一种高效的组合式顺序等效采样方法与流程

本发明属于超宽带穿墙成像雷达领域，具体涉及一种可用于接收采集超宽带穿墙成像雷达回波信号的组合式顺序等效采样方法。

背景技术：

超宽带脉冲具有穿透性好、分辨率高、多径杂波抑制能力强等优点，在穿墙成像雷达中具有广泛的应用。然而，由于超宽带脉冲是无载波的时域窄脉冲信号，其频谱范围很宽，因此超宽带脉冲的采样接收就成为超宽带穿墙成像雷达的难点。

信号采样技术主要分为两大类：实时采样和等效时间采样。实时采样通常是等时间间隔的对周期或非周期信号进行采样，如图1所示，且依据奈奎斯特采样定理要求，采样速率不低于被采样信号最高频率的2倍。对超宽带穿墙成像雷达接收机来说，接收信号为超宽带时域窄脉冲信号，频谱范围很宽，若进行实时采样，为了满足奈奎斯特采样定理要求且为做到足够的波形保真，一般要求采样频率是中心频率的10倍左右，如文献“费元春，超宽带雷达理论与技术，国防工业出版社，2010，pp.45-46”所述。穿墙成像雷达采用的超宽带脉冲的中心频率一般在1GHz以上，这样就要求采样频率为10GHz以上。如此高的采样频率将使得工程实现难度和成本都很高。因此实时采样方法不适用于超宽带脉冲信号的采集接收。

等效时间采样简称等效采样，是指对周期性信号的多个周期进行慢速连续采样，然后将这些低采样率的样本按照跟触发信号的时间关系进行交织重组以获得一个周期的高速采样，从而真实重构出原始信号波形。显然，如专利申请号为201010534893.X的专利所述，等效采样方法可以复现频率大大超过奈奎斯特极限频率的信号的波形。等效采样分为两类：随机等效采样和顺序等效采样。顺序等效采样的每次采样都由某一触发信号来启动，一旦检测到触发信号，采样器会在一个短时间窗内完成采样，当下一次触发到来时，系统会给采样微小的延时增量，进行另一次采样，如此重复多次，后续的采样点均比前一次采样点有一个微小的时延增量，直至遍历整个采样时间窗，数据采集结束后将采集点按照顺序进行交织即可重构出信号波形，原理示意图如图2所示。相比随机等效采样，顺序等效采样具有原理简单、等效速度快的优点，采样点以时间为顺序，易于实现波形恢复，如专利申请号为201410001964.8的专利所述。此外，顺序等效采样还能够提供更大的时间分辨率和精度。因此当前在超宽带雷达系统中顺序等效采样方法得到普遍使用，极大地降低了超宽带脉冲信号的采样难度和实现成本。然而，图2所示的传统的顺序等效采样方法在每个周期内只采集一个样本，导致大大降低了雷达的PRF(Pulse Repetition Frequency，脉冲重复频率)，从而将降低雷达发射能量的利用率和效率。

技术实现要素：

针对传统顺序等效采样方法存在的不足，本发明提供一种高效的组合式顺序等效采样方法，在不大幅增加硬件实现难度和成本的基础上，有效地改善了雷达的PRF，提高了雷达发射能量的利用率。

本发明的组合式顺序等效采样方法的示意图如图3所示，其特征在于结合了实时采样和顺序等效采样，具体流程图如图4所示。

一种高效的组合式顺序等效采样方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，针对第一个周期的脉冲回波，以ΔT＝1/f_s为采样时间间隔进行实时采样，其中f_s表示A/D的采样率。

当雷达的测距范围为R_w时，此时的实时采样点数M为：

其中c表示光速。

第二步，针对下一个相邻周期的脉冲回波，首先类似于顺序等效采样，将前一个周期采样保持的触发脉冲进行很小的延时Δt后，再次以ΔT为采样时间间隔进行实时采样。延时Δt即对应于顺序等效采样的时间间隔，且Δt＝1/f_se，其中f_se表示顺序等效采样的采样率。

如前所述，为了满足奈奎斯特采样定理要求且为做到足够的波形保真，一般要求采样频率是超宽带脉冲信号中心频率f₀的10倍左右，因此本发明中Δt设计为即可满足要求。

第三步，多次重复第二步直至数据采集结束后，将多个周期的采集点按照顺序进行交织即可重构出一个周期的信号波形，且所需的交织周期数K为：

此时组合式顺序等效采样的等效PRF为f_r/K，其中f_r表示雷达的PRF。

另一方面，若采用传统的顺序等效采样方法，由于其每个周期回波只采集一个样本点，因此对于相同的雷达测距范围R_w来说，其所需的交织周期数N为：

对应的等效PRF为f_r/N。

显然，相比于传统的顺序等效采样方法，组合式顺序等效采样方法的等效PRF提高了M倍，即雷达效率提高了M倍，能够更有效地利用雷达的发射能量。由式(1)可知，当雷达测距范围不变时，M与A/D的采样率f_s成正比。因此，本方法通过采用较低的A/D采样率达到提高雷达效率的目的，且硬件实现难度和成本都较小。

采用本发明可以取得以下技术效果：

本发明结合实时采样方法和顺序等效采样方法，设计了一种高效的组合式顺序等效采样方法，在不大幅增加硬件实现难度和成本的基础上，能够用较少的周期数获得较长时间的高采样率波形，改善了雷达的PRF，从而有效克服了传统顺序等效采样方法效率低的缺陷，达到了提高雷达发射能量利用率的目的。

附图说明

图1是实时采样方法示意图；

图2是顺序等效采样方法示意图；

图3是本发明的组合式顺序等效采样方法示意图；

图4是本发明的组合式顺序等效采样方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

假设某超宽带穿墙成像雷达采用的超宽带脉冲的中心频率f₀为2GHz，测距范围R_w为30m，A/D实时采样频率f_s为250MHz，则本发明的技术方案具体实施如下：

第一步，针对第一个周期的脉冲回波，以ΔT＝1/f_s＝1/250MHz＝4ns为采样时间间隔进行实时采样，且由式(1)可知实时采样点数M为50。

第二步，针对下一个相邻周期的脉冲回波，首先将前一个周期采样保持的触发脉冲进行延时后，再次以4ns为采样时间间隔进行实时采样。

第三步，多次重复第二步直至数据采集结束后，将K个周期的采集点按照顺序进行交织即可重构出一个周期的信号波形，且由式(2)可知K为80。此时，由式(3)可知传统的顺序等效采样方法所需的交织周期数N为4000。

显然，一方面相比于传统的顺序等效采样方法，组合式顺序等效采样方法的效率提高了50倍；另一方面相比于实时采样方法所需的A/D采样率(等于超宽带脉冲中心频率的10倍，即20GHz)，组合式顺序等效采样方法所采用的A/D采样率较低，硬件工程实现难度和成本都较小。

上述具体实施方式表明，本发明提出的组合式顺序等效采样方法，在不大幅增加硬件实现难度和成本的基础上，能够显著提高雷达的等效PRF，改善超宽带雷达发射脉冲的能量利用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。