具有空间扫描特性的高频地波雷达信号处理方法

1.本发明涉及具有空间扫描特性的高频地波雷达信号处理方法，属于高频地波雷达信号技术领域。


背景技术：

2.高频地波雷达工作于短波频段(3mhz-30mhz)的频率低端，是一种可海洋遥感和观测海洋观测对象的雷达系统。由于高频信号波长较长，经典的高频地波雷达在发射电磁波时，一般不进行空间扫描，而是采用以对数周期天线为主的天线，直接向大范围空间辐射，此时发射形成的观测波束宽度较宽，不具备发射波束的空间扫描功能。
3.由于发射波束无空间扫描功能，经典高频地波雷达的雷达信号设计及其处理自然而然地与发射空间方位无关。在设计时，仅考虑信号在时间-频率域完成即可。进入二十一世纪后，单站高频地波雷达面临着强电离层杂波问题的困扰。为了抑制不同方向电离层杂波影响，高频地波雷达的信号设计方法从时间上的信号正交特性入手，发展了正交编码信号体制的高频地波雷达信号，从而使雷达信号设计方法及其处理发展为时间-频率-相位联合域的同时多维信号优化问题。
4.随着对短波频段电离层杂波、海杂波空时特性研究的不断深入，挖掘各类信号的空时特性，并基于此发展新的信号设计技术，逐渐成为新型高频地波雷达的重要发展方向。相应地，空时杂波抑制方法、空时联合信号处理方法层出不穷，也对高频地波雷达提出了空间信息最优化利用的需求。相比大范围空间辐射模式，在实际的大多数应用中，越来越需要对特定的海域，或观测对象进行持续关注，使观测模式向具有方向特性转变。这些转变和需求都迫切使得高频地波雷达具有发射波束的空间扫描功能，扩展现有信号设计的维度，从时间-频率-相位联合域发展成为空间-时间-频率-相位联合域。因此，空间信息与雷达时间信号结合的有效性问题就成为了新型高频地波雷达的核心问题，急需发展新的空间-时间雷达信号形式，以在实现空间扫描的同时，有效提取观测对象信息。


技术实现要素：

5.针对现有方法设计的高频地波雷达信号不具备发射波束的空间扫描功能的问题，本发明提供一种具有空间扫描特性的高频地波雷达信号处理方法。
6.本发明的一种具有空间扫描特性的高频地波雷达信号处理方法，包括具有空间扫描特性的高频地波雷达信号的设计方法，具体包括：
7.步骤一：设定包含q个方位个数的发射波束方位集合，生成q路发射方位信号，每路发射方位信号中发射方位信号的个数与发射天线阵列中发射单元个数相同；
8.步骤二：设定每个信号调制周期包括p个脉冲的待发射时间编码信号；其中q、m和p均为正整数；
9.步骤三：使p＝q，按序号将每路发射方位信号中的每个发射方位信号与对应脉冲序号的待发射时间编码信号相乘，获得q路具有方位信息的空间-时间-编码信号，q路具有
方位信息的空间-时间-编码信号发射至观测空间进行观测；每路空间-时间-编码信号中包括m个空间-时间-编码信号。
10.根据本发明的具有空间扫描特性的高频地波雷达信号处理方法，步骤一中，生成的q路发射方位信号中第q路发射方位信号表示为：
[0011][0012]
式中βm为发射方位信号，θq为发射波束方位，m为发射天线阵列中发射单元的序号，d为发射单元间距，c为光速，f0是发射电磁波频率；q为发射方位序号，0≤q≤q-1；
[0013]
待发射时间编码信号表示为：
[0014][0015]
式中s(t)为待发射时间编码信号，t为时间，p为信号调制周期中脉冲序号，i为每个脉冲宽度内的编码个数，i为脉冲宽度内编码序号，且0≤i≤i；为编码，rect(
·
)为门函数：
[0016][0017]
tb为每个编码的时间长度，t为脉冲重复周期。
[0018]
根据本发明的具有空间扫描特性的高频地波雷达信号处理方法，步骤二中，每路空间-时间-编码信号中，对应第m个发射单元的空间-时间-编码信号为：
[0019][0020]
式中sm(t)为第m个发射单元的空间-时间-编码信号，s
p
(t)为待发射时间编码信号s(t)的第p个脉冲，p＝q。
[0021]
根据本发明的具有空间扫描特性的高频地波雷达信号处理方法，还包括对具有方位信息的空间-时间-编码信号的回波信号进行处理的方法，具体包括：
[0022]
步骤四：q路具有方位信息的空间-时间-编码信号被观测对象反射后，获得q个方位的观测对象回波信号；
[0023]
步骤五：对q个方位的观测对象回波信号进行脉冲压缩处理，得到发射方位-接收通道-距离频谱矩阵；所述接收通道的个数n为接收天线阵列中接收单元的个数；n为正整数；
[0024]
步骤六：将设定个数信号调制周期的发射方位-接收通道-距离频谱矩阵按照信号调制周期序号排列，获得排序后发射方位-接收通道-周期-距离频谱矩阵；
[0025]
步骤七：对所有发射方位中每个发射方位的接收通道-周期-距离频谱使用与发射方位相同指向的波束加权系数进行数字波束形成处理，得到波束-周期-距离频谱；
[0026]
步骤八：对波束-周期-距离频谱中的每一列离散化距离单元信号，进行多普勒分析处理，得到具有空间扫描特性的波束-距离-多普勒频谱矩阵；
[0027]
步骤九：对发射波束方位集合中的每一个方位，重复步骤二至步骤八，完成具有凝视效果的观测空间扫描。
[0028]
根据本发明的具有空间扫描特性的高频地波雷达信号处理方法，步骤四中，观测对象回波信号表示为：
[0029][0030]
式中为第q个发射波束方位下第n个接收通道的观测对象回波信号，n＝0，1，2，
……
，n-1；τ为观测对象时间延迟，l为信号调制周期计数；θ
p
为观测对象回波信号方位；
[0031][0032]
r为观测对象距离发射天线阵列中心的距离，r＞＞n
·
d；
[0033]
根据θ
p
＝θq，观测对象回波信号的表达式中，的计算结果为常数aq。
[0034]
根据本发明的具有空间扫描特性的高频地波雷达信号处理方法，步骤五中获得发射方位-接收通道-距离频谱的方法包括：
[0035]
第q个发射波束方位下的观测对象回波信号进行脉冲压缩处理，得到单个信号调制周期当前方位的接收通道-距离频谱
[0036][0037]
式中r为观测对象相对高频地波雷达的离散化距离序号；
[0038]
由q个发射方位的观测对象回波信号获得单个信号调制周期的q个接收通道-距离频谱，形成发射方位-接收通道-距离频谱矩阵，所述矩阵维度为q
×n×rmax
，其中r
max
为观测对象相对高频地波雷达的最大离散化距离序号。
[0039]
根据本发明的具有空间扫描特性的高频地波雷达信号处理方法，步骤六中，排序后发射方位-接收通道-周期-距离频谱矩阵w为：
[0040][0041]
式中为第q个发射方位第n个接收通道的设定个数信号调制周期的距离频谱：
编码信号设计方法基础上，基于高频地波雷达的空间波束扫描需求，设计空间-时间域复合的编码信号，并进一步实现了信号处理的全过程，可输出具有空间凝视特性的编码信号的波束-距离-多普勒频谱，完成了扫描方位内回波信息的无失真提取。
[0060]
本发明能够使得编码形式的高频地波雷达观测信号具备空间扫描特性，可使得高频地波雷达观测波束在空间中自由扫描，既可以实施有目的地长时关注特殊区域或观测对象，还可以跟随观测对象运动持续改变。同时由于信号具备空间特性，因此可以增强雷达系统的抗空间干扰能力，有利于观测对象检测和航迹跟踪，具有实施简单方便、可自适应的改变辐射信号的空间特性等特点。
[0061]
本发明可用于具有空间扫描功能或空间凝视特性的高频地波雷达或高频雷达，提升其波束空间扫描能力。
附图说明
[0062]
图1是本发明所述具有空间扫描特性的高频地波雷达信号的设计方法的流程图；
[0063]
图2是本发明所述具有空间扫描特性的高频地波雷达信号处理方法的整体流程图；
[0064]
图3是本发明具体实施例步骤五中，距离频谱示意图；
[0065]
图4是本发明具体实施例步骤九中，距离-多普勒频谱示意图；
[0066]
图5是本发明具体实施例步骤九中，波束方位为-30
°
时的波束-距离-多普勒频谱结果示意图；
[0067]
图6是本发明具体实施例步骤九中，波束方位为-10
°
时的波束-距离-多普勒频谱结果示意图；
[0068]
图7是本发明具体实施例步骤九中，波束方位为0
°
时的波束-距离-多普勒频谱结果示意图；
[0069]
图8是本发明具体实施例步骤九中，波束方位为10
°
时的波束-距离-多普勒频谱结果示意图；
[0070]
图9是本发明具体实施例步骤九中，波束方位为30
°
时的波束-距离-多普勒频谱结果示意图；
[0071]
图10是本发明具体实施例步骤九中，多普勒分析处理采用的汉宁窗函数时间域波形图；
[0072]
图11是本发明具体实施例步骤九中，观测对象能量随波束方向变化曲线示意图；
[0073]
图12是本发明具体实施例步骤十中，当发射方位变化集合中均为固定方向时，观测对象信号能量在波束-距离-多普勒矩阵集合中的响应示意图。
具体实施方式
[0074]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0075]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相
互组合。
[0076]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0077]
具体实施方式一、结合图1所示，本发明提供了一种具有空间扫描特性的高频地波雷达信号处理方法，包括具有空间扫描特性的高频地波雷达信号的设计方法，具体包括：
[0078]
步骤一：设定包含q个方位个数的发射波束方位集合，生成q路发射方位信号，每路发射方位信号中发射方位信号的个数与发射天线阵列中发射单元个数相同；
[0079]
步骤二：设定每个信号调制周期包括p个脉冲的待发射时间编码信号；其中q、m和p均为正整数；
[0080]
步骤三：使p＝q，按序号将每路发射方位信号中的每个发射方位信号与对应脉冲序号的待发射时间编码信号相乘，获得q路具有方位信息的空间-时间-编码信号，q路具有方位信息的空间-时间-编码信号发射至观测空间进行观测；每路空间-时间-编码信号中包括m个空间-时间-编码信号。
[0081]
进一步，步骤一中，生成的q路发射方位信号中第q路发射方位信号表示为：
[0082][0083]
式中βm为发射方位信号，θq为发射波束方位，{θq}为事先指定的发射波束方位集合，m为发射天线阵列中发射单元的序号，d为发射单元间距，c为光速，为3
×
108；f0是发射电磁波频率；q为发射方位序号，0≤q≤q-1，q可以为1或任意整数个，q路发射方位信号与发射天线阵列中发射单元一一对应；
[0084]
其中发射天线阵列采用均匀直线形式。
[0085]
待发射时间编码信号表示为：
[0086][0087]
式中s(t)为待发射时间编码信号，t为时间，p为信号调制周期中脉冲序号，i为每个脉冲宽度内的编码个数，i为脉冲宽度内编码序号，且0≤i≤i；为编码，rect(
·
)为门函数：
[0088][0089]
tb为每个编码的时间长度，t为脉冲重复周期。
[0090]
根据编码集合中编码采用具备正交特性的编码，总个数为p
×
i个，以frank编码为例，其编码形式为：
[0091][0092]
其中φ
i+pp
＝2π
·i·
p/(p
×
i),i＝0
…
i-1,p＝0
…
p-1。
[0093]
再进一步，步骤二中，每路空间-时间-编码信号中，对应第m个发射单元的空间-时间-编码信号为：
[0094][0095]
式中sm(t)为第m个发射单元上的空间-时间-编码信号，s
p
(t)为待发射时间编码信号s(t)的第p个脉冲，此时，p＝q。
[0096]
显然，发射脉冲上集成复合了事先设计的发射方位信息，使得空间信息与时间-编码信号有效结合，也使得辐射出的多路空间-时间-编码信号在脉冲序列上实现了波束指向。这些波束指向既可以随时间固定，产生持续关注效果，也可以随脉冲间不断变化，从而产生发射波束扫描效果。
[0097]
再进一步，结合图2所示，本实施方式还包括对具有方位信息的空间-时间-编码信号的回波信号进行处理的方法，具体包括：
[0098]
步骤四：q路具有方位信息的空间-时间-编码信号被观测对象反射后，获得q个方位的观测对象回波信号；所述观测对象回波信号中包含了观测对象方位、距离时延、径向速度信息；
[0099]
步骤五：对q个方位的观测对象回波信号进行脉冲压缩处理，得到发射方位-接收通道-距离频谱矩阵；所述接收通道的个数n为接收天线阵列中接收单元的个数；n为正整数；
[0100]
步骤六：将设定个数信号调制周期的发射方位-接收通道-距离频谱矩阵按照信号调制周期序号排列，获得排序后发射方位-接收通道-周期-距离频谱矩阵；
[0101]
步骤七：对所有发射方位中每个发射方位的接收通道-周期-距离频谱使用与发射方位相同指向的波束加权系数进行数字波束形成处理，汇总所有发射方位的结果，得到波束-周期-距离频谱；
[0102]
步骤八：对波束-周期-距离频谱中的每一列离散化距离单元信号，进行多普勒分析处理，得到具有空间扫描特性的波束-距离-多普勒频谱矩阵；处理完成所有接收波束后，处理结果可以组成波束-距离-多普勒三维矩阵，观测对象信息位于该矩阵中，呈现为多维尖峰特性；
[0103]
步骤九：对发射波束方位集合中的每一个方位，重复步骤二至步骤八，完成具有凝视效果的观测空间扫描。至此，实现了空间扫描特性的编码信号设计及其处理过程，提取了所有发射方位方向的观测对象信息。
[0104]
再进一步，步骤四中，观测对象回波信号表示为：
[0105][0106]
式中为第q个发射波束方位下第n个接收通道的观测对象回波信号，n＝0，1，2，
……
，n-1；τ为观测对象时间延迟，l为信号调制周期计数，一个信号调制周期的时间长度tm为脉冲个数与脉冲重复周期的乘积，即tm＝pt；θ
p
为观测对象回波信号方位；0≤t；
[0107][0108]
r为观测对象距离发射天线阵列中心的距离，r＞＞n
·
d；显然，若观测对象运动，
则观测对象距离r随时间变化；接收天线阵列中接收单元与发射单元间距相同。
[0109]
显然，当回波信号方位与发射方向相同时，根据θ
p
＝θq，观测对象回波信号的表达式中，与发射方位θq相关的求和项的计算结果为常数aq。
[0110]
再进一步，步骤五中获得发射方位-接收通道-距离频谱的方法包括：
[0111]
第q个发射波束方位下的观测对象回波信号进行脉冲压缩处理，得到单个信号调制周期当前方位的接收通道-距离频谱
[0112][0113]
式中r为观测对象相对高频地波雷达的离散化距离序号，由多通道回波信号中的时延τ导出；
[0114]
由q个发射方位的观测对象回波信号获得单个信号调制周期的q个接收通道-距离频谱，形成发射方位-接收通道-距离频谱矩阵，所述矩阵维度为q
×n×rmax
，其中r
max
为观测对象相对高频地波雷达的最大离散化距离序号。
[0115]
再进一步，步骤六中，排序后发射方位-接收通道-周期-距离频谱矩阵w为：
[0116][0117]
式中为第q个发射方位第n个接收通道的设定个数信号调制周期的距离频谱：
[0118][0119]
式中x为离散化距离单元信号，l
max
为最大信号调制周期序号，
[0120]
中x的行号l为信号调制周期序号，列号为离散化距离r的序号。
[0121]
再进一步，步骤七中，得到波束-周期-距离频谱的方法包括：
[0122][0123]
式中bq为波束-周期-距离频谱，为与θq相关的第n个接收通道波束加权系数，所有组成波束加权系数集合w(θq)：
[0124]
[0125]
式中an来自长度为n的窗函数。
[0126]
再进一步，所述窗函数包括汉宁窗函数和切比雪夫窗函数；
[0127]
当窗函数为汉宁窗函数，则：
[0128][0129]
显然，该接收波束的周期-距离信号bq指向了发射方向θq，包含了该方向的所有回波。
[0130]
依次取出其他发射方位的多通道-周期-距离频谱矩阵，并按照上述方法处理。处理后，接收波束指向与事先设计的发射方位一一对应，涵盖了所有方向的观测对象回波，成为了波束-周期-距离频谱，其维度为q
×
l
max
×rmax
。
[0131]
再进一步，步骤八中，对波束-周期-距离频谱bq中的每一列离散化距离单元信号进行多普勒分析处理，得到第q个发射波束方位的距离-多普勒频谱矩阵dq：
[0132][0133]
式中y为多普勒信号，y的行号d
max
为多普勒单元序号，y的列号为离散化距离r的序号；大多数情况下，取d
max
＝l
max
，d
max
＝p
max
则：
[0134]
第r列的多普勒信号yd(r)为：
[0135][0136]
式中w
l
来自给定l
max
的窗函数。所述窗函数包括汉宁窗函数、海明窗函数等窗函数，可以依据多普勒分析需求自行选择。
[0137]
如此，所有接收波束的距离-多普勒频谱dq组成了波束-距离-多普勒三维矩阵γ
ard
。在矩阵γ
ard
中，观测对象可在其对应方位的波束、距离、径向速度的波束q、距离单元r、多普勒单元d处呈现为多维尖峰。取观测对象所在方位为0度波束的距离-多普勒频谱，结果如说明书附图12所示，其中颜色越深表明其幅度越高。同时，噪声和杂波在该矩阵中表现为面状等其他非尖峰特性，显然观测对象尖峰所在的距离、速度就是观测对象本身具有的信息，因此可以使用恒虚警检测发现该观测对象与噪声杂波的区别，并估计其真实方位、距离、多普勒速度等信息。这样就得到了空间扫描特性的编码信号及其处理过程，得到的结果体现了随着时间变化其方位的波束-距离-多普勒三维矩阵。
[0138]
本实施方式中，若所需观测方向为固定方向，则更改发射方位集合中元素为固定值，重复步骤二至步骤八，就得到了空间凝视特性的编码信号及其处理过程，得到的结果体现了随着时间变化，始终观察固定方位的波束-距离-多普勒三维矩阵结果。
[0139]
显然，本发明提及的编码信号及其处理方法的空间扫描特性表现在发射波束方位θq的变化上。当θq始终指向某一方位时，高频地波雷达观测产生长时关注某方向的效果；当θq随着观测对象运动引起的角度变化而相应变化时，高频地波雷达观测则产生波束跟随效果。
[0140]
具体实施例：
[0141]
具有空间扫描特性的高频地波雷达信号处理方法，包括以下步骤：
[0142]
步骤一：设发射电磁波频率为10mhz，发射天线阵列单元间距为电磁波波长的二分之一，即间距为15米，且天线阵列中发射单元个数为8，发射波束方位集合{θ
p
}中方位个数为5，设定为-30度、-10度、0度、+10度、+20度，得到的发射方位信号共有5组，每组中包含信号8个。
[0143]
步骤二：设定待发射的时间编码信号中脉冲重复周期t为2ms，脉冲个数为5，编码时间长度为50us，单组编码集合长度l为5，此时编码集合总个数为25个。
[0144]
步骤三：将多路发射方位信号与时间编码信号相乘，获得具有方位信息的多路空间-时间-编码信号。
[0145]
步骤四：设单站高频地波雷达的接收天线阵列天线单元个数为8个，且天线单元间距也为15米，在接收天线阵列的每个单元上，相比发射信号，得到多通道观测对象回波信号。
[0146]
作为示例，设定观测对象距离为150km、径向速度为15m/s、方位为0度，则相对发射信号，单站高频地波雷达的观测对象时间延迟为1ms，一个调制周期时长为10ms。
[0147]
步骤五：按照脉冲上的发射方位属性，选取波束方位相同的脉冲，此时5个波束方位，构成5组沿时间推进的脉冲序列，然后进行脉冲压缩处理，获得该发射方位的多通道-距离频谱。此时，在时间采样间隔为50us条件下，距离频谱结果如图3所示，此时距离单元大小为7.5km，显然，观测对象尖峰位于第20个距离单元，即150km处。
[0148]
步骤六：计算5个发射方位的多通道观测对象回波信号，获得单个调制周期的5个多通道-距离频谱，形成发射方位-多通道-距离矩阵，其维度为5
×8×
40。
[0149]
步骤七：将多个调制周期的发射方位-多通道-距离频谱按照调制周期序号排列，调制周期为256个，重排为发射方位-多通道-周期-距离频谱矩阵，其维度5
×8×
40
×
256。
[0150]
步骤八：某个发射方位的多通道-周期-距离频谱矩阵，使用与发射方位相同指向的波束加权系数进行数字波束形成处理，得到接收波束的周期-距离信号。此时，接收波束指向与发射方位相同，即每个发射方位产生一个接收波束。汇总所有发射方位的结果，得到波束-周期-距离频谱，其维度为5
×
40
×
256。
[0151]
步骤九：针对每一个波束-周期-距离频谱中的每一列离散化距离单元的信号，进行多普勒分析处理，可以得波束-距离-多普勒频谱矩阵dq，其维度为5
×
40
×
256。结果如图4至图11所示。其中多普勒分析处理采用的窗函数为256点的汉宁窗，其时间域波形如图10所示。
[0152]
可以看到，当发射波束与观测对象方位对准时，观测对象反射能量最大，表明具有空间扫描特性的编码信号设计合理，并正确实现了扫描处理。
[0153]
步骤十，当发射波束方位集合中元素有且仅有一个方向0度时，重复步骤二至步骤九，就得到了始终指向0度的空间扫描结果，此时波束-距离-多普勒频谱仅有指向0度的距离-多普勒频谱，如图12所示。若发射波束方位不变化，则波束-距离-多普勒结果也仅包含指向0度的距离-多普勒频谱，当观测对象进入该方向时，可以获得最大反射能量。表明了空间扫描时的凝视观测效果。
[0154]
综上所述，本发明提出的具有发射波束空间扫描功能的编码信号及其处理方法，
使得高频地波雷达能够在实现发射波束空间扫描的同时，实现正确地提取观测对象回波信息。具有实施简单方便、可自适应的改变权值等特点。
[0155]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。