一種改進的多普勒雷達復相關(guān)算法

一種改進的多普勒雷達復相關(guān)算法

李爾效

(海軍裝備部,甘肅 蘭州730070)

摘要多普勒雷達常利用復相關(guān)算法來計算回波的多普勒頻偏,但在實際應用中,由于噪聲等因素干擾使得到的結(jié)果偏離實際值比較大。該文提出了一種改進的復相關(guān)算法,在噪聲處理方面進行了預采集改進,并通過仿真的方式對結(jié)果進行了驗證。實驗結(jié)果表明,該方法較之前普通復相關(guān)算法可獲得更準確的多普勒頻偏估值。

關(guān)鍵詞多普勒雷達;多普勒頻偏;復相關(guān)算法;噪聲

收稿日期:2015-11-02

作者簡介:李爾效(1971—),男,高級工程師。研究方向:雷達相關(guān)電訊。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.12.015

中圖分類號TN958文獻標識碼A

An Improved Complex Correlation Algorithm for Doppler Radar

LI Erxiao

(Department of Navy Equipment,Lanzhou 73007,China)

AbstractThe complex correlation algorithm is often used in calculating Doppler shift of the echo.But it will lead to a big deviation from the actual value in practical application because of the interference of noise.An improved complex correlation algorithm is brought up in the article.The algorithm is enhanced in noise-processing field by presampling the signal of noise.And the result is verified through simulation experiment.Through the result,the new complex correlation algorithm can lead to a better result in calculating Doppler shift normal complex correlation algorithm.

Keywordsdoppler radder;doppler shift;complex correlation algorithm;noise

多普勒雷達,又名脈沖多普勒雷達,是一種利用多普勒效應探測運動目標位置和相對運動速度的雷達[1],多用于監(jiān)測氣象以及軍事中飛機等低速與偏流角[2]。由于波源與觀測者之間存在相對運動,由多普勒頻偏原理可知,接收到的回波信號與波源信號存在一個多普勒頻偏,利用這一頻偏便可得到波源與觀測者之間的相對速度[3]。

由于雷達信號的回波有著較強的相關(guān)性,因此可通過分析其中的相關(guān)性對信號進行處理,進而得到一個相對準確的多普勒頻偏[4-5]。隨著多普勒雷達的應用,已出現(xiàn)多個計算多普勒頻偏的方法,如FFT法、數(shù)字鎖頻法等[6]。隨著微處理器性能的大幅提高,復相關(guān)算法逐漸得到認可,并獲得了廣泛的應用。實際應用中,有效信號中一般會摻雜外界干擾噪聲[7],但傳統(tǒng)的復相關(guān)算法沒有對外界干擾信號進行有效的處理,使得得出的結(jié)果通常存在較大的偏差。

針對此問題,本文提出了一種改進的獲得多普勒頻偏的復相關(guān)算法。此方法通過采集噪聲信號,在處理過程中加入噪聲環(huán)節(jié),有效減少噪聲對回波信號的影響,獲得更準確的多普勒頻偏值。

1復相關(guān)方法計算頻偏

多普勒單個回波信號是平穩(wěn)的,且回波信號的波束圖與功率譜極為相似,這樣回波信號的功率譜仍是一個對稱的功率譜,則回波信號的中心頻率便可用平均頻率表示,可證明平均頻率是中心頻率的無偏估計[8]。

將接受回波信號過程看作一個復過程,則根據(jù)Wiener-Kihnchine定理可得

(1)

其中,w為角頻率;S(ω)為角頻率的譜密度函數(shù);R(τ)為回波信號的復相關(guān)函數(shù)。特征函數(shù)φ(t)為

(2)

其中,F(ω)為ω的分布函數(shù)

(3)

由以上式可得

(4)

平均角頻率為

(5)

故

(6)

講R(τ)表示為極坐標形式

R(τ)=A(τ)ejΦ(τ)

(7)

A(τ)表示幅度,是實偶函數(shù);Φ(τ)表示相位,是虛奇函數(shù),二者可分別表示為

(8)

(9)

其中,Im表示取R(τ)虛部;Re表示取R(τ)實部。對R(τ)求導可得平均頻率

(10)

所求得的平均頻率即為頻偏值,實部和虛部可通過正交解調(diào)加低通濾波的方式求得。

2改進復相關(guān)方法

在實際應用測量環(huán)境中,測量結(jié)果通常受到噪聲的影響,周圍噪聲環(huán)境影響尤其突出。當噪聲信號與回波信號相疊加后,增大了數(shù)據(jù)處理難度,此時用原復相關(guān)算法計算的結(jié)果就會有較大的偏差,當周圍噪聲信號較大時,此復相關(guān)算法就不再適用。實驗可證明,其測量的準確度受信噪比影響較大:信噪比越大,測量越準確;信噪比越小,估值與實際值偏離越大。則若能除去或降低噪聲信號的干擾就能得到較為準確的估值。這時,可在發(fā)射信號之前事先采集環(huán)境噪聲信號,在原復相關(guān)算法的基礎上加入噪聲信號[9],對噪聲信號做相同的處理,最后去掉噪聲信號便可得到回波的中心頻率。

由于采集到的回波信號中夾雜著噪聲,所以真正回波信號的復相關(guān)函數(shù)可近似表示為

Rs(τ)=R(τ)-R0(τ)

(11)

Rs(τ)為真正的回波信號復相關(guān)函數(shù);R(τ)為采集到的回波信號與噪聲信號相疊加后的自相關(guān)函數(shù);R0(τ)為噪聲信號的自相關(guān)函數(shù)。此時A(τ)和Φ(τ)分別為

(12)

(13)

其中,Im和Re分別表示取虛部和實部。

則改進后頻率的計算公式為

(14)

由上式可看出,算法實現(xiàn)上加入了噪聲信號的自相關(guān)函數(shù),這樣能大幅抑制回波信號中混雜的噪聲信號,使估值結(jié)果更準確。

3實驗仿真與結(jié)果分析

此次實驗中,噪聲信號采用白噪聲,通過Matlab模擬仿真在低信噪比和不同頻偏情況下,兩種不同算法測頻結(jié)果的比較,并對結(jié)果進行分析。

實驗中,信噪比為-20～-1 dB,采用低信噪比的方式進行驗證。信號發(fā)射頻率f取3 000 Hz,采樣頻率9 000 Hz,低通濾波器采用4階ButterWorth濾波器,頻偏f分別選擇10 Hz、20 Hz、50 Hz和100 Hz。取離散的多個樣本點,測量和比較結(jié)果簡化成折線圖如下所示。

圖1　頻偏為10 Hz時復相關(guān)算法改進前后對比圖

圖2　頻偏為20 Hz時復相關(guān)算法改進前后對比圖

圖3　頻偏為50 Hz時復相關(guān)算法改進前后對比圖

圖4　頻偏為100 Hz時復相關(guān)算法改進前后對比圖

從對比圖可看出,改進后的算法較之前算法測量穩(wěn)定度得到了提高,估值結(jié)果和實際值偏離也較小。從整體上看,無論是改進前算法,還是改進后算法,在低信噪比情況下受信噪比的影響較大,信噪比越低,測量結(jié)果偏差越大。由于噪聲的加入,雖加入了低通濾波器,但不能完全濾除噪聲信號,信號中仍存在一個窄帶噪聲信號,且隨著噪聲信號的比重增大,通過濾波器的噪聲信號殘留越多,造成測量結(jié)果受噪聲信號的干擾而出現(xiàn)偏差。

4結(jié)束語

根據(jù)原復相關(guān)算法的不足,提出了一種改進的復相關(guān)算法,處理過程中加入了噪聲環(huán)節(jié),該方法符合多普勒測頻原理,能有效抑制噪聲的影響,原理易于理解,計算復雜度低,具有良好的應用前景。但從仿真圖中可看出,當信噪比較低時,估值結(jié)果仍偏離實際結(jié)果較大,故在低信噪比的情況下,仍有不足。后續(xù)工作需研究在低信噪比情況下提高估值的準確度。

參考文獻

[1]林寶璽,胡志英.多普勒雷達[M].北京:國防工業(yè)出版社,1982.

[2]吳星霖,羅松,余加貴.多普勒雷達回波強度估測降雨的氣候統(tǒng)計方法[J].云南大學學報:自然科學版,2011(S2):374-378.

[3]Bar Shalom Y.Negatie correlation and optimal tracking with dopplermeasurements[J].IEEE Transactions on Aerospaceand Electronic Systems,2001,37(3):1117-1120.

[4]丁鷺飛,耿富錄,陳建春.雷達原理[M].4版.北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[5]竺春.多普勒計程儀若干關(guān)鍵技術(shù)問題研究[M].北京:中國科學院數(shù)學與系統(tǒng)科學研究所,2000.

[6]Jeff Snyder.Doppler velocity log(DVL)navigation for observation—class ROVs[C].Seattle,USA:Oceans,OE/MET,2010.

[7]吳衛(wèi)玲,宋喜報.多普勒測速雷達測速誤差分析[J].計量與測試技術(shù),2000(1):3l-32.

[8]李佳,廖應文,董凱.一種改進的多普勒雷達跟蹤算法[J].電子設計工程,2014,22(8):81-84.

[9]周杰,李小娟,張偉,等.一種通用雷達信號處理系統(tǒng)的硬件設計[J].電子科技,2013,26(5):91-94.

《電子科技》歡迎投稿

《電子科技》雜志(月刊),設置欄目有:電子·電路、協(xié)議·算法及仿真、圖像·編碼與軟件、保密及網(wǎng)絡安全、光電·材料、專題綜述等。歡迎業(yè)界專家、教授、學者及工程技術(shù)人員、教師、學生投稿。來稿應以反映當前國內(nèi)外電子科學技術(shù)領域中的先進理論、創(chuàng)新成果及發(fā)展趨勢,并有實際的應用背景,以及相應的實驗結(jié)果。

投稿請登錄:www.dianzikeji.org聯(lián)系電話:029-88202440