基于跳频和多相交替码的非相干散射雷达信号处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于跳频和多相交替码的非相干散射雷达信号处理方法，主要解决现有非相干散射雷达高度分辨率低、探测周期长、编码方式有限的问题。其技术方案是将多相交替码的各组编码分别用不同频率调制，生成按顺序无时隙排列的雷达脉冲，通过雷达发射机发射出去；对雷达回波信号按发射时的调制频率分别进行滤波，得到每组多相交替码对应于同一高度范围的探测数据，对每组编码回波信号分别进行后检测滤波，计算自相关函数，并进行多周期积累和模糊修正，进而计算出电离层散射信号的功率谱密度。本发明能提高雷达高度分辨率、减少雷达探测周期、扩展信号编码方式，可用于电离层探测。
【专利说明】基于跳频和多相交替码的非相干散射雷达信号处理方法
【技术领域】
[0001]本发明属于信号与信息处理【技术领域】，涉及非相干散射雷达的信号编码和信号处理方法，可用于电离层探测。
【背景技术】
[0002]随着科技的发展，电离层对无线电通信、导航、广播、空间探测等人类活动产生的影响越来越显著。电离层探测技术逐渐引起国内外学者和科研机构的重视，我国已在云南曲靖建造了亚洲第一部非相干散射雷达，用于电离层探测。非相干散射雷达是地面探测电离层最有效的工具，通过估计回波信号的自相关函数和功率谱密度，可以反演出电子密度、电子温度、离子温度、离子成份等电离层的参数。这些参数对于研究电离层的特性、变化趋势等方面起到了非常重要的作用。
[0003]非相干散射雷达针对大范围连续分布的电离层目标，其信号处理方法与传统雷达有着很大的不同。电离层的回波信号要是由电子、离子等反射引起的非相干散射信号，是一种典型的随机信号。在几分钟的短时间内，电离层回波信号具有平稳性，可通过计算自相关函数和功率谱密度来表征信号的统计特性。电离层是典型的软目标，不同高度的雷达回波信号相互混叠，需要通过有效的信号编码设计和特殊的信号处理算法来消除距离模糊。国内外学者在非相干散射雷达信号编码和信号处理方面已展开了大量的研究工作。
[0004]最早用于电离层探测的非相干散射雷达编码方式是多脉冲编码和长脉冲编码。这两种编码方式易于实现，但其模糊函数跨度大、高度分辨率差。随后，巴克码、二相交替码等被应用到电离层探测中。巴克码具有较好的高度分辨率，采用传统的匹配滤波方式，其分辨单元可达一个码元宽度，但其只能用来求解电离层的功率剖面。二相交替码是现代非相干散射雷达系统常用的编码模式，其信号处理过程主要包括计算时间自相关和模糊函数修正。二相交替码调制可以获得较好的高度分辨率，可以计算有多个时延的自相关函数和功率谱密度，但其编码长度和编码组数有严格限制，其必须为2的整数次幂，因而无法灵活地设计探测波形。多相交替码可以提高雷达发射脉冲长度的灵活性，并且尽可能地增大编码长度的同时减少发射脉冲的组数。二相交替码和多相交替码一次完整的探测都需要将多组编码分别进行发射和接收，再将多组回波处理后的结果进行积累。当组数较多且需要多次积累时，探测时间过长，对于电离层某些参数变化速度较快的区域，不能适应快速变化的电离层探测的需要，会产生较大的探测误差。另外，每组交替码的码元个数是确定的，为了增加探测距离，在发射功率一定的情况下需要增加码元宽度，以增大发射能量，但这会导致高度分辨率降低。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述现有非相干散射雷达信号处理方法的不足，提出一种基于频率跳变和多相交替码的信号编码和信号处理方法，以扩展信号编码长度、减少雷达探测周期，提高雷达高度分辨率和作用距离，适应快速变化的电离层探测的需要。
[0006]本发明的技术解决方案是:将多相交替码的多组编码分别用不同频率调制，生成按顺序无时隙排列的雷达脉冲，通过发射机发射出去；对雷达回波信号按发射时的调制频率分别滤波，得到多组编码对应于同一高度范围的探测数据，对多组编码回波信号分别进行解码和模糊修正，计算自相关函数，并进行多周期积累，从而计算出电离层散射信号的功率谱密度。具体步骤包括如下:
[0007](I)信号编码步骤:
[0008](Ia)根据实验需求，确定雷达所需多相交替码的相位数P和编码长度L ；
[0009](Ib)根据多相交替码生成规则以及相位数P和编码长度L，先生成N组弱多相交替码，再将其转换为对应的2N组强多相交替码；
[0010](Ic)根据生成的强多相交替码的编码组数2N，设定一组长度为2N的跳频编码；
[0011](Id)将每组强多相交替码调制到设定的跳频编码的各个子频率上，使各组编码按顺序无时隙排列，得到发射信号；
[0012](Ie)将发射信号调制到射频，利用发射机进行发射；
[0013](2)信号解码步骤:
[0014](2a)雷达接收机接收电离层散射的回波信号，对回波信号进行下变频，得到中频信号，再进行Α/D采样；
[0015](2b)根据发射时使用的跳频编码，设计数字带通滤波器组对A/D采样后的回波信号进行滤波，得到发射时使用的强多相交替码每组编码对应的散射回波信号；
[0016](2c)根据发射时使用的强多相交替码，设计后检测滤波器对每组散射回波信号分别进行滤波；
[0017](2d)将每组散射回波信号截断为多个子信号，截断长度为发射信号的脉冲宽度，每个截断信号的起始时间对应于该信号在目标电离层的高度，计算不同高度处散射回波信号的自相关，对每组散射回波信号自相关使用符号修正表进行符号修正，并将所有组的修正结果按不同高度分别进行求和；
[0018](2e)重复步骤(2a)?(2d)，接收下一周期的回波信号并处理，直至所有周期处理完毕，得到每个周期不同高度范围的自相关结果，将所有周期对应高度处得到的自相关结果分别进行累加；
[0019](2f)对各个高度处累加后的自相关结果分别使用对应的模糊函数值进行修正，得到最终的自相关结果，并对自相关结果进行傅立叶变换得到电离层功率谱密度，完成对雷达信号的处理。
[0020]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0021]1、本发明由于采用跳频编码与多相交替码调制的非相干散射雷达的信号编码和信号处理方法，同时利用跳频编码在信号带宽和多相交替码在去距离模糊方面的优势，非常适合于电离层探测；
[0022]2、本发明通过跳频编码调制多相交替码，在雷达的一个发射和接收周期内，即可完成电离层探测，估计出自相关函数和功率谱密度。相比传统非相干散射雷达信号处理方法，在采用相同的积累次数时，本发明能有效提高处理结果的时间分辨率；
[0023]3、本发明由于在雷达的一个发射和接收周期内完成电离层探测，缩短了一次完整探测的时间，对于参数变化较快的电离层区域，可以满足其稳态探测要求；
[0024]4、本发明由于将多组多相交替码调制成一个发射脉冲，省去了每组分别发射时的组间时间间隔，与传统非相干散射雷达信号处理方法相比，在相同的时间内，可增加探测积累次数，提高处理信噪比；
[0025]5、本发明由于将多组多相交替码调制成一个长的发射脉冲，提高了雷达的工作效率，与传统非相干散射雷达处理方法相比，在相同码元宽度的条件下可以提高雷达作用距离，在相同脉冲宽度条件下可以提高处理结果的距离分辨率。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明的实现流程图；
[0027]图2是本发明中的信号发射和信号处理示意图；
[0028]图3是本发明中的信号散射原理图；
[0029]图4是用Matlab软件对本发明的一组5位5相交替码的距离模糊函数的仿真图；
[0030]图5是用Matlab软件对本发明的一组25位5相交替码的距离模糊函数的仿真图。
【具体实施方式】
[0031]以下结合附图对本发明作进一步详细描述:
[0032]相关符号说明
[0033]P:多相交替码的相位数目；
[0034]m:多相交替码相位数与编码长度对应关系中的指数参数；
[0035]N:弱多相交替码编码组数；
[0036]L:弱多相交替码编码长度；
[0037]fn:强多相交替码第η组编码对应的调制频率。
[0038]参照图1，本发明包括信号编码和信号解码两大部分，其步骤如下:
[0039]一、信号编码
[0040]步骤1，选择多相交替码的相位数P和编码长度L。
[0041]弱多相交替码有两种不同类型的:
[0042]—是码元相位数P为P，编码长度L为pm,其中P为素数,m为正整数；
[0043]二是码元相位数P为p-1，编码长度L为p-1,其中P为素数；
[0044]这两种弱多相交替码，每组编码的组数N都等于其编码长度L。根据实验需要的探测范围和高度分辨率，确定合适的编码长度L，再根据上述两种编码类型，确定一种多相交替码类型，及对应的相位数P。如，选择编码长度为4，可以选择第一种类型，对应的相位数为2，也可以选择第二种类型，对应的相位数为4。
[0045]步骤2，生成弱多相交替码，并转换为强多相交替码。
[0046](2a)根据多相交替码生成规则，生成相位数为P，编码长度为L，组数为N组的弱多相交替码；
[0047](2b)将N组弱多相交替码各复制一份，并将复制的每组交替码内的奇数位码元乘以-1，再将复制的N组弱多相交替码与原N组弱多相交替码合并，组成组数为2N组强多相交替码。
[0048]步骤3，设定一组跳频编码。
[0049]根据生成的强多相交替码的编码组数2N，设定一组长度为2N的跳频编码，该跳频编码的各个码元的频率互不相等，分别为f\、f2>…、f2N，这2N个跳频编码码元与强多相交替码的2N组编码相对应。
[0050]步骤4，编码信号调制。
[0051]将生成的强多相交替码的2N组编码信号，分别用跳频编码的2N个跳频频率进行调制，调制后的各组编码按顺序无时隙排列，组成完整的发射信号。参照图2中编码信号调制部分，这里假设强多相交替码的组数为2N组，相位数为2，编码长度为4。图2中，一个矩形块表示一个码元，码元位于时间轴上方或者下方，分别代表该码元的相位为O或者31。2N组强多相交替码各组编码连续排列，每组内的4个码元采用同一个跳频频率调制，第η组编码选取的频率为跳频编码的第η个频率fn，调制后的各组编码组成完整的发射信号。
[0052]步骤5，将发射信号调制到射频，并通过雷达发射机进行发射。
[0053]二、信号解码
[0054]步骤6，对回波信号进行下变频与采样。
[0055]雷达接收机接收电离层散射的回波信号，对回波信号进行下变频，得到中频信号，并对中频信号进行Α/D采样。
[0056]步骤7，设计滤波器组，对回波信号进行去混叠滤波。
[0057](7a)按照信号发射时2N组强多相交替码各组编码的调制频率，设计数字带通滤波器组，该数字带通滤波器组包括2N个子滤波器，各子滤波器的中心频率分别等于跳频编码的频率fl、f2、…、f2N;各子滤波器的带宽根据发射信号的调制频率和电离层的散射信号带宽参数选择，各个子滤波器的通带范围不相重叠；
[0058](7b)使用数字带通滤波器组对Α/D采样后的回波信号进行滤波，由于每组强多相交替码所采用的调制频率不同，经过带通滤波器组滤波后，得到2N个信号，分别对应于强多相交替码的2N组编码。
[0059]参照图3，这里假设强交替码编码组数为4，由于设计的非相干散射雷达编码波形对于电离层的距离分辨率等于其码片宽度，将电离层等效为一系列等间距的薄片，间距为码片宽度与光速之积。可以看出，在每组强多相交替码编码宽度的时隙内，回波信号是4组编码散射信号的叠加，由于每组编码采用不同频率调制，用每组编码对应的带通滤波器分别滤波，可以从混叠的散射信号中分离出这4组编码每组对应的散射信号。
[0060]步骤8，对去混叠滤波后得到的2N个散射回波信号进行后检测滤波。
[0061](Sa)设计后检测滤波器，通常采用低通滤波器，且其冲激响应的长度等于码片宽度；
[0062](Sb)使用后检测滤波器对2N组强多相交替码每组对应的散射回波信号分别进行滤波处理。
[0063]步骤9，截取一个高度上的回波信号。
[0064]对步骤3中得到的2N个后检测滤波后的回波信号分别进行截取，截取长度为发射信号的脉冲宽度，截取信号的起始时间对应于该信号在目标电离层的高度。
[0065]步骤10，计算自相关函数，并进行符号修正和累加。
[0066](1a)由2N组强多相交替码生成符号修正表，生成步骤如下:
[0067](1al)将2N组长度为L的强多相交替码每组编码平移η个码元，η =1，2，3，...，L-1 ；
[0068](10a2)用平移后的2N组强多相交替码每组编码分别与平移前对应的编码相乘，得到2N组长度为L-n的编码符号，作为第η个时延处各组编码各码元的修正符号；
[0069](1b)以一个码元宽度为时延间隔，分别计算步骤9中截取得到的2Ν个子信号的自相关函数，得到每个信号L-1个时延处自相关点的值；
[0070](1c)用符号修正表中每组强多相交替码对应的第η个时延处各码元的修正符号分别乘以对应的自相关函数第η个时延处各个码元位置的自相关点的值，得到2Ν个子信号符号修正后的自相关结果；
[0071](1d)对第η个时延处2Ν个子信号符号修正后的自相关结果进行求和。
[0072]步骤11，计算其它高度的自相关函数。
[0073]重复步骤9至步骤10，对后检测滤波后的2Ν个回波信号中，每组信号的下一个高度范围的回波信号进行截取，得到2Ν个子信号，计算每个子信号的自相关函数，并进行符号修正和累加，直到所有高度的回波信号处理完毕。
[0074]步骤12，多周期积累。
[0075]重复步骤6至步骤11，接收下一周期的回波信号并处理，直至所有周期处理完毕，得到每个周期不同高度处的自相关结果，将所有周期对应高度处得到的自相关结果分别进行累加，得到每个高度处累加后的自相关结果。
[0076]步骤13，模糊函数修正，计算功率谱密度。
[0077](13a)根据强多相交替码的2N组编码计算模糊函数修正值:
[0078](13al)使用后检测滤波器对2N组强多相交替码每组编码分别进行滤波，得到每组编码对应的幅度模糊函数值序列；
[0079](13a2)将步骤(13al)得到的2N个幅度模糊函数值序列分别平移η个强多相交替码码元宽度，η = 1，2，3，...，L-1 ;再将平移后的2Ν个序列分别与平移前对应的序列相乘，得到第η个时延处每组强多相交替码的距离模糊函数值序列；
[0080](13a3)用符号修正表中每组强多相交替码对应的第η个时延处各码元的修正符号分别乘以对应的强多相交替码第η个时延处的距离模糊函数值序列，并对2Ν个修正后的距离模糊函数值序列求和，得到第η个时延处各码元最终的模糊函数值序列；
[0081](13b)对步骤(12)得到的各个高度处的自相关结果，分别用其第η个时延处的各个码元位置的自相关点的值除以第η个时延处各码元的模糊函数值，得到最终的自相关结果;
[0082](13c)对各个高度处最终的自相关结果分别进行傅立叶变换，得到电离层各个高度处的功率谱密度，完成对雷达信号的处理。
[0083]本发明中雷达距离分辨率效果可通过如下仿真实验说明:
[0084]1.仿真条件:仿真使用的软件为MATLAB。
[0085]2.仿真环境:仿真在Windows XP环境下进行。
[0086]3.仿真内容:
[0087]仿真I，对一组相位数为5，编码长度为5，组数为10的强多相交替码在一个码元宽度时延处的距离模糊函数进行仿真，该强多相交替码各码元相位如表I所示，仿真结果如图4所示。图4中强多相交替码的距离模糊函数共有4个波峰，分别为一个码片宽度时延下4个码元处的距离模糊子函数。
[0088]表1相位数为5、编码长度为5、组数为10的强多相交替码码表
[0089]
【权利要求】
1.一种基于跳频和多相交替码的非相干散射雷达信号处理方法，其特征在于包括: (1)信号编码步骤: (Ia)根据实验需求，确定雷达所需多相交替码的相位数P和编码长度L ； (Ib)根据多相交替码生成规则以及相位数P和编码长度L，先生成N组弱多相交替码，再将其转换为对应的2N组强多相交替码； (Ic)根据生成的强多相交替码的编码组数2N，设定一组长度为2N的跳频编码； (Id)将每组强多相交替码调制到设定的跳频编码的各个子频率上，使各组编码按顺序无时隙排列，得到发射信号； (Ie)将发射信号调制到射频，利用发射机进行发射； (2)信号解码步骤: (2a)雷达接收机接收电离层散射的回波信号，对回波信号进行下变频，得到中频信号，再进行Α/D采样； (2b)根据发射时使用的跳频编码，设计数字带通滤波器组对A/D采样后的回波信号进行滤波，得到发射时使用的强多相交替码每组编码对应的散射回波信号； (2c)根据发射时使用的强多相交替码，设计后检测滤波器对每组散射回波信号分别进行滤波； (2d)将每组散射回波信号截断为多个子信号，截断长度为发射信号的脉冲宽度，每个截断信号的起始时间对应于该信号在目标电离层的高度，计算不同高度处散射回波信号的自相关，对每组散射回波信号自相关使用符号修正表进行符号修正，并将所有组的修正结果按不同高度分别进行求和； (2e)重复步骤(2a)?(2d)，接收下一周期的回波信号并处理，直至所有周期处理完毕，得到每个周期不同高度范围的自相关结果，将所有周期对应高度处得到的自相关结果分别进行累加； (2f)对各个高度处累加后的自相关结果分别使用对应的模糊函数值进行修正，得到最终的自相关结果，并对自相关结果进行傅立叶变换得到电离层功率谱密度，完成对雷达信号的处理。
2.根据权利要求1所述的基于跳频和多相交替码的非相干散射雷达信号处理方法，其中步骤(Ic)所述的跳频编码，其各个码元的频率互不相等，分别为f\、f2、…、f2N，且与强多相交替码的2N组编码相对应。
3.根据权利要求1所述的基于跳频和多相交替码的非相干散射雷达信号处理方法，其中步骤(2b)所述的数字带通滤波器组，包括2N个子滤波器，各子滤波器的中心频率分别等于跳频编码的频率，带宽根据发射信号的调制频率和电离层的散射信号带宽参数选择；各个子滤波器的通带范围不重叠。
4.根据权利要求1所述的基于跳频和多相交替码的非相干散射雷达信号处理方法，其中步骤(2c)所述的后检测滤波器为低通滤波器，其冲激响应的长度与强多相交替码的码片宽度相等。
5.根据权利要求1所述的基于跳频和多相交替码的非相干散射雷达信号处理方法，其中步骤(2d)所述的符号修正表由强多相交替码的码表生成，生成步骤如下: (2dl)将2N组长度为L的强多相交替码每组编码平移η个码元，η = 1，2，3，...，L-1 ; (2d2)用平移后的2N组强多相交替码每组编码分别与平移前对应的编码相乘，得到2N组长度为L-n的编码符号，作为第η个时延处各组编码各码元的修正符号。
6.根据权利要求1所述的基于跳频和多相交替码的非相干散射雷达信号处理方法，其中步骤(2f)所述的模糊函数值，是通过强多相交替码的码表计算得出，计算步骤如下:(2fl)使用后检测滤波器对2N组强多相交替码每组编码进行滤波，得到每组编码对应的幅度模糊函数值序列； (2f2)将步骤(2Π)得到的2N个幅度模糊函数值序列平移η个强交替码码片宽度，η= 1,2,3,..., L-1，再将平移后的序列分别与平移前对应的序列相乘，得到第η个时延处每组编码的距离模糊函数值序列； (2f3)对每组编码第η个时延处的距离模糊函数值序列分别使用符号修正表第η个时延处对应组编码的各个码元的修正符号进行修正，并对2Ν个修正后的距离模糊函数值序列求和，得到第η个时延处各码元最终的模糊函数值序列。
【文档编号】G01S7/02GK104181509SQ201410438274
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月31日 优先权日:2014年8月31日
【发明者】李林, 李海涛, 姬红兵, 丁宗华, 朱明哲, 刘靳, 臧博 申请人:西安电子科技大学