(biāo)一維距離像的過程首先，由第四步得到的FSK序列an和第六步得到的各子脈沖失配相位序列Φn的產(chǎn)生過程，可知FSK序列an和各子脈沖失配相位序列Φn在子脈沖串中出現(xiàn)的概率密度函數(shù)為f(an,Φn)=Σk=0K-1Pkδ(an-ak,Φn-Φk)---(25)]]>式中K表示目標(biāo)一維距離像h(t)的采樣點數(shù)，Pk表示目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的歸一化幅頻值，ak表示目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的頻率，Φk表示目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的相位值，∑表示全體求和。
假設(shè)非完全匹配處理信號c(t)與偽隨機FSK/PSK信號s(t)互相關(guān)處理時，偽隨機FSK/PSK信號s(t)已經(jīng)經(jīng)過了一段時間的時延，令時延為τ，則
s*(t-τ)c(t)=Σn=0N-1cnΠ(t-τ-nTT)e-j2πan(t-τ)Σm=0N-1cmΠ(t-mTT)ej(2πamt+Φm)---(26)]]>式中*求共軛。又門函數(shù)∏(t)有以下幾點性質(zhì)Π(t-nTT)Π(t-mTT)=Π(t-nTT)......n=m0......n≠m---(27)]]>Π(t-Δ2-nTT)Π(t+Δ2-nTT)=Π(t|T-Δ|)---(28)]]>由模糊函數(shù)性質(zhì)可知，雷達(dá)信號的互相關(guān)函數(shù)，時延τ＞0與τ＜0的結(jié)果是對稱的，這里取τ＞0。
cn是第四步得到的PSK序列，對其求統(tǒng)計平均E(cncm)＝δ(n-m) (29)對式(26)求統(tǒng)計平均，并將式(28)、(29)代入得到Ecn[s*(t-τ)c(t)]=Σn=0N-1Π(t|T-τ|)ej(2πanτ+Φn)---(30)]]>繼續(xù)對式(30)中的Φn，an求均值，同時將式(25)代入(30)式得Ecn,an,Φn[s*(t-τ)c(t)]=Σn=0N-1Π(t|T-τ|)Σk=0K-1Pkej(2πakτ+Φk)---(31)]]>由式(31)導(dǎo)出偽隨機FSK/PSK信號s(t)與非完全匹配處理信號c(t)的互相關(guān)函數(shù)如下式χ(τ)=∫-∞+∞Ecn,an,Φn[s*(t-τ)c(t)]dt]]>=∫-∞+∞Σn=0N-1Π(tT-τ)Σk=0K-1Pkej(2πakτ+Φk)dt---(32)]]>將式(28)代入式(32)中，得到從偽隨機FSK/PSK信號s(t)和非完全匹配處理信號c(t)的互相關(guān)結(jié)果中恢復(fù)出的目標(biāo)一維距離像χ(τ)=(T-|τ|)Σk=0K-1Pkej(2πakτ+Φk)---(33)]]>式中T表示子脈沖寬度，τ表示時間延遲，K表示目標(biāo)一維距離像h(t)的采樣點數(shù)，Pk表示目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的歸一化幅頻值，ak表示目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的頻率，Φk表示目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的相位值，∑表示全體求和。
從式(33)可以看出，后面的求和項很顯然是目標(biāo)一維距離像頻域的傅立葉反變換，(T-|τ|)相當(dāng)于加了一個三角窗。因此，本發(fā)明中的非完全匹配處理方法中，非完全匹配處理信號與偽隨機FSK/PSK雷達(dá)信號的互相關(guān)函數(shù)近似等于雷達(dá)目標(biāo)一維距離像h(t)。
本發(fā)明的實質(zhì)是通過將信號的能量優(yōu)化分配到目標(biāo)散射強的區(qū)域，并提取失配相位產(chǎn)生非完全匹配處理信號，使雷達(dá)發(fā)射信號和非完全處理信號的互相關(guān)函數(shù)近似等于雷達(dá)目標(biāo)一維距離像，最終雷達(dá)信號處理輸出為目標(biāo)一維距離像的自相關(guān)函數(shù)，與沖激雷達(dá)相比，能獲得更大的信噪比，與現(xiàn)有匹配濾波處理技術(shù)相比，能獲得更多的目標(biāo)信息。
本發(fā)明提出的非完全匹配信號處理方法，對雷達(dá)跟蹤目標(biāo)和低可觀測性目標(biāo)的識別有重要意義。


圖1匹配濾波處理方法原理框中sT(t)是雷達(dá)發(fā)射信號，下標(biāo)T表示發(fā)射，目標(biāo)散射表示目標(biāo)對發(fā)射信號的影響，hm(t)是匹配濾波器的沖激響應(yīng)，下標(biāo)m表示匹配的含義，R(τ)是匹配濾波處理后的輸出，τ表示時間延遲。
圖2非完全匹配處理方法流程3非完全匹配處理方法原理框中h(t)表示雷達(dá)目標(biāo)一維距離像，s(t-τ)表示雷達(dá)發(fā)射的偽隨機FSK/PSK信號，c(t)表示非完全匹配處理信號，R(τ)表示非完全匹配處理的結(jié)果，積分為 τ表示時間延遲。
圖4、圖5和圖6是本發(fā)明的計算機仿真結(jié)果實例圖中坐標(biāo)軸橫坐標(biāo)表示的是距離單元數(shù)，縱坐標(biāo)表示的是歸一化的幅度值；圖4是所設(shè)定的目標(biāo)一維距離像；圖5是偽隨機FSK/PSK信號與非完全匹配處理信號互相關(guān)后恢復(fù)出的目標(biāo)一維距離像；圖6是非完全匹配處理的結(jié)果。
具體實施例方式
利用本發(fā)明的非完全匹配處理方法進(jìn)行信號處理。仿真結(jié)果如圖4、5、6所示。圖4是我們設(shè)定的一個點數(shù)為64的目標(biāo)一維距離像。仿真中子脈沖總數(shù)取為64，子脈沖寬度T為1us，圖5是偽隨機FSK/PSK信號與非完全匹配處理信號互相關(guān)后，加窗提取出的目標(biāo)一維距離像，它與真實目標(biāo)一維距離像的歸一化相關(guān)系數(shù)等于0.8484?；讷@取的目標(biāo)一維距離像，可以采用目前已有的一維距離像目標(biāo)識別的方法進(jìn)行目標(biāo)識別。圖6是非完全匹配處理后最終結(jié)果。由背景技術(shù)中分析可知，利用匹配濾波處理方法，雷達(dá)輸出為目標(biāo)一維距離像，仿真結(jié)果中，理想情況下處理后輸出的最大值等于0.63。利用非完全匹配處理方法得到的雷達(dá)輸出為目標(biāo)一維距離像的自相關(guān)函數(shù)，這一點可以從(23)式看出，處理后輸出最大值約等于0.85，約為匹配濾波處理方法下最大值的1.35倍，輸出功率值是原來的1.82倍。本發(fā)明不會額外的增加噪聲，這個值又可看作是系統(tǒng)信噪比的提高倍數(shù)。
綜上所述，利用本發(fā)明中的非完全匹配處理方法，使雷達(dá)信號處理輸出信噪比得到很大的提高，同時得到目標(biāo)散射特征信息，對雷達(dá)跟蹤目標(biāo)和識別低可觀測性目標(biāo)有重要意義。
權(quán)利要求
1.一種偽隨機復(fù)合調(diào)制信號的非完全匹配處理方法，其特征包括如下步驟第一步獲得目標(biāo)一維距離像接收雷達(dá)寬帶信號，對獲取的頻域數(shù)據(jù)H(ω)做傅立葉反變換，得到目標(biāo)一維距離像h(t)；h(t)=∫-∞+∞H(ω)ejωtdω]]>式中t表示時間，ω表示角頻率；第二步對第一步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)，采用下面方法，得到目標(biāo)一維距離像h(t)的頻域數(shù)據(jù)；首先，對第一步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)按照Nyquist采樣定理，2倍采樣，得到離散化的目標(biāo)一維距離像；然后，使離散化的目標(biāo)一維距離像采樣點數(shù)是2的整數(shù)倍，如果采樣點數(shù)不是2的整數(shù)倍，離散化的目標(biāo)一維距離像末尾補零滿足；最后，利用FFT算法實現(xiàn)第一步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)的傅立葉變換，得到目標(biāo)一維距離像h(t)的頻域數(shù)據(jù)；第三步對第二步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)的頻域數(shù)據(jù)，取絕對值，得到目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的幅頻值，同時得到與目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的幅頻值對應(yīng)的目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的相頻值；第四步利用第三步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的幅頻值，采用下面方法，得到偽隨機FSK/PSK信號；首先，對第三步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的所有頻率點處幅頻值求和，再把目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的所有頻率點處的幅頻值除以上面求得的和值，得到目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的歸一化幅頻值；然后，把目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的歸一化幅頻值乘以偽隨機FSK/PSK信號的子脈沖總數(shù)N，取整，得到各倍頻在偽隨機FSK/PSK信號中出現(xiàn)的次數(shù)矩陣，該次數(shù)矩陣的元素位置表示偽隨機FSK/PSK信號中子脈沖的倍頻數(shù)；接著，隨機抽取上面得到的各倍頻在偽隨機FSK/PSK信號中出現(xiàn)次數(shù)矩陣的元素位置，將隨機抽取到的該倍頻出現(xiàn)次數(shù)矩陣元素位置處元素值減一，同時記錄本次抽取到的元素位置，把該位置值保存為元素個數(shù)等于子脈沖總數(shù)N矩陣的第一個元素值；同樣，將第二次抽取到的各倍頻出現(xiàn)次數(shù)矩陣的元素位置保存為元素個數(shù)等于子脈沖總數(shù)N矩陣的第二個元素值，以此類推；如果隨機抽取到的各倍頻出現(xiàn)次數(shù)矩陣的元素位置處元素值為零，就把該位置移位到各倍頻出現(xiàn)次數(shù)矩陣的后面，并且下次隨機抽取的各倍頻出現(xiàn)次數(shù)矩陣元素位置范圍減一；重復(fù)上述過程，直到各倍頻出現(xiàn)次數(shù)矩陣的所有元素值均為零，得到的那個元素個數(shù)等于子脈沖總數(shù)N的矩陣，就是偽隨機FSK/PSK信號中各子脈沖出現(xiàn)的倍頻數(shù)矩陣，該倍頻數(shù)矩陣乘以基頻頻率f0，得到FSK序列an；再接著，利用隨機函數(shù)rand()產(chǎn)生
上均勻分布的數(shù)，當(dāng)數(shù)值大于等于0.5時，取值+1，當(dāng)數(shù)值小于0.5時，取值-1，產(chǎn)生一個長度等于子脈沖總數(shù)N的均勻二相編碼序列，即為相移鍵控PSK序列cn；最后，由上面得到的頻移鍵控FSK序列an，相移鍵控PSK序列cn，指定的N和T，按照下面公式，偽隨機FSK/PSK信號復(fù)包絡(luò)形式如下s(t)=Σn=0N-1cnΠ(t-nTT)ej2πant]]>式中N為子脈沖總數(shù)，T為子脈沖寬度，cn為PSK序列，an為偽隨機FSK/PSK信號中第n個子脈沖的頻率，對應(yīng)為FSK序列，∑表示全體求和； 就可以得到偽隨機FSK/PSK信號；第五步利用第三步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的相頻值，與目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的幅頻值一一對應(yīng)的抽取各倍頻處的相位值，將這些相位值依次順序排列，得到倍頻失配相位矩陣；第六步利用第五步得到的倍頻失配相位矩陣，采用下面方法，得到各子脈沖失配相位序列；首先，把各子脈沖失配相位值在非完全匹配處理信號中出現(xiàn)的次數(shù)矩陣等于第四步中各倍頻在偽隨機FSK/PSK信號中出現(xiàn)的次數(shù)矩陣，該次數(shù)矩陣的元素位置表示非完全匹配處理信號子脈沖的倍頻數(shù)；然后，對上面得到的各子脈沖失配相位值在非完全匹配處理信號中出現(xiàn)的次數(shù)矩陣，隨機抽取各子脈沖失配相位值出現(xiàn)次數(shù)矩陣的元素位置，根據(jù)第五步得到的倍頻失配相位矩陣，得到隨機抽取到的各子脈沖失配相位值出現(xiàn)次數(shù)矩陣元素位置表示的倍頻數(shù)對應(yīng)的相位值，做為非完全匹配處理信號中當(dāng)前子脈沖的失配相位值，當(dāng)前子脈沖的失配相位值做為元素個數(shù)等于子脈沖總數(shù)N矩陣的第一個元素值，并且將隨機抽取到的各子脈沖失配相位值出現(xiàn)次數(shù)矩陣元素位置處的元素值減一；同理，將第二次抽取到的各子脈沖失配相位值在非完全匹配處理信號中出現(xiàn)的次數(shù)矩陣的元素位置表示的倍頻數(shù)對應(yīng)的相位值，做為元素個數(shù)等于子脈沖總數(shù)N矩陣的第二個元素值，并且將隨機抽取到的各子脈沖失配相位值出現(xiàn)次數(shù)矩陣元素位置處的元素值減一，以此類推；如果隨機抽取到的各子脈沖失配相位值出現(xiàn)次數(shù)矩陣元素位置處元素值為零，就把該位置移位到各子脈沖失配相位值出現(xiàn)次數(shù)矩陣的后面，并且下次隨機抽取的各子脈沖失配相位值出現(xiàn)次數(shù)矩陣元素位置范圍減一；重復(fù)上述過程，直到各子脈沖失配相位值出現(xiàn)次數(shù)矩陣的每個元素值均為零；最后，把上面得到的元素個數(shù)等于子脈沖總數(shù)N的矩陣做為各子脈沖失配相位序列，即Φn；第七步利用第四步得到的偽隨機FSK/PSK信號和第六步得到的各子脈沖失配相位序列，采用下面方法，得到非完全匹配處理信號；將第六步得到的各子脈沖失配相位序列Φn與各倍頻數(shù)一一對應(yīng)的加入第四步得到的偽隨機FSK/PSK信號中，得到非完全匹配處理信號；非完全匹配處理信號復(fù)包絡(luò)形式如下c(t)=Σn=0N-1cnΠ(t-nTT)ej(2πant+Φn)]]>式中N為子脈沖總數(shù)，T為子脈沖寬度，cn為PSK序列，an為非完全匹配處理信號中第n個子脈沖的頻率，對應(yīng)為FSK序列，∑表示全體求和，Φn表示各子脈沖失配相位序列； 第八步對第四步得到的偽隨機FSK/PSK信號和第七步得到的非完全匹配處理信號，采用下面方法，得到兩者互相關(guān)結(jié)果；首先，對第四步得到的偽隨機FSK/PSK信號，取傅立葉變換，得到偽隨機FSK/PSK信號的頻域數(shù)據(jù)；然后，對第七步得到的非完全匹配處理信號，取傅立葉變換，得到非完全匹配處理信號的頻域數(shù)據(jù)；接著，把上面得到的偽隨機FSK/PSK信號的頻域數(shù)據(jù)共軛點乘上面得到的非完全匹配處理信號的頻域數(shù)據(jù)；最后，對上面得到的偽隨機FSK/PSK信號的頻域數(shù)據(jù)和非完全匹配處理信號的頻域數(shù)據(jù)的共軛點乘結(jié)果，取反傅立葉變換，得到偽隨機FSK/PSK信號和非完全匹配處理信號的互相關(guān)結(jié)果；公式如下χ(v)=1Td∫-∞∞s(t)c(t+v)dt]]>式中s(t)表示偽隨機FSK/PSK信號，c(t)表示非完全匹配處理信號，Td表示信號s(t)和c(t)的持續(xù)時間，v表示時間延遲；第九步對第八步得到的偽隨機FSK/PSK信號和非完全匹配處理信號的互相關(guān)結(jié)果，選擇矩形窗；第十步利用第八步得到的偽隨機FSK/PSK信號和非完全匹配處理信號的互相關(guān)結(jié)果，采用下面方法，恢復(fù)出目標(biāo)一維距離像；首先，以第八步得到的偽隨機FSK/PSK信號和非完全匹配處理信號的互相關(guān)結(jié)果圖形的中點為中心，左右對稱交換位置，取絕對值，得到偽隨機FSK/PSK信號和非完全匹配處理信號互相關(guān)結(jié)果的模值；然后，在上面得到的偽隨機FSK/PSK信號和非完全匹配處理信號互相關(guān)結(jié)果的模值中心處兩側(cè)，用長度等于第二步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)采樣點數(shù)的矩形窗乘以偽隨機FSK/PSK信號和非完全匹配處理信號互相關(guān)結(jié)果圖形，得到恢復(fù)出的目標(biāo)一維距離像；恢復(fù)出的目標(biāo)一維距離像如下式χ(τ)=(T-|τ|)Σk=0K-1Pkej(2πakτ+Φk)]]>式中T表示子脈沖寬度，τ表示時間延遲，K表示目標(biāo)一維距離像h(t)的采樣點數(shù)，Pk表示目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的歸一化幅頻值，ak表示目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的頻率，Φk表示目標(biāo)一維距離像h(t)頻域數(shù)據(jù)的相位值，∑表示全體求和；第十一步利用第一步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)與第十步得到的恢復(fù)出目標(biāo)一維距離像，采用下面方法，得到雷達(dá)系統(tǒng)非完全匹配處理輸出結(jié)果；首先，對第十步得到的恢復(fù)出的目標(biāo)一維距離像，取傅立葉變換，得到恢復(fù)出的目標(biāo)一維距離像的頻域數(shù)據(jù)；然后，把上面得到的恢復(fù)出的目標(biāo)一維距離像的頻域數(shù)據(jù)共軛點乘第二步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)的頻域數(shù)據(jù)；最后，對上面得到的恢復(fù)出的目標(biāo)一維距離像的頻域數(shù)據(jù)和第二步得到的目標(biāo)一維距離像h(t)的頻域數(shù)據(jù)的共軛點乘結(jié)果，取反傅立葉變換，得到偽隨機復(fù)合調(diào)制信號非完全匹配處理輸出結(jié)果。公式如下R(τ)=∫-∞∞h(v)χ(v+τ)dv]]>式中τ表示時間延遲，v表示相關(guān)積分過渡變量，h(v)表示目標(biāo)一維距離像；x(v)對應(yīng)公式如下χ(v)=1Td∫-∞∞s(t)c(t+v)dt]]>式中s(t)表示偽隨機FSK/PSK信號，c(t)表示非完全匹配處理信號，Td表示信號s(t)和c(t)的持續(xù)時間，v表示時間延遲。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種偽隨機復(fù)合調(diào)制FSK/PSK信號的非完全匹配處理方法，它是通過把信號的能量優(yōu)化分配到目標(biāo)重要的頻率點上，并提取失配相位產(chǎn)生非完全匹配處理信號，使雷達(dá)發(fā)射信號和非完全處理信號的互相關(guān)函數(shù)近似于目標(biāo)一維距離像，實現(xiàn)信號處理后輸出為目標(biāo)一維距離像的自相關(guān)函數(shù)。本發(fā)明能使雷達(dá)獲得目標(biāo)散射特征信息，輸出信噪比增大，對雷達(dá)跟蹤目標(biāo)和識別低可觀測性目標(biāo)有重要意義。
文檔編號G01S13/00GK1790050SQ200410081510
公開日2006年6月21日 申請日期2004年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月17日
發(fā)明者周先敏, 張占勝, 于珩, 唐海 申請人:電子科技大學(xué)