本發(fā)明涉及機場安全防護技術領域。更具體地，涉及一種機場跑道異物檢測雷達信號預處理方法。

背景技術：

機場跑道異物(Foreign Object Debris，FOD)，指可能損傷航空器的某種外來物質、碎屑或物體，如金屬零件、碎石塊、紙屑、樹葉等。FOD嚴重影響飛機的安全，據保守估計，每年全球因FOD造成的損失約為30-40億美元。近年來，隨著民航事業(yè)的不斷發(fā)展，FOD的自動監(jiān)測也引起了世界范圍內的關注。

目前存在的FOD監(jiān)測系統，如英國的Tarsier，以色列的FODetect，美國的FOD Finder等系統主要采用毫米波雷達或毫米波雷達/光學復合模式。毫米波雷達具有高分辨率和小尺寸的優(yōu)點，可全天候、全天時自動監(jiān)測機場跑道上的異物，比較適合安裝于機場跑道附近，能夠準確地探測到機場跑道上的外來異物。上述FOD監(jiān)測系統均采用線性調頻連續(xù)波雷達體制，這種體制的雷達發(fā)射功率低，接收機靈敏度高，探測距離遠，無距離盲區(qū)，能夠檢測到小目標。

現有技術中使用線性調頻連續(xù)波雷達體制的FOD監(jiān)測系統通常采用合成孔徑雷達進行成像。合成孔徑雷達(sythetic aperture radar,SAR)是一種高分辨率成像雷達，高分辨率包含兩個方面的含義：方位向高分辨率和距離向高分辨率。它通過采用合成孔徑原理提高雷達的方位分辨率，并依靠脈沖壓縮技術提高距離分辨率。方位向和距離向的高分辨率都可通過匹配濾波來實現的，其中匹配濾波的實現主要有頻域處理方法和時域處理方法。其中距離向的壓縮還可采用譜分析法(又稱去斜率)，該方法首先將回波信號與具有同樣調頻斜率的共軛信號相乘獲得差頻信號，此差頻信號的頻率反映了目標與參考點之間的距離，再經FFT變換后，就能實現對線性調頻信號的脈沖壓縮。

為實現高分辨率，合成孔徑雷達通常發(fā)射具有匹配濾波特性的線性調頻信號。

理想情況下，發(fā)射和接收的線性調頻信號的調頻斜率是一條斜線，經過去斜率操作后，獲得一個理想的與余弦信號，該余弦信號的頻率就對應了去斜率結果后的一條水平線。工程應用中，線性調頻信號通常采用VCO方式產生，而VCO受溫度影響較大，會產生頻率偏移，這種頻率偏移會使調頻斜率發(fā)生變形，不再是一條理想的斜線，圖1示出了理想線性調頻信號和存在頻率偏移的線性調頻信號的波形以及去斜率后的結果。通過去斜率得到的中頻信號就不再是理想的余弦信號，而是存在一定的相位干擾，這會嚴重影響合成孔徑成像的結果，因此在合成孔徑成像之前需要對回波數據進行預處理操作。

通常需要對線性調頻信號進行修正，主要有硬件修正和軟件修正。硬件修正一般采用鎖相環(huán)方式來穩(wěn)定VCO源的輸出，但這種方法容易受外界影響，比如溫度；還有一種方式即采用DDS，但與VCO相比，DDS的帶寬實現能力有限。軟件修正一般是通過去斜率得到的中頻信號來估計頻率非線性度，用此方法來對實測數據進行補償。但這種方法只適用于短距離校正，無法實現長距離校正。

因此，需要提供一種能夠有效地校正線性調頻信號存在的頻率偏移，消除頻率偏移對成像結果帶來的模糊效應的機場跑道異物檢測雷達信號預處理方法。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種機場跑道異物檢測雷達信號預處理方法，以在合成孔徑成像之前對回波數據進行預處理，校正線性調頻信號存在的頻率偏移，消除頻率偏移對成像結果帶來的模糊效應，進而提高合成孔徑成像分辨率。

為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案：

一種機場跑道異物檢測雷達信號預處理方法，包括如下步驟：

S1、建立理想目標回波信號經混頻后得到的理想中頻信號的信號模型，并引入相位誤差函數和相位誤差的指數函數建立存在頻率偏移的目標回波信號經混頻后得到的實測中頻信號的信號模型；

S2、根據中頻信號相位誤差計算得到相位誤差函數值，并根據相位誤差函數值得到相位誤差的指數函數值；

S3、根據實測中頻信號的信號模型和相位誤差函數的指數函數值計算得到雷達發(fā)射信號非線性校正后的中頻信號；

S4、在距離頻域對雷達發(fā)射信號非線性校正后的中頻信號和相位誤差的指數函數值進行匹配濾波；

S5、根據匹配濾波后的中頻信號和相位誤差的指數函數值計算得到頻率偏移校正后的中頻信號。

優(yōu)選地，步驟S1中，

理想中頻信號的信號模型為：

其中，f_c為雷達發(fā)射信號的載波頻率，α＝B/T為雷達發(fā)射信號的掃頻斜率，B為雷達發(fā)射信號的信號帶寬，T為雷達發(fā)射信號的掃頻周期，τ為回波時延；

存在頻率偏移的目標回波信號經混頻后得到的實測中頻信號的信號模型為：

其中，ε(t)為相位誤差函數，s_ε(t)為相位誤差的指數函數。

優(yōu)選地，步驟S2的具體過程為：

目標的回波時延為τ＝2R/c，其中R為目標與雷達間的距離，c為自由空間中的光速，則中頻信號相位誤差函數為：

ε_if(t,τ)＝ε(t)-ε(t-τ)≈τε'(t)

由實測中頻信號的相位與理想中頻信號的相位相減得到中頻信號相位誤差ε_if(t,τ)，通過中頻信號相位誤差函數計算得到相位誤差函數的導數值ε'，再對相位誤差函數的導數值ε'積分得到相位誤差函數值：ε＝∫ε'dt；

根據相位誤差函數值ε得到相位誤差的指數函數值s_ε。

優(yōu)選地，步驟S3的具體過程為：

將實測中頻信號的信號模型乘以相位誤差的指數函數的共軛得到雷達發(fā)射信號非線性校正后的中頻信號：

優(yōu)選地，步驟S4中，

對雷達發(fā)射信號非線性校正后的中頻信號進行匹配濾波得到的匹配濾波后的中頻信號為：

其中，ε_RVP(t)為殘余視頻相位誤差函數；

對相位誤差的指數函數值進行匹配濾波得到匹配濾波后的相位誤差的指數函數值為：

優(yōu)選地，步驟S5的具體過程為：

將匹配濾波后的中頻信號乘以匹配濾波后的相位誤差的指數函數值得到頻率偏移校正后的中頻信號：

s_if4(t)＝s_{if 3}s_εRVP＝exp(j2π(f_cτ+αtτ))。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明所述技術方案在合成孔徑成像之前對回波數據進行預處理，校正了線性調頻信號存在的頻率偏移，消除了頻率偏移對成像結果帶來的模糊效應，避免了因頻率偏移導致的圖像扭曲，進而提高了目標檢測精度以及合成孔徑成像分辨率，為機場日常工作與安全維護提供可靠的技術支持。

附圖說明

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細的說明；

圖1示出理想線性調頻信號和存在頻率偏移的線性調頻信號的波形以及去斜率后的結果示意圖。

圖2示出機場跑道異物檢測雷達信號預處理方法的流程圖。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結合優(yōu)選實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。

如圖2所示，本發(fā)明公開的機場跑道異物檢測雷達信號預處理方法，包括如下步驟：

S1、建立理想目標回波信號經混頻后得到的理想中頻信號的信號模型，并引入相位誤差函數和相位誤差的指數函數建立存在頻率偏移的目標回波信號經混頻后得到的實測中頻信號的信號模型；

S2、根據中頻信號相位誤差計算得到相位誤差函數值，并根據相位誤差函數值得到相位誤差的指數函數值；

S3、根據實測中頻信號的信號模型和相位誤差函數的指數函數值計算得到雷達發(fā)射信號非線性校正后的中頻信號；

S4、在距離頻域對雷達發(fā)射信號非線性校正后的中頻信號和相位誤差的指數函數值進行匹配濾波；

S5、根據匹配濾波后的中頻信號和相位誤差的指數函數值計算得到頻率偏移校正后的中頻信號。

本方案中，步驟S1的具體過程為：

合成孔徑雷達的理想發(fā)射信號為線性調頻信號，合成孔徑雷達的理想發(fā)射信號的信號模型為：

其中，f_c為載波頻率，α＝B/T為掃頻斜率，B為信號帶寬，T為掃頻周期；

合成孔徑雷達的理想發(fā)射信號經目標反射后，雷達接收的理想目標回波信號的信號模型為：

其中，τ為回波時延；

則雷達接收的理想目標回波信號經混頻后得到的理想中頻信號的信號模型為：

當合成孔徑雷達的發(fā)射信號存在頻率偏移時，發(fā)射信號的波形不再是理想的Chirp信號，在理想線性調頻信號基礎上引入一個時變相位誤差來表示頻率偏移，引入相位誤差函數和相位誤差的指數函數的存在頻率偏移的發(fā)射信號的信號模型為：

其中，ε(t)為相位誤差函數，s_ε(t)為相位誤差的指數函數；

則，引入相位誤差函數和相位誤差的指數函數的存在頻率偏移的目標回波信號經混頻后得到的實測中頻信號的信號模型為：

其中，ε(t-τ)表示相位誤差函數在t-τ時刻的取值，s_ε(t-τ)^*表示相位誤差的指數函數在t-τ時刻的取值的共軛。

本方案中，步驟S2的具體過程為：

步驟S2是進行相位誤差估計，目標的回波時延為τ＝2R/c，其中R為目標與雷達間的距離，c為自由空間中的光速，由中值定理可得中頻信號相位誤差函數為：

ε_if(t,τ)＝ε(t)-ε(t-τ)≈τε'(t) (6)

其中，中頻信號相位誤差ε_if(t,τ)由實測中頻信號的相位(即式(5))與理想中頻信號(即式(3))的相位相減得到，則可通過中頻信號相位誤差函數計算得到相位誤差函數的導數值ε'，再對相位誤差函數的導數值ε'積分就可得相位誤差函數值：

ε＝∫ε'dt (7)

根據相位誤差函數值ε可得到相位誤差的指數函數值s_ε。

本方案中，步驟S3的具體過程為：

步驟S3是進行發(fā)射信號非線性校正，將實測中頻信號的信號模型(式(5))乘以相位誤差的指數函數的共軛s_ε(t)^*得到雷達發(fā)射信號非線性校正后的中頻信號s_if2(t)：

這樣就消除了由發(fā)射信號引入的非線性影響。

本方案中，步驟S4的具體過程為：

步驟S4是進行距離影響校正，為了消除不同距離目標的影響，采用合成孔徑成像中殘余視頻相位處理方法，即在距離頻域進行匹配濾波，對雷達發(fā)射信號非線性校正后的中頻信號進行匹配濾波得到匹配濾波后的中頻信號s_if3(t)：

其中，ε_RVP(t)為殘余視頻相位誤差函數；

同時，對相位誤差的指數函數值s_ε進行匹配濾波得到匹配濾波后的相位誤差的指數函數值s_εRVP：

本方案中，步驟S5的具體過程為：

步驟S5是進行接收非線性校正，將匹配濾波后的中頻信號s_if3(t)乘以匹配濾波后的相位誤差的指數函數值s_εRVP，就可消除頻率偏移影響，獲得頻率偏移校正后的中頻信號s_if4(t)：

s_if4(t)＝s_{if 3}s_εRVP＝exp(j2π(f_cτ+αtτ)) (11)

即可獲得理想的中頻信號。

顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定，對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。