CN110275151A

CN110275151A - 基于clean思想的互补码信号距离盲区脉冲压缩算法、系统、装置及存储介质

Info

Publication number: CN110275151A
Application number: CN201910641885.6A
Authority: CN
Inventors: 潘孟冠; 胡金龙; 陈伯孝; 刘剑锋; 苏泳涛
Original assignee: Nanjing Zhongke Crystal Communication Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Zhongke Crystal Communication Technology Co Ltd
Priority date: 2019-07-16
Filing date: 2019-07-16
Publication date: 2019-09-24

Abstract

本发明公开了基于CLEAN思想的互补码信号距离盲区脉冲压缩算法、系统、装置及存储介质，包括如下步骤：从最远距离段开始，由远到近依次进行脉压和CLEAN的过程；每段脉压完成后，进行CLEAN操作，将输入数据中该段目标的信号分量减去，更新输入数据，并用于下一段的脉压中；远距离段脉压完成后，从原始回波中抽除这一段所有目标的信号分量，在近距离进行脉压时输入数据中已无远距离目标的分量，以此消除栅瓣。本发明能在发射端仍使用原始Golay互补码的情况下，通过接收端的信号处理，解决旁瓣问题。

Description

基于CLEAN思想的互补码信号距离盲区脉冲压缩算法、系统、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及信息与通信技术，尤其是一种雷达技术。

背景技术

高频地波雷达利用垂直极化高频电磁波能够以低损耗沿海表面传播的特点，突破了地球曲率对雷达视距的限制，能够实现远距离海面和低空目标的探测。其探测距离一般能够达到200-500km，有效弥补了岸基微波雷达的远程低空探测盲区。由于高频地波雷达的探测距离较远，在峰值功率受限时，高频雷达往往会采用高工作比的发射波形，如调频连续波和调频中断连续波。两者因处理算法的成熟和稳定在目前的高频地波雷达中被广泛采用。

然而，由于设计灵活、能达到更优的副瓣电平且高频段的多普勒频率一般较小，相位编码信号在高频地波雷达中的应用逐渐受到了人们的关注。高频段电磁环境复杂，地、海杂波和电离层杂波很强，在强干扰和杂波背景下检测微弱目标的需求促使高频地波雷达寻求副瓣性能更好的发射波形。二相编码或多相编码的Golay互补码脉冲信号通过使用一对自相关函数互补的码元序列获得理想的零旁瓣自相关函数，对于高频地波雷达而言，非常具有吸引力。

互补码脉冲信号用于高频地波雷达时，需采用较大的占空比以满足其探测距离的要求。对单基高频地波雷达而言，宽脉冲导致近距离回波遮挡严重，遮挡时原互补码的互补性被破环，不再互补，旁瓣性能大大恶化。针对互补码距离盲区的脉压旁瓣问题，现有使用距离分段匹配的互补码脉压技术，然而Golay互补码各段之间相关性会导致该技术的处理结果中远距离目标在近距离段引起栅瓣。

发明内容

发明目的：提供一种基于CLEAN思想的互补码信号距离盲区脉冲压缩算法，以解决现有技术存在的上述问题。并进一步提供一种基于上述压缩算法的系统、装置和存储介质。

技术方案：基于CLEAN思想的互补码信号距离盲区脉冲压缩算法，包括如下步骤：

从最远距离段开始，由远到近依次进行脉压和CLEAN的过程；

每段脉压完成后，进行CLEAN操作，将输入数据中该段目标的信号分量减去，更新输入数据，并用于下一段的脉压中；

远距离段脉压完成后，从原始回波中抽除这一段所有目标的信号分量，在近距离进行脉压时输入数据中已无远距离目标的分量，以此消除栅瓣。

根据本发明的一个方面，每段脉压操作的过程包括：

计算当前段的互补脉压结果；根据当前段的互补脉压结果进行目标判决，从中估计目标参数，包括目标的幅度、相位以及延时；

根据目标参数构造所述距离段互补码的理论回波信号。

根据本发明的一个方面，所述CLEAN操作具体为从当前输入数据减去理论回波信号，将得到的结果作为下一距离段的输入数据。

一种基于CLEAN思想的互补码信号距离盲区脉冲压缩算法，包括如下步骤：

步骤1、初始化系统，并根据系统参数确定最小作用距离对应的码元数N_min和最大作用距离对应码元数N_max；

步骤2、分段脉压和CLEAN操作：

步骤21、选取最远距离段，确定当前距离段的输入数据、脉压系数和输出距离；

输入数据段下标：

脉压系数：s_A[N-|P+1：N]和s_B[N-P+1：N]

输出距离：

式中，P为滤波系数长度，N为互补码序列长度，

步骤22、根据输入段提取数据，分别进行A、B码回波的脉压，得到A、B码脉压输出z_A(τ)和z_B(τ)；计算互补脉压结果z(τ)＝(z_A(τ)+z_B(τ))/2；

步骤23、根据计算得到的互补脉压结果z(τ)进行目标判决，并估计目标参数{σ_l，τ_l}；

步骤24、构造这一距离段的A、B码理论回波信号x_A(t)和x_B(t)；

式中，s_A(t)和s_B(t)为归一化的互补码发射波形，即

σ_l包括估计的目标幅度和相位，τ_l为估计的目标延时，a为当前的幅度因子，l＝0，…，L-1，L为目标数；T_e为脉冲宽度；t为时间；

步骤25、当使用完整互补码序列作为匹配滤波系数时，设第l个目标的A、B码脉压输出分别为z_l，A和z_l，B；

步骤26、从当前输入数据减去理论输入信号，结果作为下一距离段的输入数据；

步骤3、滤波系数长度P更新为P/2，幅度因子a更新为2a，判断P是否达到设置的阈值N_min，若是，结束；若否，返回步骤2。

根据本发明的一个方面，当P＝N时，目标位置处的峰值幅度可作为目标幅度的估计值，幅度因子a＝1；P每缩小一倍，a需增大一倍，使得将当前距离段脉压结果的峰值点幅度乘以a能够还原出目标的真实幅度。

根据本发明的一个方面，所述步骤23中的目标判决方法包括恒虚警率检测算法、基于噪声电平估值的恒定门限方法或峰值检测算法。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法的步骤。

有益效果：

1.基于CLEAN思想的互补码分段脉压算法，解决了原Golay互补码盲区脉压旁瓣高的问题，使得脉压结果在遮挡区仍具有零旁瓣，且消除了由于Golay互补码各段之间相关性导致的远距离目标在近距离段引起栅瓣的现象。

2.本发明能在发射端仍使用原始Golay互补码的情况下，通过接收端的信号处理，解决距离盲区脉压旁瓣问题。

3.不同于CLEAN类旁瓣抑制算法，它们每次从脉压结果中抽除最强目标的脉压分量，达到降低旁瓣、提取强目标旁瓣下的弱目标分量的目的。本发明针对互补码的分段脉压，使用了CLEAN算法的反卷积思想，每一段脉压完成后从原始回波中抽除这一段所有目标的信号分量，达到去除栅瓣的目的。

附图说明

图1是64码元互补码自相关函数示意图。

图2是子码(1)和子码(2)的A、B码互相关以及互相关之和示意图。

图3是内插法互补码序列分段脉压的栅瓣问题示意图。

图4a和图4b是本发明使用CLEAN思想的互补码分段脉压算法单目标仿真结果示意图，其中，图4a无噪声，图4b信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)为10dB。

图5是本发明使用CLEAN思想的互补码分段脉压算法多目标仿真结果示意图，其中图5a无噪声，图5b SNR＝10dB。

具体实施方式

为了解决上述问题，申请人进行了深入地研究，例如有的文献针对距离遮挡的问题，利用互补码的分段互补特性，提出距离分段匹配的脉压算法，但是其并没有意识到算法可能导致的伪峰现象，也没有给出解决方案。还有文献通过对原始的Golay互补码的码元设计进行改进来改善距离遮挡时的高脉压旁瓣问题，这种方案是在雷达发射端的角度解决问题，且其理论的盲区旁瓣也不是0。为此，申请人提出了如下方案。

互补码信号由互补序列码构成，每组互补码由两个长度均为N的编码序列{A,B}组成，其自相关序列R_A和R_B满足条件：

即互补码自相关序列峰值为2N，在其它任意非零移位均为0。

图1给出了内插法产生的64码元互补码的A、B码自相关以及两者自相关之和。可以看到，两个序列的自相关序列在非零移位处幅度相等，相位相反，而在峰值处，两者幅度和相位均相同。将两序列自相关相加后，自相关的旁瓣电平完全抵消，峰值加倍。因此，互补码利用A码和B码自相关的互补特性，得到了具有理想的零旁瓣电平的整体自相关。互补码这种优良的自相关特性使其特别适用于高频地波雷达在强海杂波和复杂电磁环境下对信噪比较低的弱小目标的检测。

(2)距离遮挡现象

高频地波雷达对探测距离的要求使其一般要使用大时宽的脉冲信号，对单基地雷达而言，在发射期间，接收机关闭，当目标延时小于发射脉冲宽度时，接收机不能接收到回波的前部分，这个现象称为遮挡现象。存在遮挡时，完整的互补码序列和存在遮挡的互补码序列是失配的，导致匹配滤波效果变差。

(3)多级内插互补码序列的子码互补特性

使用多级内插得到的互补码序列具有这样一种特性：若A＝{a₀,...,a_N-1}和B＝{b₀,...,b_N-1}为一对长度为N的互补码，当从A码和B码第一个码字开始往后取2^m个码元，或从最后一个码字往前取个码元时，得到的子码也是互补的。根据这个特点，可在存在遮挡时不使用完整互补码序列进行匹配滤波，而是使用子码序列进行匹配滤波。

(4)分段脉压方法以及栅瓣问题

实际中目标可能出现在任意位置，不同的目标位置对应的距离遮挡的点数不同，相应地，使用的匹配子码也应该不同。因此，可根据不同距离段对应的未遮挡码元数，使用不同长度的子码进行脉压处理。最后，将不同距离段的脉压结果进行拼接得到全距离段的处理结果。

设雷达采用长度为N的互补码脉冲信号，码元宽度对应的距离单元为R＝cT_p/2，c为真空中的光速。假设认为0距离单元至第4个距离单元为雷达盲区，即R_min＝4δR，同时记雷达最大作用距离为R_max。表1给出了根据以上分析得到的互补码分段脉压方法，表中分别给出了不同距离段的划分方法、在不同距离段使用的脉压系数以及各距离段脉压结果的拼接方法。表1中s[k]表示按照码元宽度采样的互补码发射信号，k为码元编号，s[N-i:N]表示取原互补码的最后i+1个码元。

表1互补码分段脉压方法

虽然内插法产生的互补码序列存在子码互补这样的优良特性，然而其长度较长的子码的某一段可能和长度较短的子码也是相关的，造成了分段脉压结果中可能出现栅瓣(伪峰)。例如，对于内插法产生的长度为64的互补码序列，取其41至48个码元构成子码(1)，取57至64个码元构成子码(2)，这两个子码的A码、B码互相关以及A、B码互相关之和如图2所示，可以看到，这两个子码是完全相关的。

这种互相关函数的互补性会导致较远距离的目标在近距离段造成栅瓣(伪峰)。在多目标环境中，脉压结果里的这种栅瓣和目标的真实谱峰相混合，难以区分。

例子：互补码码元宽度T_p＝20μs，互补码序列长度N＝64，采用图1相同的互补码序列，脉冲宽度T_e＝NT_p＝1.28ms，重复周期设置为T_r＝2.56ms。使用表1的分段脉压方法(N＝64,δR＝3km)会造成在72-96km距离段内的目标在24-48km的距离段产生栅瓣，设仅在80km处有一个目标，分段脉压结果如图3所示，可以看到，位于80km的目标在33km处产生了一个栅瓣。

由于图2、图3表现的问题在内插法产生的互补码序列中普遍存在，直接按照表1进行分段脉压不可行。针对这个问题，本发明提出一种使用了CLEAN算法中的反卷积思想的互补码分段脉压方法。

CLEAN算法广泛用于信号处理的旁瓣抑制方面，其原理是通过逐步抽取最强信号来消除强信号旁瓣对其它信号的影响，关键步骤在于对目标位置、幅度以及相位的精确估计，并由此构造出理论输入信号，这个过程在相关文献中也称为反卷积，每次从实际输入信号中减去构造的理论输入信号即完成了该信号分量的抽取。

在互补码的分段脉压中，可使用类似的思路，从最远的距离段开始脉压，每段处理完成后，将该段的信号分量全部从回波信号中抽出，从而消除距离栅瓣问题。

设互补码的A码和B码接收到的回波信号分别为x_A(t)和x_B(t)，假设有L个目标，它们的幅度分别为σ_l，延时分别为τ_l,l＝0,...,L-1。在不考虑噪声的情况下，有

其中，s_A(t)和s_B(t)为归一化的互补码发射波形，即

当使用完整互补码序列作为匹配滤波系数时，设第l个目标的A、B码脉压输出分别为z_l,A、z_l,B，有

根据式(3)，有z_l,A(τ_l)＝z_l,B(τ_l)＝σ_l，从而也就有互补脉压结果z_l(τ_l)＝[z_l,A(τ_l)+z_l,B(τ_l)]/2＝σ_l，即在目标位置处的脉压结果z_l(τ_l)能够作为目标幅度σ_l的估计值。

在进行分段脉压时，设当前距离段使用的匹配滤波系数长度为P，可定义幅度因子a，当P＝N时，目标位置处的峰值幅度可作为目标幅度的估计值，幅度因子a＝1。P每缩小一倍，a需增大一倍，使得将当前距离段脉压结果的峰值点幅度乘以a能够还原出目标的真实幅度。综上，当前距离段的CLEAN操作如下：根据当前段的脉压结果z_l(τ)进行目标判决，从中估计目标的幅度、相位以及延时。随后，根据式(2)构造出目标对应的理想原始A、B码回波信号，并将当前段的目标分量从输入数据中减去。对当前距离段所有判决为目标的点均需进行这样的CLEAN操作。由于每一段使用的A、B子码均为互补的，每一段的脉压结果均具有较好的旁瓣电平，利于目标判决。目标判决时，可使用各种经典的恒虚警率检测算法、基于噪声电平估值的恒定门限方法或峰值检测算法等。

分段脉压从远距离段依次进行，每一段脉压完成后进行一次CLEAN操作，将输入数据中该段的目标分量减去，更新的输入数据用于下一段的脉压中，因此远距离段脉压完成后，在近距离进行脉压时输入数据中已无远距离目标的分量，从而消除了栅瓣。

可以看到，不同于CLEAN类旁瓣抑制算法，它们每次从脉压结果中抽除最强目标的脉压分量，达到降低旁瓣、提取强目标旁瓣下的弱目标分量的目的。本发明针对互补码的分段脉压，使用了CLEAN算法的反卷积思想，每一段脉压完成后从原始回波中抽除这一段所有目标的信号分量，达到去除栅瓣的目的。

表2给出了基于CLEAN思想的互补码分段脉压算法流程，其中，N_min为最小作用距离对应的码元数，N_max为最大作用距离对应码元数。

表2基于CLEAN思想的互补码分段脉压算法流程

(6)实施例

实施例中均采用码元宽度T_p＝20μs，序列长度N＝64的互补码信号，其脉冲宽度T_e＝NT_p＝1.28ms，重复周期设置为T_r＝2.56ms。

实施例1

首先考虑单一目标的情况，在无噪声和SNR＝10dB的情况下，使用本发明所提基于CLEAN思想的互补码分段脉压算法，得到的结果如图4所示。和图3相比较可见，此时仅在目标真实距离，即80km处出现峰值，且通过无噪声情况下的仿真结果可见在其它距离单元处均具有理想的零旁瓣。因此本发明所提算法有效去除了近程伪峰，且保留了互补码优良的零旁瓣特性。

实施例2

再考虑多目标的情况，互补码波形参数和单目标的仿真相同，设置在[20,30,55,60,75,84,91,100,150,160,180,200]km处有12个目标，根据表1，其中20km处的目标属于12-24km的距离段，使用4个码元的子码进行脉压；30km处的目标属于24-48km的距离段，使用8个码元的子码进行脉压；[55,60,75,84,91]km处的5个目标属于48-96km的距离段，使用16个码元的子码进行脉压；[100,150,160,180]km处的目标属属于96-192km的距离段，使用32码元的子码进行脉压；200km处的目标属于>192km的距离段，使用完整的64码元进行脉压。图5为使用表2的基于CLEAN思想的互补码分段脉压算法得到的结果，图5(a)为无噪声，且所有目标强度都相同的情况，图5(b)为所有目标SNR均为10dB的情况。图5中红色虚线标出了目标的真实位置。从图5(a)、(b)可以看到，脉压结果在所有目标位置处均有峰值，且无任何伪峰出现。从图5(a)无噪声的脉压结果可以看到，脉压结果具有理想的零旁瓣，只是由于近程部分码元被遮挡，峰值功率存在损失。

本发明提出基于CLEAN算法思想的互补码脉冲压缩方法，旨在使用原始Golay互补码时，在接收端，从信号处理的角度解决互补码盲区旁瓣高的问题。本发明所提算法利用多级内插法产生的互补码序列的子码互补特性，在不同遮挡程度使用不同长度的子码作为脉压系数；同时，利用多级CLEAN操作解决了互补码不同子码段之间的相关性造成的伪峰现象。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims

1.基于CLEAN思想的互补码信号距离盲区脉冲压缩算法，其特征在于，包括如下步骤：

从最远距离段开始，由远到近依次进行脉压和CLEAN的过程；

2.根据权利要求1所述的基于CLEAN思想的互补码信号距离盲区脉冲压缩算法，其特征在于，每段脉压操作的过程包括：

根据目标参数构造所述距离段互补码的理论回波信号。

3.根据权利要求2所述的基于CLEAN思想的互补码信号距离盲区脉冲压缩算法，其特征在于，所述CLEAN操作具体为从当前输入数据减去理论回波信号，将得到的结果作为下一距离段的输入数据。

4.一种基于CLEAN思想的互补码信号距离盲区脉冲压缩算法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤2、分段脉压和CLEAN操作：

输入数据段下标：

脉压系数：s_A[N-|P+1：N]和s_B[N-P+1：N]

输出距离：

式中，P为滤波系数长度，N为互补码序列长度，

步骤24、构造这一距离段的A、B码理论回波信号x_A(t)和x_B(t)；

式中，s_A(t)和s_B(t)为归一化的互补码发射波形，即

步骤26、从当前输入数据中减去理论输入信号，结果作为下一距离段的输入数据；

5.根据权利要求4所述的基于CLEAN思想的互补码信号距离盲区脉冲压缩算法，其特征在于，当P＝N时，目标位置处的峰值幅度可作为目标幅度的估计值，幅度因子a＝1；P每缩小一倍，a需增大一倍，使得将当前距离段脉压结果的峰值点幅度乘以a能够还原出目标的真实幅度。

6.根据权利要求5所述的基于CLEAN思想的互补码信号距离盲区脉冲压缩算法，其特征在于，所述步骤23中的目标判决方法包括恒虚警率检测算法、基于噪声电平估值的恒定门限方法或峰值检测算法。

7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。