一种脉冲相干法测速中消除速度模糊的信号处理方法技术

本发明专利技术公开一种脉冲相干法测速中消除速度模糊的信号处理方法，其步骤包括：将速度空间划分为多个速度区间，以区间中值作为基础速度；利用目标的两次回波的时间差来得到目标的粗测速度，进而查找所在的速度区间，确定基础速度；利用两次回波的相位差得到精确时延，进而计算速度偏移量；由基础速度加上速度偏移量，得到原始预测量速度；在其中一次回波信号上添加人工时延，使得被测速度产生人工速度偏移量，重新确定基础速度和速度偏移量，相加得到延时预测量速度；延时预测量速度减去对应的人工速度偏移量，得到修正的延时预测量速度；将原始预测量速度和修正的延时预测量速度加权平均，得到最终的速度测量值。

【技术实现步骤摘要】
一种脉冲相干法测速中消除速度模糊的信号处理方法
本专利技术属于信号处理方法
，具体涉及到一种脉冲相干法测速中消除速度模糊的信号处理方法。
技术介绍
利用脉冲相干多普勒(Pulse-to-pulseCoherentDoppler)方法实现对目标物体或媒质速度测量，在声呐、雷达领域都有广泛应用。例如气象雷达利用该方法实现大气风速测量，机载雷达实现对地测速，地面雷达实现对空中目标测速；声学多普勒流速剖面仪(AcousticalDopplerCurrentProfiler,ADCP)利用该方法实现对流体流速剖面测量，医学超声利用该方法实现血流测量等等。脉冲相干多普勒方法测速的基本原理是，以一个固定间隔T相继发射两个相同的射频(雷达或声呐)脉冲s(t)，脉宽为Tb，射频脉冲被介质中的目标(雷达目标或水中粒子等)散射或反射，形成回波。如图1所示。由于射频信号的传播速度远大于目标的运动速度，当两次发射超声波的时间间隔较短时，目标特性未发生实质性改变，两个发射脉冲对应的回波可以认为是相干的。然而由于目标的运动速度会引起射频回波的多普勒频移fd，从而引起射频脉冲的回波信号的宽度及发射时间间隔发生伸缩。设目标相对于射频发收设备(离开)的运动速度为v，射频信号传播速度为c，则第二个射频脉冲回波相对于第一个脉冲回波延时为：依据公式(1)，检测出该时间间隔的变化量ΔT，就可以得到目标的速度v。考虑到信号的伸缩，两次发射脉冲对应的回波信号可表示为：其中，x1(t)和x2(t)分别为两次接收回波信号(对应发射间隔为T)，n1(t)和n2(t)为独立于信号的零均值平稳复高斯噪声，ΔT为由于目标运动导致的两次回波信号到达射频发收器之间的时间差。假设噪声与噪声不相关，信号与噪声也不相关，则x1(t)和x2(t)的互相关函数为R12(τ)＝R11(τ-ΔT)(4)可见互相关函数包含了两段信号的时延。脉冲相干多普勒速度测量方法的基本原理是：通过对目标位置(对应图1回波时间Tr)处的两个回波信号进行相应的加窗截取，获得两段回波信号片段，再进行相关处理，直接得到两段信号的时延，即可得到上述的时间间隔变化量。然而，由于相关测量时延的精度受采样率影响，采样率不够高时，误差较大，因此，在高精度测量场合，一般采用互谱法或者互协方差方法测量互相关函数的相位，从而获得上述时延。根据维纳—辛钦定理，可知信号互功率谱密度函数和源信号自功率谱密度函数之间的关系：其中，f为信号频率，G12(f)为互相关函数R12(τ)的频谱，即回波信号片段的互功率谱密度函数；G11(f)为自相关函数R11(τ)的频谱为源信号的自功率谱密度函数，为互功率谱与自功率谱密度函数之间的相位差，则依据二者之间的相位差可得：公式(6)中E[]表示在所有有效频率上对ΔT求均值，也可以以中心频率f0处的ΔT来代替。然后，根据(2)式即可求得速度。由公式(6)可以看出，由于互功率谱与自功率谱密度函数之间的相位差变化范围限制为[-π，π]，超过该范围的相位值被折叠至[-π，π]区间，所以使用脉冲相干多普勒测速方法存在测量速度上限，即Vm＝c/(4f0T)(7)为最大可测速度。超过该上限的速度测量时会出现速度混叠现象，因此最大可测速度范围为[-Vm,+Vm]。上述的求互相关运算也可以通过对接收信号进行正交解调，获得基带信号，然后求基带信号的互相关函数峰值的时延。由于最大可测距离受发射间隔限制，为Rm＝cT/2(8)联立公式(7)和(8)可知：即“速度—距离困境”(range–velocitydilemma)，当测量距离一定时，最大可测速度受公式(9)的限制。当真实目标速度超过系统的最大可测速度时，真实速度值会以一定的对应关系映射到可测速度区间内，造成速度的测量值与真实值之间一对多的映射关系，即速度模糊。例如，在流速测量场景中的真实流速值为4Vm时，测量值为0，而场景中的真实流速值为6Vm时，测量值也为0。流速真实值与测量值之间的对应关系可表示为vt＝va-2nVm(10)其中va代表真实流速，vt代表测量流速，n为整数，代表折叠次数。速度模糊在很大程度上限制了此方法的应用。针对速度模糊的问题，很多研究者提出了各种解决办法。解模糊的思想就是引入冗余速度信息，利用测量值之间的关系解速度模糊；主要包括：(1)双脉冲重复周期法(dualpulse-repetitiontime,DualPRT)：利用两组不同发射脉冲重复时间间隔(T1，T2)，获得两个不同的最大可测速度(Vm1和Vm2)，根据速度映射关系，获得不同时间间隔条件下的“最大速度-折叠次数”组合，从而解出真实速度v；例如上述两种时间间隔下，真实速度v的测量值分别为(v1和v2)，可以表示为当真实速度值超过Vm1和Vm2两者的最小值时，v1和v2在一定的范围内是不同的。由于v1和v2是对同一个真实速度的测量值，两者均对应真实速度v，Vm1和Vm2的不同，导致了n1和n2间差异存在的可能性，这为解速度模糊提供了可能。设Vm1和Vm2的比值为Vm1/Vm2＝C1/C2(12)其中C1和C2为大于1且互质的正整数，且2C2>C1>C2。系统扩展的最大可测速度为C1和C2的最小公倍数与归一化因子Vm1/C1(或Vm2/C2)的乘积。例如，Vm1＝2m/s，Vm2＝3m/s，则系统扩展的最大可测速度为6m/s，解模糊处理后的最大可测速度可表示为Vm＝C1Vm2＝C2Vm1(13)当真实速度在-Vm～Vm之间时，即使超出-Vm1～Vm1或者-Vm2～Vm2的范围，也能够被准确地估计出来；图2显示了采用两组脉冲间隔的测量某测流场景中的速度时速度的折叠情况，其中v1对应的系统最大可测速度为3m/s，v2对应的系统最大可测速度为2m/s。当真实速度值超过2m/s时，测量值v2会发生折叠现象，真实速度值超过3m/s时，测量值v1也会折叠；但两组速度折叠次数不同，且两组测量值的折叠方式以12m/s为周期重复。由上述描述可知，双脉冲重复时间法可扩展的测量范围有限。(2)多脉冲重复时间法：包括三脉冲重复时间法(triplePRT)，以及多脉冲重复时间法(M-PRT)，如9-PRT法，实际上利用更多的脉冲重复时间，扩展可测速度范围；所用的脉冲重复时间间隔越多，可扩展的测速范围越大，但是算法也越复杂，可靠性也越低。(3)双脉冲重复频率法(Dual-pulserepetitionfrequency,Dual-PRF)：发射端交替发射两束不同脉冲重复频率PRF1和PRF2的脉冲串信号，分别在两种脉冲重复频率下测量目标速度，按照(11)式，两次速度测量值相等或者具有一定的关联，可以利用前后两次有关联的速度测量值来解速度模糊。该方法实际等效于双脉冲重复周期法。(4)多脉冲载波频率法：每组脉冲采用不同的载波频率组合，同样的多普勒频移可以获得不同的相位差，从而获得不同的最大可测速度；可用的频带数目越多，可扩展的测速范围也越大，但由于频带资源有限，这种方法的可扩展的测速范围也有限。(5)多重复时间-载波频率组合法：将多脉冲重复时间与多载波方法组合使用，获得更大的可测速度范围。但是，无论多脉冲重复时间，还是多载波频率，还是二者组合，最终可扩展的测速范本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种脉冲相干法测速中消除速度模糊的信号处理方法，其步骤包括：将速度空间划分为多个速度区间，以每个速度区间的中值作为所在速度区间的基础速度；利用目标的两次回波的时间差来得到目标的粗测速度，根据该粗测速度查找所在的速度区间，确定该速度区间的基础速度；利用所述两次回波的相位差得到精确时延，由该精确时延计算所在速度区间内的速度偏移量；由所在速度区间的基础速度加上速度区间内的速度偏移量，得到原始预测量速度；在其中一所述回波信号上添加一个或多个人工时延，使得被测速度产生一个或多个人工速度偏移量，重新确定人工时延后的基础速度及其所在速度区间内的速度偏移量，相加得到一个或多个延时预测量速度；所述延时预测量速度减去对应的人工速度偏移量，得到修正的延时预测量速度；将所述原始预测量速度和修正的延时预测量速度加权平均，得到最终的速度测量值。

【技术特征摘要】
1.一种脉冲相干法测速中消除速度模糊的信号处理方法，其步骤包括：将速度空间划分为多个速度区间，以每个速度区间的中值作为所在速度区间的基础速度；利用目标的两次回波的时间差来得到目标的粗测速度，根据该粗测速度查找所在的速度区间，确定该速度区间的基础速度；利用所述两次回波的相位差得到精确时延，由该精确时延计算所在速度区间内的速度偏移量；由所在速度区间的基础速度加上速度区间内的速度偏移量，得到原始预测量速度；在其中一所述回波信号上添加一个或多个人工时延，使得被测速度产生一个或多个人工速度偏移量，重新确定人工时延后的基础速度及其所在速度区间内的速度偏移量，相加得到一个或多个延时预测量速度；所述延时预测量速度减去对应的人工速度偏移量，得到修正的延时预测量速度；将所述原始预测量速度和修正的延时预测量速度加权平均，得到最终的速度测量值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述速度区间的宽度为脉冲相干多普勒法测速确定的最大可测速度范围。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述速度区间用从零开始的正的或负的整数序号来标记，负方向的速度区间用负整数标记，正方向速度区间用正整数标记，所述基础速度等于所在速度区间的序号乘以速度区间的宽度。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述速度偏移量是相对于所在速度区间的基础...

【专利技术属性】
技术研发人员：李朝晖，周奇特，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11