本發(fā)明一種微波暗室中脈沖體制雷達(dá)目標(biāo)探測模擬方法，屬于雷達(dá)電子對抗的仿真領(lǐng)域，具體涉及在微波暗室中模擬脈沖體制雷達(dá)信號的收發(fā)處理技術(shù)，特別是在微波暗室中實現(xiàn)脈沖體制雷達(dá)目標(biāo)探測全過程的模擬與信號恢復(fù)方法。

背景技術(shù)：

在微波暗室內(nèi)進行雷達(dá)仿真具有可操作性強、可重復(fù)性高、保密性好、成本經(jīng)濟等優(yōu)點。由于微波暗室空間有限，在靜態(tài)雷達(dá)目標(biāo)特性測量方面，沖激脈沖或連續(xù)波掃頻激勵的方式成為主要的測量手段，并提供了大量的仿真數(shù)據(jù)。但是，在實際的雷達(dá)電子對抗中，脈沖信號常被作為探測信號用于目標(biāo)探測。沖激脈沖、掃頻波形等難以在暗室中作為等效替代信號，模擬雷達(dá)電子對抗的實際過程。因此，在微波暗室中采用與真實雷達(dá)探測一致的脈沖信號作為內(nèi)場輻射式仿真激勵源，模擬雷達(dá)目標(biāo)探測的全過程，是實現(xiàn)暗室中電子對抗仿真需要解決的基本問題。

通常，微波暗室環(huán)境有限，雷達(dá)與目標(biāo)距離較近，若使用脈沖信號進行目標(biāo)探測，在收發(fā)同時模式中，發(fā)射信號與接收信號將會在接收天線處產(chǎn)生互耦；而收發(fā)分時情況下，目標(biāo)回波將會在發(fā)射信號未完全輻射前返回，難以實現(xiàn)回波的有效接收。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種微波暗室中脈沖體制雷達(dá)目標(biāo)探測模擬方法，在微波暗室中利用間歇收發(fā)方法，實現(xiàn)脈沖雷達(dá)信號無耦合收發(fā)，根據(jù)間歇收發(fā)控制信號的參數(shù)，對目標(biāo)回波信號進行恢復(fù)和能量補償，實現(xiàn)脈沖信號在暗室中進行目標(biāo)探測的全過程仿真。

本發(fā)明一種微波暗室中脈沖體制雷達(dá)目標(biāo)探測模擬方法，采取的技術(shù)方案如下：

第一步，利用間歇收發(fā)方式，獲取目標(biāo)回波信號

脈沖信號的收發(fā)過程等價于用方波信號p(t)與發(fā)射脈沖信號s₀(t)相乘，即有s₁(t)＝s₀(t)·p(t)，而回波的目標(biāo)調(diào)制過程相當(dāng)于將發(fā)射信號與目標(biāo)響應(yīng)進行卷積。設(shè)雷達(dá)目標(biāo)時域沖激響應(yīng)函數(shù)為h(t)，則間歇收發(fā)后目標(biāo)回波信號可等價表示為s₂(t)＝h(t)*(s₀(t)·p(t))，*表示卷積。

第二步，目標(biāo)回波恢復(fù)

根據(jù)發(fā)射信號帶寬等參數(shù)，設(shè)計低通濾波器，對目標(biāo)回波信號s₂(t)進行低通濾波，獲取間歇收發(fā)之后的目標(biāo)回波。

第三步，脈沖壓縮獲取目標(biāo)信息

脈沖壓縮，獲取間歇收發(fā)后目標(biāo)信息s_h(t)，然后根據(jù)間歇收發(fā)參數(shù)決定是否采用開窗的方法提取目標(biāo)信息。

第四步，目標(biāo)回波能量補償信息重構(gòu)

根據(jù)間歇收發(fā)參數(shù)，得到脈沖壓縮后信號的能量補償值，通過能量補償，重構(gòu)目標(biāo)探測信息。

其中，所述第一步間歇收發(fā)方式下，收發(fā)交替工作過程可以抽象為一方波信號p(t)對雷達(dá)脈沖信號進行控制，p(t)可表示為

其中τ為發(fā)射通道工作時段，T_s為間歇收發(fā)周期，δ(·)為單位沖擊函數(shù)，n表示第n個沖擊脈沖函數(shù)。

根據(jù)傅氏變換性質(zhì)，p(t)的頻域形式為

其中，f_s＝1/T_s，sinc(x)＝sin(πx)/(πx)?？梢园l(fā)現(xiàn)，間歇收發(fā)控制信號的頻譜為p(t)各時域諧波的組合，且主峰處幅值由收發(fā)參數(shù)τf_s決定，并決定目標(biāo)信息重構(gòu)的能量補償值。

通過精確的時延和波形控制可以保證實際發(fā)射信號的相位連續(xù)性和幅度一致性，從而確保收發(fā)過程等效為方波信號p(t)與雷達(dá)發(fā)射脈沖信號s₀(t)的乘積。

目標(biāo)散射過程可等效為一線性系統(tǒng)與激勵信號相卷積。設(shè)目標(biāo)與雷達(dá)相對距離為R，散射強度為σ₀，徑向運動速度為v，目標(biāo)在雷達(dá)視線方向投影長度為L。雷達(dá)目標(biāo)時域沖激響應(yīng)函數(shù)為h(t)＝σ₀δ(t-Δt)。假設(shè)雷達(dá)發(fā)射脈沖信號為一線性調(diào)頻脈沖信號(上調(diào)頻)。從而，間歇收發(fā)條件下，目標(biāo)回波信號去載頻后可表示為：

其中，A為回波幅度，可由回波功率得到，P_t為發(fā)射功率，G為天線收發(fā)增益，λ為波長，Δt＝2(R-vt)/C，C為電磁波傳播速度。rect(·)為矩形窗函數(shù)，T_p為脈寬，u(t)＝exp(jπγt²)為復(fù)包絡(luò)信號，為單位虛數(shù)，f₀為中心頻率，γ為線性調(diào)頻率?？梢园l(fā)現(xiàn)，目標(biāo)回波信號由一系列子脈沖信號構(gòu)成，各段子脈沖寬度與發(fā)射通道工作時段τ相等，子脈沖帶寬B_Δ＝γτ。

其中，所述第二步目標(biāo)回波恢復(fù)，具體方法如下：s₂(t)對應(yīng)頻域形式為

其中sinc(·)為辛克函數(shù)，U(f)為u(t)的頻譜。

根據(jù)線性調(diào)頻LFM信號帶寬，設(shè)計低通濾波器截止頻率剛好覆蓋信號帶寬，從而間歇收發(fā)之后，位于原始LFM信號帶寬之外的頻譜分量將被有效濾除，進一步可以得到信號時域波形。考慮W(f)為低通濾波器的頻譜，理想情況下，濾波器的頻譜滿足如下條件

從而，經(jīng)過低通濾波之后，可得

S₃(f)＝W(f)S₂(f) (6)

進一步，可以獲得經(jīng)過低通濾波之后信號的時域形式，如圖5所示。

其中，所述第三步脈沖壓縮獲取目標(biāo)信息，具體方法如下：在接收機中，根據(jù)發(fā)射信號可得幅度歸一化匹配濾波器頻率響應(yīng)為

其中f是頻率分量，B是雷達(dá)信號帶寬。

根據(jù)匹配濾波器特點，W(f)在LFM信號帶寬內(nèi)為1，帶寬外為0，與H(f)基本相同，因此相乘后可以忽略W(f)。從而，目標(biāo)回波信號經(jīng)匹配濾波并取模后輸出形式可以表示為

其中|·|表示取模運算，IFFT表示逆傅里葉變換。對|s_h(t)|的主峰位置(n＝0)進行時域開窗處理可濾出主峰，完成目標(biāo)信息重構(gòu)。需要條件分析如下：

|s_h(t)|相鄰兩個辛克函數(shù)尖峰相距

要保證匹配濾波后相鄰峰值不發(fā)生混疊，則需滿足

ΔR＞L (10)

此外要滿足目標(biāo)回波信號不遮擋和完全接收條件，還須有

其中表示信號遍歷目標(biāo)耗時。

從而，約束條件可寫為

一方面T_s越小(f_s越大)，則相鄰兩個峰值距離越遠(yuǎn)，越利于目標(biāo)信息重構(gòu)，一旦T_s足夠小，在距離門內(nèi)將只能觀察到實際目標(biāo)處的尖峰；另一方面T_s越大則信號輻射能量越小，越不易恢復(fù)目標(biāo)信息。

根據(jù)上述分析，當(dāng)間歇收發(fā)頻率小于信號帶寬時，需要在匹配濾波之后，通過合理的開窗，提取脈沖壓縮后的主峰，重構(gòu)目標(biāo)信息。開窗的目的主要是為了消除n≠0的峰值。在理想情況下，開窗類似于用矩形通斷截取脈壓主峰，通斷時間對應(yīng)的距離寬要小于相鄰峰的距離，從而

因此，截斷之后間歇收發(fā)回波的匹配濾波輸出為

其中，回波延時Δt可以根據(jù)加窗前式(4)中的主峰位置估計得到。這樣，就可以利用“間歇”收發(fā)方法解決空間有限條件下的長脈沖信號目標(biāo)探測問題。此外，根據(jù)式(9)，當(dāng)間歇收發(fā)周期T_s與完整信號帶寬相當(dāng)時，相鄰虛假峰將無法在距離門內(nèi)觀測到。此時，不采用時域截斷即可有效獲取目標(biāo)信息。

其中，所述第四步目標(biāo)回波能量補償與信息重構(gòu)，方法如下：

根據(jù)間歇控制信號p(t)的頻域形式以及所得間歇收發(fā)回波匹配濾波輸出，可以發(fā)現(xiàn)，對于實際目標(biāo)信息而言，間歇收發(fā)匹配濾波輸出的主峰(n＝0)反映了真實目標(biāo)信息。但是由于發(fā)射信號的通斷，損失了部分信號能量，因此所得目標(biāo)信息需要進行能量補償。根據(jù)式(8)，取n＝0處的脈壓輸出信息，并對信號幅度補償1/τf_s，即可精確的恢復(fù)得到目標(biāo)回波的匹配濾波輸出，從而實現(xiàn)暗室中脈沖雷達(dá)信號的目標(biāo)探測模擬過程?；謴?fù)后的脈壓輸出表達(dá)式為

本發(fā)明的有益效果主要包括：

第一，解決了微波暗室中雷達(dá)收發(fā)分時模式的收發(fā)信號耦合問題與收發(fā)同時模式中收發(fā)信號的遮擋問題。基于間歇收發(fā)方法實現(xiàn)收發(fā)通道交替工作，等效于用收發(fā)分時方式從時間域?qū)κ瞻l(fā)通道的耦合信號解耦；根據(jù)雷達(dá)與目標(biāo)相對距離、目標(biāo)尺寸等條件，精確控制收發(fā)通道的交替工作時間，將原始雷達(dá)發(fā)射脈沖信號分成多個短時子脈沖信號進行收發(fā)，從而解決了信號遮擋的問題。

第二，解決了目標(biāo)回波時域波形的恢復(fù)問題。通過調(diào)制間歇收發(fā)參數(shù)，使得間歇頻率與信號帶寬相當(dāng)，通過低通濾波能夠有效獲取目標(biāo)實際回波信號，從而解決了間歇收發(fā)后時域波形與理想時域波形的差異問題。

第三，目標(biāo)信息獲取較為精確。理想間歇收發(fā)等價于用矩形信號對雷達(dá)發(fā)射脈沖信號進行“截斷”，屬于線性作用過程，通過后續(xù)信號處理手段可精確去除“截斷”效應(yīng)，保證了目標(biāo)信息重構(gòu)結(jié)果可靠。根據(jù)間歇收發(fā)參數(shù)，可以決定是否采用開窗的方法獲取目標(biāo)信息，所得目標(biāo)信息真實可靠。

第四，目標(biāo)回波能量補償與信息重構(gòu)結(jié)果精確。根據(jù)間歇收發(fā)參數(shù)，設(shè)置回波能量補償值，能夠精確得到補償后的目標(biāo)回波信息，完成微波暗室中目標(biāo)探測的等效模擬。

【附圖說明】

圖1是微波暗室與間歇收發(fā)工作示意圖。

圖2是本發(fā)明方法實現(xiàn)流程圖。

圖3(a)是原始目標(biāo)回波時域波形。

圖3(b)是原始目標(biāo)回波頻域波形。

圖4(a)是τ＝0.1us，T_s＝0.2us的間歇收發(fā)時域波形。

圖4(b)是τ＝0.1us，T_s＝0.2us的間歇收發(fā)頻域波形。

圖5(a)是低通濾波后目標(biāo)回波時域波形。

圖5(b)是低通濾波后目標(biāo)回波頻域波形。

圖6是重構(gòu)目標(biāo)信息與原始目標(biāo)信息對比示意圖。

圖7是重構(gòu)與原始目標(biāo)信息的信噪比(SNR)對比示意圖。

【具體實施方式】

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明一種微波暗室中脈沖體制雷達(dá)目標(biāo)探測模擬方法，如圖2所示，步驟如下：

第一步，利用間歇收發(fā)方法，獲取目標(biāo)回波信號。

間歇收發(fā)方式下，收發(fā)交替工作過程可以抽象為一方波信號p(t)對雷達(dá)脈沖信號進行控制，p(t)可表示為

其中τ為發(fā)射通道工作時段，T_s為間歇收發(fā)周期，δ(·)為單位沖擊函數(shù)，n表示第n個沖擊脈沖函數(shù)。

利用傅氏變換性質(zhì)，p(t)的頻域形式為

其中，f_s＝1/T_s，sinc(x)＝sin(πx)/(πx)。可以發(fā)現(xiàn)，間歇收發(fā)控制信號的頻譜為p(t)各時域諧波的組合，且主峰處幅值由收發(fā)參數(shù)τf_s決定，并決定目標(biāo)信息重構(gòu)的能量補償值。

通過精確的時延和波形控制可以保證實際發(fā)射信號的相位連續(xù)性和幅度一致性，從而確保收發(fā)過程等效為方波信號p(t)與雷達(dá)發(fā)射脈沖信號s₀(t)的乘積，如圖1所示。

目標(biāo)散射過程可等效為一線性系統(tǒng)與激勵信號相卷積。設(shè)目標(biāo)與雷達(dá)相對距離為R，散射強度為σ₀，徑向運動速度為v，目標(biāo)在雷達(dá)視線方向投影長度為L。雷達(dá)目標(biāo)時域沖激響應(yīng)為h(t)＝σ₀δ(t-Δt)。假設(shè)雷達(dá)發(fā)射脈沖信號為一線性調(diào)頻脈沖信號(上調(diào)頻)，從而，間歇收發(fā)條件下，目標(biāo)回波信號去載頻后可表示為：

其中，A為回波幅度，可由回波功率得到，P_t為發(fā)射功率，G為天線收發(fā)增益，λ為波長，Δt＝2(R-vt)/C，C為電磁波傳播速度。rect(·)為矩形窗函數(shù)，T_p為脈寬，u(t)＝exp(jπγt²)為復(fù)包絡(luò)信號，為單位虛數(shù)，f₀為中心頻率，γ為線性調(diào)頻率。可以發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)回波信號由一系列子脈沖信號構(gòu)成，各段子脈沖寬度與發(fā)射通道工作時段τ相等，子脈沖帶寬B_Δ＝γτ。

第二步，低通濾波恢復(fù)目標(biāo)回波。

s₂(t)對應(yīng)頻域形式為

其中sinc(·)為辛克函數(shù)，U(f)為u(t)的頻譜。

根據(jù)LFM信號帶寬，設(shè)計低通濾波器截止頻率剛好覆蓋信號帶寬，從而間歇收發(fā)之后，位于原始LFM信號帶寬之外的頻譜分量將被有效濾除，進一步可以得到信號時域波形?？紤]W(f)為低通濾波器的頻譜，理想情況下，濾波器的頻譜滿足如下條件

從而，經(jīng)過低通濾波之后，可得

S₃(f)＝W(f)S₂(f) (21)

進一步，可以獲得經(jīng)過低通濾波之后信號的時域形式，如圖5所示。

第三步，脈沖壓縮獲取目標(biāo)信息。

接收到的目標(biāo)回波信號理論上等價于將全脈沖發(fā)射條件下的目標(biāo)回波信號進行“截斷”，匹配濾波后可以通過開窗手段去除“截斷”效應(yīng)，實現(xiàn)目標(biāo)信息重構(gòu)。在接收機中，根據(jù)發(fā)射信號可得幅度歸一化匹配濾波器頻率響應(yīng)為

其中f是頻率分量，B是雷達(dá)信號帶寬。

根據(jù)匹配濾波器特點，W(f)在LFM信號帶寬內(nèi)為1，帶寬外為0，與H(f)基本相同，因此相乘后可以忽略W(f)。從而，目標(biāo)回波信號經(jīng)匹配濾波并取模后輸出形式可以表示為

其中|·|表示取模運算，IFFT表示逆傅里葉變換。對|s_h(t)|的主峰位置(n＝0)進行時域開窗處理可濾出主峰，完成目標(biāo)信息重構(gòu)。需要條件分析如下：

|s_h(t)|相鄰兩個辛克函數(shù)尖峰相距

要保證匹配濾波后相鄰峰值不發(fā)生混疊，則需滿足

ΔR＞L (25)

此外要滿足目標(biāo)回波信號不遮擋和完全接收條件，還須有

其中表示信號遍歷目標(biāo)耗時。

從而，約束條件可寫為

一方面T_s越小(f_s越大)，則相鄰兩個峰值距離越遠(yuǎn)，越利于目標(biāo)信息重構(gòu)，一旦T_s足夠小，在距離門內(nèi)將只能觀察到實際目標(biāo)處的尖峰；另一方面T_s越大則信號輻射能量越小，越不易恢復(fù)目標(biāo)信息。

根據(jù)上述分析，當(dāng)間歇收發(fā)頻率小于信號帶寬時，需要在匹配濾波之后，通過合理的開窗，提取脈沖壓縮后的主峰，重構(gòu)目標(biāo)信息。開窗的目的主要是為了消除n≠0的峰值。在理想情況下，開窗類似于用矩形通斷截取脈壓主峰，通斷時間對應(yīng)的距離寬要小于相鄰峰的距離，從而

因此，截斷之后間歇收發(fā)回波的匹配濾波輸出為

其中，回波延時Δt可以根據(jù)加窗前式(19)中的主峰位置估計得到。這樣，就可以利用“間歇”收發(fā)方法解決空間有限條件下的長脈沖信號目標(biāo)探測問題。此外，根據(jù)式(24)，當(dāng)間歇收發(fā)周期T_s與完整信號帶寬相當(dāng)時，相鄰虛假峰將無法在距離門內(nèi)觀測到，此時，不采用時域截斷即可有效獲取目標(biāo)信息。

第四步，目標(biāo)回波能量補償與信息重構(gòu)。

根據(jù)間歇控制信號p(t)的頻域形式以及所得間歇收發(fā)回波匹配濾波輸出，可以發(fā)現(xiàn)，對于實際目標(biāo)信息而言，間歇收發(fā)匹配濾波輸出的主峰(n＝0)反映了真實目標(biāo)信息。但是由于發(fā)射信號的通斷，損失了部分信號能量，因此所得目標(biāo)信息需要進行能量補償。根據(jù)式(23)，取n＝0處的脈壓輸出信息，并對信號幅度補償1/τf_s，即可精確的恢復(fù)得到目標(biāo)回波的匹配濾波輸出，從而實現(xiàn)暗室中脈沖雷達(dá)信號的目標(biāo)探測模擬過程。恢復(fù)后的脈壓輸出表達(dá)式為

假設(shè)目標(biāo)是點目標(biāo)，目標(biāo)與雷達(dá)距離為R＝45m，靜區(qū)反射率電平為-40dB。按照圖1所示情景，將雷達(dá)收發(fā)控制系統(tǒng)與目標(biāo)置于暗室，使兩者的距離為R。雷達(dá)長脈沖信號脈寬為T_p＝100us，帶寬為B＝5MHz，波長為0.3m，發(fā)射功率為1W，天線收發(fā)增益為30dB，接收機信噪比為10dB。目標(biāo)散射截面積為σ₀＝0.1m²，速度為v＝1m/s，匹配濾波后目標(biāo)等效位于45m處。根據(jù)圖2所示處理流程，設(shè)定間歇收發(fā)參數(shù)τ＝0.1us，T_s＝0.2us。首先，圖3(a)、(b)給出完整LFM脈沖信號的時頻域波形。然后，得到的間歇收發(fā)回波時頻域波形如圖4(a)、(b)所示。經(jīng)過低通濾波，得到濾波后的間歇收發(fā)時頻域波形如圖5(a)、(b)所示，其時頻域特性與完整信號的時頻域波形基本一致，只有幅度上存在差異。由于間歇收發(fā)方法中f_s＝5MHz，與帶寬相當(dāng)，因此，匹配濾波后將觀察不到相鄰虛假尖峰。進一步，對所得脈壓輸出進行能量補償即可獲取目標(biāo)信息，如圖6所示。由于存在多普勒，脈壓輸出峰值位置偏離真實位置45m，但間歇收發(fā)方法與完整信號的脈壓輸出結(jié)果基本一致。在不同信噪比條件下，對比間歇收發(fā)方法與完整回波信噪比的估計值，得到圖7。可以發(fā)現(xiàn)，兩者信噪比基本一致，從而驗證了間歇收發(fā)方法的有效性。