一种基于混沌信号源的步进频率雷达系统及通道构建方法
阅读：203发布：2020-05-18
专利汇可以提供一种基于混沌信号源的步进频率雷达系统及通道构建方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于混沌 信号 源的步进 频率 雷达系统，包括信号发射模 块 、信号接收模块、混沌信号源、数据重排模块；混沌信号源产生混沌信号，一方面对发射脉冲串的发射频率序列进行控制，另一方面对信号接收模块接收到的回波信号进行重新排序控制。本发明还公开了一种混沌 步进频率 雷达系统的通道构建方法，该方法使得每个混沌信号 采样 值归一化处理后均对应一组调频序列，并 控制信号 发射模块将该组调频序列中对应的脉冲串进行发射，控制信号接收模块对信号回波矢量进行按照脉冲频率从小到大重排，该发明一方面使得发射信号具有更强的抗干扰能 力 、更低的截获概率，同时解决了现有的步进频体制中步进频率信号的杂波抑制能力较差的问题。，下面是一种基于混沌信号源的步进频率雷达系统及通道构建方法专利的具体信息内容。
1.一种基于混沌信号源的步进频率雷达系统，包括信号发射模块、信号接收模块，所述信号发射模块包括功分器、功率放大器、发射天线，所述信号接收模块包括接收天线、混频器、低噪放大器、带通滤波器、A/D转换模块、数字滤波模块、后级信号处理模块，其特征在于：还包括混沌信号源、数据重排模块；所述混沌信号源产生混沌信号，并进行归一化处理，处理后一方面对发射脉冲串的调频序列进行控制，另一方面对信号接收模块接收到的回波信号进行重新排序控制，所述数据重排模块根据混沌信号归一化处理后的信号及接收到的回波信号对回波信号矢量进行重新排列。
2.基于权利要求1所述的基于混沌信号源的步进频率雷达系统的通道构建方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1.预先设定N个步进频的频率序号，根据该步进频的频率序号产生N个步进频率，对该N个步进频率进行重新排列，随机产生M组调频序列，并对M组调频序列顺序编号，生成调频序列列表，每组调频序列均包含N个步进频率；
步骤2.混沌信号源产生混沌信号，将混沌信号的采样值xn进行归一化处理后得到归一化后的混沌信号yn，使得yn落在[0,1]区间内，将[0,1]区间划分为等间距的M段，并依此对每段顺序编号，M段的编号依次与M组调频序列编号一一对应，获取yn所在段的段号，并将yn所在段的段号分别输出至信号发射模块及信号接收模块；
步骤3.信号发射模块按照yn所在段的段号对应的调频序列将该调频序列中的步进频率对应的脉冲串进行发射；
步骤4.信号接收模块接收到回波信号，并对接收的回波信号进行处理，获取回波信号矢量，信号接收模块按照yn所对应的调频序列，将回波信号矢量按照步进频率从小到大的顺序进行重新排列，其中，M、N、n均为正整数。
3.根据权利要求2所述的基于混沌信号源的步进频率雷达系统的通道构建方法，其特征在于：所述混沌信号源通过伯努利映射或Logistic映射产生混沌信号，且每个混沌信号采样值处理后均对应一组调频序列。
一种基于混沌信号源的步进频率雷达系统及通道构建方法
技术领域
背景技术
[0002] 混沌现象是在非线性系统中出现的一种有具有确定性的、类随机的过程。混沌现象还具有类噪声特性，由此可提高通信系统的保密性能。混沌信号可以准确地再生，在信号的传送中用于混沌掩盖，在信号的接收中用于信号的恢复。混沌保密通信的基本思想是：把混沌信号作为信号传输的载波，将传输信号隐藏在混沌载波之中，也就是所说的混沌掩盖，或者是赋予不同的波形以不同的信息序列，从而利用相关属性及特性，在接收端解调出所传输的信号，这也就是信号的恢复。
[0003] 步进频率信号通过发射一组单频信号，以窄带发射机、接收机的处理方式实现了宽带信号所能达到的距离分辨率，避免了常规宽带信号所面临的工程实现方面的困难，因而受到广泛重视。然而，步进频率体制也存在着一些缺点，步进频率信号的杂波抑制能力较差，尚无理想的杂波抑制方法。
[0004] 近年来，随机频率步进雷达由于其发射信号的频率的随机跳变可以很好地抑制距离和速度耦合以及相邻接收传感器的信号干扰，受到了广泛地重视。但是在随机频率步进雷达中，回波信号的匹配滤波是通过与参考信号作相关运算实现的，这需要很大的计算量。另外，由于随机频率调制的结果，由相关得到的一维距离像带有很强的随机噪声旁瓣。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是：针对背景技术的缺点，本发明提出了一种基于混沌信号源的步进频率雷达系统及通道构建方法，利用混沌信号源产生的混沌信号控制步进频率的频点，实现随机跳频步进频率信号的产生，即产生由步进频的各频点随机排列的发射信号，使得发射信号具有更强的抗干扰能力、更低的截获概率；解决了现有的步进频体制中步进频率信号的杂波抑制能力较差的问题。
[0006] 本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：
[0007] 一种基于混沌信号源的步进频率雷达系统，包括信号发射模块、信号接收模块，所述信号发射模块包括功分器、功率放大器、发射天线，所述信号接收模块包括接收天线、混频器、低噪放大器、带通滤波器、A/D转换模块、数字滤波模块、后级信号处理模块，还包括混沌信号源、数据重排模块；所述混沌信号源产生混沌信号，并进行归一化处理，处理后一方面对发射脉冲串的调频序列进行控制，另一方面对信号接收模块接收到的回波信号进行重新排序控制，所述数据重排模块根据混沌信号归一化处理后的信号及接收到的回波信号对回波信号矢量进行重新排列。
[0008] 一种基于混沌信号源的步进频率雷达系统的通道构建方法，包括如下步骤：
[0009] 步骤1.预先设定N个步进频的频率序号，根据该步进频的频率序号产生N个步进频率，对该N个步进频率进行重新排列，随机产生M组调频序列，并对M组调频序列顺序编号，生成调频序列列表，每组调频序列均包含N个步进频率；
[0010] 步骤2.混沌信号源产生混沌信号，将混沌信号的采样值xn进行归一化处理后得到归一化后的混沌信号yn，使得yn落在[0,1]区间内，将[0,1]区间划分为等间距的M段，并依此对每段顺序编号，M段的编号依次与M组调频序列编号一一对应，获取yn所在段的段号，并将yn所在段的段号分别输出至信号发射模块及信号接收模块；
[0011] 步骤3.信号发射模块按照yn所在段的段号对应的调频序列将该调频序列中的步进频率对应的脉冲串进行发射；
[0012] 步骤4.信号接收模块接收到回波信号，并对接收的回波信号进行处理，获取回波信号矢量，信号接收模块按照yn所对应的调频序列，将回波信号矢量按照步进频率从小到大的顺序进行重新排列，其中，M、N、n均为正整数。
[0013] 所述混沌信号源通过伯努利映射或Logistic映射产生混沌信号，且每个混沌信号采样值处理后均对应一组调频序列。
[0014] 与现有技术相比，以混沌信号源控制步进频实现随机跳频，本发明有三大优势，具有有益效果如下：
[0015] 1.本发明以混沌信号作为信号源，并用混沌信号控制载波频率，而使得步进频不再是原来规律性很强的载波信号，相较于传统的步进频，随机跳频使得发射信号具有复杂的调制波形、更强的抗干扰能力以及更低的截获概率，从而提高了保密性，实现了基于混沌信号的保密通信。
[0016] 2.相较于传统的步进频，实现混沌跳频有利于实现系统内部单频干扰的抑制。
[0017] 传统的步进频信号为顺序频率步进，是一种相参信号，脉冲间的相位具有线性关系，相邻脉冲间的相位差恒定，进行目标检测时，干扰的存在就相当于随机相位误差的存在，使得目标检测时分辨能力降低。当有多个单频干扰时，采用顺序步进频就会容易出现假目标，单频干扰以及步进频对目标来说都是具有周期性的，因此接收到的信号频谱不能判断是干扰还是目标的。
[0018] 混沌信号控制步进频实现随机跳频的工作方式，使得目标回波的相位检波器输出不再是正弦波形，而周期性单频干扰的检波器输出依旧是正弦波形，所以可以在频域上滤出单频干扰。此时，在将A/D采样后的数据按照接收频率进行升序重排，就能得到目标信息。
[0019] 因此以混沌信号源控制步进频实现随机跳频能够抑制单频干扰，包括由电源内部产生的低频干扰。
[0020] 3.本设计可提高目标检测时信号的距离-多普勒分辨率。
[0021] 由于本设计独特的调制方式，利用混沌频率调制，使得在进行信号处理时可将采样点数据根据所用的映射关系按回波脉冲信号频率从小到大进行重排。在随机频率步进雷达中，回波信号的匹配滤波是通过与参考信号作相关运算实现，不能直接通过FFT运算获得快速距离向压缩，需要很大的计算量。此外，对于随机频率调制的结果，由相关得到的一维距离像带有很强的随机噪声旁瓣。但是，在本设计中，由于本设计的独特调制方式，使得对数据按升序重排之后，仍能进行FFT运算。对重排后的数据进行快速傅里叶变换实现匹配处理，从而使得一维距离像不存在随机噪声旁瓣，从而提高了信号的距离-多普勒分辨率。附图说明
[0022] 图1为本发明基于混沌信号源频率步进雷达的原理框图。
[0023] 图2为本发明的混沌信号进行频率控制原理框图。
[0024] 图3（a）为频率步进信号的模糊图。
[0025] 图3（b）为频率步进信号的模糊度图（-3dB）。
[0026] 图3（c）为频率步进信号的距离模糊函数图。
[0027] 图3（d）为频率步进信号的多普勒模糊函数图。
[0028] 图4（a）为本发明中混沌频率步进信号的模糊图。
[0029] 图4（b）为本发明中混沌频率步进信号的模糊度图（-3dB）。
[0030] 图4（c）为本发明中混沌频率步进信号的距离模糊函数图。
[0031] 图4（d）为本发明中混沌频率步进信号的多普勒模糊函数图。
[0032] 图5为混沌频率步进雷达与随机频率步进雷达的一维距离像对比。
[0033] 图6（a）为存在50Hz单频干扰时频率步进雷达成像结果：一维距离像。
[0034] 图6（b）为存在50Hz单频干扰时频率步进雷达成像结果：距离多普勒平面。
[0035] 图7为本发明中Logistic映射产生的混沌信号的分岔图。
[0036] 图8为本发明中Logistic映射产生的发射脉冲串的调频序列编号图。
[0037] 图9（a）为本发明的混沌频率步进雷达中，对回波脉冲串的采样点数据做FFT（无单频干扰）。
[0038] 图9（b）为本发明的混沌频率步进雷达中，对回波脉冲串的采样点数据做FFT（存在单频干扰）。
[0039] 图10本发明中存在单频干扰时，混沌频率步进雷达的距离多普勒结果。
具体实施方式
[0040] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
[0041] 图1为本发明基于混沌信号源的步进频率雷达系统的原理框图。包括信号发射模块、信号接收模块，所述信号发射模块包括功分器、功率放大器、发射天线，所述信号接收模块包括接收天线、混频器、低噪放大器、带通滤波器、A/D转换模块、数字滤波模块、后级信号处理模块，还包括混沌信号源、数据重排模块；混沌信号源产生混沌信号对发射脉冲串信号的频率进行调制，产生的混沌频率步进信号经过功分器后分成两路同步信号，一路作为接收机的参考信号，另一路经功率放大器和发射天线辐射到被探测区域。回波信号经接收天线和低噪放大器后与参考信号混频，再经带通滤波器（正交解调中的低通滤波器与抑制直达波的高通滤波器组合）后被A/D采样并存储。如果系统中存在泄漏到相位检波器的单频干扰，还需要对存储的数据进行数字滤波处理。最后，根据混沌信号对应的调频序列顺序，将采样的数据进行重排。
[0042] 一种基于混沌信号源的步进频率雷达系统的通道构建方法，包括如下步骤：
[0043] 步骤1.预先设定N个步进频的频率序号，根据该步进频的频率序号产生N个步进频率，对该N个步进频率进行重新排列，随机产生M组调频序列，并对M组调频序列顺序编号，生成调频序列列表，每组调频序列均包含N个步进频率；
[0044] 步骤2.混沌信号源产生混沌信号，将混沌信号的采样值xn进行归一化处理后得到归一化后的混沌信号yn，使得yn落在[0,1]区间内，将[0,1]区间划分为等间距的M段，并依此对每段顺序编号，M段的编号依次与M组调频序列编号一一对应，获取yn所在段的段号，并将yn所在段的段号分别输出至信号发射模块及信号接收模块；
[0045] 步骤3.信号发射模块按照yn所在段的段号对应的调频序列将该调频序列中的步进频率对应的脉冲串进行发射；
[0046] 步骤4.信号接收模块接收到回波信号，并对接收的回波信号进行处理，获取回波信号矢量，信号接收模块按照yn所对应的调频序列，将回波信号矢量按照步进频率从小到大的顺序进行重新排列，其中，M、N、n均为正整数。
[0047] 图1中，在由混沌信号源、发射信号、功分器、功率放大器所构成的发射通道中，混沌信号源产生的混沌信号，从已设计好的M组调频序列中选择一组作为下一个发射脉冲的调频序列，从而达到混沌信号对发射脉冲频率的控制，实现基于混沌信号源的步进频率雷达系统通道的构建，使得发射信号具有复杂的调制波形、更强的抗干扰能力以及更低的截获概率。
[0048] 假设步进起始频为f0，给定频带B，频率步进间隔为Δf，则在给定频带B上以等间隔Δf取值的N个频率所组成的一组顺序步进频率序列FLS=(f0,f1,…,fN-1),其中fi=f0+iΔf,i∈{0,1,…,N-1}，每个脉冲串的调频序列在FLS基础上重新排序，记为FCS。将这N个频率进行随机排列，理论上有N!种排列方式，随机选取其中M种排列方式即可产生一个随机调频序列列表。首先先设计好M组的调频序列，即产生M组不同的1～N这N个整数的随机序列FCS=(fa,fb,…,fc)，其中a,b,c∈{0,1,2…,N-1}且互不相等。
[0049] 混沌信号源对发射信号的频率进行控制，是利用单个混沌信号采样值xn对应单个发射脉冲串信号调频序列FCS，具体对应关系如图2所示。混沌信号的采样值为xn，进行归一化处理后得到yn，若yn落入区间 则 从而M组频率序列中的第i组频率序列被作为下一个发射脉冲的调频序列。
[0050] 接收通道中，回波信号经接收天线和低噪放大器后与参考信号混频，再经带通滤波器（正交解调中的低通滤波器与抑制直达波的高通滤波器组合）后被A/D采样并存储。如果系统中存在泄漏到相位检波器的单频干扰，还需要对存储的数据进行数字滤波处理。最后，根据混沌信号对应的调频序列顺序，将采样的数据进行重排。对比图3（a）和图4（a）的模糊函数图及图3（b）和图4（b）的模糊度图，后者具有近似“图钉型”模糊函数，相比较而言更接近理想模糊函数的要求，信号的距离-多普勒分辨力更佳。由图3（c）和图4（c）的距离模糊函数可知，两者的距离分辨率相同，距离分辨率决定于合成的跳频的总带宽。由图3（d）和图4（d）的多普勒模糊函数可知，后者的多普勒分辨率更高。
[0051] 与随机频率步进雷达一样，发射信号频率的随机跳变使得混沌频率步进雷达可以很好地抑制运动目标的距离和速度耦合。而且，混沌频率步进雷达，由于特殊的混沌调制方式，可以抑制泄漏到相位检波器的单频干扰。因为，通过混沌信号控制发射脉冲串信号的频率以后，回波信号的检波器输出是非周期的且分布在整个频带中，而单频干扰依旧是周期的。从而，可对采样点数据进行数字滤波来滤除单频干扰。最后，经过数据重排和FFT后，目标可以被检测出。
[0052] 在随机频率步进雷达中，回波信号的匹配滤波是通过与参考信号作相关运算实现的，这需要很大的计算量。另外，由于随机频率调制的结果，由相关得到的一维距离像带有很强的随机噪声旁瓣。然而，在基于混沌信号源的步进频率雷达系统中，混沌频率调制使得采样点数据可以按回波脉冲信号的频率从小到大重排，因而匹配处理与频率步进雷达一致，可以通过FFT实现且一维距离像不存在随机噪声旁瓣。
[0053] 我们分两部分来验证混沌频率步进雷达的快速匹配处理和抗单频干扰特性。假设有一个点目标在3m处，速度为1m/s。发射信号的起始频率f0为1GHz，带宽B为1.016GHz，脉冲重复周期Tr=50μs，脉宽Tp=25μs。
[0054] 1.一维距离像
[0055] 随机频率步进雷达的频率采样点N=1000，分布为U[f0,f0+B]。首先，从图5中可以明显看出，随机频率步进雷达与混沌频率步进雷达在一维距离像上的目标位置处的主峰是一致的。但前者存在比主瓣低15dB的噪声旁瓣，且幅度随距离变化衰减不明显；而后者的2 2
旁瓣幅度按sin(X)/X 的规律快速衰减。其次，随机频率步进雷达的一维距离像需要经过
1000次的相关运算得到，而混沌频率步进雷达只需要进行一次1000点的数据重排和一次IFFT，显然后者效率更高。
旁瓣幅度按sin(X)/X 的规律快速衰减。其次，随机频率步进雷达的一维距离像需要经过
1000次的相关运算得到，而混沌频率步进雷达只需要进行一次1000点的数据重排和一次IFFT，显然后者效率更高。
[0056] 2.抗单频干扰
[0057] 假设有50Hz的电源干扰泄漏到相位检波器的输出端。由图6（a）及图6（b）可见，在常规的频率步进雷达体制下，单频干扰会在一维距离像上产生尖峰，无法与目标的尖峰区分开；在64个脉冲串回波信号的采样点数据累积后，对每个距离门通过FFT进行多普勒处理，在距离-多普勒平面产生虚假目标。
[0058] 在混沌频率步进雷达体制下，假设已有M=64组设计好的发射脉冲串频率序列，且系统采用Logistic映射来产生混沌信号：
[0059] xn+1=μ·xn(1-xn)(n=1,2,3…)
[0060] 其中μ∈[0,4]，x∈[0,1]。Logistic映射的分岔图如图7所示，从中可看出当0<μ≤1时，系统的动力学行为很简单，只有x0=0处的不动点；当1<μ<3时，系统的动力学行为也很简单，仅有两个不动点；当3≤μ≤4时，系统的动力学行为变得很复杂，系统由倍周期进入混沌。因此，为了Logistic映射产生[0,1]的混沌信号，可选μ=3.991。
[0061] 然后，将闭区间[0,1]进行64等分，每个区间的宽度是 记
[0062]
[0063] 其中Floor(·)为向下取整操作，则yn即为混沌信号对应的发射脉冲串调频序列的编号。如图8所示，发射脉冲串调频序列的编号在区间[1,64]上随机变化，符合要求。
[0064] 由于每个发射脉冲串的调频序列不再是线性递增的，对回波采样点数据做FFT后，目标回波的能量分散开来，而单频干扰是独立于发射脉冲串的调频序列的，从而FFT之后依然存在尖峰，如图9（a）、图9（b）所示。因此，可以采样数据分析系统中是否存在单频干扰，若存在，可设计数字滤波器对回波采样点数据进行滤波，从而消除单频干扰。图10为消除单频干扰后的距离多普勒结果。
[0065] 利用混沌信号源产生的混沌信号，对步进频进行频率控制，即产生由步进频的各频点随机乱序排列的发射信号，使得不再是原来规律性很强的载波信号，使得发射信号具有更强的抗干扰能力、更低的截获概率。这种新的混沌调频方式使得A/D采样后的数据可以按照接收信号的频率做升序排序，从而通过快速傅里叶变换来实现匹配滤波，因此一维距离像也不存在随机噪声旁瓣。由于混沌跳频的特性，目标回波的相位检波器输出不再是正弦波形，而周期性单频干扰的检波器输出依旧是正弦波形，所以可以在频域上滤出单频干扰。从而提高信噪比。
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