阅读说明：本技术 一种基于频谱综合的多方位匹配信号生成方法 (Multi-azimuth matching signal generation method based on spectrum synthesis ) 是由 郭良帅 魏飞鸣 李亚军 张润俊 于 2020-04-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于频谱综合的多方位匹配信号生成方法,包括对目标在多个匹配探测方位上的信号进行频谱分量合成,设计一种对多个方位探测角度均有较好的探测性能的发射波形,用于雷达探测,极大的提升雷达预警探测能力,具有适应性强、观点新颖,极大的提高了雷达系统探测预警能力,为目标探测及反隐身设计提供有效技术手段。(The invention discloses a multi-azimuth matching signal generation method based on spectrum synthesis, which comprises the steps of carrying out spectrum component synthesis on signals of a target in a plurality of matching detection directions, designing a transmitting waveform with better detection performance on a plurality of direction detection angles, being used for radar detection, greatly improving the radar early warning detection capability, having strong adaptability and novel viewpoint, greatly improving the detection early warning capability of a radar system, and providing an effective technical means for target detection and anti-stealth design.)

一种基于频谱综合的多方位匹配信号生成方法

技术领域

本发明涉及雷达探测信号匹配生成技术领域，特别是一种基于频谱综合的多方位匹配信号生成方法。

背景技术

低可观测目标在高频区后向雷达散射回波(RCS)较弱，极大的降低了目标散射回波幅度，常规探测手段无法对低可观测目标开展有效检测和识别；即随着检测灵敏度和识别精确的高要求，常规雷达高频探测信号无法满足低可观测目标的预警及识别需求。并且低可观测目标在不同方位角度下的雷达散射回波差异较大，匹配探测波形(匹配探测信号)无法覆盖多个方位探测角度，预警、探测雷达无法满足隐身目标实时准确探测的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于频谱综合的多方位匹配信号生成方法，以解决现有技术中低可观测目标雷达散射回波低、识别精度差的难题，实现为低可观测目标探测识别提供技术手段和数据支撑的目的。

为了解决上述问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于频谱综合的多方位匹配信号生成方法，包括：

步骤S1、发射常规雷达探测信号，获取不同方位探测角度下的目标时域散射回波信号；

步骤S2、提取所述目标时域散射回波的包络信息，并且利用时域变换对所述包络信息提取频谱信息，得到不同方位探测角度下的目标频域响应特征，为目标基带频率响应提供数据；

步骤S3、在时域散射频谱上利用包含法对不同方位探测角下的所述目标时域散射回波信号的所述包络信息进行频谱分量合成，得到所有方位探测下的综合频谱信号；

步骤S4、对所述综合频谱信号进行时频变换到时域上，得到时域散射信号；对所述时域散射信号进行时间反转得到匹配共轭的时域信号，在时域上与所述常规雷达探测信号进行功率匹配，得到时域发射信号，将所述时域发射信号作为发射信号进行探测。

优选地，所述步骤S1包括：利用时域仿真建模方法获取不同方位探测角下窄脉冲包络调制高频载波信号的时域散射回波，得到不同方位探测角度下的所述目标时域散射回波信号。

优选地，所述窄脉冲包络调制高频载波信号为高斯调制脉冲信号。

优选地，所述仿真建模方法为时域弹跳射线法。

优选地，所述步骤S2包括：采用雷达数字信号中频方法提取所述目标时域散射回波的所述包络信息，并且利用小波变换方法对所述包络信息提取所述频谱信息。

优选地，所述步骤S3包括：将各个方位探测角下的所述频谱信息中的频谱分量在复数域进行积累相加，得到所述综合频谱信号。

优选地，所述步骤S4还包括：基于时间反转过程，进行目标探测，探测过程如下：

步骤S4.1、雷达发射机给出第一次发射信号s(t)；

步骤S4.2、所述第一次发射信号s(t)经过正向传输信道h₁(t)形成目标探测波形式中表示卷积，然后与目标响应函数h₀(t)作用，形成时域散射信号该时域散射信号经反向传播信号h₂(t)后，在雷达接收机得到一次回波接收信号

步骤S4.3、对所述一次回波接收信号y(t)开展时间反转、并与所述第一次发射信号s(t)进行能量匹配，形成第二次发射信号y(-t)；

步骤S4.4、所述第二次发射信号y(-t)经过与步骤S4.2同样的正向传输信道h₁(t)，目标响应函数h₀(t)，反向传输信道h₂(t)后，形成二次回波接收信号

本发明具有以下优点：

本发明基于频谱综合的多方位匹配设计技术利用目标谐振时域波形对探测方位的敏感性较弱，不同方位下的谐振频谱分布差异性较小，对目标不同方位下的时域散射波形进行匹配合成得到的雷达探测信号(时域发射信号)，可有效的提升雷达系统探测能力。

本发明所提供的一种基于频谱综合的多方位匹配信号产生方法，针对目标在不同方位角度下的散射回波差异较大，匹配探测波形无法覆盖多个方位探测角度，预警、探测雷达无法满足隐身目标实时准确探测的要求。本发明对目标在多个匹配探测方位上的信号进行频谱分量合成，设计一种对多个方位探测角度均有较好的探测性能的发射波形，用于雷达探测，极大的提升雷达预警探测能力，具有适应性强、观点新颖，极大的提高了雷达系统探测预警能力，为目标探测及反隐身设计提供有效技术手段。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种基于频谱综合的多方位匹配信号产生方法的流程图；

图2为本发明一实施例提供的信号时间反转原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图1～2和具体实施方式对本发明提出的一种基于频谱综合的多方位匹配信号产生方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

结合图1和图2所示，本实施例提供一种基于频谱综合的多方位匹配信号生成方法，包括：

步骤S1、发射常规雷达探测信号，获取不同方位探测角度下的目标时域散射回波信号。优选地，在本实施例中，所述步骤S1包括：利用时域仿真建模方法获取不同方位探测角下窄脉冲包络调制高频载波信号的时域散射回波，得到不同方位探测角度下的所述目标时域散射回波信号。所述窄脉冲包络调制高频载波信号为高斯调制脉冲信号。所述仿真建模方法(频域仿真建模方法)为时域弹跳射线法(TD-SBR)。

TD-SBR借用频域GO的概念，利用一系列紧密相连的射线管来模拟电磁波如射到目标表面的传播。设射线的出发点为r₀(x₀,y₀,z₀)，射线传播的方向矢量为s(s_x,s_y,s_z)，则射线所在的直线方程:

r(x,y,z)＝r₀(x₀,y₀,z₀)+s(s_x,s_y,s_z)t (1)

式中，t为时间因子，r(x,y,z)为时刻t的射线束传播位置。

射线的反射和折射方向由Snell定理给出。射线与目标体的第i+1次交点r_i+1处的场强可以通过射线管与目标体的第i次交点r_i处的场强为：

E(r_i+1)＝(DF)_i·(Γ)_i·E(r_i)·e-^j·phase (2)

式中，E(r_i+1)为r_i+1处的电场值，phase＝k|r_i+1-r_i+1|为由路径引起的相位变化，(DF)_i和(Γ)_i分别为r_i处的散射因子和反射系数矩阵。

式中，ρ₁,ρ₂分别为r_i处射线管波前的两个主曲率半径，s为射线的传播距离。反射系数矩阵(Γ)_i可通过介质参数决定。对于频域仿真建模方法，射线管的远场辐射由射线管在目标体表面的最后一次反射处的物理光学积分给出，即

式中，为角频率时r位置处的电场值。为角频率时r'位置处的电场值。Z₀为空间波阻抗，j为虚数单位，k为波数。为单位散射方向矢量。为对应位置处的单位法向分量。为对应的磁场分量。r'为目标表面的位置描述因子。

时域弹跳射线法来源于频域弹跳射线法，对于线性时不变系统，频域函数和时域函数F(r,t)存在如下的傅里叶变换关系：

对于理想金属目标，根据边界条件公式(4)的时域散射电场表示形式为：

将频域磁场中的相位分离出来，可表示为：

式中，l_GO为射线在路径追踪过程中的传播距离，为入射单位方向矢量，r₀为入射射线与目标表面的相交位置，为频域磁场幅度。与频域方法相比，时域弹跳射线法考虑了射线在目标表面多次反射所经过路径引起的相位差。将(c为光速)和式(4)带入式(6)可得时域散射电场为：

根据公式(5)可将(8)简化为：

式中，为总的时间延迟，为时间t的导数。利用时间反转算法将不同路径(即不同方位探测角下)的时域散射回波信号进行相关积累叠加最终完成窄脉冲源超电大尺寸目标的时域散射回波信号。

步骤S2、提取所述目标时域散射回波的包络信息，并且利用时域变换对所述包络信息提取频谱信息，得到不同方位探测角度下的目标频域响应特征，为目标基带频率响应提供数据。

优选地，所述步骤S2包括：采用雷达数字信号中频方法提取所述目标时域散射回波的所述包络信息，并且利用小波变换方法对所述包络信息提取所述频谱信息。

当ψ(t)的傅里叶变换满足C_ψ＝∫_R|ψ(ω)|²/|ω|dω＜∞时，称ψ(ω)为一个母小波函数。将母小波ψ(ω)经过伸缩和平移后,就可以得到一个小波序列ψ_a,b(t)，则任意函数的连续小波变换定义为

其中，a是尺度因子，b是平移因子。小波逆变换为

小波变换在频率域可以表示为：

小波变换具有以下几个性质：

实际应用中,小波变换可以用离散的形式表现出来.设采样周期为T,可以得到

小波变换的实质是将信号向一系列小波基函数上投影,即用一系列小波基函数去逼近信号。小波变换是一种时间尺度分析方法,克服了STFT的窗函数不能改变的缺陷,可以有效聚焦信号的瞬时结构。基本小波ψ(t)可以看作是一个带通滤波器的脉冲响应，ψ(t)通过平移与伸缩产生函数族ψ_a,b(t)。ψ_a,b(t)确定的窗面积和ψ(t)确定的窗面积相同,但形状不同。当a增大时，即选用展宽的窗函数，频宽减小，且ψ_a,b(t)的窗口中心向低频方向移动，实现了在低频处有较高频率分辨率的要求；当a减小时，即选用一个压缩的窗函数，频宽增大，实现了在高频处有较高时间分辨率的要求。

步骤S3、在时域散射频谱上利用包含法对不同方位探测角下的所述目标时域散射回波信号的所述包络信息进行频谱分量合成，得到所有方位探测下的综合频谱信号。优选地，所述步骤S3包括：将各个方位探测角下的所述频谱信息中的频谱分量在复数域进行积累相加，得到所述综合频谱信号。

本发明采用包含法开展基于频谱综合的匹配探测信号设计，具体步骤为：

①采用雷达数字信号中频技术提取目标的时域包络波形；

②利用S2中的时频变换技术获取目标频谱响应分布；

③利用包含法开展频谱分量合成，具体为：将各个方位的频谱分量再复数域进行积累相加，然后对得到的频谱分布进行时频反变换到时域上，通过归一化后得到匹配的时域发射波形；

④反复利用①、②、③操作，直到达到最佳信噪比；

步骤S4、对所述综合频谱信号进行时频变换到时域上，得到时域散射信号；对所述时域散射信号进行时间反转得到匹配共轭的时域信号，在时域上与所述常规雷达探测信号进行功率匹配，得到时域发射信号，确保发射机功率能量的一致性，将所述时域发射信号作为发射信号(新的雷达探测信号)进行新一轮的探测。

所述步骤S4中采用的时频变换(时频变换方法)为小波变换技术。由于小波变换的窗是可调时频窗，在高频时使用短窗口，中心频率升高,时间分辨率增高，在低频时则用宽窗口，带宽变窄，中心频率降低，频率分辨率增高，即以不同的尺度观察信号，以不同的分辨力分析信号，充分体现了多分辨率分析的思想，与时变、非平稳信号的特性一致。并且小波变换具有线性特性，不会产生交叉干扰项。

所述步骤S4中的时间反转的聚焦特性是与它的空时匹配滤波特性密切相关的。通过时间反转得到的时域回波频谱中包含较多的目标谐振频谱，在发射端进行相关调制可有效提高谐振频谱能量，进而获取较高的信噪比/信杂比，为探测应用提供数据支撑。

时间反转概念是从光学中的相位共轭法引申而来的。其具体做法是，在发射端发射一个信号，通过一个传播媒介，被接收阵元接收后，把时域信号时间反转、能量归一化，再通过相同的媒介重新发送出去。如果散射信道是互易的，不需要传播环境的任何先验知识，就能够补偿由于信道多途引起的扩展，使得时间反转后的新发射信号在最初的信源位置处达到空时聚焦。通过时间反转，能够调整发射波形使其与传播媒介及目标的散射特性匹配，从而可以提高回波信噪比。

雷达探测中，点目标的雷达回波信号是一个幅度加权的发射波形的时延复制。在存在多径情况下，利用射线理论，信道传递函数可建模为

式中：N表示多路径数；a_n和τ_n分别表示第n条路径对应的衰减幅度和时延。若雷达与目标相对位置及姿态不变，且发射脉冲相对于目标尺度很窄，则目标也可以看成是目标多个部件散射回波的叠加，因此也可以等效为多径信道效应，此处先不考虑目标各部件回波幅度a_n随时间变化特性即不考虑回波信号包络中所包含的谐振频率特性。采用时间反转技术后不同位置处的散射回波在某时刻进行积累叠加，形成强的回波峰值，提升反隐身能力。

所述步骤S4还包括：基于时间反转过程(时间反转探测模型)，进行目标探测，如图2所示，探测过程如下：

步骤S4.1、雷达发射机给出第一次发射信号s(t)；

步骤S4.2、所述第一次发射信号s(t)经过正向传输信道h₁(t)形成目标探测波形式中表示卷积，然后与目标响应函数h₀(t)作用，形成时域散射信号该时域散射信号经反向传播信号h₂(t)后，在雷达接收机得到一次回波接收信号

步骤S4.3、对所述一次回波接收信号y(t)开展时间反转、并与所述第一次发射信号s(t)进行能量匹配，形成第二次发射信号y(-t)；

步骤S4.4、所述第二次发射信号y(-t)经过与步骤S4.2同样的正向传输信道h₁(t)，目标响应函数h₀(t)，反向传输信道h₂(t)后，形成二次回波接收信号

由于所述二次回波接收信号z(t)与正向传输信道h₁(t)，目标响应函数h₀(t)，反向传输信道h₂(t)为共轭关系，且信号特征相同，同时目标多部件引起的多路径能量成分都被积累起来，能够形成能量与信噪比提升，且目标越复杂、部件越多，则性能提升越显著。

由此可知，本实施例基于频谱综合的多方位匹配设计技术利用目标谐振时域波形对探测方位的敏感性较弱，不同方位下的谐振频谱分布差异性较小，对目标不同方位下的时域散射波形进行匹配合成得到的雷达探测信号(时域发射信号)，可有效的提升雷达系统探测能力。

本实施例所提供的一种基于频谱综合的多方位匹配信号产生方法，针对目标在不同方位角度下的散射回波差异较大，匹配探测波形无法覆盖多个方位探测角度，预警、探测雷达无法满足隐身目标实时准确探测的要求。本发明对目标在多个方位探测角上的时域散射回波信号进行频谱分量合成，设计一种对多个方位探测角度均有较好的探测性能的发射波形，用于雷达探测，极大的提升雷达预警探测能力，具有适应性强、观点新颖，极大的提高了雷达系统探测预警能力，为目标探测及反隐身设计提供有效技术手段。

应当注意的是，在本文的实施方式中所揭露的装置和方法，也可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本文的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用于执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。