一种非匹配滤波的单脉冲多通道数据处理方法及装置
阅读说明：本技术 一种非匹配滤波的单脉冲多通道数据处理方法及装置 (Single-pulse multi-channel data processing method and device for non-matched filtering ) 是由 吴姿妍 刘波 颜子恒 眭晓林 赵晓龙 张浩然 周寿桓 于 2020-11-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种非匹配滤波的单脉冲多通道数据处理方法、装置及采用该装置的激光测距测速系统,采用V型调频单脉冲作为发射信号,回波信号通过多通道模拟频移后与本振信号混合,利用有限带宽的探测器进行采集,得到的电信号采用非匹配滤波方式进行滤波,然后对卷积结果进行排序判断,利用卷积结果得到的两个峰值时刻计算目标的距离和速度信息,最后对目标的真实速度进行反演,得到目标的真实径向运动速度大小和方向。本发明在系统可测范围内,即便在回波的频率范围不在(或超过)发射频率范围的情形下,利用多通道处理技术也能实现速度测量,可以加大可测速度范围,加快获取信息的速度,并有效降低对探测器的带宽要求。(The invention discloses a single-pulse multi-channel data processing method and device of non-matched filtering and a laser ranging and speed measuring system adopting the device. In the measurable range of the system, even if the frequency range of the echo is not within (or exceeds) the transmitting frequency range, the invention can realize speed measurement by utilizing the multi-channel processing technology, can enlarge the measurable speed range, quickens the speed of acquiring information and effectively reduces the bandwidth requirement on the detector.)
技术领域
本发明属于雷达信号发射与接收数据处理技术领域，尤其涉及一种基于V型调频非匹配滤波的单脉冲多通道数据处理技术。
背景技术
传统的目标速度测量主要是发射单频脉冲信号，信号接触目标后反射，经过与目标距离相对应的时间后，返回至发射端，与本振光做差频，得到目标的多普勒信息，再通过演算得到目标的距离和速度信息。但是，由于高的距离分辨率需要短的脉宽，而提高发射能量又需要长的脉宽。因此，在雷达领域采用发射调频脉冲信号，提高时间带宽积(TB积)，解决距离分辨率和发射能量耦合的问题。
在利用调频单脉冲进行测速测距的过程中，采用匹配滤波的方法，根据模糊函数图，可以发现对目标测量时，会因目标多普勒造成测距误差，无法准确完成测距测速功能。利用V型调频的脉冲信号，进行匹配滤波，输出结果不会因目标多普勒导致测距误差，同时可以得到目标的径向速度大小，但无法得到径向速度方向。
在利用V型调频进行测速时，测量的速度范围会受到波形调制带宽的制约。回波与本振信号差频后的波形带宽一定要在设计的调制带宽范围内，这样导致会可测量的速度范围变小。
发明内容
本发明实施例提供一种非匹配滤波的单脉冲多通道数据处理方法及装置，以克服现有V型调频测速技术存在的测速范围小、测速效率低的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种非匹配滤波的单脉冲多通道数据处理方法，包括如下步骤：
S1：接收目标返回光；
S2：将目标返回光分为N组，其中N＝Fd/B，B为V型调频调制带宽(-B～+B)的1/2，Fd为系统可测多普勒变化范围(-Fd～+Fd)的1/2；
S3：N组光信号分别进入多通道处理模块的一个通道，各个通道内的移频器对光信号进行移频处理，第m个通道的移频频率为其中m＝1，2，…，N；
S4：各通道移频后的光信号分别与本振光合束，进行外差探测处理；
S5：各通道内的探测器对合束后的光信号进行探测，获取本通道的电信号；
S6：对各通道的电信号进行非匹配滤波处理；
S7：对卷积结果进行排序判断，提取两个峰值出现的时刻Δt1′和Δt2′，并判断出现有效电信号的通道号；
S8：利用卷积结果得到的两个峰值时刻Δt1′和Δt2′，依据计算得出目标的距离，依据计算得出目标的速度信息，其中c为光速，λ为波长，k为V型调频斜率的绝对值，T为半周期宽度；
S9：对目标的真实速度进行反演。依据获得有效电信号的通道号，求解目标的真实径向运动速度v和方向。
可选地，上述步骤S1中，根据需要可以对目标返回光进行放大处理，以解决目标返回光微弱的问题。
可选地，上述步骤S6中所述非匹配滤波处理，采用与V型调频对称的三角调频模板对各通道的电信号进行卷积处理。
可选地，上述步骤S7中所述排序判断，采用恒虚警检测方法判断各通道的电信号是否为有效信号，对于有效信号的通道，提取两个峰值出现的时刻Δt1′、Δt2′和通道号。
可选地，上述步骤S9中，首先判断有效电信号是否从第个通道获得，然后根据判断结果进行相应求解。如果有效电信号是从第个通道获得，则目标的真实径向运动速度v＝v′，并依据v值的正负判断出目标径向速度的方向，即当v>0时，判定目标多普勒是正向，当v<0时，判定目标多普勒是反向；如果有效电信号不是从第个通道获得，则由速度信息v′减去该通道对应的速度搬移vr得到目标的真实径向运动速度v，并依据通道号判断出目标径向速度的方向。可选地，设有效电信号是从第r 个通道获得，则目标的真实径向运动速度为v＝v′-vr，其中 当有效电信号从的通道输出时，判定目标多普勒是正向，当有效电信号从的通道输出时，判定目标多普勒是反向。
第二方面，本发明实施例提供一种非匹配滤波的单脉冲多通道数据处理装置，包括：
第一分束器，用于将接收到的目标返回光分为N组，其中N＝Fd/B，B为V型调频调制带宽(-B～+B)的1/2，Fd为系统可测多普勒变化范围(-Fd～+Fd)的1/2；
多通道处理模块，包含N个通道，每个通道均包括顺序连接的移频器、合束器、探测器、数字滤波器和排序判断单元。所述移频器用于对本通道内来自第一分束器的目标返回光进行移频处理，第m个通道的移频频率为 其中m＝1，2，…，N；所述合束器用于将本通道内移频后的目标返回光与本振光合束，进行外差探测处理；所述探测器用于对本通道内合束后的光信号进行探测，获取本通道的电信号；所述数字滤波器用于对本通道的电信号进行非匹配滤波处理；所述排序判断单元用于对卷积结果进行排序判断，提取两个峰值出现的时刻Δt1′和Δt2′，并判断出现有效电信号的通道号；
计算单元，用于利用排序判断单元提供的两个峰值时刻Δt1′、Δt2′和有效电信号的通道号信息，计算得出目标的距离L和速度信息v′，并对目标的真实速度进行反演。
可选地，本实施例的单脉冲多通道数据处理装置还包括光放大器，用于对接收到的目标返回光进行放大处理，以解决目标返回光微弱的问题。
可选地，所述数字滤波器采用与V型调频对称的三角调频模板对各通道的电信号进行卷积处理。
可选地，所述排序判断单元采用恒虚警检测方法判断各通道的电信号是否为有效信号，对于有效信号的通道，提取两个峰值出现的时刻Δt1′、Δt2′和通道号。
可选地，所述计算单元利用排序判断单元提供的两个峰值时刻Δt1′和Δt2′，依据计算得出目标的距离，依据计算得出目标的速度信息，其中c为光速，λ为波长，k为V型调频斜率的绝对值，T为半周期宽度。
可选地，所述计算单元对目标的真实速度进行反演时，首先判断有效电信号是否从第个通道获得，然后根据判断结果进行相应求解。如果有效电信号是从第个通道获得，则目标的真实径向运动速度v＝v′，并依据v值的正负判断出目标径向速度的方向，即当v>0时，判定目标多普勒是正向，当v<0时，判定目标多普勒是反向；如果有效电信号不是从第个通道获得，则由速度信息v′减去该通道对应的速度搬移vr得到目标的真实径向运动速度v，并依据通道号判断出目标径向速度的方向。可选地，设有效电信号是从第r个通道获得，则目标的真实径向运动速度为v＝v′-vr，其中当有效电信号从 的通道输出时，判定目标多普勒是正向，当有效电信号从的通道输出时，判定目标多普勒是反向。
第三方面，本发明实施例提供一种采用本发明单脉冲多通道数据处理装置的激光测距测速系统，包括：
激光源，用于为系统提供激光光源；
第二分束器，用于将激光源发射的激光分成信号光和N束本振光，该N束本振光分别用于与所述多通道处理模块中的N个通道里的目标返回光合束；
斩波调频器，用于对所述第二分束器提供的信号光进行V型调频调制处理；
波形发射机，用于发射V型调频脉冲激光，照射到被测目标上；
波形接收机，用于接收目标返回光；
单脉冲多通道数据处理装置，用于对接收的目标返回光进行分束、移频处理，再将其与第二分束器提供的本振光合束后进行探测、非匹配滤波、排序判断和计算处理，最终输出测距测速结果，其结构参见前述第二方面关于单脉冲多通道数据处理装置的描述，此处不再累述。
本发明实施例提供的非匹配滤波的单脉冲多通道数据处理方法、装置及采用该装置的激光测距测速系统，采用V型调频单脉冲作为发射信号，回波信号通过多通道模拟频移后与本振信号混合，利用有限带宽的探测器进行采集，得到的电信号采用非匹配滤波方式进行滤波，然后对卷积结果进行排序判断，利用卷积结果得到的两个峰值时刻计算目标的距离和速度信息，最后对目标的真实速度进行反演，得到目标的真实径向运动速度大小和方向。本发明实施例在系统可测范围内，即便在回波的频率范围不在(或超过)发射频率范围的情形下，利用多通道处理技术也能实现速度测量，加大了可测速度范围，加快了获取信息的速度，并有效降低了对探测器的带宽要求。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的
具体实施方式
。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明第一实施例的单脉冲多通道数据处理方法的流程图；
图2为本发明实施例的发射波形示意图；
图3为本发明实施例的回波卷积模板示意图；
图4为本发明实施例的滤波器时频分析图；
图5为本发明实施例的滤波器仿真数据处理结果图；
图6为本发明第二实施例的单脉冲多通道数据处理装置的原理图。
图7为本发明第三实施例的采用单脉冲多通道数据处理装置的激光测距测速系统的原理图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明第一实施例提供一种非匹配滤波的单脉冲多通道数据处理方法，参见图1所示，包括以下步骤：
S1：接收目标返回光。由于目标返回光信号携带的多普勒频率会超过探测器接收带宽，导致无法测量回波频率，因此本发明采用多通道的数据处理方法进行处理。在另一些实施例中，根据需要可以对目标返回光进行放大处理，以解决目标返回光微弱的问题；
S2：将目标返回光分为N组，其中N＝Fd/B，B为V型调频调制带宽(-B～+B)的1/2，Fd为系统可测多普勒变化范围(-Fd～+Fd)的1/2；
S3：N组光信号分别进入多通道处理模块的一个通道，各个通道内的移频器对光信号进行移频处理。本实施例中，通道1的移频频率为通道2的移频频率为通道3的移频频率为以此类推，通道m的移频频率为其中m＝1，2，…，N。设目标的多普勒频率为未知的fd，则目标返回光频率为(B+fd～-B+fd)的V型调频，经过各个通道后，各个通道携带差频频率为 的光信号；
S4：各通道移频后的光信号分别与本振光合束，进行外差探测处理；
S5：各通道内的探测器对合束后的光信号进行探测，获取本通道的电信号。由于各通道的光电探测器型号一致，探测带宽相同，当某一个通道的波形携带频率完全通过该探测器后，相邻通道仅可能部分频率通过，或无回波通过。因此，只有一个通道的信号波形经探测器及滤波后，能够得到有效的电信号。
S6：对各通道的电信号进行非匹配滤波处理。本实施例中，数字滤波器采用与V型调频对称的三角调频模板对各通道的电信号进行卷积处理，V型调频的发射波形示意图如图2所示，三角调频模板示意图如图3所示；
发射的是基于V型的调频脉冲波形，发射时域表达式为：
回波时域表达式为：
数字滤波器时频分析图如图4所示，时域表达式为：
回波信号和数字滤波器的输出为：
不考虑交叉项的影响，该输出结果主要集中以下两项上
由上面的分析可知，该滤波输出结果的峰值分别在fd-kΔt1′-kT＝0和fd+kΔt2′-kT＝0处，即：
Δt2′和Δt1′是绝对值相同、符号相反的值，代表了目标多普勒引起的测距误差，两者相加和为0，即可以消除该误差，得到准确的目标距离。滤波器仿真数据处理结果如图5所示；
S7：对卷积结果进行排序判断，提取两个峰值出现的时刻Δt1′和Δt2′，并判断出现有效电信号的通道号。本实施例中，对各通道卷积处理峰值进行由大到小排序，当前两个峰值超过后面的卷积处理幅值平均数的Q倍时，判断该通道的电信号为有效信号，提取两个峰值出现的时刻Δt1′和Δt2′，所述Q值由用户根据实际情况设置。当然，也可以采用其他恒虚警检测方法判断各通道的电信号是否为有效信号；
S8：利用卷积结果得到的两个峰值时刻Δt1′和Δt2′，依据计算得出目标的距离，依据计算得出目标的速度信息，其中c为光速，λ为波长，k为V型调频斜率的绝对值，即T为半周期宽度；
S9：对目标的真实速度进行反演。由于各个通道进行了频率搬移处理，滤波后得到的径向速度大小需要重新计算。依据获得有效电信号的通道号，求解目标的真实径向运动速度v和方向。本实施例中，首先判断有效电信号是否从第个通道获得，然后根据判断结果进行相应求解。如果有效电信号是从第个通道获得，则目标的真实径向运动速度v＝v′，并依据v值的正负判断出目标径向速度的方向，即当v>0时，判定目标多普勒是正向，当v<0时，判定目标多普勒是反向；如果有效电信号不是从第个通道获得，则由速度信息v′减去该通道对应的速度搬移vr得到目标的真实径向运动速度v，并依据通道号判断出目标径向速度的方向。设有效电信号是从第r个通道获得，则目标的真实径向运动速度为v＝v′-vr，其中当有效电信号从 的通道输出时，判定目标多普勒是正向，当有效电信号从 的通道输出时，判定目标多普勒是反向。
本发明第二实施例提供一种非匹配滤波的单脉冲多通道数据处理装置，如图6所示，具体包括第一分束器、多通道处理模块和计算单元。所述第一分束器，用于将接收到的目标返回光分为N组，其中N＝Fd/B，B为V型调频调制带宽(-B～+B)的1/2，Fd为系统可测多普勒变化范围(-Fd～+Fd)的1/2。
所述多通道处理模块包含N个通道，每个通道均包括顺序连接的移频器、合束器、探测器、数字滤波器和排序判断单元。所述移频器用于对本通道内来自第一分束器的目标返回光进行移频处理，本实施例中，通道1的移频频率为通道2的移频频率为通道3的移频频率为 以此类推，通道m的移频频率为其中m＝1，2，…，N。设目标的多普勒频率为未知的fd，则目标返回光频率为(B+fd～-B+fd)的V型调频，经过各个通道后，各个通道携带差频频率为 的光信号；所述合束器用于将本通道内移频后的目标返回光与本振光合束，进行外差探测处理；所述探测器用于对本通道内合束后的光信号进行探测，获取本通道的电信号。由于各通道的光电探测器型号一致，探测带宽相同，当某一个通道的波形携带频率完全通过该探测器后，相邻通道仅可能部分频率通过，或无回波通过。因此，只有一个通道的信号波形经探测器及滤波后，能够得到有效的电信号；所述数字滤波器用于对本通道的电信号进行非匹配滤波处理。本实施例中，数字滤波器采用与V型调频对称的三角调频模板对各通道的电信号进行卷积处理，V型调频的发射波形示意图如图2所示，三角调频模板示意图如图3所示,数字滤波器时频分析图如图4所示。经过计算，滤波输出结果的峰值分别在fd-kΔt1′-kT＝0和fd+kΔt2′-kT＝0处，即 可见，Δt2′和Δt1′是绝对值相同、符号相反的值，代表了目标多普勒引起的测距误差，两者相加和为0，即可以消除该误差，得到准确的目标距离；滤波器仿真数据处理结果如图5所示。所述排序判断单元用于对卷积结果进行排序判断，提取两个峰值出现的时刻Δt1′和Δt2′，并判断出现有效电信号的通道号。本实施例中，对各通道卷积处理峰值进行由大到小排序，当前两个峰值超过后面的卷积处理幅值平均数的Q倍时，判断该通道的电信号为有效信号，提取两个峰值出现的时刻Δt1′和Δt2′，所述Q值由用户根据实际情况设置。当然，也可以采用其他恒虚警检测方法判断各通道的电信号是否为有效信号。
所述计算单元，用于利用排序判断单元提供的两个峰值时刻Δt1′、Δt2′和有效电信号的通道号信息，计算得出目标的距离L和速度信息v′，并对目标的真实速度进行反演。本实施例中，所述计算单元利用排序判断单元提供的两个峰值时刻Δt1′和Δt2′，依据计算得出目标的距离，依据 计算得出目标的速度信息，其中c为光速，λ为波长，k为V型调频斜率的绝对值，T为半周期宽度。由于各个通道进行了频率搬移处理，滤波后得到的径向速度大小需要重新计算。所述计算单元对目标的真实速度进行反演时，首先判断有效电信号是否从第个通道获得，然后根据判断结果进行相应求解。如果有效电信号是从第个通道获得，则目标的真实径向运动速度v＝v′，并依据v值的正负判断出目标径向速度的方向，即当v>0时，判定目标多普勒是正向，当v<0时，判定目标多普勒是反向；如果有效电信号不是从第个通道获得，则由速度信息v′减去该通道对应的速度搬移vr得到目标的真实径向运动速度v，并依据通道号判断出目标径向速度的方向。可选地，设有效电信号是从第r个通道获得，则目标的真实径向运动速度为v＝v′-vr，其中当有效电信号从的通道输出时，判定目标多普勒是正向，当有效电信号从的通道输出时，判定目标多普勒是反向。
本发明第三实施例提供一种采用本发明单脉冲多通道数据处理装置的激光测距测速系统，如图7所示，具体包括：
激光源，用于为系统提供激光光源；
第二分束器，用于将激光源发射的激光分成信号光和N束本振光，其中N＝Fd/B，B为V型调频调制带宽(-B～+B)的1/2，Fd为系统可测多普勒变化范围(-Fd～+Fd)的1/2。该N束本振光分别用于与所述多通道处理模块中的N个通道里的目标返回光合束；
斩波调频器，用于对所述第二分束器提供的信号光进行V型调频调制处理；
波形发射机，用于发射V型调频脉冲激光，照射到被测目标上，发射波形示意图如图2所示；
波形接收机，用于接收目标返回光；
单脉冲多通道数据处理装置，用于对接收的目标返回光进行分束、移频处理，再将其与第二分束器提供的本振光合束后进行探测、非匹配滤波、排序判断和计算处理，最终输出测距测速结果，其结构参见前述第二实施例关于单脉冲多通道数据处理装置的描述，此处不再累述。
本发明实施例提供的非匹配滤波的单脉冲多通道数据处理方法、装置及采用该装置的激光测距测速系统，采用V型调频单脉冲作为发射信号，回波信号通过多通道模拟频移后与本振信号混合，利用有限带宽的探测器进行采集，得到的电信号采用非匹配滤波方式进行滤波，然后对卷积结果进行排序判断，利用卷积结果得到的两个峰值时刻计算目标的距离和速度信息，最后对目标的真实速度进行反演，得到目标的真实径向运动速度大小和方向。本发明实施例在系统可测范围内，即便在回波的频率范围不在(或超过)发射频率范围的情形下，利用多通道处理技术也能实现速度测量，加大了可测速度范围，加快了获取信息的速度，并有效降低了对探测器的带宽要求。
需要说明的是，在本文中，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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。