基于双线性变换的超宽带线性调频信号采样方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于双线性变换的超宽带线性调频信号采样方法，主要解决针对宽带信号现有技术的前端模数转换器采样率高的问题。其实现步骤是：(1)产生本振信号；(2)检波；(3)合成参考信号；(4)进行解线性调频变换；(5)低速采样；(6)插值；(7)合成共轭参考信号；(8)进行线性调频变换。本发明通过解线性调频变换和线性调频变换，将原始宽带信号重构的问题转化成利用参考信号和共轭参考信号恢复原始宽带信号的问题，实现了在低采样率条件下对模拟超宽带线性调频信号进行采样。
【专利说明】基于双线性变换的超宽带线性调频信号采样方法
【技术领域】
[0001]本技术发明属于通信【技术领域】，更进一步涉及雷达【技术领域】中的一种用双线性变换进行超宽带线性调频信号的采样方法。本发明可用于对采用超宽带线性调频信号的成像雷达的信号提取，将宽带信号解线性调频转换为窄带信号后进行正交采样，数字域插值后再进行线性调频恢复出原宽带信号，对此宽带信号进行频移或者时延后从而对该成像雷达实施欺骗干扰。
【背景技术】
[0002]成像雷达能够对目标进行高分辨的成像，获取更多的目标信息，对目标进行分类和识别，因而被广泛的应用于现代雷达中。
[0003]干扰一般可以分为压制干扰和欺骗干扰，目前针对成像雷达的压制干扰一般有相干噪声干扰和无源干扰，欺骗干扰则主要是数字图像合成技术，此方法可以使成像雷达合成出虚假的目标像。因为成像雷达对目标成像的距离分辨率取决于发射信号的带宽B，为了得到较高的距离分辨力，成像雷达常采用线性调频信号，其带宽通常达到几百到上千兆赫兹，根据带通采样定理(单路采样不低于两倍信号带宽，正交采样率不低于一倍信号带宽)，在对此信号进行数字处理时需要很高的采样率，受限于模数转换器的性能，目前的宽带信号采样率在1G-2G赫兹，且成本高昂。
[0004]目前，对宽带信号的采样方法主要有两大类，一类是基于信道化的多通道采样方法，它是将宽带信号分到多个子信道上分别进行分析，由模拟信道化和数字信道化组成?’另一类是基于压缩感知的采样恢复方法，由随机采样，匹配，恢复等步骤组成。
[0005]陈旗等人在论文“基于OMP的非合作宽带脉冲压缩雷达信号的压缩感知研究”(《信号处理》2012，pp:900-906)中公开了一种基于压缩感知对非合作宽带雷达信号的采样方法。该方法分析了贪婪算法、凸松弛类算法、组合类算法在不同信噪比下的性能，得到了正交匹配追踪算法运行速度快且重构精度高的结论，能够实现对非合作宽带雷达信号的欠采样处理。但是，该方法存在的不足是，为了覆盖信号的参数范围，匹配所需要的字典元素个数非常巨大，匹配计算的运算量随之上升，当字典中没有完全匹配的元素时，重构信号与原信号的相关性较差。
[0006]del Mundo, C.等人在论文 “Accelerating fast Fourier Transformfor wideband channelizat1n，，( ((2013 IEEE Internat1nal Conference onCommunicat1ns))2013, pp: 4776-4780)中公开了一种基于快速傅里叶变换的数字信道化采样方法。该方法直接用模数转换器对射频信号进行低速采样，将不同频率的信号划分到不同的子信道进行检测，再用快速傅立叶变换对各个子信道进行分析。虽然，该方法降低了每个子信道上的数据处理量，但是该方法存在的不足是，信号处理需要在模数转换器采样后进行，并没有解决前端模数转换器采样率高的问题。
[0007]宁波大学提出的专利申请“一种基于压缩感知的脉冲超宽带信号检测方法”(申请号:CN 201310020850 ;申请公布号:CN 103117819A)公开了一种基于压缩感知的脉冲超宽带信号检测方法。该方法是在信号检测端利用压缩感知理论中的随机采样对接收到的信号向量进行采样，大大降低了检测所需的采样速率。同时根据脉冲超宽带信号发射机的具体参数设置匹配的停止条件，有效地降低了匹配的计算成本。此外利用加权最小二乘估计方法不断减小前一次迭代后残差值较大位置对应的异常样本的影响，提高了低信噪比的检测成功概率。但是，该方法存在的不足是，对于非合作的宽带信号侦察，由于无法获取宽带信号发射机的参数，不能降低检测方法的计算成本。如果通过其他侦察手段获取发射机参数，重构的停止条件也只降低了匹配的次数，也没有采用任何降低字典元素个数的方法，不能解决单次匹配计算量大的问题。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于克服上述现有技术模数转换器的不足，根据超宽带线性调频信号的时频特点，提出一种基于双线性变换的超宽带线性调频信号的采样方法。
[0009]实现本发明的目的的思路是，产生下变频所需要的本振信号，并将当前接收的模拟超宽带线性调频信号依次进行下变频，带通滤波和中频放大。然后将中频放大后的信号通过分路器分成两路，一路进行检波；另一路送入混频器，和合成的参考信号进行混频。再用低速模数转换器将混频后的信号采样，再进行插值。最后将插值后的信号和合成的共轭参考信号进行线性调频变换得到数字的超宽带线性调频信号。
[0010]本发明的具体实施步骤如下:
[0011](I)产生本振信号:
[0012](Ia)设置模拟超宽带线性调频信号的调频斜率，载频，初始频率和脉冲宽度；
[0013](Ib)将设置的模拟超宽带线性调频信号的载频传入超外差接收机的本振，产生下变频所需要的本振信号；
[0014](2)检波:
[0015](2a)将超外差接收机当前接收的模拟超宽带线性调频信号和本振信号传入超外差接收机的混频器进行下变频，得到下变频信号；
[0016](2b)将下变频信号通过带通滤波器进行带通滤波，得到中频信号；
[0017](2c)将中频信号经过中频放大器，得到放大的中频信号；
[0018](2d)将放大的中频信号用分路器分为两路，一路送入检波器进行检波，另一路送入混频器；
[0019](2e)当检波器检测到放大的中频信号时，输出到达时间控制信号；
[0020](3)合成参考信号:
[0021](3a)对模拟超宽带线性调频信号的调频斜率取反，得到模拟超宽带线性调频信号的调频斜率负值；
[0022](3b)将模拟超宽带线性调频信号的调频斜率负值、载频和初始频率传入直接数字频率合成器，合成参考信号；
[0023](4)进行解线性调频变换:
[0024](4a)当到达时间控制信号为高电平时，将传入混频器的中频信号和参考信号进行解线性调频变换，得到解线性调频变换后的信号；
[0025](4b)将解线性调频变换后的信号通过低通滤波器进行低通滤波，得到窄带信号；
[0026](5)低速采样:
[0027](5a)将采样率的最小值设置为窄带信号的带宽值；
[0028](5b)在高于采样率最小值且低于两倍采样率最小值的范围内，设置低速模数转换器的采样率；
[0029](5c)利用低速模数转换器对窄带信号进行正交采样，得到数字信号；
[0030](6)插值:
[0031]利用辛克插值法，对数字信号进行插值，得到插值后的信号；
[0032](7)合成共轭参考信号:
[0033]将模拟超宽带线性调频信号的调频斜率、载频和初始频率传入直接数字频率合成器，合成共轭参考信号；
[0034](8)进行线性调频变换:
[0035]将插值后的信号和共轭参考信号进行线性调频变换，得到数字的超宽带线性调频信号。
[0036]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0037]第一，本发明通过解线性调频变换和线性调频变换，将原始宽带信号重构的问题转化成利用参考信号和共轭参考信号恢复原始宽带信号的问题，克服了现有技术采用正交匹配导致的处理速度慢，且存在相关性较差的可能性的问题，使得本发明具有处理速度快，实时性较好的优点。
[0038]第二，本发明通过解线性调频变换，将采样率高的宽带信号变成采样率低的窄带信号，克服了现有技术的前端模数转换器采样率高的问题，使得本发明实现了在低采样率条件下对模拟超宽带线性调频信号进行采样。
[0039]第三，本发明采用直接数字频率合成器，仅需超宽带信号的调频斜率，载频，初始频率和脉冲宽度，无需超宽带信号发射机的先验信息，克服了现有技术无法获取非合作宽带信号发射机的参数的问题，使得本发明具有可操作性强，复杂性低的特点。
【专利附图】
【附图说明】
:
[0040]图1为本发明的流程图；
[0041]图2为本发明在不同误差下解线性调频后信号的仿真图；
[0042]图3为本发明在仅有调频斜率误差下恢复的超宽带线性调频信号的结果图。
【具体实施方式】
:
[0043]下面结合附图对本发明做进一步的描述。
[0044]参照图1，本发明的具体实施步骤如下:
[0045]步骤I，产生本振信号。
[0046]通过测量设备获取模拟超宽带线性调频信号的参数。参数包括调频斜率，载频，初始频率和脉冲宽度，根据上述参数对模拟超宽带线性调频信号的调频斜率，载频，初始频率和脉冲宽度进行设置。
[0047]将设置的模拟超宽带线性调频信号的载频传入超外差接收机的本振，超外差接收机的本振根据传入的模拟超宽带线性调频信号的载频设置电压，控制震荡电路产生下变频所需要的本振信号。
[0048]步骤2，检波。
[0049]将超外差接收机当前接收的模拟超宽带线性调频信号和本振信号传入超外差接收机的混频器，进行下变频，得到下变频信号。将下变频信号通过带通滤波器进行带通滤波，得到中频信号。带通滤波器的通带带宽不小于下变频信号的带宽，并且带通滤波器的通带范围要包含下变频信号的频带范围。
[0050]将中频信号经过中频放大器进行中频放大，得到放大的中频信号。将放大的中频信号用分路器分为两路，一路送入检波器进行检波，另一路送入混频器进行解线性调频变换。
[0051]将放大的中频信号送入检波器是为了产生到达时间控制信号，用来控制后面混频器工作，当到达时间控制信号为高电平，混频器开始工作。
[0052]当检波器检测到放大的中频信号时，输出到达时间控制信号，到达时间控制信号传入混频器。
[0053]步骤3，合成参考信号。
[0054]对模拟超宽带线性调频信号的调频斜率取反，得到模拟超宽带线性调频信号的调频斜率负值，将模拟超宽带线性调频信号的调频斜率负值、载频和初始频率传入直接数字频率合成器，合成参考信号。
[0055]忽略幅度时，模拟超宽带线性调频信号经处理得到的中频信号的表达式如下:
【权利要求】
1.一种基于双线性变换的超宽带线性调频信号采样方法，包括如下步骤: (1)产生本振信号: (Ia)设置模拟超宽带线性调频信号的调频斜率，载频，初始频率和脉冲宽度； (Ib)将设置的模拟超宽带线性调频信号的载频传入超外差接收机的本振，产生下变频所需要的本振信号； (2)检波: (2a)将超外差接收机当前接收的模拟超宽带线性调频信号和本振信号传入超外差接收机的混频器进行下变频，得到下变频信号； (2b)将下变频信号通过带通滤波器进行带通滤波，得到中频信号； (2c)将中频信号经过中频放大器，得到放大的中频信号； (2d)将放大的中频信号用分路器分为两路，一路送入检波器进行检波，另一路送入混频器； (2e)当检波器检测到放大的中频信号时，输出到达时间控制信号； (3)合成参考信号: (3a)对模拟超宽带线性调频信号的调频斜率取反，得到模拟超宽带线性调频信号的调频斜率负值； (3b)将模拟超宽带线性调频信号的调频斜率负值、载频和初始频率传入直接数字频率合成器，合成参考信号； (4)进行解线性调频变换: (4a)当到达时间控制信号为高电平时，将传入混频器的中频信号和参考信号进行解线性调频变换，得到解线性调频变换后的信号； (4b)将解线性调频变换后的信号通过低通滤波器进行低通滤波，得到窄带信号； (5)低速采样: (5a)将采样率的最小值设置为窄带信号的带宽值； (5b)在高于采样率最小值且低于两倍采样率最小值的范围内，设置低速模数转换器的采样率； (5c)利用低速模数转换器对窄带信号进行正交采样，得到数字信号； (6)插值: 利用辛克插值法，对数字信号进行插值，得到插值后的信号； (7)合成共轭参考信号: 将模拟超宽带线性调频信号的调频斜率，载频和初始频率传入直接数字频率合成器，合成共轭参考信号； (8)进行线性调频变换: 将插值后的信号和共轭参考信号进行线性调频变换，得到数字的超宽带线性调频信号。
2.根据权利要求1所述的基于双线性变换的超宽带线性调频信号采样方法，其特征在于:步骤(5a)所述窄带信号的带宽是按照下式计算得到:
B = I Y0At| + | Af Ι + Δ Y τ 其中，B表示窄带信号的带宽，Y C1表示模拟超宽带线性调频信号的调频斜率，At表示模拟超宽带线性调频信号到达时间的估计误差，At的取值范围为[20，50]纳秒，Af表示模拟超宽带线性调频信号载频的估计误差，Af的取值范围为(O，10]兆赫兹，△ Y表示模拟超宽带线性调频信号调频斜率的估计误差，Δ y的取值范围为(0，5 X 111)赫兹每秒，τ表示模拟超宽带线性调频信号的脉冲宽度。
3.根据权利要求1所述的基于双线性变换的超宽带线性调频信号采样方法，其特征在于:步骤(6)所述辛克插值法的公式如下:
x(t) =X X, (-l)n[(-1)、11 Ιαη(π—) + οο1(π—)] IN tl.1NIN 其中，x(t)表示插值后的信号，π表示圆周率，N表示数字信号序列的长度，t表示插值时间，t的最大取值为数字信号序列的长度与模拟超宽带线性调频信号载频的比值，L表示插值的初始位置，L的取值为大于等于O的整数，M表示插值的结束位置，M的取值为大于等于O的整数，L和M满足L+M = N的条件，Xn表示数字信号序列中的第η个值，η表示当前插值位置，η的取值范围是[L，Μ]。
【文档编号】G01S7/38GK104199003SQ201410453013
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】董春曦, 黄龙, 程亚娇, 赵国庆, 饶鲜, 沈志博, 张伟, 郜宪锦 申请人:西安电子科技大学