一种基于相位编码正交频分复用信号的雷达成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于用于成像的雷达系统领域，具体涉及一种基于相位编码正交频分复用 信号的雷达成像方法。
【背景技术】
[0002] 雷达成像技术是20世纪50年代发展起来的，它是雷达发展史上的一个里程碑。利 用雷达成像技术，可W获得目标和场景的图像，进一步实现对未知目标的跟踪与识别，对于 未来电子战取得胜利具有重要的意义。同时，由于雷达具有全天候、远距离和宽广观测带等 特点，使得雷达成像技术受到广泛的重视。
[0003] 雷达系统通过雷达天线主动向外发射电磁波信号，并接收散射回雷达天线的回波 信号，对接收到的回波信号通过匹配滤波将其压缩成窄脉冲。目标回波的窄脉冲分布相当 于H维分布的目标散射点的子回波之和。在平面波条件下，该分布为沿波束射线方向的相 同距离单元内的子回波的向量和。
[0004] 雷达距离向高分辨率主要取决于发射信号的带宽，但硬件水平制约了信号带宽在 应用上提高的空间，无法满足实际情况对成像分辨率的要求。线性调频步进信号的提出，实 现了高的距离分辨能力，而且不需要增大系统的瞬时带宽。但是一般情况下，该信号模型的 频率步进值是常数，容易受干扰信号的影响，而且，现代战场的电磁环境相对复杂，雷达在 探测与侦察中容易受电子干扰巧CM ;Electronic Countermeasures)的影响，进而制约了 线性调频步进信号在军事领域中的应用。现代雷达需要寻求新的信号体制或者采取有效的 措施来实现电子抗干扰巧CCM ;Electronic Counter-Countermeasures),降低干扰对雷达 成像的影响，让雷达得W正常工作。
[0005] 相位编码正交频分复用（(FDM)信号在多载频正交频分复用技术的基础上结合了 相位编码技术，不仅具有合成大带宽所带来的距离高分辨能力，而且自相关函数旁瓣相对 较低，频谱利用率高，模糊函数呈现局部图钉型。将该信号用于成像雷达，可获得低的截获 概率，同时在抗干扰、抗衰落、抑制多径与杂波干扰等方面有优越的性能，但是在雷达发射 脉冲串信号时，在脉冲重复时间处存在较高的距离旁瓣。
【发明内容】
[0006] -般雷达系统包括天线、发射机、接收机、信号处理模块和终端设备等部件。发射 相位编码OFDM信号的雷达，其成像的一般过程如下；在雷达系统的发射机中，W两个完全 互补的相位编码OFDM信号作为激励，产生原始雷达信号，该信号在发射机中的功率放大级 中被放大，之后上述信号在天线处W-个脉冲重复周期为间隔进行发射，而当接收机接收 到目标回波信号后，在信号处理模块中实施相应处理，最终得到目标的一维距离像。
[0007] 本发明为一种新型雷达成像方法，其要解决的技术问题是降低相位编码OFDM信 号在脉冲重复时间处的距离旁瓣。该方法的应用场合是发射相位编码OFDM信号的宽带雷 达成像系统，可为地基、空基或天基雷达系统。
[0008] 具体技术方案为，一种基于相位编码正交频分复用信号的雷达成像方法，包括W 下步骤：
[0009] 第一步：通过自适应克隆选择算法求出与原始四相编码矩阵/^°互补的四相编码 矩阵A 1，四相编码矩阵由N个长度为K的四相编码序列组成；N，K为整数。
[0010] 自适应克隆选择算法的求解过程如下：
[0011] (1)设置算法参数，初始化抗体种群。
[0012] 设抗体种群中抗体个数为Mp，最大进化代数为L(L为整数），进化代数计数器初始 值为1 = 0,随机产生Mp个NXK维四相编码矩阵
【主权项】
1. 一种基于相位编码正交频分复用信号的雷达成像方法，其特征在于，按如下步骤实 施： 第一步，通过自适应克隆选择算法求出与原始四相编码矩阵A°互补的四相编码矩阵AS四相编码矩阵由N个长度为K的四相编码序列组成； 第二步，在雷达系统的发射机中，利用第一步得到的八°和AS根据公式
分别对N个相互正交的子载频进行相位调制，得到相位编码OFDM互补脉冲对，以该脉 冲对作为激励，产生原始雷达信号，该信号在发射机中的功率放大级中被放大，此时信号仍 是脉冲对形式，将上述信号调制到载频上，并在天线处间隔一个脉冲重复周期I发射，该 发射信号的表达式为：
其中，j是单位虚数，N是子载频个数，wn是第n个子载频的频率加权系数，且w?=|w?|eA，0n为初相，|wn|为幅度，K为编码长度，A= {ank}NXK为相位编码矩阵，ank 为第n个子载频的第k个编码，且an，ke{1，-1，j，-j}，i的取值为0、1，下标n的取值范围 为0到N-1的整数，下标k的取值范围为0到K-1的整数，rect( ?)为单位矩形窗函数，tb 是子脉冲宽度，1；是脉冲宽度其大小等于Ktb，Af?是相邻子载频之间的频率间隔，它满足 Af=l/tb，且信号带宽
第三步，当雷达接收机接收到目标回波信号后，在信号处理模块中对所发射的脉冲对 的两个目标脉冲回波分别进行脉冲压缩并叠加，得到目标的一维距离像。
2. -种如权利要求1所述的基于相位编码正交频分复用信号的雷达成像方法，其特征 在于，第一步中的自适应克隆选择算法的求解过程如下： (1) 设置算法参数，初始化抗体种群， 设抗体种群中抗体个数为Mp，最大进化代数为L，进化代数计数器初始值为1 = 0,随机 产生MpfNXK维四相编码矩阵
，则初始抗体种群表 示为：
(2) 适应度函数计算与排序， 首先定义两个NXK维四相编码矩阵A°、A1的自、互相关和函数：
其中，R(ai，n，aj，n，Ak)表示序列ai;n与序列aj;n的相关函数，Ak表示相关延迟。 设定适应度函数为：
其中，PSL[Sl(A〇，A1)] = 201g{max[Sl(A〇，A1，Ak)]Aw/Sl(A〇，A1，Ak)Ak= 〇}表 示峰值旁瓣比，Peak[s2(A°,A1)] = 201g{max[s2(A°,A1，Ak)]}表示互相关峰值，Vpv2 为权重参数，且满足
利用公式（1)和公式（2)，计算与原始编码矩阵A°相关的抗体Om(l)的适应度函数 值，并将各抗体按照该值从大到小的顺序排列，记为：
(3) 自适应克隆复制， 根据适应度函数的值，对抗体种群进行自适应复制操作，符号表示如下：
其中，打卜",(/))表示对抗体气。(/)进行Qm次克隆复制，Qm取值为： Qm(l) =ceil(ncF(m)/sum(F(m))) (5) 其中ceil(?)表示向上取整函数，n。是一个与克隆规模相关的参数；经过克隆复制， 抗体种群表示为：
其中Am(l)为一子抗体种群，具体表不为： Am(D= {UDIUD=①-⑴}，Q= 1，2,…，Q，= 1，2, ...，Mp (4) 自适应克隆变异， 一个NXK维抗体的变异概率为
其中，该抗体为子抗体种群Am(l)中的一个抗体，其在适应度排序中排在第m个，而其 进化代数为1，公式中Y为算法调节参数，Qm为公式（5)所示的克隆复制规模；抗体Am，q(l) 经自适应克隆变异后得到A'm，q(l)，并以如下概率接收为新抗体：
其中相位编码数Np= 4,d(?)表示Hamming距离；该步之后的抗体种群表示为
而各子抗体种群中适应度函数值最大的一个抗体记为 Km(l) = (A,m，q(l)|maxF(A'm，q⑴)，q= 1，2, ...，Qm}(m= 1，2,…，Mp) (5) 自适应克隆选择， 抗体Km(l)以概率乂取代〇m(l)，其中概率乂的计算公式如下：
其中（是一个与抗体种群多样性相关的参数； (6) 更新抗体种群， 抗体种群的进化代数由1变为1+1，新的抗体种群为
(7) 算法终止， 如果进化代数达到L，算法终止，此时抗体种群中适应度函数值最大的抗体即为所求的 相位编码矩阵A\否则转步骤（2)继续执行算法。
3. -种如权利要求1所述的基于相位编码正交频分复用信号的雷达成 像方法，其特征在于，第二步中的子载频加权系数％ 的参数设定为
4. 一种如权利要求1所述的基于相位编码正交频分复用信号的雷达成像方法，其特征 在于，所述第三步的具体过程如下： (1) 将回波信号sH(t),i= 0, 1与中心载频混频，即sH(t)乘上exp(_j2JrfQt)，以获 得基带回波信号sbi(t)，i= 0，l; (2) 对两个接收脉冲信号进行匹配滤波脉冲压缩处理；信号s(n)的匹配滤波器冲激响 应为其共轭倒置，即h(n) =s#(-n)，而脉冲压缩过程为回波信号与匹配滤波器冲击响应的 卷积，从而输出
其中，1的取值为0到N-1的整数； (3)将两个互补脉冲的脉冲压缩输出信号ytl(n)和71(1〇相加，得到目标的高分辨率一 维距离像。
【专利摘要】本发明属于雷达系统领域，具体涉及一种基于相位编码正交频分复用(OFDM)信号的新型雷达成像方法。具体技术方案是，雷达发射端发射互补的相位编码OFDM信号脉冲对，雷达接收端对两个脉冲回波分别进行脉冲压缩并叠加，得到目标的一维距离像，而与原始相位编码OFDM信号互补的信号是采用自适应克隆选择算法求出的。该算法以原始相位编码矩阵为抗原，以互补相位编码矩阵为抗体，通过适应度函数衡量解的优劣程度，寻求具有最大适应度函数值的最优抗体即为所求的解。发明相位编码OFDM信号在脉冲重复时间处的距离旁瓣得以降低，从而雷达成像的分辨率得以提高，雷达信号的截获概率得以降低，抗干扰、抗衰落、抑制多径与杂波干扰等性能得以提高。
【IPC分类】G01S13-89
【公开号】CN104569973
【申请号】CN201510040484
【发明人】霍凯, 姜卫东, 刘永祥, 赵晶晶, 黎湘, 高勋章
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月27日