1.一种非理想环境下的雷达回波信号多通道FRI欠采样方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:步骤一,雷达回波信号的接收建模,考虑主动式脉冲雷达探测L个静止点目标的场景,雷达发射脉冲为h(t),那么雷达接收机收到的单个周期回波信号表示为:其中,t∈[0,T)为观测时间, 表示脉冲重复周期, 为雷达回波信号的时延和幅度参数,分别代表了被测点目标的散射系数和距离信息;假设目标的时延参数tl都位于离散化的时间网格上,即tl=Tn/N,其中N为时间网格数,n为正整数;
步骤二,构建雷达回波信号的采样系统结构,对多通道采样结构参数进行设置,步骤如下:步骤2.1:调制信号的初始化,调制信号用来对雷达回波信号x(t)和雷达发射脉冲h(t)分别进行频谱的搬移,以获得信号不同频段的频域信息,调制信号的时域表达式和频域表达式表示为:其中下标i=1,2,3,…为整数,对应着相应的通道索引;fi为通道i中调制信号的频率;
步骤2.2:滤波器非理想效应建模,在多通道采样结构中,为了与硬件实现中保持一致,系统中采用非理想滤波器,它与理想LPF不同,包含着由于物理元器件引起的非理想效应,在采样系统中,记非理想LPF的截止频率为fcut,单位冲激响应为g(t),其CTFT即频率响应记为G(Ω);
步骤2.3:匀速采样过程建模,对采样函数进行设定,表现为对采样频率的设定,信号的采样可视为使用一连续的脉冲串对信号进行相乘,使用如下脉冲串信号做为采样函数:其中Ts为采样周期,fs=1/Ts≥2fcut为采样频率,为了满足Nyquist采样定理,低速采样频率需大于2倍的滤波器截止频率;
步骤三,雷达回波信号的混频、低通滤波和采样过程,雷达回波信号经过混频之后,频谱发生适当的搬移;混频之后的雷达回波信号再通过非理想LPF之后,即可获取一部分的频域信息;最后通过采样过程得到包含频谱信息的时域样本;
步骤四,雷达发射脉冲的混频、低通滤波和采样过程,雷达发射脉冲经过混频之后,频谱发生适当的搬移;混频之后的雷达发射脉冲再通过非理想LPF之后,即可获取一部分的频域信息;最后通过采样过程得到包含频谱信息的时域样本;
步骤五,利用雷达回波信号和雷达发射脉冲的采样样本进行处理之后,消除LPF滤波器的非理想效应,之后对雷达信号中的目标参数进行联合估计;
所述步骤五的实现步骤如下:
步骤5.1:对雷达回波信号和雷达发射脉冲的采样样本进行处理,以消除滤波器的非理想效应,将获取的样本进行离散傅里叶变换即可得到其频谱信息Yi(Ω)和Ri(Ω),i=1,2,
3,…;为了消除频谱中非理想LPF的影响,首先将雷达回波信号和雷达发射脉冲的频谱相除,考虑第i个采样通道,得到以下公式:经过这种处理方式,即得到不含有LPF非理想效应的频谱样本
步骤5.2:计算雷达回波信号频谱搬移表达式,根据雷达回波信号x(t)和雷达发射脉冲h(t)之间的数学关系,得雷达回波信号的频谱表达式为:然后计算雷达回波信号频谱搬移表达式,考虑第i个采样通道,公式如下:根据步骤一得到 因此有 那么进一步得:
步骤5.3:公式化简并离散化处理,将步骤5.2中的公式(19)代入到步骤5.1的公式(16)中,即对其进行化简为:取其中k个样本,即令Ω=2πk/T,公式(20)表达为:
其中 为获取的数据处理之后的结果,是已知的;所以上式中只含有未知参数步骤5.4:对雷达回波信号的未知参数进行重构,使用时间网格Δt量化时间轴,公式(21)表示为:其中N=T/Δt是待测信号中单周期的时间网格数;tl≈nlΔt是时延参数的近似表达;k=k1,k2,…,kK,ki(i=1,2,…,K),选择采样系统中获取的傅里叶系数集合Y[k]中的K个样本值,公式(22)写为矩阵向量形式表示为:其中 量化之后待测信
号的时延参数tl的集合表示为η={t0Δt,t1Δt,…,tL‑1Δt},模拟时间轴的集合可以表示为λ={0,Δt,…,(N‑1)Δt},如果使用集合λ来代替时延参数集合η,上式表示为一个稀疏向量线性组合的方式,即:T T
其中{ε0,ε1,…,εN‑1}是一个N×1的列向量,由L个非零的幅值参数{a0,a1,…,aL‑1} 和N‑L个零元素组成,上式写成矩阵向量的形式:A=ΒX (25)
其中A为获取的采样样本y(t)经过处理之后得到的一系列频域信息组成的一个K×1的列向量;Β为一个K×N的测量矩阵,由 所构成;X为一个N×1的列向量,是需要求解的值;信号的重构过程即已知A和Β的情况下求解X,所以上式(25)是一个典型的压缩感知的问题,可以利用正交匹配追踪算法来重构出原始信号的自由参数
2.如权利要求1所述的一种非理想环境下的雷达回波信号多通道FRI欠采样方法,其特征在于,所述步骤三的过程如下:步骤3.1:雷达回波信号的混频过程,具体表现为频谱的搬移过程,将雷达回波信号分流后输入到多通道采样系统中,在第i个采样通道获得如下的混频信号:ypi(t)=x(t)·pi(t) (4)
上式进行连续时间傅里叶变换得到:
从上式中可以看出,雷达回波信号的频谱发生了搬移;
步骤3.2:雷达回波信号的低通滤波过程,将调制之后的雷达回波信号经过非理想LPF,即与采样核函数g(t)卷积,这样可以截取雷达回波信号的非基带的频谱信号;因为多通道的设计,所以可以得到多段非基带的频谱信息,在第i个采样通道滤波之后的信号表达为:因为非理想LPF的高频截止特性,滤波之后的雷达回波信号的最大频率由fcut决定,fcut为非理想LPF的截止频率;
步骤3.3:雷达回波信号的采样过程,为了方便对信号进程重构,需要将非理想LPF滤波之后的雷达回波信号进行低速的采样,以获得时域采样样本,在第i个采样通道雷达回波信号的采样样本表示为:yi(t)={[x(t)·pi(t)]*g(t)}·s(t) (7)上式经过连续时间傅里叶变换得到yi(t)的频域表达为:
因为采样速率fs=1/Ts≥2fcut,满足奈奎斯特采样定理,频谱不会发生混叠现象,所以上式可视为一个无混叠的周期延拓的信号,对采样样本做离散傅里叶变换运算,并取其一个周期,即得到:
3.如权利要求2所述的一种非理想环境下的雷达回波信号多通道FRI欠采样方法,其特征在于,所述步骤四的过程如下:步骤4.1:雷达发射脉冲的混频过程,具体表现为频谱的搬移过程,将雷达回波信号分流后输入到多通道采样系统中,在第i个采样通道获得如下的混频信号:rpi(t)=h(t)·pi(t) (10)
上式进行连续时间傅里叶变换(CTFT)得到:
从上式中可以看出,雷达回波信号的频谱发生了搬移;
步骤4.2:雷达发射脉冲的低通滤波过程,将调制之后的雷达发射脉冲经过非理想LPF,即与采样核函数g(t)卷积,这样可以截取雷达发射脉冲的非基带的频谱信号,因为多通道的设计,所以可以得到多段非基带的频谱信息,在第i个采样通道滤波之后的信号表达为:因为非理想LPF的高频截止特性,滤波之后的雷达发射脉冲的最大频率由fcut决定,fcut为非理想LPF的截止频率;
步骤4.3:雷达发射脉冲的采样过程,为了方便对信号进程重构,需要将非理想LPF滤波之后的雷达发射脉冲进行低速的采样,以获得时域采样样本,在第i个采样通道雷达发射脉冲的采样样本表示为:ri(t)={[h(t)·pi(t)]*g(t)}·s(t) (13)上式经过连续时间傅里叶变换得到yi(t)的频域表达为:
因为采样速率fs=1/Ts≥2fcut,满足奈奎斯特采样定理,频谱不会发生混叠现象,所以上式可视为一个无混叠的周期延拓的信号,对采样样本做离散傅里叶变换运算,并取其一个周期,即得到: