基于跳頻和多相交替碼的非相干散射雷達信號處理方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于跳頻和多相交替碼的非相干散射雷達信號處理方法，主要解決現有非相干散射雷達高度分辨率低、探測周期長、編碼方式有限的問題。其技術方案是將多相交替碼的各組編碼分別用不同頻率調制，生成按順序無時隙排列的雷達脈沖，通過雷達發射機發射出去；對雷達回波信號按發射時的調制頻率分別進行濾波，得到每組多相交替碼對應于同一高度范圍的探測數據，對每組編碼回波信號分別進行后檢測濾波，計算自相關函數，并進行多周期積累和模糊修正，進而計算出電離層散射信號的功率譜密度。本發明能提高雷達高度分辨率、減少雷達探測周期、擴展信號編碼方式，可用于電離層探測。
【專利說明】基于跳頻和多相交替碼的非相干散射雷達信號處理方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于信號與信息處理【技術領域】，涉及非相干散射雷達的信號編碼和信號處理方法，可用于電離層探測。
【背景技術】
[0002]隨著科技的發展，電離層對無線電通信、導航、廣播、空間探測等人類活動產生的影響越來越顯著。電離層探測技術逐漸引起國內外學者和科研機構的重視，我國已在云南曲靖建造了亞洲第一部非相干散射雷達，用于電離層探測。非相干散射雷達是地面探測電離層最有效的工具，通過估計回波信號的自相關函數和功率譜密度，可以反演出電子密度、電子溫度、離子溫度、離子成份等電離層的參數。這些參數對于研究電離層的特性、變化趨勢等方面起到了非常重要的作用。
[0003]非相干散射雷達針對大范圍連續分布的電離層目標，其信號處理方法與傳統雷達有著很大的不同。電離層的回波信號要是由電子、離子等反射引起的非相干散射信號，是一種典型的隨機信號。在幾分鐘的短時間內，電離層回波信號具有平穩性，可通過計算自相關函數和功率譜密度來表征信號的統計特性。電離層是典型的軟目標，不同高度的雷達回波信號相互混疊，需要通過有效的信號編碼設計和特殊的信號處理算法來消除距離模糊。國內外學者在非相干散射雷達信號編碼和信號處理方面已展開了大量的研究工作。
[0004]最早用于電離層探測的非相干散射雷達編碼方式是多脈沖編碼和長脈沖編碼。這兩種編碼方式易于實現，但其模糊函數跨度大、高度分辨率差。隨后，巴克碼、二相交替碼等被應用到電離層探測中。巴克碼具有較好的高度分辨率，采用傳統的匹配濾波方式，其分辨單元可達一個碼元寬度，但其只能用來求解電離層的功率剖面。二相交替碼是現代非相干散射雷達系統常用的編碼模式，其信號處理過程主要包括計算時間自相關和模糊函數修正。二相交替碼調制可以獲得較好的高度分辨率，可以計算有多個時延的自相關函數和功率譜密度，但其編碼長度和編碼組數有嚴格限制，其必須為2的整數次冪，因而無法靈活地設計探測波形。多相交替碼可以提高雷達發射脈沖長度的靈活性，并且盡可能地增大編碼長度的同時減少發射脈沖的組數。二相交替碼和多相交替碼一次完整的探測都需要將多組編碼分別進行發射和接收，再將多組回波處理后的結果進行積累。當組數較多且需要多次積累時，探測時間過長，對于電離層某些參數變化速度較快的區域，不能適應快速變化的電離層探測的需要，會產生較大的探測誤差。另外，每組交替碼的碼元個數是確定的，為了增加探測距離，在發射功率一定的情況下需要增加碼元寬度，以增大發射能量，但這會導致高度分辨率降低。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服上述現有非相干散射雷達信號處理方法的不足，提出一種基于頻率跳變和多相交替碼的信號編碼和信號處理方法，以擴展信號編碼長度、減少雷達探測周期，提高雷達高度分辨率和作用距離，適應快速變化的電離層探測的需要。
[0006]本發明的技術解決方案是:將多相交替碼的多組編碼分別用不同頻率調制，生成按順序無時隙排列的雷達脈沖，通過發射機發射出去；對雷達回波信號按發射時的調制頻率分別濾波，得到多組編碼對應于同一高度范圍的探測數據，對多組編碼回波信號分別進行解碼和模糊修正，計算自相關函數，并進行多周期積累，從而計算出電離層散射信號的功率譜密度。具體步驟包括如下:
[0007](I)信號編碼步驟:
[0008](Ia)根據實驗需求，確定雷達所需多相交替碼的相位數P和編碼長度L ；
[0009](Ib)根據多相交替碼生成規則以及相位數P和編碼長度L，先生成N組弱多相交替碼，再將其轉換為對應的2N組強多相交替碼；
[0010](Ic)根據生成的強多相交替碼的編碼組數2N，設定一組長度為2N的跳頻編碼；
[0011](Id)將每組強多相交替碼調制到設定的跳頻編碼的各個子頻率上，使各組編碼按順序無時隙排列，得到發射信號；
[0012](Ie)將發射信號調制到射頻，利用發射機進行發射；
[0013](2)信號解碼步驟:
[0014](2a)雷達接收機接收電離層散射的回波信號，對回波信號進行下變頻，得到中頻信號，再進行Α/D采樣；
[0015](2b)根據發射時使用的跳頻編碼，設計數字帶通濾波器組對A/D采樣后的回波信號進行濾波，得到發射時使用的強多相交替碼每組編碼對應的散射回波信號；
[0016](2c)根據發射時使用的強多相交替碼，設計后檢測濾波器對每組散射回波信號分別進行濾波；
[0017](2d)將每組散射回波信號截斷為多個子信號，截斷長度為發射信號的脈沖寬度，每個截斷信號的起始時間對應于該信號在目標電離層的高度，計算不同高度處散射回波信號的自相關，對每組散射回波信號自相關使用符號修正表進行符號修正，并將所有組的修正結果按不同高度分別進行求和；
[0018](2e)重復步驟(2a)?(2d)，接收下一周期的回波信號并處理，直至所有周期處理完畢，得到每個周期不同高度范圍的自相關結果，將所有周期對應高度處得到的自相關結果分別進行累加；
[0019](2f)對各個高度處累加后的自相關結果分別使用對應的模糊函數值進行修正，得到最終的自相關結果，并對自相關結果進行傅立葉變換得到電離層功率譜密度，完成對雷達信號的處理。
[0020]本發明與現有技術相比具有如下優點:
[0021]1、本發明由于采用跳頻編碼與多相交替碼調制的非相干散射雷達的信號編碼和信號處理方法，同時利用跳頻編碼在信號帶寬和多相交替碼在去距離模糊方面的優勢，非常適合于電離層探測；
[0022]2、本發明通過跳頻編碼調制多相交替碼，在雷達的一個發射和接收周期內，即可完成電離層探測，估計出自相關函數和功率譜密度。相比傳統非相干散射雷達信號處理方法，在采用相同的積累次數時，本發明能有效提高處理結果的時間分辨率；
[0023]3、本發明由于在雷達的一個發射和接收周期內完成電離層探測，縮短了一次完整探測的時間，對于參數變化較快的電離層區域，可以滿足其穩態探測要求；
[0024]4、本發明由于將多組多相交替碼調制成一個發射脈沖，省去了每組分別發射時的組間時間間隔，與傳統非相干散射雷達信號處理方法相比，在相同的時間內，可增加探測積累次數，提高處理信噪比；
[0025]5、本發明由于將多組多相交替碼調制成一個長的發射脈沖，提高了雷達的工作效率，與傳統非相干散射雷達處理方法相比，在相同碼元寬度的條件下可以提高雷達作用距離，在相同脈沖寬度條件下可以提高處理結果的距離分辨率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明的實現流程圖；
[0027]圖2是本發明中的信號發射和信號處理示意圖；
[0028]圖3是本發明中的信號散射原理圖；
[0029]圖4是用Matlab軟件對本發明的一組5位5相交替碼的距離模糊函數的仿真圖；
[0030]圖5是用Matlab軟件對本發明的一組25位5相交替碼的距離模糊函數的仿真圖。
【具體實施方式】
[0031]以下結合附圖對本發明作進一步詳細描述:
[0032]相關符號說明
[0033]P:多相交替碼的相位數目；
[0034]m:多相交替碼相位數與編碼長度對應關系中的指數參數；
[0035]N:弱多相交替碼編碼組數；
[0036]L:弱多相交替碼編碼長度；
[0037]fn:強多相交替碼第η組編碼對應的調制頻率。
[0038]參照圖1，本發明包括信號編碼和信號解碼兩大部分，其步驟如下:
[0039]一、信號編碼
[0040]步驟1，選擇多相交替碼的相位數P和編碼長度L。
[0041]弱多相交替碼有兩種不同類型的:
[0042]—是碼元相位數P為P，編碼長度L為pm,其中P為素數,m為正整數；
[0043]二是碼元相位數P為p-1，編碼長度L為p-1,其中P為素數；
[0044]這兩種弱多相交替碼，每組編碼的組數N都等于其編碼長度L。根據實驗需要的探測范圍和高度分辨率，確定合適的編碼長度L，再根據上述兩種編碼類型，確定一種多相交替碼類型，及對應的相位數P。如，選擇編碼長度為4，可以選擇第一種類型，對應的相位數為2，也可以選擇第二種類型，對應的相位數為4。
[0045]步驟2，生成弱多相交替碼，并轉換為強多相交替碼。
[0046](2a)根據多相交替碼生成規則，生成相位數為P，編碼長度為L，組數為N組的弱多相交替碼；
[0047](2b)將N組弱多相交替碼各復制一份，并將復制的每組交替碼內的奇數位碼元乘以-1，再將復制的N組弱多相交替碼與原N組弱多相交替碼合并，組成組數為2N組強多相交替碼。
[0048]步驟3，設定一組跳頻編碼。
[0049]根據生成的強多相交替碼的編碼組數2N，設定一組長度為2N的跳頻編碼，該跳頻編碼的各個碼元的頻率互不相等，分別為f\、f2>…、f2N，這2N個跳頻編碼碼元與強多相交替碼的2N組編碼相對應。
[0050]步驟4，編碼信號調制。
[0051]將生成的強多相交替碼的2N組編碼信號，分別用跳頻編碼的2N個跳頻頻率進行調制，調制后的各組編碼按順序無時隙排列，組成完整的發射信號。參照圖2中編碼信號調制部分，這里假設強多相交替碼的組數為2N組，相位數為2，編碼長度為4。圖2中，一個矩形塊表示一個碼元，碼元位于時間軸上方或者下方，分別代表該碼元的相位為O或者31。2N組強多相交替碼各組編碼連續排列，每組內的4個碼元采用同一個跳頻頻率調制，第η組編碼選取的頻率為跳頻編碼的第η個頻率fn，調制后的各組編碼組成完整的發射信號。
[0052]步驟5，將發射信號調制到射頻，并通過雷達發射機進行發射。
[0053]二、信號解碼
[0054]步驟6，對回波信號進行下變頻與采樣。
[0055]雷達接收機接收電離層散射的回波信號，對回波信號進行下變頻，得到中頻信號，并對中頻信號進行Α/D采樣。
[0056]步驟7，設計濾波器組，對回波信號進行去混疊濾波。
[0057](7a)按照信號發射時2N組強多相交替碼各組編碼的調制頻率，設計數字帶通濾波器組，該數字帶通濾波器組包括2N個子濾波器，各子濾波器的中心頻率分別等于跳頻編碼的頻率fl、f2、…、f2N;各子濾波器的帶寬根據發射信號的調制頻率和電離層的散射信號帶寬參數選擇，各個子濾波器的通帶范圍不相重疊；
[0058](7b)使用數字帶通濾波器組對Α/D采樣后的回波信號進行濾波，由于每組強多相交替碼所采用的調制頻率不同，經過帶通濾波器組濾波后，得到2N個信號，分別對應于強多相交替碼的2N組編碼。
[0059]參照圖3，這里假設強交替碼編碼組數為4，由于設計的非相干散射雷達編碼波形對于電離層的距離分辨率等于其碼片寬度，將電離層等效為一系列等間距的薄片，間距為碼片寬度與光速之積?？梢钥闯?，在每組強多相交替碼編碼寬度的時隙內，回波信號是4組編碼散射信號的疊加，由于每組編碼采用不同頻率調制，用每組編碼對應的帶通濾波器分別濾波，可以從混疊的散射信號中分離出這4組編碼每組對應的散射信號。
[0060]步驟8，對去混疊濾波后得到的2N個散射回波信號進行后檢測濾波。
[0061](Sa)設計后檢測濾波器，通常采用低通濾波器，且其沖激響應的長度等于碼片寬度；
[0062](Sb)使用后檢測濾波器對2N組強多相交替碼每組對應的散射回波信號分別進行濾波處理。
[0063]步驟9，截取一個高度上的回波信號。
[0064]對步驟3中得到的2N個后檢測濾波后的回波信號分別進行截取，截取長度為發射信號的脈沖寬度，截取信號的起始時間對應于該信號在目標電離層的高度。
[0065]步驟10，計算自相關函數，并進行符號修正和累加。
[0066](1a)由2N組強多相交替碼生成符號修正表，生成步驟如下:
[0067](1al)將2N組長度為L的強多相交替碼每組編碼平移η個碼元，η =1，2，3，...，L-1 ；
[0068](10a2)用平移后的2N組強多相交替碼每組編碼分別與平移前對應的編碼相乘，得到2N組長度為L-n的編碼符號，作為第η個時延處各組編碼各碼元的修正符號；
[0069](1b)以一個碼元寬度為時延間隔，分別計算步驟9中截取得到的2Ν個子信號的自相關函數，得到每個信號L-1個時延處自相關點的值；
[0070](1c)用符號修正表中每組強多相交替碼對應的第η個時延處各碼元的修正符號分別乘以對應的自相關函數第η個時延處各個碼元位置的自相關點的值，得到2Ν個子信號符號修正后的自相關結果；
[0071](1d)對第η個時延處2Ν個子信號符號修正后的自相關結果進行求和。
[0072]步驟11，計算其它高度的自相關函數。
[0073]重復步驟9至步驟10，對后檢測濾波后的2Ν個回波信號中，每組信號的下一個高度范圍的回波信號進行截取，得到2Ν個子信號，計算每個子信號的自相關函數，并進行符號修正和累加，直到所有高度的回波信號處理完畢。
[0074]步驟12，多周期積累。
[0075]重復步驟6至步驟11，接收下一周期的回波信號并處理，直至所有周期處理完畢，得到每個周期不同高度處的自相關結果，將所有周期對應高度處得到的自相關結果分別進行累加，得到每個高度處累加后的自相關結果。
[0076]步驟13，模糊函數修正，計算功率譜密度。
[0077](13a)根據強多相交替碼的2N組編碼計算模糊函數修正值:
[0078](13al)使用后檢測濾波器對2N組強多相交替碼每組編碼分別進行濾波，得到每組編碼對應的幅度模糊函數值序列；
[0079](13a2)將步驟(13al)得到的2N個幅度模糊函數值序列分別平移η個強多相交替碼碼元寬度，η = 1，2，3，...，L-1 ;再將平移后的2Ν個序列分別與平移前對應的序列相乘，得到第η個時延處每組強多相交替碼的距離模糊函數值序列；
[0080](13a3)用符號修正表中每組強多相交替碼對應的第η個時延處各碼元的修正符號分別乘以對應的強多相交替碼第η個時延處的距離模糊函數值序列，并對2Ν個修正后的距離模糊函數值序列求和，得到第η個時延處各碼元最終的模糊函數值序列；
[0081](13b)對步驟(12)得到的各個高度處的自相關結果，分別用其第η個時延處的各個碼元位置的自相關點的值除以第η個時延處各碼元的模糊函數值，得到最終的自相關結果;
[0082](13c)對各個高度處最終的自相關結果分別進行傅立葉變換，得到電離層各個高度處的功率譜密度，完成對雷達信號的處理。
[0083]本發明中雷達距離分辨率效果可通過如下仿真實驗說明:
[0084]1.仿真條件:仿真使用的軟件為MATLAB。
[0085]2.仿真環境:仿真在Windows XP環境下進行。
[0086]3.仿真內容:
[0087]仿真I，對一組相位數為5，編碼長度為5，組數為10的強多相交替碼在一個碼元寬度時延處的距離模糊函數進行仿真，該強多相交替碼各碼元相位如表I所示，仿真結果如圖4所示。圖4中強多相交替碼的距離模糊函數共有4個波峰，分別為一個碼片寬度時延下4個碼元處的距離模糊子函數。
[0088]表1相位數為5、編碼長度為5、組數為10的強多相交替碼碼表
[0089]
【權利要求】
1.一種基于跳頻和多相交替碼的非相干散射雷達信號處理方法，其特征在于包括: (1)信號編碼步驟: (Ia)根據實驗需求，確定雷達所需多相交替碼的相位數P和編碼長度L ； (Ib)根據多相交替碼生成規則以及相位數P和編碼長度L，先生成N組弱多相交替碼，再將其轉換為對應的2N組強多相交替碼； (Ic)根據生成的強多相交替碼的編碼組數2N，設定一組長度為2N的跳頻編碼； (Id)將每組強多相交替碼調制到設定的跳頻編碼的各個子頻率上，使各組編碼按順序無時隙排列，得到發射信號； (Ie)將發射信號調制到射頻，利用發射機進行發射； (2)信號解碼步驟: (2a)雷達接收機接收電離層散射的回波信號，對回波信號進行下變頻，得到中頻信號，再進行Α/D采樣； (2b)根據發射時使用的跳頻編碼，設計數字帶通濾波器組對A/D采樣后的回波信號進行濾波，得到發射時使用的強多相交替碼每組編碼對應的散射回波信號； (2c)根據發射時使用的強多相交替碼，設計后檢測濾波器對每組散射回波信號分別進行濾波； (2d)將每組散射回波信號截斷為多個子信號，截斷長度為發射信號的脈沖寬度，每個截斷信號的起始時間對應于該信號在目標電離層的高度，計算不同高度處散射回波信號的自相關，對每組散射回波信號自相關使用符號修正表進行符號修正，并將所有組的修正結果按不同高度分別進行求和； (2e)重復步驟(2a)?(2d)，接收下一周期的回波信號并處理，直至所有周期處理完畢，得到每個周期不同高度范圍的自相關結果，將所有周期對應高度處得到的自相關結果分別進行累加； (2f)對各個高度處累加后的自相關結果分別使用對應的模糊函數值進行修正，得到最終的自相關結果，并對自相關結果進行傅立葉變換得到電離層功率譜密度，完成對雷達信號的處理。
2.根據權利要求1所述的基于跳頻和多相交替碼的非相干散射雷達信號處理方法，其中步驟(Ic)所述的跳頻編碼，其各個碼元的頻率互不相等，分別為f\、f2、…、f2N，且與強多相交替碼的2N組編碼相對應。
3.根據權利要求1所述的基于跳頻和多相交替碼的非相干散射雷達信號處理方法，其中步驟(2b)所述的數字帶通濾波器組，包括2N個子濾波器，各子濾波器的中心頻率分別等于跳頻編碼的頻率，帶寬根據發射信號的調制頻率和電離層的散射信號帶寬參數選擇；各個子濾波器的通帶范圍不重疊。
4.根據權利要求1所述的基于跳頻和多相交替碼的非相干散射雷達信號處理方法，其中步驟(2c)所述的后檢測濾波器為低通濾波器，其沖激響應的長度與強多相交替碼的碼片寬度相等。
5.根據權利要求1所述的基于跳頻和多相交替碼的非相干散射雷達信號處理方法，其中步驟(2d)所述的符號修正表由強多相交替碼的碼表生成，生成步驟如下: (2dl)將2N組長度為L的強多相交替碼每組編碼平移η個碼元，η = 1，2，3，...，L-1 ; (2d2)用平移后的2N組強多相交替碼每組編碼分別與平移前對應的編碼相乘，得到2N組長度為L-n的編碼符號，作為第η個時延處各組編碼各碼元的修正符號。
6.根據權利要求1所述的基于跳頻和多相交替碼的非相干散射雷達信號處理方法，其中步驟(2f)所述的模糊函數值，是通過強多相交替碼的碼表計算得出，計算步驟如下:(2fl)使用后檢測濾波器對2N組強多相交替碼每組編碼進行濾波，得到每組編碼對應的幅度模糊函數值序列； (2f2)將步驟(2Π)得到的2N個幅度模糊函數值序列平移η個強交替碼碼片寬度，η= 1,2,3,..., L-1，再將平移后的序列分別與平移前對應的序列相乘，得到第η個時延處每組編碼的距離模糊函數值序列； (2f3)對每組編碼第η個時延處的距離模糊函數值序列分別使用符號修正表第η個時延處對應組編碼的各個碼元的修正符號進行修正，并對2Ν個修正后的距離模糊函數值序列求和，得到第η個時延處各碼元最終的模糊函數值序列。
【文檔編號】G01S7/02GK104181509SQ201410438274
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月31日 優先權日:2014年8月31日
【發明者】李林, 李海濤, 姬紅兵, 丁宗華, 朱明哲, 劉靳, 臧博 申請人:西安電子科技大學
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