专利名称：一种多普勒宽容的多址探测方法
技术领域：
本发明涉及声纳和雷达领域，更具体地说，本发明涉及一种具有多址 特性的主动探测方法。
背景技术：
在主动声纳和雷达领域，常常需要考虑多用户问题，例如舰艇或飞机 的编队行动中，需要多部声纳或雷达在同一海域/空间内同时工作。这要求 每个用户发射的主动探测波形能够被区别，避免相互之间干扰，即具有多 址特性。
受限于信号处理能力，早期声纳/雷达系统采用单频(cw)脉冲、调
频(线性调频LFM、双曲调频HFM)波形等简单的主动波形，这类波形 本身不具备多址性能。为了实现多用户同时探测， 一种可行的方案是采用 频分方法，使每个用户工作于不同的工作频率来消除干扰，但这意味着在 信道带宽有限的情况下(对于主动声纳来讲尤其如此)每个用户只能使用 较小的带宽，从而降低了信号处理增益。此外，这导致不同用户所采用的 接收机参数不同，从而增加生产和维护成本。因此现代声纳/雷达系统一般 通过采用具有多址特性的主动波形来实现多用户探测。现有多址波形主要 包括两类伪随机噪声波形和Costas跳频波形。这两类波形利用了伪随机 编码序列(如m序列)和Costas阵列编码不同码字所具有的大自相关性 和小互相关性来区分不同用户，实现多址。然而，本领域人知道，这两种 波形对多普勒敏感，这使得接收机必须在多个多普勒通道上进行匹配处 理，不但结构复杂，而且很难完全避免失配所引起检测性能下降。虽然可 以由多普勒信息测得目标的速度参数，但是在很多应用中，目标的方位、 距离更重要，而速度信息并不是重点，此时采用多普勒敏感的主动波形不 仅会降低;^测鲁棒性，而且需要付出更高的硬件成本。
综上所述，现有的多址探测方法在性能或者成本上存在着不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有更好的检测鲁 棒性的多址探测方法。
为实现上述发明目的，本发明提供的多普勒宽容的多址探测方法，包
括如下步骤
1) 在发射端，生成用于探测的主动波形并将其发射出去；所述主动 波形是将宽带双曲调频(HFM )波形截断为N个子脉冲，然后根据N阶Costas 编码序列重新排列而形成的HFM-Costas复合波形；
2) 在接收端，对所述主动波形进行回波接收检测。 上述技术方案中，所述步骤1)中，在生成所述HFM-Costas复合波
形前，进行如下步骤
根据探测系统的工作频段确定主动波形的中心频率(这里中心频率可以 定义为算术中心频率)根据可用带宽、所需要的时间增益，确定波形总 脉宽r与带宽S,根据对多普勒宽容性、多址性能的要求确定Costas阵列阶 数iV并选择码族。
上述技术方案中，所述宽带双曲调频波形根据所述步骤11)中的中心 频率/ 、带宽5和波形总脉宽r生成。
上迷技术方案中，将所述宽带双曲调频波形截断为w个等脉宽
U =77〃的子脉冲，表示为那U/),l"《iV。
上述技术方案中，从所述Costas阵列码族中选择一个7V阶Costas编 码序列，然后才艮据所述Costas编码序列对所述W个等脉宽的子脉冲重新排 列，并将各子脉冲在时间上连接起来，形成最终的HFM-Costas复合波形。
上述技术方案中，所述步骤2)中，采用相干-非相干混合接收检测的 方法对所述主动波形进行回波接收检测。
上述技术方案中，所述步骤2)中，首先针对复合波形的子脉冲进行相 干检测，然后再将相干检测结果依据所述HFM-Costas复合波形所采用的 Costas编码序列时序关系进行非相干累加。
上述技术方案中，所述步骤2)包括如下子步骤 21 )相关器以各子脉冲波形为复本对接收信号进行匹配相关，进行脉冲 压缩；
22)取相关器输出的绝对值包络，根据各子脉冲在发射波形对应Costas 编码序列的时序分别进行延时；
23 )将延时后的结果相加并输出。
本发明具有如下技术效果
(1)与传统多址探测方法中所采用的主动波形(伪随机编码波形、 Costas跳频波形)相比，新方法中的HFM-Costas复合波形对多普勒宽容， 具有更好的检测鲁棒性；
(2 )针对复合波形的相千-非相干混合检测接收机不需要进行多普勒 通道搜索，结构简单，硬件成本低。
图1是本发明所提出的主动探测方法的一种探测系统的组成示意图； 图2是本发明所提出的主动波形的时频分布示意图； 图3是传统Costas跳频波形的时频分布示意图； 图4是本发明所提出的主动波形的模糊度函数图;其中图4.a是序列1 的HFM-Costas波形模糊度函数，图4.b是序列1的HFM-Costas波形-3dB
模糊度图5是传统Costas跳频波形的模糊度函数图；其中图5.a是序列1的 传统Costas波形模糊度函数；图5.b是序列1的传统Costas波形-3dB模糊 度图；其中图6.a是序歹U 1与序列2的波形互模糊度函数；图6.b是图6.a沿 5轴的投影； 图7是本发明所提出的相干一非相干检测接收机的结构示意图 图8是本发明所提出的主动探测方法的湖上试验结果；其中图8.a是 湖上试验数据结果混合检测接收机输出；图8.b是湖上试验数据发射 复合波形釆用序列1,接收机采用序列2延时求和时的输出。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。 图l给出了根据本发明设计的主动声纳探测装置的框图。系统釆用一个 线阵列完成信号的发射和接收，由双工器完成收发状态的隔离和切换。在发 射端， 一个^"前述步骤的工作的主动波形产生单元生成主动纟果测波形，经功 率放大器放大后由换能器阵列发射。阵列输出的回波信号首先经前置放大器 放大，然后进行波束形成。各波束信号分别通过相干-非相干检测接收机进 行回波检测，再进行后处理，最后由显示单元以图像方式将回波数据显示出 来。
在这个实例中，主动波形的参数为/m = 58000他，B = 20000他，T = 20柳， iV = 10。有关生成Costas编码的方法在4艮多文献中都有介绍，这里选用的 Costas码组为{2， 4, 8, 5， 10， 9, 7， 3, 6， 1; 6， 3, 7， 9, 10， 5, 8, 4, 2,1}。主动波形 产生单元首先生成中心频率58kHz、脉宽20ms、带宽20kHz的HFM波形，然 后在时间上将其等分为IO个脉宽为2ms的子脉冲，再根据编码序列将子脉 冲在时间上重新排列，最后将子脉沖重连接起来后输出。闺2给出了宽带HFM 与采用Costas码组中序列1所生成的HFM-Costas波形的时频分布图对比。 图3所示为采用相同参数的传统Costas跳频波形的时频分布图。对比图2 和图3可见，新的复合波形实际上是以调频子脉冲代替了传统Costas波形
中的单频子脉沖，正是由于这一改变提高了复合波形的多普勒宽容性。并且，
HFM-Costas复合波形中的调频子脉冲是由同一个宽带HFM波形切分而来，对 应同 一径向速度所引起的压缩或扩展，各子脉冲的相关峰会产生相同的时间 偏移，容易采用非相干方法使其叠加起来。
本领域技术人知道， 一种主动探测波形的特性可以通过其"模糊度函数，， 进行分析。"模糊度函数"是由主动波形与其经过时延、压缩/扩展后的复本 相关得到的，它给出了波形的时-频二维相关特性。图4给出了图2中 HFM-Costas复合波形的模糊度函数。作为对比，图5给出了相同参数下传统 Costas波形的模糊度函数。对比图4.b和图5. b可以看出，新的复合波形模 糊度图在5轴上有更长的投影，在此范围内即使由于目标相对运动造成回波 产生压缩或扩展(多普勒效应)，也不会引起接收机检测性能下降，即具有 "多普勒宽容"的特性。而传统Costas波形对多普勒宽容性较差，接收机 必须针对假设的目标速度在多个不同的通道上进行跟踪，由于通道划分不可 能无限精细，因此这种补偿措施总是会带来检测性能的损失。在实际应用中， 目标或平台不可能完全相对静止，总是处于运动之中，考虑到这种影响，多 普勒宽容的波形具有更高的检测鲁棒性。
采用混合检测时，复合波形的多普勒分辨率与各子脉冲相同。各子脉冲 的窄带多普勒容限由其中心频率/，，^(/)、带宽U/)决定。近似地，可以取频 率在厶处的子脉冲来计算，-3dB多普勒模糊度为
^2v/m0.63 900S c W 氛
式中l为窄带多普勒频移，以Hz为单位，速度v的单位为节。对于本
实例中给出的复合波形，速度容限为土15. 5节。
图6给出了根据Costas码组中序列1与序列2所生成的两个不同的 HFM-Costas复合波形的"互模糊度函数"，波形其它参数同上。由图中可见 复合波形继承了 Costas跳频波形的多址特性，采用不同编码序列所产生的 波形在时间和频率方向上同时具有小的互相关性，因此能够避免多个用户间 的相互干扰。
图7为本实施例用于对HFM-Costas波形进行检测接收的相干一非相干 混合接收机示意图。接收信号分别与每个子脉冲进行匹配相关，各相关器输 出取绝对值包络，然后通过与编码序列对应的延时一求和矩阵，延时一求和 后即得到复合波形的检测输出。由于子脉冲容易满足窄带条件，可以用窄带 方法(如正交解调一复包络相关)进行处理，能够进一步减小计算量，降低 硬件成本。
图8给出了上述探测装置在湖上试验中一次脉沖发射回波数据处理结 果。该试验使用一个目标强度为re--4必的柱形仿真锚雷，距离为576米， 发射系统声源级S丄-183必。接收采用平板阵，水平波束开角2° ,垂直开角 10° 。发射复合波形釆用序列1生成，其它参数同图2。图8.a是混合检测 接收机的输出，目标回波清晰可见。图8. b是针对相同回波数据根据编码序 列2进行非相干延时求和的输出，可见当接收机所采用的编码与发射波形不 同时，子脉冲相关峰不能够被完整叠加，而是*于时间轴上，从而实现码 间抑制，达到不同用户区分的目的。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限
制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应 当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技 术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种多普勒宽容的多址探测方法，包括如下步骤1)在发射端，生成用于探测的主动波形并将其发射出去；所述主动波形是将宽带双曲调频波形截断为N个子脉冲，然后根据N阶Costas编码序列重新排列而形成的HFM-Costas复合波形；2)在接收端，对所述主动波形进行回波接收检测。
2. 根据权利要求1所述的多址探测方法，其特征在于，所述步骤l) 中，在生成所述HFM-Costas复合波形前，进行如下步骤根据探测系统的工作频段确定主动波形的中心频率/m ，根据可用带宽、 所需要的时间增益，确定波形总脉宽r与带宽S，根据对多普勒宽容性、多 址性能的要求确定Costas阵列阶数iV并选择码族。
3. 根据权利要求2所述的多址探测方法，其特征在于，所述宽带双 曲调频波形根据所述步骤11 )中的中心频率、带宽万和波形总脉宽r生成。
4. 根据权利要求3所述的多址探测方法，其特征在于，将所述宽带 双曲调频波形截断为W个等脉宽7^ =77^的子脉冲。
5. 根据权利要求4所述的多址探测方法，其特征在于，从所述Costas 阵列码族中选择一个iV阶Costas编码序列，然后才艮据所述Costas编码序列 对所述JV个等脉宽的子脉冲重新排列，并将各子脉冲在时间上连接起来，形 成最终的HFM-Costas复合波形。
6. 根据权利要求1所述的多址探测方法，其特征在于，所述步骤2) 中，釆用相干-非相干混合接收检测的方法对所述主动波形进行回波接收检 测。
7. 根据权利要求6所述的多址探测方法，其特征在于，所述步骤2) 中，首先针对复合波形的子脉冲进行相干检测，然后再将相干检测结果依据 所述HFM-Costas复合波形所采用的Costas编码序列时序关系进行非相干 累加。
8. 根据权利要求6所述的多址探测方法，其特征在于，所述步骤2) 包括如下子步骤21 )相关器以各子脉冲波形为复本对接收信号进行匹配相关，进行脉冲 压缩；22) 取相关器输出的绝对值包络，根据各子脉冲在发射波形对应Costas 编码序列的时序分别进行延时；23) 将延时后的结果相加并输出。
9. 根据权利要求2所述的多址探测方法，其特征在于，所述中心频率 定义为算术中心频率。
全文摘要
本发明提供一种多普勒宽容的多址探测方法，包括如下步骤1)在发射端，生成用于探测的主动波形并将其发射出去；所述主动波形是将宽带双曲调频波形截断为N个子脉冲，然后根据N阶Costas编码序列重新排列而形成的HFM-Costas复合波形；2)在接收端，对所述主动波形进行回波接收检测。本发明具有如下技术效果与传统多址探测方法中所采用的主动波形相比，新方法中的HFM-Costas复合波形对多普勒宽容，具有更好的检测鲁棒性；针对复合波形的相干-非相干混合检测接收机不需要进行多普勒通道搜索，结构简单，硬件成本低。
文档编号G01S7/537GK101354440SQ200710119519
公开日2009年1月28日 申请日期2007年7月25日 优先权日2007年7月25日
发明者吴永清, 王永丰, 蔡惠智 申请人:中国科学院声学研究所