基于重心校正的调频连续波着陆雷达测距方法技术

本发明专利技术公开了一种基于重心校正的调频连续波着陆雷达测距方法，其实现步骤为：(1)获取调频连续波着陆雷达的回波信号；(2)获得解调频后回波信号的二维矩阵；(3)获得差频信号的频谱；(4)获得差频信号频谱重心和频谱宽度的第一次估计值；(5)计算差频信号频谱的噪声功率；(6)获得差频信号频谱重心和频谱宽度的第二次估计值；(7)获得调频连续波着陆雷达天线波束的地面入射角；(8)获得校正后的测距结果。本发明专利技术通过添加重心校正系数得到校正后的距离估计值，可以用于调频连续波着陆雷达测距，满足更高精度的测距要求。

【技术实现步骤摘要】
基于重心校正的调频连续波着陆雷达测距方法
本专利技术属于无线通信
，更进一步涉及雷达数据处理
中的一种基于重心校正的调频连续波FMCW(FrequencyModulatedContinuousWave)着陆雷达测距方法。本专利技术在重心法估计出调频连续波着陆雷达回波频谱重心之后，通过校正回波频谱重心，测量调频连续波着陆雷达与地面的距离。
技术介绍
调频连续波雷达具有辐射功率小、测距测速精度高、设备相对简单、具有良好的电子对抗和低截获概率等优点。已广泛应用于导弹制导、舰船导航、战场侦察、气象观测等军用和民用领域。调频连续波雷达通过测量差频信号的频率进行测距，因此调频连续波雷达的基本任务就是检测差频信号和提取差频信号的频率。在实际应用中，由于天线发射的电磁波具有一定的宽度，因此调频连续波着陆雷达波束照射地面时，在地面上等角度间隔的投影面积不同。导致调频连续波着陆雷达的回波信号能量并不关于天线波束中心轴线对称，用重心法估计出的调频连续波着陆雷达回波频谱重心并非天线波束中心对应的频率。为了实现无偏估计，需要对重心法估计的结果进行校正，提高调频连续波着陆雷达差频信号的频率估计精度。现有估计调频连续波雷达差频信号频率的方法，仅利用了调频连续波雷达回波频谱的统计特性，在复杂场景下，计算量大且测距精度较差。侯盼卫在其发表的论文“FMCW测距雷达的信号处理技术研究与实现”(中北大学，硕士学位论文，2014年5月22日)中公开了一种结合调整频偏的修正能量重心法。该方法通过将差频信号频移，保证差频信号在相应的频率区间内，利用重心法在此频率区间内频率估计精度高的优势，改善差频信号频率估计精度。但是，该方法存在的不足之处是，需要对频移后的差频信号重新做加窗FFT运算，并根据信号功率谱的计算公式计算其功率谱，运算量大，因而该方法无法应用在着陆雷达复杂场景的测距中。中国科学院电子学研究所在其申请的专利文献“线性调频连续波雷达测距方法”(专利申请号201410074964.0，公布号CN103823215A)中公开了一种线性调频连续波雷达测距方法。该方法通过插值来拟合中频信号的离散傅里叶频谱曲线，找到该频谱上最大值的谱线号对应的频率值，使其更加接近于理论的频率值，依据雷达测距公式得到距离估计值。该方法可以提高线性调频连续波雷达差频信号的精度，减小测距误差。但是，该方法仍然存在的不足之处是，需要对中频信号通过线性调频Z变换进行频谱细化，并且测距精度与频谱细化倍数有关，当频谱细化倍数较小时测距精度低。增加频谱细化倍数可以提高测距精度但同时也增加了计算量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于重心校正的调频连续波着陆雷达测距方法。可实现使用重心校正系数对调频连续波着陆雷达测距结果进行校正，降低测距的计算量，提高测距精度。实现本专利技术目的的具体思路是：通过重心估计公式和频谱宽度估计公式分别估计出差频信号的频谱重心和频谱宽度，根据波束中心频率估计公式和波束中心频谱宽度估计公式，分别计算调频连续波着陆雷达天线的波束中心差频信号频率估计值和频谱宽度估计值，根据调频连续波着陆雷达天线的波束中心差频信号频谱宽度估计值和频率估计值的比值，估计调频连续波着陆雷达天线波束的地面入射角，根据入射角对应的重心校正系数对调频连续波着陆雷达测距结果进行校正，降低了计算量，提高测距精度。实现本专利技术的目的的具体步骤包括如下：(1)获取调频连续波着陆雷达的回波信号：(1a)根据调频连续波着陆雷达系统的要求，设置系统的各项仿真参数；(1b)利用调频连续波着陆雷达的回波信号公式，计算三角调制的调频连续波着陆雷达在正、负调频周期的回波信号；(2)获得解调频后回波信号的二维矩阵：对调频连续波着陆雷达的实时回波信号做解调频处理，得到调频连续波着陆雷达的差频信号；将调频连续波着陆雷达的差频信号排列为二维矩阵；(3)获得差频信号的频谱：(3a)对调频连续波着陆雷达差频信号的二维矩阵做快速离散傅里叶变换FFT，得到调频连续波着陆雷达差频信号频谱的二维矩阵；(3b)对调频连续波着陆雷达差频信号频谱的二维矩阵做非相参积累处理，得到调频连续波着陆雷达差频信号的频谱；(4)获得差频信号频谱重心和频谱宽度的第一次估计值：(4a)利用重心估计公式，分别计算调频连续波着陆雷达正、负调频周期差频信号频谱重心的第一次估计值；(4b)利用频谱宽度估计公式，分别计算调频连续波着陆雷达正、负调频周期差频信号频谱宽度的第一次估计值；(5)获得差频信号频谱的噪声功率：利用噪声功率计算公式，分别计算调频连续波着陆雷达正、负调频周期的噪声功率值；(6)获得差频信号频谱重心和频谱宽度的第二次估计值：(6a)将正、负调频周期差频信号频谱重心的第一次估计值，分别作为第二次估计窗口的中心；(6b)将正、负调频周期差频信号频谱宽度的第一次估计的四倍值，分别作为第二次估计窗口的宽度；(6c)用正、负调频周期差频信号的频谱功率值分别减去正、负调频周期的噪声功率值，以功率差分别作为第二次估计窗口内正、负调频周期差频信号的频谱功率值；(6d)在估计窗口内，用第二次估计窗口的中心频率值更新正调频或负调频周期差频信号谱峰对应的频率值；用第二次估计窗口内的采样点数更新正调频或负调频周期差频信号谱峰两端所取的采样点数；用第二次估计窗口内正、负调频周期差频信号的频谱功率值更新正调频或负调频周期差频信号的频谱功率值；(6e)在估计窗口内，利用重心估计公式，计算调频连续波着陆雷达正、负调频周期差频信号频谱重心的第二次估计值；(6f)在估计窗口内，利用频谱宽度估计公式，计算调频连续波着陆雷达正、负调频周期差频信号频谱宽度的第二次估计值；(7)获得调频连续波着陆雷达天线波束的地面入射角：(7a)利用波束中心频率估计公式，计算调频连续波着陆雷达天线的波束中心差频信号频率估计值；(7b)利用波束中心频谱宽度估计公式，计算调频连续波着陆雷达天线的波束中心差频信号频谱宽度估计值；(7c)建立一个包括入射角与差频信号频谱宽度和频率比值的对照表；(7d)将波束中心差频信号频谱宽度估计值与频率估计值的比值作为估计比值，在对照表中找到与估计比值最接近的比值，将此比值对应的入射角作为天线波束的地面入射角；(8)获得校正后的测距结果：(8a)建立一个包括入射角与重心校正系数的对照表；(8b)在对照表中找到天线波束在地面的入射角对应的重心校正系数；(8c)利用测距公式，计算调频连续波着陆雷达的测距值；(8d)将重心校正系数与测距值相乘，得到校正后的调频连续波着陆雷达测距结果。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：第一，由于本专利技术利用天线波束在地面的入射角对应的重心校正系数进行重心校正，使获得校正后的调频连续波着陆雷达测距结果只需要较小的计算量。克服了现有技术在测距时需要对频移后的差频信号重新做加窗FFT运算，并根据信号功率谱的计算公式计算其功率谱，计算量大的问题，使本专利技术具有能够在保持同等测距精度的前提下，降低调频连续波着陆雷达测距计算量的优点。第二，由于本专利技术利用重心校正系数与测距值相乘，得到校正后更精确的调频连续波着陆雷达测距结果。克服了现有技术中测距精度与线性调频Z变换的频谱细化倍数有关，当频谱细化倍数较小时测距精度低的问题，使本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于重心校正的调频连续波着陆雷达测距方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)获取调频连续波着陆雷达的回波信号：(1a)根据调频连续波着陆雷达系统的要求，设置系统的各项仿真参数；(1b)利用调频连续波着陆雷达的回波信号公式，计算三角调制的调频连续波着陆雷达在正、负调频周期的回波信号；(2)获得解调频后回波信号的二维矩阵：对调频连续波着陆雷达的实时回波信号做解调频处理，得到调频连续波着陆雷达的差频信号；将调频连续波着陆雷达的差频信号排列为二维矩阵；(3)获得差频信号的频谱：(3a)对调频连续波着陆雷达差频信号的二维矩阵做快速离散傅里叶变换FFT，得到调频连续波着陆雷达差频信号频谱的二维矩阵；(3b)对调频连续波着陆雷达差频信号频谱的二维矩阵做非相参积累处理，得到调频连续波着陆雷达差频信号的频谱；(4)获得差频信号频谱重心和频谱宽度的第一次估计值：(4a)利用重心估计公式，分别计算调频连续波着陆雷达正、负调频周期差频信号频谱重心的第一次估计值；(4b)利用频谱宽度估计公式，分别计算调频连续波着陆雷达正、负调频周期差频信号频谱宽度的第一次估计值；(5)计算差频信号频谱的噪声功率：利用噪声功率计算公式，分别计算调频连续波着陆雷达正、负调频周期的噪声功率值；(6)获得差频信号频谱重心和频谱宽度的第二次估计值：(6a)将正、负调频周期差频信号频谱重心的第一次估计值，分别作为第二次估计窗口的中心；(6b)将正、负调频周期差频信号频谱宽度的第一次估计的四倍值，分别作为第二次估计窗口的宽度；(6c)用正、负调频周期差频信号的频谱功率值分别减去正、负调频周期的噪声功率值，以功率差分别作为第二次估计窗口内正、负调频周期差频信号的频谱功率值；(6d)在估计窗口内，用第二次估计窗口的中心频率值更新正调频或负调频周期差频信号谱峰对应的频率值；用第二次估计窗口内的采样点数更新正调频或负调频周期差频信号谱峰两端所取的采样点数；用第二次估计窗口内正、负调频周期差频信号的频谱功率值更新正调频或负调频周期差频信号的频谱功率值；(6e)在估计窗口内，利用重心估计公式，计算调频连续波着陆雷达正、负调频周期差频信号频谱重心的第二次估计值；(6f)在估计窗口内，利用频谱宽度估计公式，计算调频连续波着陆雷达正、负调频周期差频信号频谱宽度的第二次估计值；(7)获得调频连续波着陆雷达天线波束的地面入射角：(7a)利用波束中心频率估计公式，计算调频连续波着陆雷达天线的波束中心差频信号频率估计值；(7b)利用波束中心频谱宽度估计公式，计算调频连续波着陆雷达天线的波束中心差频信号频谱宽度估计值；(7c)建立一个包括入射角与差频信号频谱宽度和频率比值的对照表；(7d)将波束中心差频信号频谱宽度估计值与频率估计值的比值作为估计比值，在对照表中找到与估计比值最接近的比值，将此比值对应的入射角作为天线波束的地面入射角；(8)获得校正后的测距结果：(8a)建立一个包括入射角与重心校正系数的对照表；(8b)在对照表中找到天线波束在地面的入射角对应的重心校正系数；(8c)利用测距公式，计算调频连续波着陆雷达的测距值；(8d)将重心校正系数与测距值相乘，得到校正后的调频连续波着陆雷达测距结果。...

【技术特征摘要】
2017.12.29 CN 20171147065931.一种基于重心校正的调频连续波着陆雷达测距方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)获取调频连续波着陆雷达的回波信号：(1a)根据调频连续波着陆雷达系统的要求，设置系统的各项仿真参数；(1b)利用调频连续波着陆雷达的回波信号公式，计算三角调制的调频连续波着陆雷达在正、负调频周期的回波信号；(2)获得解调频后回波信号的二维矩阵：对调频连续波着陆雷达的实时回波信号做解调频处理，得到调频连续波着陆雷达的差频信号；将调频连续波着陆雷达的差频信号排列为二维矩阵；(3)获得差频信号的频谱：(3a)对调频连续波着陆雷达差频信号的二维矩阵做快速离散傅里叶变换FFT，得到调频连续波着陆雷达差频信号频谱的二维矩阵；(3b)对调频连续波着陆雷达差频信号频谱的二维矩阵做非相参积累处理，得到调频连续波着陆雷达差频信号的频谱；(4)获得差频信号频谱重心和频谱宽度的第一次估计值：(4a)利用重心估计公式，分别计算调频连续波着陆雷达正、负调频周期差频信号频谱重心的第一次估计值；(4b)利用频谱宽度估计公式，分别计算调频连续波着陆雷达正、负调频周期差频信号频谱宽度的第一次估计值；(5)计算差频信号频谱的噪声功率：利用噪声功率计算公式，分别计算调频连续波着陆雷达正、负调频周期的噪声功率值；(6)获得差频信号频谱重心和频谱宽度的第二次估计值：(6a)将正、负调频周期差频信号频谱重心的第一次估计值，分别作为第二次估计窗口的中心；(6b)将正、负调频周期差频信号频谱宽度的第一次估计的四倍值，分别作为第二次估计窗口的宽度；(6c)用正、负调频周期差频信号的频谱功率值分别减去正、负调频周期的噪声功率值，以功率差分别作为第二次估计窗口内正、负调频周期差频信号的频谱功率值；(6d)在估计窗口内，用第二次估计窗口的中心频率值更新正调频或负调频周期差频信号谱峰对应的频率值；用第二次估计窗口内的采样点数更新正调频或负调频周期差频信号谱峰两端所取的采样点数；用第二次估计窗口内正、负调频周期差频信号的频谱功率值更新正调频或负调频周期差频信号的频谱功率值；(6e)在估计窗口内，利用重心估计公式，计算调频连续波着陆雷达正、负调频周期差频信号频谱重心的第二次估计值；(6f)在估计窗口内，利用频谱宽度估计公式，计算调频连续波着陆雷达正、负调频周期差频信号频谱宽度的第二次估计值；(7)获得调频连续波着陆雷达天线波束的地面入射角：(7a)利用波束中心频率估计公式，计算调频连续波着陆雷达天线的波束中心差频信号频率估计值；(7b)利用波束中心频谱宽度估计公式，计算调频连续波着陆雷达天线的波束中心差频信号频谱宽度估计值；(7c)建立一个包括入射角与差频信号频谱宽度和频率比值的对照表；(7d)将波束中心差频信号频谱宽度估计值与频率估计值的比值作为估计比值，在对照表中找到与估计比值最接近的比值，将此比值对应的入射角作为天线波束的地面入射角；(8)获得校正后的测距结果：(8a)建立一个包括入射角与重心校正系数的对照表；(8b)在对照表中找到天线波束在地面的入射角对应的重心校正系数；(8c)利用测距公式，计算调频连续波着陆雷达的测距值；(8d)将重心校正系数与测距值相乘，得到校正后的调频连续波着陆雷达测距结果。2.根据权利要求1所述的基于重心校正的调频连续波着陆雷达测距方法，其特征在于：步骤(1b)中所述调频连续波着陆雷达的回波信号公式如下：其中，s+(t)表示调频连续波着陆雷达正调频周期内t时刻的回波信号，E表示调频连续波着陆雷达发射信号的幅度，G表示调频连续波着陆雷达天线的功率增益，λ表示调频连续波着陆雷达的波长，π表示圆周率，R(t)表示正调频周期内t...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘楠，杨冬凡，郭凯斯，寻少伟，张林让，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61