使用数字雷达接收机的雷达脉冲检测的制作方法
【专利摘要】本文公开一种用于使用数字雷达接收机的雷达脉冲检测的系统、方法和设备。在电子战（EW）中，雷达在具有高度密集电子波形的环境中工作。其结果是，雷达可以每秒接收上千或上百万雷达脉冲。在电子战中，检测并整理从不同雷达发射的雷达脉冲是具有挑战性的问题。本公开内容教导了一种雷达脉冲检测系统，其利用数字信道化和联合信道检测技术来检测并分离从不同的雷达发射机发送的雷达脉冲。本发明的主要特点是：1）数字信道化技术，其从雷达脉冲的混合信号分离雷达脉冲；2）多信道检测技术，其检测雷达脉冲；以及3）分离重叠的雷达脉冲的新技术。
【专利说明】使用数字雷达接收机的雷达脉冲检测
【技术领域】
[0001]本公开内容涉及雷达脉冲检测，更具体的，涉及使用数字雷达接收机的雷达脉冲检测。
【发明内容】
[0002]本公开内容涉及用于使用数字雷达接收机的雷达脉冲检测的系统、方法和设备。更具体的，所公开的方法包括输入至少一个雷达信号到混频器。该方法进一步包括将至少一个雷达信号与混频信号混频以将至少一个雷达信号下变频。而且，该方法包括施加抗混叠滤波到从混频器输出的至少一个下变频的信号。此外，该方法包括输入至少一个滤波后的信号到模数(A/D)转换器以将至少一个滤波后的信号从模拟信号转换为数字信号。此夕卜，该方法包括施加数字信道化到从A/D转换器输出的至少一个数字信号以将至少一个数字信号分类到不同的频带中。此外，该方法包括施加雷达脉冲检测到至少一个分类后的数字信号以从噪声中检测雷达脉冲。另外，该方法包括施加参数估计到检测的雷达脉冲以估计检测的雷达脉冲的参数。
[0003]在一个或更多个实施例中，该方法还包括通过至少一个天线接收至少一个雷达信号。在至少一个实施例中，至少一个雷达信号是无线电频率或射频(RF)信号。在一些实施例中，混频信号是正弦信号。
[0004]在至少一个实施例中，该方法还包括用频率发生器产生混频信号。在一个或更多个实施例中，至少一个雷达信号下变频到中频(IF)。在一些实施例中，至少一个数字信号被分到的不同频带是相邻的频带。在一个或更多个实施例中，雷达脉冲检测通过分离在不同的信道出现的、在相邻的信道中重叠的并且在时间上重叠的雷达脉冲来检测雷达脉冲。在至少一个实施例中，估计的参数是能量、频率、振幅、脉冲宽度和/或脉冲重复率(PRF)。在一些实施例中，估计的参数提供雷达源表征和/或目标参数表征。
[0005]在一个或更多个实施例中，用于使用数字雷达接收机的雷达脉冲检测的系统包括混频器、抗混叠滤波器、模数(A/D)转换器、数字信道器、雷达脉冲检测器和参数估计器。在一个或更多个实施例中，混频器用于混频至少一个雷达信号以将至少一个雷达信号下变频。而且，抗混叠滤波器用于施加抗混叠滤波到从混频器输出的至少一个下变频的信号。此外，A/D转换器用于将至少一个滤波后的信号从模拟信号转换为数字信号。此外，数字信道器用于将数字信道化应用到从A/D转换器输出的至少一个数字信号以将至少一个数字信号分类到不同的频带中。另外，雷达脉冲检测器用于为至少一个分类后的信号从噪声中检测雷达脉冲。此外，参数估计器用于估计检测的雷达脉冲的参数。
[0006]在至少一个实施例中，该系统还包括至少一个天线,其中至少一个天线用于接收至少一个雷达信号。在一个或更多个实施例中，至少一个雷达信号是无线电频率(RF)信号。在至少一个实施例中，混频信号是正弦信号。在一个或更多个实施例中，系统还包括频率发生器，其中该频率发生器用于产生混频信号。在一些实施例中，将至少一个雷达信号下变频到中频(IF)。[0007]在一个或更多个实施例中，至少一个数字信号被分类到的不同频带是相邻频带。在一些实施例中，雷达脉冲检测通过分离出现在不同的信道的、在相邻信道重叠的并且在时间上重叠的雷达脉冲来检测雷达脉冲。在至少一个实施例中，估计的参数是能量、频率、振幅、脉冲宽度和/或脉冲重复频率(PRF)。在一些实施例中，估计的参数提供雷达源表征和/或目标参数表征。
[0008]本发明的特征、功能和优点可在本发明的各种实施例中独立地实现，或可以在其它实施例中组合实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]本发明的这些和其它特征、方面和优点参照下面的描述、所附权利要求和附图会更好的理解，其中附图:
[0010]图1示出根据本发明的至少一个实施例的数字雷达接收机的系统框图。
[0011]图2示出根据本发明的至少一个实施例的针对图1的数字式雷达接收机的操作的过程流程图。
[0012]图3示出根据本发明的至少一个实施例的基于多相滤波器组的信道化的系统框图。
[0013]图4示出根据本发明的至少一个实施例的多信道脉冲检测过程的系统框图。
[0014]图5示出根据本发明的至少一个实施例的图4的信号包络估计的功能块的块图。
[0015]图6A示出根据本发明的至少一个实施例的示例性类型I重叠脉冲。
[0016]图6B示出根据本发明的至少一个实施例的示例性类型II重叠脉冲。
[0017]图7示出根据本发明的至少一个实施例的脉冲分离过程的块图。
[0018]图8描述根据本发明的至少一个实施例的图6A的类型I重叠脉冲的分离。
[0019]图9描述根据本发明的至少一个实施例的图6B的类型II重叠脉冲的分离。
[0020]图10示出根据本发明的至少一个实施例的示例性组合信号，其包含5个雷达信号，并具15dB的信噪比。
[0021]图11示出根据本发明的至少一个实施例的在数字信道化后图10的示例性组合信号的5个信道。
[0022]图12示出根据本发明的至少一个实施例的对图11的5个信道的多信道检测的结
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[0023]图13示出根据本发明的至少一个实施例的在图11的5个信道上实现的平均检测率。
[0024]图14示出根据本发明的至少一个实施例的重叠脉冲的分离的示例。
【具体实施方式】
[0025]本文公开的方法和设备提供用于雷达脉冲检测的可操作系统。具体来说，该系统涉及使用数字化雷达接收机的雷达脉冲检测。
[0026]在电子战(EW)中，雷达工作在具有高度密集电子波形的环境中。其结果是，雷达可以每秒接收上千或上百万雷达脉冲。在电子战中，检测并整理从不同的雷达发出的雷达脉冲是一个具有挑战性的问题。本公开内容教导一种雷达脉冲检测系统，其利用数字信道化和联合信道检测技术来检测并分离从不同的雷达发射机发送的雷达脉冲。本公开内容的主要特征是:1)从雷达脉冲的混合体中分离雷达脉冲的数字信道化技术；2)用于检测雷达脉冲的多信道检测技术；以及3)用于分离重叠的雷达脉冲的新技术。实验结果表明，所公开的雷达脉冲检测系统在高噪声环境中有效地检测并分离雷达脉冲的混合体。
[0027]目前，在电子战中，现有的雷达使用许多不同类型的模拟/光学接收机来执行不同的功能。然而，这些模拟/光学接收机既没有高效的计算，也不节省成本。单个数字雷达接收机可以用来替代许多类型的这些雷达接收机并执行多个雷达任务。本发明的目的是开发与数字雷达接收机一起使用的先进的雷达脉冲检测技术。此外，本发明提出针对数字雷达接收机的使用的框架。
[0028]大多数现有的雷达接收机是模拟/光学接收机。因此，目前的雷达脉冲检测技术基于模拟/光学信号处理技术，其效率不高，并消耗比数字计算技术多的能量。所公开的脉冲检测技术基于数字信号处理技术，其更强大并比现有的模拟/光学信号处理技术消耗少得多的能量。随着大规模数字计算技术的进步，数字接收机能够在单个接收机单元中执行多个复杂的功能，并在实时计算中执行高度复杂的算法。使用现场可编程门阵列(FPGA)技术，数字接收机能够自适应地剪裁算法以适应不同的应用。单个数字接收机能够在小的单元中提供超级计算能力。
[0029]在下面的描述中，阐述了许多细节，以便提供对该系统更透彻的描述。然而，所公开的系统可在没有这些具体细节的情况下实施，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。在其他实例中，没有详细描述众所周知的功能，以免不必要地模糊该系统。
[0030]1.简介
[0031]在电子战(EW)中，先进的雷达系统常常不得不使用几种不同类型的雷达接收机来执行不同的功能，这使得雷达系统低效而且成本高。随着数字计算技术的进步，数字雷达接收机能够在一个接收机单元中执行多个功能。相比于现有的模拟/光学雷达接收机，数字雷达接收机具有许多优点，例如实时计算、低功耗、在工作中改变算法/配置、低制造成本以及尺寸紧凑。因此，数字雷达接收机是用于未来电子战技术的关键技术的好候选。在本发明中，提出一种用于数字雷达接收机的计算结构。
[0032]在EW应用中工作的雷达通常必须在具有高度密集电子波形的环境中工作，这意味着雷达可以每秒接收上千或上百万的雷达脉冲。大量雷达脉冲的混合使得雷达脉冲检测和分离成为对于EW中的雷达接收机的非常具有挑战性的任务。本文公开了使用数字雷达接收机的雷达脉冲检测系统。此外，使用利用多相滤波器组的数字信道化技术来分离从不同的雷达发射机发射的雷达脉冲。为了从噪声和杂波中检测雷达脉冲，使用多信道检测技术，该技术使用从多个相邻信道获得的信息来检测雷达脉冲。此外，使用一种技术，其利用信号包络的不连续性来分离时间上重叠的雷达脉冲。实验结果表明，所公开的雷达脉冲检测系统可在嘈杂的环境中有效地检测和分离密集雷达脉冲。
[0033]2.数字雷达接收机
[0034]使用数字雷达接收机的主要优点是，其可以用数字计算机的能力处理雷达数据。因此，采用数字雷达接收机使得在单个接收机中执行多个复杂任务、实时处理复杂的雷达数据、实现非常低的功率消耗、并具有尺寸小和重量轻的强大雷达接收机成为可能。理想情况下，数字接收机可以处理直接从雷达天线获得的原始雷达数据。然而，这需要具有非常高的时钟速率和非常宽的带宽的模数(A/D)转换器，这利用当今的技术是不可获得的。更实际的数字雷达接收机将包括模拟信号混频器，以将雷达信号下变频到中频(IF)范围。
[0035]图1示出根据本发明至少一个实施例的数字雷达接收机100的系统框图。在该图中，雷达系统100包含模拟处理部分102和数字处理部分105。在模拟处理部分102中，雷达信号(即射频(RF)信号)在天线110处被接收。这些信号的频率太高而不能直接转换为数字信号并进行数字处理。所以，这些信号被输入到混频器120，其将这些信号下变频到中频范围。该下频转换通过将来自天线110的信号与由频率发生器130产生的正弦信号混频120 (即相乘)来实现。所得到的信号具有表示RF频率和频率发生器130的正弦波之间的和频与差频的频率分量。
[0036]然后，施加抗混叠滤波140到信号以在输入信号到A/D转换器150之前限制信号的带宽。抗混叠滤波140衰减和频分量，并使较低的IF频率信号通过A/D转换器150。A/D转换器150采样模拟雷达信号以产生数字雷达信号。在数字处理部分105中，数字信道化160用于将数字雷达信号分类到不同频带中，其中从不同的雷达发射机发射的雷达信号能够被分离。具体来讲，使用数字信道化160，数字信号被分组到多个相邻的窄频带或信道中。雷达信号通常与噪声和杂波混合。
[0037]雷达脉冲检测170用于从在每个频率子带中的嘈杂的雷达信号检测雷达脉冲。具体的，雷达脉冲检测170检测出现在不同的信道的雷达脉冲、在相邻信道重叠的雷达脉冲和/或在时间上重叠的雷达脉冲。最后，雷达信号的参数通过参数估计180从检测到的雷达脉冲估计。参数估计180估计脉冲的参数以提供雷达源或目标参数190表征。估计的参数的类型包括但不限于，能量、频率、振幅、脉冲宽度和脉冲重复频率(PRF)。许多现有技术可用于技术上成熟的模拟处理部分。数字雷达接收机的主要挑战是数字处理部分。本发明主要集中在数字处理部分，特别是数字信道化和雷达脉冲检测。
[0038]图2示出根据本发明至少一个实施例用于图1的数字雷达接收机100的操作的过程流程图200。在该过程的开始205，多个雷达发射射频(RF)脉冲。在RF脉冲被发射之后，天线从发射的脉冲接收RF能量210。接收到的射频雷达信号与由频率发生器产生的正弦信号混频220。所得到的信号具有代表RF频率和频率发生器的正弦信号之间的和与差的频率分量。然后，抗混叠滤波器衰减较高(和)频率，并让较低(差)的中频(IF)信号通过230。然后模数信号(A/D)转换器将模拟IF信号转换成用于数字处理的数字信号240。然后，数字信道化将中频信号分到多个相邻的窄频带或子带信道中250。雷达脉冲检测分离出现在不同信道的脉冲、在相邻信道重叠的脉冲和/或在时间上重叠的脉冲260。然后，参数估计产生脉冲参数估计以提供雷达源或目标参数表征270。该过程200为频率、幅度、脉宽和/或脉冲重复率(PRF)提供雷达源或目标参数特性的估计。
[0039]3.数字信道化
[0040]因为不同的雷达信号使用不同的载波频率，所以在频域中，不同的雷达信号可以通过将其分类到不同的频率信道而分离。信道化是在频域中分离雷达信号的技术。大多数信道化技术使用滤波器组来覆盖目标频谱范围以将雷达信号分离到不同频带。使用滤波器组的主要挑战性问题是跨频带交叉信号(cross-band talk)和实时计算。
[0041]理想的带通滤波器具有在频域中的矩形函数和在时域中的正弦函数。这意味着在时域中，需要具有无限滤波器长度的滤波器，以便实现理想的带通滤波器。然而，具有无限滤波器长度的滤波器不允许实时计算，而且是不实际的。具有有限滤波器长度的带通滤波器不具有理想的频率响应，并具有过渡频带。在具有有限滤波器长度的滤波器组中，相邻频带有重叠的过渡频带，这导致跨频带会谈。因此，设计具有给定滤波器长度、能够使重叠的过渡频带最少，从而使跨频带会谈最少的滤波器组是重要的。
[0042]实时计算是数字雷达接收机的一个重要特征，因为在雷达中使用的IF频率是非常高的频率。这意味着，在AD转换器之后，需要以非常高的采样速率采样数字雷达信号。信道化组件不得不每秒处理大量的数字数据。因此，高效计算的滤波器组对于实现实时计算是重要的。
[0043]在本发明中，使用多相滤波器组实现数字信道化功能。使用多相滤波器组的主要优点是其计算效率。在多相滤波器组中，输入信号首先被向下采样，然后由滤波器组用低得多的采样速率来滤波。因此，多相滤波器组比传统滤波器组的计算要快得多。
[0044]图3示出具有M个子带(即信道)的基于多相滤波器组的数字信道化300的系统框图。在该图中，输入X (n)310是数字雷达信号，并且信道化的输出是M个子带信号，Xi (n)，其中i=0，l，...，M-1，320。符号M丨330是具有因子M的抽取操作；符号2^340是时间延迟操作;Ei (z), i=0, I,…，M-1，350是子带滤波器的滤波器响应；并且4 i=0, I,…，M_l，360是子带滤波器的中心频率。M点逆数字傅里叶变换(IDFT)框370表示执行M点逆数字傅里叶变换。低通滤波器380过滤掉由^360执行的混频操作产生的较高频率项。子带滤波器由以下等式确定:
[0045]
【权利要求】
1.一种使用数字雷达接收机(100)的雷达脉冲检测的方法，所述方法包括: 输入(210)至少一个雷达信号到混频器(120)； 将所述至少一个雷达信号与混频信号混频(220)以下变频所述至少一个雷达信号；施加(230)抗混叠滤波(140)到从所述混频器(120)输出的至少一个下变频后的信号；输入(240)至少一个滤波后的信号到模数转换器即A/D转换器(150)以将所述至少一个滤波后的信号从模拟信号转换为数字信号； 施加(250)数字信道化(160)到从所述A/D转换器(150)输出的至少一个数字信号，以将所述至少一个数字信号分类到不同的频带(320)中； 施加(260)雷达脉冲检测(170)到所述至少一个分类后的数字信号以从噪声检测雷达脉冲；以及 施加(270)参数估计(180)到检测到的雷达脉冲以估计所述检测到的雷达脉冲的参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个雷达信号被下变频到中频即IF。
3.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述至少一个数字信号被分类(250)到其中的不同频带是相邻的频带(320)。
4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述雷达脉冲检测(170)通过分离(260)在不同的信道出现的、在相邻信道重叠的和在时间上重叠的雷达脉冲来检测所述雷达脉冲。`
5.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所估计(270)的参数是能量、频率、振幅、脉冲宽度和脉冲重复率即PRF中的至少一个。
6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述估计(270)的参数提供雷达源表征和目标参数表征(190)中的至少一个。
7.一种用于使用数字雷达接收机(100)的雷达脉冲检测的系统，该系统包括: 混频器(120)，其中所述混频器(120)用于混频至少一个雷达信号以下变频所述至少一个雷达信号； 抗混叠滤波器(140)，其中所述抗混叠滤波器(140)用于施加抗混叠滤波到从所述混频器(120)输出的至少一个下变频后的信号； 模数转换器即A/D转换器(150)，其中所述A/D转换器(150)用于将至少一个滤波后的信号从模拟信号转换成为数字信号； 数字信道化器(160 )，其中所述数字信道化器(160 )用于施加数字信道化(300 )到从所述A/D转换器(160)输出的至少一个数字信号以将所述至少一个数字信号分类到不同频带(320)中； 雷达脉冲检测器(170)，其中所述雷达脉冲检测器(170)用于为至少一个分类后的信号从噪声中检测雷达脉冲；以及 参数估计器(180)，其中所述参数估计器(180)用于估计检测到的雷达脉冲的参数。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述系统还包括至少一个天线(110)，其中所述至少一个天线(110 )用于接收所述至少一个雷达信号。
9.根据权利要求7或8中任一项所述的系统，其中所述至少一个雷达信号是射频信号即RF信号。
10.根据权利要求7到9中任一项所述的系统，其中所述系统进一步包括频率发生器(130)，其中所述频率发生器(130)用于产生混频信号。
11.根据权利要求7到10中任一项所述的系统，其中所述至少一个雷达信号被下变频到中频即IF。
12.根据权利要求7到11中任一项所述的系统，其中所述至少一个数字信号被分类到其中的不同频带(320)是相邻的频带。
13.根据权利要求7到12中任一项所述的系统，其中所述雷达脉冲检测器(170)通过分离(260)在不同的信道出现的雷达脉冲、在相邻的信道重叠的雷达脉冲以及在时间上重叠的雷达脉冲来检测所述雷达脉冲。
14.根据权利要求7到13中任一项所述的系统，其中所估计(180)的参数是能量、频率、振幅、脉冲宽度和脉冲重复率即PRF中的至少一个。
15.根据权利要求7到14中任一项所述的系统，其中所估计的参数提供雷达源表征和目标参数(190)表征中的至少一个。
【文档编号】G01R23/15GK103718060SQ201280036149
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年6月21日 优先权日:2011年7月21日
【发明者】Q·姜 申请人:波音公司