一种基于hfm脉冲串信号的测速测距方法
阅读说明：本技术 一种基于hfm脉冲串信号的测速测距方法 (Speed and distance measuring method based on HFM pulse train signal ) 是由 宋彩霞 于 2021-08-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法,包括如下步骤：(1)假定目标向着声纳系统运动,其运动速度v为正；(2)首先发射HFM脉冲信号1,一个量程之后,发射HFM脉冲信号2,待量程扫描完之后,以此类推发射其他形式的HFM脉冲信号；(3)分别找出串内匹配滤波极大值出现的时间；(4)利用脉冲串内各信号之间的时延关系,计算目标与声纳系统之间的距离R和目标速度v；(5)利用计算出来的速度进行脉冲串内的信号对齐；(6)将信号进行MTD脉冲间的相参运算,得到串内N个脉冲的处理。本发明利用不同频段、脉宽的HFM脉冲信号进行测速测距,既保证能够测速,又提高测速、测距精度,同时又能提高信噪比。(The invention discloses a speed and distance measuring method based on HFM pulse train signals, which comprises the following steps: (1) assuming that the object is moving towards the sonar system, its speed of movement v Is positive; (2) firstly, transmitting an HFM pulse signal 1, after one range, transmitting an HFM pulse signal 2, after the range is scanned, and so on, transmitting HFM pulse signals in other forms; (3) respectively finding out the time of occurrence of the maximum value of the matched filtering in the string; (4) calculating the distance between the target and the sonar system by using the time delay relationship among the signals in the pulse train R And target speed v (ii) a (5) Performing signal alignment within the burst using the calculated velocity; (6) performing coherent operation between MTD pulses on the signals to obtain the intra-string N And (4) processing each pulse. The invention utilizes HFM pulse signals with different frequency bands and pulse widths to carry out speed measurement and distance measurement, thereby not only ensuring the speed measurement, but also improving the precision of the speed measurement and the distance measurement, and simultaneously improving the signal-to-noise ratio.)
技术领域
本发明涉及水声学信号处理领域，尤其涉及一种基于双曲调频（HyperbolicFrequency Modulation，HFM）脉冲串信号的测速测距方法。
背景技术
针对目标的主要手段是低频（HFM+脉冲连续波（Pulse truncated ContinuousWave，PCW）主动探测；测量目标对地速度是判断水下目标存在的重要依据。目前声纳中常用的测速信号形式：单频信号（PCW）、正反双曲调频信号。
①PCW信号测速
利用PCW信号回波的多普勒频移估算速度；PCW信号由于在声场中工作不稳定，不能够持续有效地接触目标，高信噪比的回波可实现测速，当信噪比稍微不满足要求时，会引起较大的测速误差，甚至测速错误。
②正反HFM信号测速
通过发射相同频段、相同脉宽但调制方式相反的一组HFM信号，利用目标的多普勒对正反调频信号产生的时延大小相同、方向相反的原理实现测速。正反HFM信号要求正调频信号HFM+、反调频信号HFM-的频段、脉宽相同，需要损失信号能量的一半用来测速，浪费了频段资源或脉宽资源。
发明内容
针对以上情况，本发明提出一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法（a Pulsesequence method based on HFM for Speed measurement and Ranging，PHSR）。此方法不但可以克服以上缺点，还具有灵活性，既保证能够测速，又能提高测速、测距精度，另一方面，HFM之间可进行动目标检测（Moving Target Detection，MTD）相干积累，大大提高信号的信噪比，从而使信号更加明显，最终提高主动探测能力。
为了实现上述目标，本发明通过如下技术方案实现。
一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1）假定目标向着声纳系统运动，其运动速度v为正；
S2）首先发射HFM脉冲信号1，一个量程之后，发射HFM脉冲信号2，待量程扫描完之后，以此类推发射其他形式的HFM脉冲信号；
S3）分别找出串内匹配滤波极大值出现的时间；
S4）利用脉冲串内各信号的时延关系，计算目标与声纳系统之间的距离R和目标速度v；
S5）利用计算出来的速度进行脉冲串内的信号对齐；
S6）将信号进行MTD脉冲间的相参运算，得到串内N个脉冲的处理。
进一步，所述步骤S2）中所述的一个量程之后，指的是HFM脉冲信号能到达的最远距离。
进一步，所述步骤S2）中所述的其他形式的HFM脉冲信号，指的是不同频段、脉宽的HFM信号。
进一步，所述步骤S4）中的所述的利用脉冲串内各信号的时延关系，指的是HFM脉冲信号1的时延与HFM脉冲信号2的时延之间存在如下关系：
，其中，，，和分别代表HFM脉冲信号1的起始频率，终止频率和信号脉宽；，和分别代表HFM脉冲信号2的起始频率，终止频率和信号脉宽。
进一步，所述步骤S4）中所述的目标与声纳系统之间的距离R为：，其中，c代表水中的声速，和分别代表HFM信号1匹配滤波值最大值出现的时间和HFM信号2匹配滤波值最大值出现的时间。
进一步，所述步骤S4）中所述的目标速度v为：，其中。
进一步，所述步骤S5）中的所述的信号对齐，把信号利用速度对信号之间的影响，然后对各信号时延对齐。
进一步，所述步骤S6）中的所述的N，指的是假设在一个脉冲积累期间接收到的脉冲回波总数目为N。
本发明的有益效果是：
（1）本发明采用不同频段、脉冲的HFM信号，可以有效避免在水中某些频段因传播损失过大，造成回波能量不足，无法有效检测的问题；
（2）串内不同HFM信号之间可进行MTD相干积累，大大提高信号的信噪比，从而使信号更加明显，最终提高主动探测能力；
（3）串内的HFM之间可相互计算目标的速度、距离，减少单次计算造成的计算误差，可准确的计算目标速度。从而本发明既保证能够测速，又能提高测速、测距精度。
附图说明
图1为本发明实施例中PHSR方法工作过程示意图；
图2为本发明实施例中脉冲串的信号处理框图；
图3为本发明实施例中相参积累示意图；
图4为本发明实施例中基于仿真条件1的单个HFM探测示意图；
图5为本发明实施例中基于仿真条件1的PHSR方法处理后的示意图；
图6为本发明实施例中基于仿真条件2的单个HFM探测示意图；
图7为本发明实施例中基于仿真条件2的PHSR方法处理后的示意图；
图8为本发明实施例中基于仿真条件3的单个HFM探测示意图；
图9为本发明实施例中基于仿真条件3的PHSR方法处理后的示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。一种基于HFM脉冲串信号的测速测距方法，如图1所示，方法包括如下步骤：
S1）假定目标向着声纳系统运动，其运动速度v为正。
S2）首先发射HFM脉冲信号1，一个量程之后，发射HFM脉冲信号2，待量程扫描完之后，以此类推发射其他形式的HFM脉冲信号。
所述的一个量程之后，指的是HFM脉冲信号能到达的最远距离；
所述的其他形式的HFM脉冲信号，指的是不同频段、脉宽的HFM信号。
S3）分别找出串内匹配滤波极大值出现的时间。
S4）利用脉冲串内各信号的时延关系，计算目标与声纳系统之间的距离R和目标速度v。
本发明中，求解R与v是在如下技术方案的基础上实现的，具体包含如下步骤：
S401）目标运动对HFM信号回波的脉宽T的影响计算。
下面介绍步骤S401）的理论基础。令T，，和分别代表HFM信号的脉冲宽度，HFM信号的起始频率，HFM信号的终止频率和HFM发射信号随着时间的变化，则可以表示为：
（1）
其中，调制度。
目标的运动对HFM信号回波频谱的影响
声纳与目标间的相对运动会使接收到的信号频谱发生改变，表现为信号频率的偏移，称之为多普勒频移现象，当目标向着声纳系统运动时，为正，回波频率增加；反之为负，回波频率降低。
目标的运动对信号回波脉宽的影响
当目标以速度运动时，声纳和目标间的相对运动会使得脉宽为的发射信号经目标反射后，在接收点变为脉宽为的信号，使得回波的脉宽会被线性地压缩或者拉伸倍，可以表示为：
（2）
式中c代表声音在水中的速度，此处c = 1500 m/s。
S402）HFM发射信号的瞬时频率和接收信号的瞬时频率的公式推导。
根据公式（1），HFM发射信号的相位可以表示为：
（3）。
对求导，得到发射信号的瞬时频率为：
（4）。
当目标以速度运动时，声纳和目标间的相对运动会使得脉宽为的发射信号经目标反射后，在接收点变为脉宽为的信号，使得回波的脉宽会被线性地压缩或者拉伸倍。则接收到的回波信号为：
（5）
接收到的回波的瞬时频率可以表示为：
（6）。
S403）目标运动引起的匹配滤波时延，及对脉冲串内信号时延的推导。
由于HFM信号对多普勒不敏感，双曲调频信号具有多普勒不变性，接收信号瞬时频率的变化规律不变，只是将原发射信号的瞬时频率平移了一个时间，即两者之间满足如下关系：
（7）
联立公式（4），（6）和（7），可以求得由于目标多普勒引起的匹配滤波时延：
（8）
在实际情况下，目标到达时间未知，多普勒引起的时延与到达时间的不确定性的同时存在，导致单独一个HFM信号无法得到可分辨的多普勒引起的时延。
当使用不同频段或不同脉宽的HFM信号进行目标探测时，经过匹配滤波后，多普勒时延与频段或脉宽成比例，由此可区分得到目标到达时间和多普勒时延。
这里采用两个HFM脉冲信号：HFM脉冲信号1和HFM脉冲信号2来进行分析，获得两个脉冲信号之间的时延关系。
HFM信号1：起始频率，终止频率和脉宽分别为，和T 1 。
HFM信号2：起始频率，终止频率和脉宽分别为，和T 2 。
令：
（9）
（10）
运动目标对于调频信号而言，HFM信号1的时延的大小为：
（11）
HFM信号2的时延的大小为：
（12）
根据公式（11）与（12），可以获得：
（13）。
S404）利用脉冲串内各信号之间的时延关系，计算目标的运动速度v及距离R。
以下测速公式推导，以目标向着声纳系统运动为正为前提，先发射相同调制方式的脉冲串信号，下面的公式推导以两个频段、两个脉宽的正调频信号为例，分别找出匹配滤波极大值出现的时间、，则：
（14）
（15）。
联立公式（14）和（15）距离R的计算公式为：
（16）。
距离R的计算公式也可以表示为：
（17）
其中代表脉冲到达时间。
联立公式（16）与（17），可以获得脉冲到达时间。
（18）
由公式（14）与（18），可得：
（19）
由公式（2），（18）和（19）联立解得目标速度v：
（20）
其中，
（21）。
理想的传输信道是无损均匀介质构成的无限空间，信号在传播过程中不产生任何畸变，但实际海水介质空间都是有损的非均匀介质空间，除了一般的吸收和扩散外，信号还会受到多途效应、信道时变、起伏效应的影响，导致回波被展宽，导致组合回波信号的回波位置不容易区分，为了实现速度的准确测量，尽可能使和的时间差明显。
S405）PHSR方法中的目标速度和距离的计算。
如图2所示，脉冲串里N个不同形式的HFM脉冲信号组成，利用脉冲串内两两HFM信号之间即可计算出速度和对应的距离，则共解算出的目标的速度和对应的距离个数为个。由于海洋环境是时变空变的，海洋信道相当于一个滤波器，某些频段的信号由于传播损失过大，导致回波中信号的能量过低无法有效的检测。有些回波虽然能检测，但是信噪比太低，噪声导致信号的到达时间与目标的真实回波的到达时间出现误差，因此脉冲串内选取信噪比高的峰值输出计算速度和距离，这样会使计算结果更精确。
S5）利用计算出来的速度进行脉冲串内的信号对齐。
信号对齐，把信号利用速度对信号之间的影响，然后对各信号时延对齐。
S6）将信号进行MTD脉冲间的相参运算，得到串内N个脉冲的处理。
相参积累MTD就是将处于同一距离门上的回波信号的幅度和相位进行叠加，以提高目标信噪比的一种积累方法。它一般是在零中频信号的复包络上进行的，它保留了接收脉冲间的相位关系，可使得积累后的信号能量增加。相参积累利用了所有脉冲的相位信息。假设在一个脉冲积累期间接收到的脉冲回波总数目为N，每个脉冲周期分成M个距离门。分别对N个脉冲回波进行离散采样，用xnm表示第n个脉冲回波的第m个距离门上的采样数据，那么N个脉冲回波序列的采样数据可以表示成一个N*M维的数据，如图3所示。M个距离门为快时间节拍，进行脉冲压缩处理，N个脉冲回波为慢时间节拍，进行相参脉冲积累MTD，可以将信号幅度大幅度提高。利用步骤S405）求得的距离和速度，去除脉冲串内的信号由于目标的多普勒运动引起的时延，将回波重新排列后，进行MTD运算。
我们设置了两个仿真条件来对PHSR方法进行性能评估。
仿真条件1：HFM脉冲串是由以下5个HFM信号组成的。在HFM信号1中，频段是200Hz-1000Hz，脉宽是1s；在HFM信号2中，频段是300Hz-1200Hz，脉宽是2s；在HFM信号3中，频段是400Hz-1400Hz，脉宽是3s；在HFM信号4中，频段是500Hz-1600Hz，脉宽是4s；在HFM信号5中，频段是600Hz-1900Hz，脉宽是6s。5个信号的采样频率都是7000Hz，目标距离均为7.5km，目标速度均为14m/s。
仿真条件2：HFM脉冲串是由以下4个HFM信号组成的。在HFM信号1中，频段是100Hz-200Hz，脉宽是1s；在HFM信号2中，频段是700Hz-900Hz，脉宽是2s；在HFM信号3中，频段是1000Hz-1200Hz，脉宽是3s；在HFM信号4中，频段是1700Hz-1900Hz，脉宽是4s。4个信号的采样频率都是7000Hz，目标距离均为7.5km，目标速度均为14m/s。
仿真条件3：HFM脉冲串是由以下5个HFM信号组成的。在HFM信号1中，频段是100Hz-200Hz，脉宽是2s；在HFM信号2中，频段是1000Hz-700Hz，脉宽是3s；在HFM信号3中，频段是1000Hz-1300Hz，脉宽是3s；在HFM信号4中，频段是1100Hz-1300Hz，脉宽是1s。4个信号的采样频率都是7000Hz，目标距离均为7.5km，目标速度均为14m/s。
图4显示了基于仿真条件1的单个HFM探测示意图，图5显示了基于仿真条件1的PHSR方法处理后的性能分析，表1给出了PHSR方法与单个HFM信号数值结果。从图4可以看出，经过匹配滤波后，HFM信号1，HFM信号2，HFM信号3，HFM信号4和HFM信号5的回波时间分别为 10.0236s，10.0502s，10.0792s，0.1096s和10.1652s。图5显示了基于脉冲串方法的MTD操作后的结果。根据公式（20），目标速度v为13.9914m/s。从表1中可以看出，PHSR的测速误差和测距误差分别为0.061429%和0%。HFM信号1，HFM信号2，HFM信号3，HFM信号4和HFM信号5的测距误差分别为0.0236%, 0.502%, 0.792%, 1.096%和1.652%。与HFM信号1，HFM信号2，HFM信号3，HFM信号4和HFM信号5相比，PHSR的测距精度提高比均为100%。
表1：仿真条件1下的数值结果
表1：仿真条件1下的数值结果（续）
图6显示了基于仿真条件2的单个HFM探测示意图，图7显示了基于仿真条件2的PHSR方法处理后的性能分析，表2给出了PHSR方法与单个HFM信号数值结果。从图6可以看出，经过匹配滤波后，HFM信号1，HFM信号2，HFM信号3和HFM信号4的回波时间分别为10.0376s，10.1696s，10.3392s和10.7160s。图7显示了基于脉冲串方法的MTD操作后的结果。根据公式（20），目标速度v为14.0019m/s。从表2中可以看出，PHSR的测速误差和测距误差分别为013571429%和0%。HFM信号1，HFM信号2，HFM信号3和HFM信号4的测距误差分别为0.376%，1.696%，3.392%和7.16%。与HFM信号1，HFM信号2，HFM信号3和HFM信号4相比，PHSR的测距精度提高比均为100%。
表2：仿真条件2下的数值结果
表2：仿真条件2下的数值结果（续）
图8显示了基于仿真条件3的单个HFM探测示意图，图9显示了基于仿真条件3的PHSR方法处理后的性能分析，表3给出了PHSR方法与单个HFM信号数值结果。从图8可以看出，经过匹配滤波后，HFM 信号1，HFM信号2，HFM信号3和HFM信号4的回波时间分别为10.0754s，9.8682s，10.245s和10.1224s。图9显示了基于脉冲串方法的MTD操作后的结果。根据公式（20），目标速度v为13.996m/s。从表3中可以看出，PHSR的测速误差和测距误差分别为0.02857%和0%。HFM 信号1，HFM信号2，HFM信号3和HFM信号4的测距误差分别为0.754%,1.318%, 2.45%和1.224%。与HFM 信号1，HFM信号2，HFM信号3和HFM信号4相比，PHSR的测距精度提高比均为100%。
表3：仿真条件3下的数值结果
表3：仿真条件3下的数值结果（续）
。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也是为本发明的保护范围。
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