CN102288946B - 一种伪随机码调相连续波雷达测距解模糊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伪随机码调相连续波雷达测距解模糊方法，它涉及连续波雷达领域中用作对目标距离进行测量。它采用参差伪随机码对载波进行相位调制，并按圈交替轮法，利用相邻两圈中测量到的目标距离余数进行距离模糊解算，从而可以确定目标的真实距离。该方法可以代替传统的伪随机码实时交替测量方法，并且可以增强雷达的探测和处理性能。

Description

一种伪随机码调相连续波雷达测距解模糊方法

技术领域

本发明涉及在连续波伪随机码调制雷达领域中的一种用于解算目标距离的方法，特别适用于小型化伪随机码调制连续波雷达的距离测量。

背景技术

目前，在国内外伪随机码调制连续波雷达中采用在一次雷达测量周期内参差码交替发射的方式进行目标距离解算，这种测距方式牺牲了一半以上的测量时间，而且由于这种实时交替测量打乱了信号接收的连续性，使得更进一步的信号处理，如滑窗处理方法无法进行，影响了雷达的性能。

发明内容

本发明所要解决的问题就是提出了一种参差码按圈交替轮法的测距方法，该方法可以代替传统的实时交替测量方法，并且由于这种交替周期是按照雷达扫描一圈进行的，这样雷达信号处理时间相比传统方法增加了一倍，信噪比提高3dB。同时由于雷达扫描过程中，接收到的信号是连续的，可以进行更进一步的信号处理。

本发明所要解决的问题是这样实现的：

一种伪随机码调相连续波雷达测距解模糊方法，包括以下步骤：

(1)连续波雷达采用a、b两组时钟频率不同的伪随机码按雷达扫描圈交替轮发，每个扫描圈连续循环发一组伪随机码，当第m圈发a组伪随机码，则第m+1圈发b组伪随机码，m为自然数，代表当前扫描圈数；

(2)雷达分别接收目标反射回来的电磁波信号，并从中提取出目标参数，目标参数包括：距离余数、方位、俯仰、径向速度和测量时间，分别标记为ΔR、A、E、

和t；

(3)利用相邻两组伪随机码测量到的距离参数进行模糊距离解算；以扇区对应时间片为单位，相邻圈配对，前圈测距数据缓存后用于本圈的测距解模糊；

(4)同一目标的判断：利用雷达在第m圈、时刻为t_m，雷达探测获得的目标位置、径向速度、径向速度方向的参数，预测在m+1圈、时刻为t_m+1探测同一目标的位置、速度、方向；利用时间、位置、径向速度、方向的波门关系，在多个目标点迹中确定属于同一目标本圈和上一圈的回波数据关联关系；

(5)对相关联的目标回波数据，取a，b两组伪随机码各自模糊距离余数加各自整倍数模糊距离，获得a，b两组伪随机码各自对应的N个距离和：

${\hat{R}}_{\mathrm{ai}}=i\×R_{\mathrm{mod}a}+\mathrm{\Δ}{R}_a,$ (a码距离和)；

${\hat{R}}_{\mathrm{bj}}=j\×R_{\mathrm{mod}b}+\mathrm{\Δ}{R}_b,$ (b码距离和)；

式中：i、j＝0，1，......，N；

ΔR_a为发射a组伪随机码时测量到的距离余数；

ΔR_b为发射b组伪随机码时测量到的距离余数；

R_moda为a组伪随机码覆盖的无模糊距离；

R_modb为b组伪随机码覆盖的无模糊距离；

为利用a组伪随机码计算到的目标所在的所有可能距离；

为利用b组伪随机码计算到的目标所在的所有可能距离；

(6)取时间对齐，对两组距离和

做外推距离对齐，并取差值：

Δt＝t_m+1-t_m；

$\mathrm{\Δ}{d}_{\mathrm{ij}}=|{\hat{R}}_{\mathrm{bj}}-({\hat{R}}_{\mathrm{ai}}+\mathrm{\Δt}\×({\stackrel{\·}{R}}_a+{\stackrel{\·}{R}}_b)/2)|;$

式中：i、j＝0，1，......，N；

Δt为相邻两次测量的时间差；

为发射a组伪随机码时测量到的目标速度；

为发射b组伪随机码时测量到的目标速度；

Δd_ij为分别利用a、b两组伪随机码计算得到的目标可能距离之差值；

(7)当差值Δd_ij ≤3σ_R，其中σ_R距离测量误差，即满足距离误差压缩关系，则对应的i、j为目标真实距离对应的模糊数，记为m、n，目标的距离就可以表示为：

R＝m×R_moda+ΔR_a或

R＝n×R_modb+ΔR_b；

式中：R为目标距离；

其中，步骤(4)中确定同一目标的回波数据关联方法分为以下3个步骤：

401、时间相关判断：若满足时间相关条件，继续进行下一步骤的相关判断；

时间相关条件为：

$T-\frac{T}{K_T}\≤\mathrm{\Δt}\≤T+\frac{T}{K_T};$

其中：T、K_T、Δt分别为雷达扫描周期、目标相关时间系数及相邻两次测量的时间差；

402、方位、俯仰相关判断：若满足方位、俯仰相关条件，继续进行下一步骤的相关判断；

先计算出方位、俯仰门限：

方位门限： $G_{\mathrm{\αk}}=\frac{\mathrm{\Δt}\sqrt{v_{\max }^2-v_{\mathrm{rp}}^2}}{r_{\mathrm{pk}}}+k_{\mathrm{\α}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\α}};$

俯仰门限： $G_{\mathrm{\βk}}=\frac{\mathrm{\Δt}\sqrt{v_{\max }^2-v_{\mathrm{rp}}^2}}{r_{\mathrm{pk}}}+k_{\mathrm{\β}}{\mathrm{\σ}}_e;$

其中v_max、r_pk、v_rp分别为目标运动k时刻最大速度、径向距离、径向速度，σ_α、σ_e分别为方位和俯仰角度误差，k_α、k_β分别为方位和俯仰门限系数；

方位、俯仰相关条件为：

|α_c-α_p|≤G_αk

|e_c-e_p|≤G_βk

其中α_c、α_p分别为本圈方位数据和上一圈方位数据；

e_c、e_p分别为本圈俯仰数据和上一圈俯仰数据；

403、径向速度相关判断：若满足径向速度相关条件，则认为是同一目标；

径向速度相关条件：

${\stackrel{\·}{R}}_m\×{\stackrel{\·}{R}}_{m+1}>0---\left(1\right)$

同时

式中：

分别对应目标在m圈和m+1圈的径向速度，

为径向速度相关门限，是速度和距离的函数；当径向速度同时满足(1)和(2)式，则认为

径向速度相关。

完成目标距离解算。

本发明相比背景技术具有以下优点：

1.处理时间相比传统方法增加了一倍，信噪比提高3dB；

2.接收到的信号是连续的，可以进行滑窗式信号处理。

具体实施方式

(1)连续波雷达采用a、b两组时钟频率不同的伪随机码按雷达扫描圈交替轮发，每个扫描圈连续循环发一组伪随机码，当第m圈发a组伪随机码，则第m+1圈发b组伪随机码，m为自然数，代表当前扫描圈数；

实施例中，伪随机码a时钟频率选为2.8MHz，伪随机码b时钟频率选为3.1MHz，伪随机码码长选为31位，伪随机码a对应的无模糊距离是：1.66km，伪随机码b对应的无模糊距离是：1.5km，按扫描圈交替轮发，扫描速率：1圈/秒；

(2)雷达分别接收目标反射回来的电磁波信号，并从中提取出目标参数，目标参数包括：距离余数、方位、俯仰、径向速度和测量时间，分别标记为ΔR、A、E、

和t；

实施例中，假定在时刻16s时发送发码a，目标距雷达真实距离为12km，飞行方向为向雷达靠近正对飞行，速度为80m/s，方位是87°，俯仰是6°；如果不考虑测量误差，则发射伪随机码a时测量到的目标参数为：(0.38km、87°、6°、80m/s、16s)；

(3)利用相邻两组伪随机码测量到的距离参数进行模糊距离解算；以扇区对应时间片为单位，相邻圈配对，前圈测距数据缓存后用于本圈的测距解模糊；

实施例中，在相邻的上一圈，即时刻15s时发送伪随机码b，不考虑测量误差则发射伪随机码b时测量到的目标参数为：(0.80km、87°、6°、80m/s、15s)，该数据被保存起来，用于距离模糊解算；

(4)同一目标的判断：利用雷达在第m圈、时刻为t_m，雷达探测获得的目标位置、径向速度、径向速度方向的参数，预测在m+1圈、时刻为t_m+1探测同一目标的位置、速度、方向；利用时间、位置、径向速度、方向的波门关系，在多个目标点迹中确定属于同一目标本圈和上一圈的回波数据关联关系；

实施例中，发射伪随机码a时测量的目标参数为：(0.38km、87°、6°、80m/s、16s)；

发射伪随机码b时测量的目标参数为：(0.08km、87°、6°、80m/s、15s)；可以看出所测量到的位置、径向速度、方向参数相同，满足数据关联关系，可以认为是同一个目标；

(5)对相关联的目标回波数据，取a，b两组伪随机码各自模糊距离余数加各自整倍数模糊距离，获得a，b两组伪随机码各自对应的N个距离和：

${\hat{R}}_{\mathrm{ai}}=i\×R_{\mathrm{mod}a}+\mathrm{\Δ}{R}_a;$

${\hat{R}}_{\mathrm{bj}}=j\×R_{\mathrm{mod}b}+\mathrm{\Δ}{R}_b;$

式中：i、j＝0，1，……，N；

ΔR_a为发射a组伪随机码时测量到的距离余数；

ΔR_b为发射a组伪随机码时测量到的距离余数；

R_moda为a组伪随机码覆盖的无模糊距离；

R_modb为b组伪随机码覆盖的无模糊距离；

为利用a组伪随机码计算到的目标所在的所有可能距离；

为利用b组伪随机码计算到的目标所在的所有可能距离；

实施例中，计算

${\hat{R}}_{a1}=1\×R_{\mathrm{mod}a}+\mathrm{\Δ}{R}_a=1\×1.66+0.38=2.04\mathrm{km}$

${\hat{R}}_{a2}=2\×R_{\mathrm{mod}a}+\mathrm{\Δ}{R}_a=2\×1.66+0.38=3.7\mathrm{km}$

${\hat{R}}_{a3}=3\×R_{\mathrm{mod}a}+\mathrm{\Δ}{R}_a=3\×1.66+0.38=5.36\mathrm{km}$

${\hat{R}}_{a4}=4\×R_{\mathrm{mod}a}+\mathrm{\Δ}{R}_a=4\×1.66+0.38=7.02\mathrm{km}$

${\hat{R}}_{a5}=5\×R_{\mathrm{mod}a}+\mathrm{\Δ}{R}_a=5\×1.66+0.38=8.68\mathrm{km}$

${\hat{R}}_{a6}=6\×R_{\mathrm{mod}a}+\mathrm{\Δ}{R}_a=6\×1.66+0.38=10.34\mathrm{km}$

${\hat{R}}_{a7}=7\×R_{\mathrm{mod}a}+\mathrm{\Δ}{R}_a=7\×1.66+0.38=12\mathrm{km}$

${\hat{R}}_{a8}=8\×R_{\mathrm{mod}a}+\mathrm{\Δ}{R}_a=8\×1.66+0.38=13.66\mathrm{km}$

${\hat{R}}_{a9}=9\×R_{\mathrm{mod}a}+\mathrm{\Δ}{R}_a=9\×1.66+0.38=15.32\mathrm{km}$

计算

${\hat{R}}_{b1}=1\×R_{\mathrm{mod}b}+\mathrm{\Δ}{R}_b=1\×1.5+0.08=1.58\mathrm{km}$

${\hat{R}}_{b2}=2\×R_{\mathrm{mod}b}+\mathrm{\Δ}{R}_b=2\×1.5+0.08=3.08\mathrm{km}$

${\hat{R}}_{b3}=3\×R_{\mathrm{mod}b}+\mathrm{\Δ}{R}_b=3\×1.5+0.08=4.58\mathrm{km}$

${\hat{R}}_{b4}=4\×R_{\mathrm{mod}b}+\mathrm{\Δ}{R}_b=4\×1.5+0.08=6.08\mathrm{km}$

${\hat{R}}_{b5}=5\×R_{\mathrm{mod}b}+\mathrm{\Δ}{R}_b=5\×1.5+0.08=7.58\mathrm{km}$

${\hat{R}}_{b6}=6\×R_{\mathrm{mod}b}+\mathrm{\Δ}{R}_b=6\×1.5+0.08=9.08\mathrm{km}$

${\hat{R}}_{b7}=7\×R_{\mathrm{mod}b}+\mathrm{\Δ}{R}_b=7\×1.5+0.08=10.58\mathrm{km}$

${\hat{R}}_{b8}=8\×R_{\mathrm{mod}b}+\mathrm{\Δ}{R}_b=8\×1.5+0.08=12.08\mathrm{km}$

${\hat{R}}_{b9}=9\×R_{\mathrm{mod}b}+\mathrm{\Δ}{R}_b=9\×1.5+0.08=13.58\mathrm{km}$

(6)取时间对齐，对两组距离和

做外推距离对齐，并取差值：

Δt＝t_m+1-t_m；

$\mathrm{\Δ}{d}_{\mathrm{ij}}=|{\hat{R}}_{\mathrm{bj}}-({\hat{R}}_{\mathrm{ai}}+\mathrm{\Δt}\×({\stackrel{\·}{R}}_a+{\stackrel{\·}{R}}_b)/2)|;$

式中：i、j＝0，1，……，N；

Δt为相邻两次测量的时间差；

为发射a组伪随机码时测量到的目标速度；

为发射b组伪随机码时测量到的目标速度；

Δd_ij为分别利用a、b两组伪随机码计算得到的目标可能距离之差值。

实施例中，计算Δd_ij，表示为矩阵形式如下：

$\mathrm{\Δd}=\left|\begin{array}{ccccccccc}0.54& -0.96& -2.46& -3.96& -5.46& -6.96& -8.46& -9.96& -11.46\\ 2.2& 0.7& -0.8& -2.3& -3.8& -5.2& -6.7& -8.2& -9.7\\ 3.86& 2.36& 0.86& -0.64& -2.14& -3.64& -5.14& -6.64& -8.14\\ 5.52& 4.02& 2.52& 1.02& -0.48& -1.98& -3.48& -4.98& -6.48\\ 7.18& 5.68& 4.18& 2.68& 1.18& -0.32& -1.82& -3.32& -4.82\\ 8.84& 7.34& 5.84& 4.34& 2.84& 1.34& -0.16& -1.66& -3.16\\ 10.5& 9.0& 7.5& 6.0& 4.5& 3.0& 1.5& 0& -1.5\\ 12.16& 10.66& 9.16& 7.66& 6.16& 4.66& 3.16& 1.66& 0.16\\ 13.82& 12.32& 10.82& 9.32& 7.82& 6.32& 4.82& 3.32& 1.82\end{array}\right|$

(7)当差值Δd_ij≤3σ_R，其中σ_R距离测量误差，即满足距离误差压缩关系，则对应的i、j为目标真实距离对应的模糊数，记为m、n，目标的距离就可以表示为：

R＝m×R_moda+ΔR_a或

R＝n×R_modb+ΔR_b；

实施例中，设雷达测量误差σ_R＝20m，则满足条件Δd_ij≤3σ_R的只有：

Δd_ij＝0(i＝7，j＝8)

所以有：m＝7，n＝8。

目标距离可计算如下：

R＝m×R_moda+ΔR_a＝7×1.66+0.38＝12km

完成目标距离解算。

Claims (1)

1.一种伪随机码调相连续波雷达测距解模糊方法，包括以下步骤：

(1)连续波雷达采用a、b两组时钟频率不同的伪随机码按雷达扫描圈交替轮发，每个扫描圈连续循环发一组伪随机码，当第m圈发a组伪随机码，则第m+1圈发b组伪随机码，m为自然数，代表当前扫描圈数；

(2)雷达分别接收目标反射回来的电磁波信号，并从中提取出目标参数，目标参数包括：距离余数、方位、俯仰、径向速度和测量时间，分别标记为ΔR、A、E、

和t；

(3)利用相邻两组伪随机码测量到的距离参数进行模糊距离解算；以扇区对应时间片为单位，相邻圈配对，前圈测距数据缓存后用于本圈的测距解模糊；

(4)同一目标的判断：利用雷达在第m圈、时刻为t_m，雷达探测获得的目标位置、径向速度、径向速度方向的参数，预测在m+1圈、时刻为t_m+1探测同一目标的位置、速度、方向；利用时间、位置、径向速度、方向的波门关系，在多个目标点迹中确定属于同一目标本圈和上一圈的回波数据关联关系；

(5)对相关联的目标回波数据，取a，b两组伪随机码各自模糊距离余数加各自整倍数模糊距离，获得a，b两组伪随机码各自对应的N个距离和：

${\hat{R}}_{\mathrm{ai}}=i\×R_{\mathrm{mod}a}+\mathrm{\Δ}{R}_a;$

${\hat{R}}_{\mathrm{bj}}=j\×R_{\mathrm{mod}b}+\mathrm{\Δ}{R}_b;$

式中：i、j＝0，1，......，N；

ΔR_a为发射a组伪随机码时测量到的距离余数；

ΔR_b为发射b组伪随机码时测量到的距离余数；

R_moda为a组伪随机码覆盖的无模糊距离；

R_modb为b组伪随机码覆盖的无模糊距离；

为利用a组伪随机码计算到的目标所在的所有可能距离；

为利用b组伪随机码计算到的目标所在的所有可能距离；

(6)取时间对齐，对两组距离和

做外推距离对齐，并取差值：

Δt＝t_m+1-t_m；

$\mathrm{\Δ}{d}_{\mathrm{ij}}=|{\hat{R}}_{\mathrm{bj}}-({\hat{R}}_{\mathrm{ai}}+\mathrm{\Δt}\×({\stackrel{\·}{R}}_a+{\stackrel{\·}{R}}_b)/2)|;$

式中：i、j＝0，1，......，N；

Δt为相邻两次测量的时间差；

为发射a组伪随机码时测量到的目标速度；

为发射b组伪随机码时测量到的目标速度；

Δd_ij为分别利用a、b两组伪随机码计算得到的目标可能距离之差值；

(7)当差值Δd_ij≤3σ_R，其中σ_R距离测量误差，即满足距离误差压缩关系，则对应的i、j为目标真实距离对应的模糊数，记为m、n，目标的距离就可以表示为：

R＝m×R_moda+ΔR_a或

R＝n×R_modb+ΔR_b；

式中：R为目标距离；

其中，步骤(4)中确定同一目标的回波数据关联方法分为以下3个步骤：

401、时间相关判断：若满足时间相关条件，继续进行下一步骤的相关判断；

时间相关条件为：

$T-\frac{T}{K_T}\≤\mathrm{\Δt}\≤T+\frac{T}{K_T};$

其中：T、K_T、Δt分别为雷达扫描周期、目标相关时间系数及柑邻两次测量的时间差；

402、方位、俯仰相关判断：若满足方位、俯仰相关条件，继续进行下一步骤的相关判断；

先计算出方位、俯仰门限：

方位门限： $G_{\mathrm{\αk}}=\frac{\mathrm{\Δt}\sqrt{v_{\max }^2-v_{\mathrm{rp}}^2}}{r_{\mathrm{pk}}}+k_{\mathrm{\α}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\α}};$

俯仰门限： $G_{\mathrm{\βk}}=\frac{\mathrm{\Δt}\sqrt{v_{\max }^2-v_{\mathrm{rp}}^2}}{r_{\mathrm{pk}}}+k_{\mathrm{\β}}{\mathrm{\σ}}_e;$

其中v_max、r_pk、v_rp分别为目标运动k时刻最大速度、径向距离、径向速度，σ_α、σ_e分别为方位和俯仰角度误差，k_α、k_β分别为方位和俯仰门限系数；

方位、俯仰相关条件为：

|α_c-α_p|≤G_αk

|e_c-e_p|≤G_βk

其中α_c、α_p分别为本圈方位数据和上一圈方位数据；

e_c、e_p分别为本圈俯仰数据和上一圈俯仰数据；

403、径向速度相关判断：若满足径向速度相关条件，则认为是同一目标；

径向速度相关条件：

${\stackrel{\·}{R}}_m\×{\stackrel{\·}{R}}_{m+1}>0---\left(1\right)$

同时

式中：

分别对应目标在m圈和m+1圈的径向速度，为径向速度相关门限，是速度和距离的函数；当径向速度同时满足(1)和(2)式，则认为

径向速度相关。

完成目标距离解算。