任意时间间隔脉冲编码雷达的信噪比提升方法

1.本发明属于数字信号处理技术领域，特别涉及一种雷达回波信号信噪比提升方法，可用于目标识别、地形测绘、海洋观测、灾情预报、农作物评估及天体观测。


背景技术：

2.合成孔径雷达是一种全天时、全天候的远程探测手段，具有对目标进行成像的能力。雷达图像信噪比snr是用来衡量一幅雷达图像成像质量重要的指标之一，其直接决定了是否可以从雷达图像中获取准确的目标信息。在军用方面有战场侦察、目标识别、对地攻击等，而在民用方面有地形测绘、海洋观测、灾情预报、农作物评估、天体观测等。
3.雷达图像质量的高低直接决定了sar在军事和民用等方面的应用价值。衡量一幅sar图像质量的核心指标之一是雷达图像的信噪比，其与雷达平均发射功率密切相关。最简单直接提高雷达平均发射功率的方法就是增加发射信号的峰值功率或者脉冲宽度，但是采用高峰值的功率发射机会导致雷达设备复杂，体积重量增大，且高峰值的脉冲信号易被干扰设备截获。采用增加脉冲宽度的方法会在当脉冲重复频率固定时加大雷达的近距离观测盲区。
4.王岩飞等人在“雷达脉冲编码理论方法及应用[j].雷达学报,2019,8(1):1
–
16.doi:10.12000/jr19023.”中提出脉冲编码理论，通过提高发射信号占空比，来改善雷达图像的信噪比，从而提高图像质量。即将原来一个脉冲重复周期内发射的单脉冲信号换成一组以一个脉冲宽度或者两个脉冲宽度为间隔分布的多脉冲信号，再通过对各个接收窗内混叠的回波进行解算处理，恢复出尽可能多的对应单脉冲信号的完整回波，最后将恢复出的各组完整回波进行相干叠加达到提高雷达回波信噪比的目的。该方法由于脉冲间隔为单个和两个脉冲宽度分别代表雷达发射信号的占空比为百分之五十和百分之三十三，因而存在两方面的不足：首先，百分之五十的高占空比工作状态对于雷达系统来说是很难达到的，其次，这种编码方法要求雷达只能以上述两种占空比状态工作，难以在实际的工程中实现，即使能够实现，适用性也较差。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种任意时间间隔脉冲编码雷达的信噪比提升方法，以扩大雷达发射的脉冲编码信号占空比的选用范围，增强适用性，易于实际工程应用。
[0006]
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：
[0007]
(1)在单脉冲重复周期内发射多脉冲信号，组成任意占空比小于百分之五十的脉冲编码信号s
t
，根据该脉冲编码信号，模拟sar回波信号，得到原始的混叠回波信号sr(tr,ta)；
[0008]
(2)根据脉冲编码信号s
t
的占空比确定出一个单位时间宽度t0，并以该单位时间宽度分别对接收窗口与回波信号进行分块；
[0009]
(3)根据分块后的接收窗口和回波信号，构建多元线性方程组lx＝r，其中l是各个接收窗口的观测矩阵，x是需要被恢复出来的完整回波，r是各个接收窗口的混叠回波信号；
[0010]
(4)将(3)建立的多元线性方程组划分为m个子方程组lmxm＝rm，分别求解每组回波信号xm；
[0011]
(5)对每组回波信号xm中相同脉冲重复周期的多组完整回波信号进行相干叠加，得到积累后的回波信号，即信噪比提升后的回波信号x
′
。
[0012]
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
[0013]
1.易于工程实现
[0014]
现有技术通过增加雷达发射信号的占空比来达到提升sar回波信噪比的目的，其中要求雷达的占空比最大要达到百分之五十，这种高占空比的工作条件对于现在的雷达系统来说是非常难实现的。本发明采用的脉冲编码信号要求的雷达系统工作的最大占空比是小于百分之五十的，具有工程可实现性。
[0015]
2.适用性强
[0016]
现有技术的脉冲编码方法要求雷达系统发射脉冲信号的时间间隔为单倍或者双倍的脉冲宽度。而本发明的脉冲编码信号的占空比为小于百分之五十的任意值，即对雷达系统发射脉冲信号的时间间隔没有限制，可以是任意大于单个脉冲宽度的数值，这样可降低编码方法对雷达系统参数的制约，提升脉冲编码方法的适用性。
附图说明
[0017]
图1是本发明的实现流程图；
[0018]
图2是本发明中发射的脉冲编码信号示意图；
[0019]
图3是本发明中脉冲串编码信号对应的回波示意图；
[0020]
图4是本发明中编码信号的分块示意图；
[0021]
图5是本发明中回波信号的分块示意图；
[0022]
图6是本发明中对编码雷达回波的一维距离像仿真结果示意图；
[0023]
图7是传统雷达回波的一维距离像仿真结果示意图；
[0024]
图8是本发明中编码雷达与传统雷达回波的一维距离像结果对比示意图。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
[0026]
参照图1，本发明的实现步骤如下：
[0027]
步骤1，雷达向目标发射脉冲编码信号。
[0028]
如图2所示，本实例发射的脉冲编码信号由多脉冲信号组成，其表示为：s1r1,s2r2,
…
,s
iri
,
…
,s
iri
，其中：
[0029]
si表示第i个脉冲信号，脉冲间隔取值为1.5t
p
与2.5t
p
，代表线性调频信号的相位，s是常规雷达发射的线性调频信号，fc为雷达载频，γ为信号调频率，tr为距离向快时间，t
p
为脉冲宽度；i∈(1,i)，i为发射的脉冲个
数；ri为第i个时间宽度为任意数值的接收窗口，且不同接收窗口的时间宽度可以不同。
[0030]
步骤2，雷达接收目标反射的回波信号。
[0031]
雷达向目标发射脉冲编码信号的同时，接收目标反射的回波信号，如图3所示。
[0032]
由于发射信号中的单脉冲间隔时间很近，且由于雷达采取单通道模式，在发射信号的时候无法接收目标回波，会造成部分回波被发射的单脉冲信号遮挡，因此各个单脉冲信号对应的回波会发生混叠，即雷达接收目标反射回波信号为一个混叠的回波信号sr(tr,ta)，其表示为：
[0033][0034]
其中，i是编码信号中脉冲信号的个数，j是目标散射点的数量，c是光速，ta为方位向慢时间，rj(ta)是某一慢时间时刻第j个目标散射点与雷达的距离，ti是编码脉冲信号中第i个脉冲si与第一个脉冲的分布时间间隔。
[0035]
步骤3，根据雷达发射的脉冲编码信号的占空比确定出一个单位时间宽度t0，并用t0对接收窗口与回波信号进行均匀分块。
[0036]
3.1)根据发射信号中单脉冲的宽度t
p
与各个接收窗的宽度确定出一个时间宽度其中，i＝[1,i]，容易计算出本实例图2所示的脉冲编码信号中的t0为0.5t
p
。
[0037]
3.2)以t0为单位时间宽度将图2所示的编码信号中每个接受窗ri均分为块，并依次命名为其中i为发射脉冲个数，在此处也表示接收窗的个数，如图4所示；
[0038]
3.3)对场景中需要解算出来的回波信号进行分块：
[0039]
由于波束的俯仰角有限，因此雷达照射的场景宽度也有限，则回波信号的长度也有限，因此需要根据发射信号的形式，对回波信号分块，其实现如下：
[0040]
3.3.1)假设单个脉冲对应的场景回波从开始接收到接收完毕的持续时间为te，则定义的回波信号初始长度n
e1
为te/t
p
向上取整的值，然后将该回波信号以t
p
为单位，划分为n
e1
段，依次命名为其中n
e1
∈[1,n
e1
]；
[0041]
3.3.2)以t0为单位时间宽度将每一块回波均分为n
e2
块，并依次命名为其中n
e2
∈[1,n
e2
]，如图5所示。
[0042]
步骤4，根据步骤3的分块结果，构建线性方程组。
[0043]
当雷达发射的脉冲编码信号中的第一个单脉冲与最后一个单脉冲对应于场景中心点的回波相位差在π/4内，可以认为该脉冲编码信号中各个单脉冲对应的回波信号是近似相同的，因此在不考虑噪声的情况下可按照如下步骤构建线性方程组：
[0044]
4.1)根据步骤3，将分块后待求解的单脉冲对应的完整场景回波表示为x：
[0045][0046]
其中，为待求解的第n
e1
块回波中第n
e2
块，n
e1
∈[1,n
e1
]，n
e2
∈[1,n
e2
]；n
e1
为回波信号的初始长度，n
e2
为每一段回波信号的分块数目，t表示转置；
[0047]
4.2)将分块后各个接收窗口真实接收到的混叠场景回波表示为r：
[0048][0049]
其中，为第i个接收窗口中第块接收到的回波，i∈[1,i]，i为发射单脉冲的个数，n
ri
为第i个接收窗口的分块数目；
[0050]
4.3)根据回波分块结果与接受窗分块结果确定观测矩阵l：
[0051][0052]
其中，n
x
为x分块后的总长度，n
x
＝n
e1
×ne2
；nr为r分块后的总长度，
[0053]
表示第nr个接收窗口的第n
x
段回波状况，其取值为
±
1或0；若第nr个接收窗口的第n
x
段回波存在，则根据第n
x
段回波对应的发射单脉冲的正负，分别取1或者-1；若第nr个接收窗口不存在第n
x
段回波，则取值为0；
[0054]
4.4)用观测矩阵l及混叠场景回波r组成x的线性方程组y，表示为：
[0055]
lx＝r。
[0056]
步骤5，将步骤4中线性方程组划分为m个子方程组，并求解每个子线性方程组中的回波xm。
[0057]
5.1)将步骤4建立的线性方程组y均分为m个子线性方程组lmxm＝rm，且选取的子线性方程组必须保证其对应的lm的秩是大于等于回波信号的长度n
x
，即要求l
mt
lm是可逆矩阵，其中：
[0058]
lm为按行划分的第m个子观测矩阵，xm为第m个子线性方程组的待求解回波，rm为按行划分的第m个接收窗向量，m＝[1,m]；
[0059]
5.2)对第m个子线性方程组进行相应的求解，即在方程组两边先左乘l
mt
，有l
mt
lmxm＝l
mtrm
，再左乘(l
mt
lm)-1
，得到xm＝(l
mt
lm)-1
l
mtrm
；
[0060]
5.3)重复5.2)得到m个子线性方程组的回波x1,x2,
…
,xm,
…
,xm，即通过解m个子线性方程组来从各个接受窗内混叠的回波信号中恢复出m组完整的回波。
[0061]
步骤6，对恢复出的m组完整回波进行相干叠加。
[0062]
由于噪声的存在，实际上解算出来的回波信号是含有噪声的，且由于场景的回波信号是相干的，而噪声是非相干的，因此信号的能量积累比噪声能量积累更快，故可通过对恢复出的m组完整回波进行相干叠加，得到信噪比提升的回波信号x
′
：
[0063]
[0064]
本发明的效果可通过以下仿真实验进一步说明：
[0065]
1、仿真条件
[0066]
创建3个点的目标模型，在计算机上，利用matlab r2018b软件进行仿真试验，雷达系统仿真参数，如表1、表2所示：
[0067]
表1编码雷达系统仿真参数1
[0068][0069]
表2传统雷达系统仿真参数2
[0070][0071]
2、仿真内容
[0072]
仿真1，在表1的编码雷达系统仿真参数下，利用本发明对雷达回波的一维距离像进行仿真，结果如图6所示。
[0073]
仿真2，在表2的传统雷达系统仿真参数下，对传统雷达回波的一维距离像进行仿真，结果如图7所示。
[0074]
3.仿真结果分析
[0075]
对比图6和图7，如图8所示，可以看出编码雷达回波信噪比明显高于传统雷达，表明本发明可以有效提高雷达回波的信噪比。