一种超高精度地外天体微波着陆雷达测距测速方法
阅读说明：本技术 一种超高精度地外天体微波着陆雷达测距测速方法 (Ultra-high-precision extraterrestrial body microwave landing radar distance and speed measurement method ) 是由 王振西 张爱军 李拴劳 贺亚鹏 牛文博 刘瑞冬 贾建超 于 2021-06-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种超高精度地外天体微波着陆雷达测距测速方法,属于空间微波遥感技术领域；具体步骤包括：A1、对接收回波信号进行ADC采样,作为FPGA数据处理的输入；A2、对采样后的数据进行数字正交解调,得到I和Q两路信号；A3、选取滤波器参数,获得含有目标信号的数据；A4、基于硬件实时处理能力,设置合理的数据抽取倍数；A5、基于抽取后的每个脉冲数据进行加hamming窗处理,用以减小旁瓣的对目标检测的影响；A6、对加窗后的每个脉冲数据取高16位进行FFT处理。本发明通过微波着陆雷达的回波处理和计算,能够精确获取探测器相对于地外天体表面的距离和速度,为探测器安全精准着陆提供保障。(The invention relates to a method for measuring distance and speed of an extraterrestrial microwave landing radar with ultrahigh precision, belonging to the technical field of space microwave remote sensing; the method comprises the following specific steps: a1, performing ADC sampling on the received echo signal as input of FPGA data processing; a2, performing digital quadrature demodulation on the sampled data to obtain signals of two paths I and Q; a3, selecting filter parameters to obtain data containing target signals; a4, setting a reasonable data extraction multiple based on the real-time processing capacity of hardware; a5, performing hamming window processing based on each extracted pulse data to reduce the influence of side lobes on target detection; and A6, taking the high 16 bits of each pulse data after windowing and carrying out FFT processing. According to the invention, through echo processing and calculation of the microwave landing radar, the distance and the speed of the detector relative to the surface of the extraterrestrial celestial body can be accurately obtained, and a guarantee is provided for safe and accurate landing of the detector.)
技术领域
本发明涉及一种超高精度地外天体微波着陆雷达测距测速方法，属于空间微波遥感技术领域。
背景技术
微波探测雷达主要功能是发射雷达波至天体表面，接收后向散射的回波，并对回波进行采样、优化和处理，从而获得探测器相对于天体表面的距离和速度等重要参数信息。其中，关键过程就是对回波信号的处理算法，获取高精度距离和速度信息，为探测器安全着陆提供保障。
在我国火星探测任务中，将面临更加复杂的火星环境，包括火星低气压、风沙尘暴、复杂地貌等的影响，因此对火星着陆雷达的性能提出了更高的要求。从而使得测距测速算法不得不进一步的改进和提高，在月球探测微波测距测速雷达基础上，非常迫切地需要探索出了新一代火星着陆雷达的信号回波处理算法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种超高精度地外天体微波着陆雷达测距测速方法，通过微波着陆雷达的回波处理和计算，能够精确获取探测器相对于地外天体表面的距离和速度，为探测器安全精准着陆提供保障。
本发明解决技术的方案是：
一种超高精度地外天体微波着陆雷达测距测速方法，包括如下步骤：
A1、对接收回波信号进行ADC采样，作为FPGA数据处理的输入；
A2、对采样后的数据进行数字正交解调，得到I和Q两路信号；
A3、选取滤波器参数，按照系统实际应用场景，确定滤波器的最大频偏，进而确定滤波器的通带频率、截止频率及阻带抑制，并对数字正交解调后的I和Q两路数据进行滤波处理，获得含有目标信号的数据；
A4、基于硬件实时处理能力，设置合理的数据抽取倍数；对目标信号数据中的距离段L的数据进行不同倍数的数据抽取；
A5、基于抽取后的每个脉冲数据进行加hamming窗处理，用以减小旁瓣的对目标检测的影响；
A6、对加窗后的每个脉冲数据取高16位进行FFT处理，按照不同距离段信号的带宽，选取不同距离段的FFT点数，将点数数据进行对应的累加处理，求取最大值，完成自适应参数控制和调整；
A7、根据不同距离段，对FFT处理后的数据进行非相参积累和相参积累，得到正负调频积累后的频谱数据；
A8、对正负调频的信号进行直流对消处理，消除直流信号对目标检查的影响，形成一维距离像；
A9、对一维距离像完成平滑处理，确证信号频谱的轮廓起伏平缓，利于下一步波束中心的求取；
A10、对平滑后的一维距离像进行检测，确定目标的有和无，基于多径和泄露信号的影响，选取最优保护单元和参考单元；
A11、利用重心法对检测到的目标进行波束中心求取，由采样率和FFT点数计算得到差频；
A12、由差频求取距离和速度，并对数据进行剔野、平滑、保护和有效性的自主判读并输出。
进一步的，A1中，回波信号的中心频率50MHz，信号的最大带宽20MHz。
进一步的，A1中，时钟采样频率为40MHz。
进一步的，A4中，L取值范围为1-6。
进一步的，A5中，按照hamming窗的长度与FIR滤波抽取后单次波门内的有效数据点数一致的原则，针对不同距离段特性选取不同的hamming窗长度。
进一步的，A6中，对加窗后的每个脉冲i的数据y(n,m)取高16位进行FFT处理，一帧数据
其中，k为NFFT的某一个点数，j为复数的符号，n＝0,1,2,…N-1,m＝0,1,2,…M-1；式中N表示脉冲个数，M表示距离单元个数。
进一步的，A7中，针对距离段1、2、3，作用距离较远且脉冲个数较少，做非相参累加：
正调频：
负调频：
进一步的，A7中，针对距离段4、5、6，作相参累计，
首先，对FFT的结果进行求模计算：
z(n,m)＝abs(x(n,m))
abs为计算求取符号；
然后，对求模后的数据，取相同距离单元积累后的最大值，形成一维距离像：
FFT、非相参积累和相参积累的相关参数包括脉冲个数、累积脉冲个数、距离单元数。
进一步的，A8中，直流泄露的抑制方式是将正调频周期的率频谱去对消负调频周期的频谱：
其中，S+为正调频的频谱，S-为负调频的频谱。
进一步的，A11中，对检测到的目标进行波束中心求取，假设检测到目标的最近距离单元为kmin，最远距离单元为kmax，则波束中心为：
由波束中心坐标求得其对应的差频：
fb＝Y×fs/NFFT
其中fs表示FFT前的采样率，NFFT为FFT点数。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明综合考虑噪声信号、旁瓣信号、直流信号、杂波信号和多径信号的影响，通过最优的算法处理流程设计和最优的算法参数选取，经过仿真验证和试验验证，能够满足十分严苛的火星探测任务需求；
(2)本发明提出的测距测速算法在复杂未知地形环境、探测器大动态、大范围变化过程中，能够实现高精度的距离和速度计算，而且该算法高效、快速且可靠性高。
(3)本发明可以应用于我国探月四期、载人探月、火星二期、小行星和木星卫星等后续可能的国家重大深空探测任务中。
附图说明
图1是测距测速处理算法流程和仿真验证情况；
图2是四个测量波束在探测器上的布局示意图；
图3是火星着陆区域的后向散射系数仿真结果；
图4是火星着陆区域地形高程模拟仿真数据示意图；
图5是四波束在进入、下降、着陆火星表面过程中的距离测量仿真验证图；
图6是四波束在进入、下降、着陆火星表面过程中的速度测量仿真验证图；
图7是四波束在进入、下降、着陆火星表面过程中的距离256次打靶误差仿真验证图；
图8是四波束在进入、下降、着陆火星表面过程中的速度256次打靶误差仿真验证图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
下面将参考附图1-8并结合实施例来详细说明本发明。
(1)ADC采样设计
由天线接收的雷达回波射频信号，通过接收机下变频到中频，完成去斜后输出给信号处理器。中频回波的中心频率为50MHz，最大带宽为20MHz，采用率为40MHz，量化位数12位；
(2)DDC设计
对中频采样后的信号，进行正交解调，输出的I、Q两路信号；
(3)FIR数字滤波设计
对数字正交解调后I、Q两路信号进行低通滤波设计，针对不同距离段根据频偏和抽取率，滤波器设计参数如下：
表格1FIR数据滤波器和抽取参数设计
最大频偏
中频采样率
通带频率
截止频率
阻带抑制
通带纹波
距离段1
496KHz
40MHz
1MHz
1.35MHz
36dB
0.5dB
距离段2
182KHz
40MHz
1MHz
1.35MHz
36dB
0.5dB
距离段3
224KHz
40MHz
1MHz
1.35MHz
36dB
0.5dB
距离段4
6.4MHz
40MHz
10MHz
11MHz
40dB
0.1dB
距离段5
5.3MHz
40MHz
10MHz
11MHz
40dB
0.1dB
距离段6
534KHz
40MHz
1MHz
1.35MHz
36dB
0.5dB
(4)数据抽取设计
距离段1～6的抽取率为10、10、10、1、1、10，因此抽取后的采样频率为2M、2M、2M、20M、20M、2M。
(5)Hamming设计
对抽取后的每个脉冲的数据加hamming窗，用以减小旁瓣影响。hamming窗的长度与FIR滤波抽取后单次波门内的有效数据点数一致，距离段1～6的hamming窗的长度分别为1800、4900、4900、900、960、100。
(6)FFT设计
对加窗后的每个脉冲i的数据y(n,m)取高16位进行FFT处理，距离段1～6的FFT点数NFFT为2048、8192、8192、1024、1024、1024。根据信号大小，完成自适应的参数控制和调整。
k为NFFT的某一个点数，j为复数的符号；
(7)非相参累积设计
一帧数据表示为x(n,m)，其中n＝0,1,2,…N-1,m＝0,1,2,…M-1；式中N表示脉冲个数，M表示距离单元个数。
针对距离段1、2、3，作用距离较远且脉冲个数较少，做非相参累加：
正调频：
负调频：
(8)相参累积设计
一帧的数据可以表示为x(n,m)，其中n＝0,1,2,…N-1,m＝0,1,2,…M-1；式中N表示脉冲个数，M表示距离单元个数。针对距离段4、5、6，作相参累计。
首先，对FFT的结果进行求模计算：
z(n,m)＝abs(x(n,m))
abs为计算求取符号；
然后，对求模后的数据，取相同距离单元积累后的最大值，形成一维距离像：
FFT、非相参积累和相参积累的相关参数包括脉冲个数、累积脉冲个数、距离单元数，详细见下表：
表格2 FFT、非相参和相参积累的参数设计
(9)消直流设计
距离段1、2、3进行直流对消。在正调频周期，由于信号回波差频的频率为负数，因此在正频率频谱中仅有直流泄露而无目标回波。而在负调频周期，由于信号回波差频的频率为正数，因此在负频率频谱中仅有直流泄露而无目标回波。因此，直流泄露的抑制方式是将正调频周期的率频谱去对消负调频周期的频谱：
其中，S+为正调频的频谱，S-为负调频的频谱；
(10)平滑设计
对消后一维距离像进行平滑处理，距离段1、2、3的平滑点数值选取分别为15、21、21。
(11)CFAR检测设计
对积累和平滑后的一维距离像采用恒虚警检测(CFAR)方法检测，确定目标的有无。检测方法为在检测单元的左右各选取b个保护单元，在保护单元左右再各选取c个参考单元。
表格3 CFAR检测保护单元与参考单元参数设计
距离段
距离段2
距离段3
距离段4
距离段5
距离段6
保护单元数(b)
300
400
500
130
100
60
参考单元数(c)
50
50
50
50
50
50
将检测到目标的距离单元中幅度的最大的作为信号单元记为p[e]，按照保护单元、参考单元选取，求解得到信噪比值，根据信噪比检测门限进行是否有目标进行判断。信噪比计算公式如下：
其中，i为参考单元的某个数；b为保护单元数，c为参考单元数；e为信号的幅度最大值的单元位置；
(12)波束中心求取
对检测到的目标进行波束中心求取，假设检测到目标的最近距离单元为kmin，最远距离单元为kmax，则波束中心为：
由波束中心坐标求得其对应的差频：
fb＝Y×fs/NFFT
其中fs表示FFT前的采样率，NFFT为FFT点数。
(13)距离与速度计算
距离段1、2、3，设正调频的差频为fb+，负调频时的差频为fb-，B为信号调制带宽，
Tp为调制时间，往返距离的频移fR，多普勒速度的频移为fd，可以推导出：
距离段1、2、3的距离值为R，C为光速，由正、负调频的频差，可以求出：
距离段1、2、3的速度值为v，fd为多普勒频偏，可以求出：
λ为波长，
距离段4、5、6的距离值为R，由正调频的频差，可以求出：
距离段4、5、6的速度值为v，fd为多普勒频偏，fr为扫频重复频率(时宽50us)，N为1024个脉冲，按照方位向做1024点的FFT，然后进行波束中心求取dk的值，进而可以求出速度值：
最后，针对计算得到数据进行剔野、平滑、保护和有效性自主判读，输出最终数据结果。
(14)仿真模型
在建立火星表面回波信号仿真验证模型中，包括了探测器的进入、下降和着陆(Enter Descent Landing，EDL)轨迹、探测器姿态、波束照射倾角、波束照射范围、天线主瓣宽度和地面起伏等因素，获得了非常真实的火星着陆区域雷达回波信号。
根据基尔霍夫理论，极化方向选择HH型，散射模型为：
则有各个面元的散射截面为：
式中，δ为面元入射角，即面元法向量与径向夹角；Δθ＝θ-θ0，θ为径向与垂直方向的夹角，θ0为波束方向与垂直方向的夹角；εr为相对介电常数，a为横向分割单元的长度，b为纵向分割单元的长度；c为垂向分割单元的长度；
(15)仿真验证结果
在综合仿真验证平台上，火星微波雷达算法经过不断的测试与改进，测距和测速指标能够任务的要求。由256次打靶仿真验证，测距测速的计算结果可以看出：距离作用范围可实现1m～16km；速度测量范围可达-100m/s～+500m/s；距离测量精度满足要求，尤其是在近距离时测量精度可小于0.2m；距离测量精度满足要求，在小速度测量时，<0.04m/s。
因此，本发明提出的测距测速算法在复杂未知地形环境、探测器大动态、大范围变化过程中，能够实现高精度的距离和速度计算，而且该算法高效、快速且可靠性高。
为了适应四个波束同时测距测速且最近测量距离至1m的要求，首次在地外天体微波着陆雷达中采用线性调频连续波雷达体制，远距离段波形设计为正负斜率调频的三角波，近距离段波形设计为正斜率调频的锯齿波。测距测速算法相应地进行了非常大的调整和优化。
超高精度地外天体微波着陆雷达测距测速算法能够适应探测器1m-16km的测量需求，能够适应着陆平台垂直波束向的角速度ω在20°/s的变化，以及着陆平台的加速度在20m/s2变化，同时适应波束入射角将在0°～180°大动态范围的变化。在波束角60°入射范围内，能够保证距离精度0.96％R(3σ)，速度精度0.84％V(3σ)。
针对现有测距测速算法无法适应火星探测的高精度要求、以及火星着陆过程的大动态、大范围变化过程的问题。本发明提供了一种微波着陆雷达超高精度测距测速算法，综合考虑噪声信号、旁瓣信号、直流信号、杂波信号和多径信号的影响，通过最优的算法处理流程设计和最优的算法参数选取，经过仿真验证和试验验证，能够满足十分严苛的火星探测任务需求，而且可以应用于我国探月四期、载人探月、火星二期、小行星和木星卫星等后续可能的国家重大深空探测任务中。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
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