一種基于相位編碼正交頻分復(fù)用信號(hào)的雷達(dá)成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于用于成像的雷達(dá)系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種基于相位編碼正交頻分復(fù)用 信號(hào)的雷達(dá)成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 雷達(dá)成像技術(shù)是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的，它是雷達(dá)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。利 用雷達(dá)成像技術(shù)，可W獲得目標(biāo)和場(chǎng)景的圖像，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)未知目標(biāo)的跟蹤與識(shí)別，對(duì)于 未來(lái)電子戰(zhàn)取得勝利具有重要的意義。同時(shí)，由于雷達(dá)具有全天候、遠(yuǎn)距離和寬廣觀測(cè)帶等 特點(diǎn)，使得雷達(dá)成像技術(shù)受到廣泛的重視。
[0003] 雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)雷達(dá)天線主動(dòng)向外發(fā)射電磁波信號(hào)，并接收散射回雷達(dá)天線的回波 信號(hào)，對(duì)接收到的回波信號(hào)通過(guò)匹配濾波將其壓縮成窄脈沖。目標(biāo)回波的窄脈沖分布相當(dāng) 于H維分布的目標(biāo)散射點(diǎn)的子回波之和。在平面波條件下，該分布為沿波束射線方向的相 同距離單元內(nèi)的子回波的向量和。
[0004] 雷達(dá)距離向高分辨率主要取決于發(fā)射信號(hào)的帶寬，但硬件水平制約了信號(hào)帶寬在 應(yīng)用上提高的空間，無(wú)法滿足實(shí)際情況對(duì)成像分辨率的要求。線性調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)的提出，實(shí) 現(xiàn)了高的距離分辨能力，而且不需要增大系統(tǒng)的瞬時(shí)帶寬。但是一般情況下，該信號(hào)模型的 頻率步進(jìn)值是常數(shù)，容易受干擾信號(hào)的影響，而且，現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，雷達(dá)在 探測(cè)與偵察中容易受電子干擾巧CM ;Electronic Countermeasures)的影響，進(jìn)而制約了 線性調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用?，F(xiàn)代雷達(dá)需要尋求新的信號(hào)體制或者采取有效的 措施來(lái)實(shí)現(xiàn)電子抗干擾巧CCM ;Electronic Counter-Countermeasures),降低干擾對(duì)雷達(dá) 成像的影響，讓雷達(dá)得W正常工作。
[0005] 相位編碼正交頻分復(fù)用（(FDM)信號(hào)在多載頻正交頻分復(fù)用技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合了 相位編碼技術(shù)，不僅具有合成大帶寬所帶來(lái)的距離高分辨能力，而且自相關(guān)函數(shù)旁瓣相對(duì) 較低，頻譜利用率高，模糊函數(shù)呈現(xiàn)局部圖釘型。將該信號(hào)用于成像雷達(dá)，可獲得低的截獲 概率，同時(shí)在抗干擾、抗衰落、抑制多徑與雜波干擾等方面有優(yōu)越的性能，但是在雷達(dá)發(fā)射 脈沖串信號(hào)時(shí)，在脈沖重復(fù)時(shí)間處存在較高的距離旁瓣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] -般雷達(dá)系統(tǒng)包括天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理模塊和終端設(shè)備等部件。發(fā)射 相位編碼OFDM信號(hào)的雷達(dá)，其成像的一般過(guò)程如下；在雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)中，W兩個(gè)完全 互補(bǔ)的相位編碼OFDM信號(hào)作為激勵(lì)，產(chǎn)生原始雷達(dá)信號(hào)，該信號(hào)在發(fā)射機(jī)中的功率放大級(jí) 中被放大，之后上述信號(hào)在天線處W-個(gè)脈沖重復(fù)周期為間隔進(jìn)行發(fā)射，而當(dāng)接收機(jī)接收 到目標(biāo)回波信號(hào)后，在信號(hào)處理模塊中實(shí)施相應(yīng)處理，最終得到目標(biāo)的一維距離像。
[0007] 本發(fā)明為一種新型雷達(dá)成像方法，其要解決的技術(shù)問(wèn)題是降低相位編碼OFDM信 號(hào)在脈沖重復(fù)時(shí)間處的距離旁瓣。該方法的應(yīng)用場(chǎng)合是發(fā)射相位編碼OFDM信號(hào)的寬帶雷 達(dá)成像系統(tǒng)，可為地基、空基或天基雷達(dá)系統(tǒng)。
[0008] 具體技術(shù)方案為，一種基于相位編碼正交頻分復(fù)用信號(hào)的雷達(dá)成像方法，包括W 下步驟：
[0009] 第一步：通過(guò)自適應(yīng)克隆選擇算法求出與原始四相編碼矩陣/^°互補(bǔ)的四相編碼 矩陣A 1，四相編碼矩陣由N個(gè)長(zhǎng)度為K的四相編碼序列組成；N，K為整數(shù)。
[0010] 自適應(yīng)克隆選擇算法的求解過(guò)程如下：
[0011] (1)設(shè)置算法參數(shù)，初始化抗體種群。
[0012] 設(shè)抗體種群中抗體個(gè)數(shù)為Mp，最大進(jìn)化代數(shù)為L(zhǎng)(L為整數(shù)），進(jìn)化代數(shù)計(jì)數(shù)器初始 值為1 = 0,隨機(jī)產(chǎn)生Mp個(gè)NXK維四相編碼矩陣
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于相位編碼正交頻分復(fù)用信號(hào)的雷達(dá)成像方法，其特征在于，按如下步驟實(shí) 施： 第一步，通過(guò)自適應(yīng)克隆選擇算法求出與原始四相編碼矩陣A°互補(bǔ)的四相編碼矩陣AS四相編碼矩陣由N個(gè)長(zhǎng)度為K的四相編碼序列組成； 第二步，在雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)中，利用第一步得到的八°和AS根據(jù)公式
分別對(duì)N個(gè)相互正交的子載頻進(jìn)行相位調(diào)制，得到相位編碼OFDM互補(bǔ)脈沖對(duì)，以該脈 沖對(duì)作為激勵(lì)，產(chǎn)生原始雷達(dá)信號(hào)，該信號(hào)在發(fā)射機(jī)中的功率放大級(jí)中被放大，此時(shí)信號(hào)仍 是脈沖對(duì)形式，將上述信號(hào)調(diào)制到載頻上，并在天線處間隔一個(gè)脈沖重復(fù)周期I發(fā)射，該 發(fā)射信號(hào)的表達(dá)式為：
其中，j是單位虛數(shù)，N是子載頻個(gè)數(shù)，wn是第n個(gè)子載頻的頻率加權(quán)系數(shù)，且w?=|w?|eA，0n為初相，|wn|為幅度，K為編碼長(zhǎng)度，A= {ank}NXK為相位編碼矩陣，ank 為第n個(gè)子載頻的第k個(gè)編碼，且an，ke{1，-1，j，-j}，i的取值為0、1，下標(biāo)n的取值范圍 為0到N-1的整數(shù)，下標(biāo)k的取值范圍為0到K-1的整數(shù)，rect( ?)為單位矩形窗函數(shù)，tb 是子脈沖寬度，1；是脈沖寬度其大小等于Ktb，Af?是相鄰子載頻之間的頻率間隔，它滿足 Af=l/tb，且信號(hào)帶寬
第三步，當(dāng)雷達(dá)接收機(jī)接收到目標(biāo)回波信號(hào)后，在信號(hào)處理模塊中對(duì)所發(fā)射的脈沖對(duì) 的兩個(gè)目標(biāo)脈沖回波分別進(jìn)行脈沖壓縮并疊加，得到目標(biāo)的一維距離像。
2. -種如權(quán)利要求1所述的基于相位編碼正交頻分復(fù)用信號(hào)的雷達(dá)成像方法，其特征 在于，第一步中的自適應(yīng)克隆選擇算法的求解過(guò)程如下： (1) 設(shè)置算法參數(shù)，初始化抗體種群， 設(shè)抗體種群中抗體個(gè)數(shù)為Mp，最大進(jìn)化代數(shù)為L(zhǎng)，進(jìn)化代數(shù)計(jì)數(shù)器初始值為1 = 0,隨機(jī) 產(chǎn)生MpfNXK維四相編碼矩陣
，則初始抗體種群表 示為：
(2) 適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算與排序， 首先定義兩個(gè)NXK維四相編碼矩陣A°、A1的自、互相關(guān)和函數(shù)：
其中，R(ai，n，aj，n，Ak)表示序列ai;n與序列aj;n的相關(guān)函數(shù)，Ak表示相關(guān)延遲。 設(shè)定適應(yīng)度函數(shù)為：
其中，PSL[Sl(A〇，A1)] = 201g{max[Sl(A〇，A1，Ak)]Aw/Sl(A〇，A1，Ak)Ak= 〇}表 示峰值旁瓣比，Peak[s2(A°,A1)] = 201g{max[s2(A°,A1，Ak)]}表示互相關(guān)峰值，Vpv2 為權(quán)重參數(shù)，且滿足
利用公式（1)和公式（2)，計(jì)算與原始編碼矩陣A°相關(guān)的抗體Om(l)的適應(yīng)度函數(shù) 值，并將各抗體按照該值從大到小的順序排列，記為：
(3) 自適應(yīng)克隆復(fù)制， 根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)的值，對(duì)抗體種群進(jìn)行自適應(yīng)復(fù)制操作，符號(hào)表示如下：
其中，打卜",(/))表示對(duì)抗體氣。(/)進(jìn)行Qm次克隆復(fù)制，Qm取值為： Qm(l) =ceil(ncF(m)/sum(F(m))) (5) 其中ceil(?)表示向上取整函數(shù)，n。是一個(gè)與克隆規(guī)模相關(guān)的參數(shù)；經(jīng)過(guò)克隆復(fù)制， 抗體種群表示為：
其中Am(l)為一子抗體種群，具體表不為： Am(D= {UDIUD=①-⑴}，Q= 1，2,…，Q，= 1，2, ...，Mp (4) 自適應(yīng)克隆變異， 一個(gè)NXK維抗體的變異概率為
其中，該抗體為子抗體種群Am(l)中的一個(gè)抗體，其在適應(yīng)度排序中排在第m個(gè)，而其 進(jìn)化代數(shù)為1，公式中Y為算法調(diào)節(jié)參數(shù)，Qm為公式（5)所示的克隆復(fù)制規(guī)模；抗體Am，q(l) 經(jīng)自適應(yīng)克隆變異后得到A'm，q(l)，并以如下概率接收為新抗體：
其中相位編碼數(shù)Np= 4,d(?)表示Hamming距離；該步之后的抗體種群表示為
而各子抗體種群中適應(yīng)度函數(shù)值最大的一個(gè)抗體記為 Km(l) = (A,m，q(l)|maxF(A'm，q⑴)，q= 1，2, ...，Qm}(m= 1，2,…，Mp) (5) 自適應(yīng)克隆選擇， 抗體Km(l)以概率乂取代〇m(l)，其中概率乂的計(jì)算公式如下：
其中（是一個(gè)與抗體種群多樣性相關(guān)的參數(shù)； (6) 更新抗體種群， 抗體種群的進(jìn)化代數(shù)由1變?yōu)?+1，新的抗體種群為
(7) 算法終止， 如果進(jìn)化代數(shù)達(dá)到L，算法終止，此時(shí)抗體種群中適應(yīng)度函數(shù)值最大的抗體即為所求的 相位編碼矩陣A\否則轉(zhuǎn)步驟（2)繼續(xù)執(zhí)行算法。
3. -種如權(quán)利要求1所述的基于相位編碼正交頻分復(fù)用信號(hào)的雷達(dá)成 像方法，其特征在于，第二步中的子載頻加權(quán)系數(shù)％ 的參數(shù)設(shè)定為
4. 一種如權(quán)利要求1所述的基于相位編碼正交頻分復(fù)用信號(hào)的雷達(dá)成像方法，其特征 在于，所述第三步的具體過(guò)程如下： (1) 將回波信號(hào)sH(t),i= 0, 1與中心載頻混頻，即sH(t)乘上exp(_j2JrfQt)，以獲 得基帶回波信號(hào)sbi(t)，i= 0，l; (2) 對(duì)兩個(gè)接收脈沖信號(hào)進(jìn)行匹配濾波脈沖壓縮處理；信號(hào)s(n)的匹配濾波器沖激響 應(yīng)為其共軛倒置，即h(n) =s#(-n)，而脈沖壓縮過(guò)程為回波信號(hào)與匹配濾波器沖擊響應(yīng)的 卷積，從而輸出
其中，1的取值為0到N-1的整數(shù)； (3)將兩個(gè)互補(bǔ)脈沖的脈沖壓縮輸出信號(hào)ytl(n)和71(1〇相加，得到目標(biāo)的高分辨率一 維距離像。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于雷達(dá)系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種基于相位編碼正交頻分復(fù)用(OFDM)信號(hào)的新型雷達(dá)成像方法。具體技術(shù)方案是，雷達(dá)發(fā)射端發(fā)射互補(bǔ)的相位編碼OFDM信號(hào)脈沖對(duì)，雷達(dá)接收端對(duì)兩個(gè)脈沖回波分別進(jìn)行脈沖壓縮并疊加，得到目標(biāo)的一維距離像，而與原始相位編碼OFDM信號(hào)互補(bǔ)的信號(hào)是采用自適應(yīng)克隆選擇算法求出的。該算法以原始相位編碼矩陣為抗原，以互補(bǔ)相位編碼矩陣為抗體，通過(guò)適應(yīng)度函數(shù)衡量解的優(yōu)劣程度，尋求具有最大適應(yīng)度函數(shù)值的最優(yōu)抗體即為所求的解。發(fā)明相位編碼OFDM信號(hào)在脈沖重復(fù)時(shí)間處的距離旁瓣得以降低，從而雷達(dá)成像的分辨率得以提高，雷達(dá)信號(hào)的截獲概率得以降低，抗干擾、抗衰落、抑制多徑與雜波干擾等性能得以提高。
【IPC分類(lèi)】G01S13-89
【公開(kāi)號(hào)】CN104569973
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510040484
【發(fā)明人】霍凱, 姜衛(wèi)東, 劉永祥, 趙晶晶, 黎湘, 高勛章
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月27日