一种基于扫频数据的时域波形响应转换方法与流程

1.本发明涉及电磁散射建模领域，尤其涉及一种基于扫频数据的时域波形响应转换方法。


背景技术：

2.目标电磁散射建模算法分为频域和时域两个大类。针对目标时域波形响应获取问题，传统做法是首先建立入射时域波形信号模型，并将该信号模型代入到时域电磁散射建模算法中，进而实现各种观测角度下目标时域响应样本的建模。该方法虽然能够通过仿真直接获取目标的时域波形响应，但对于入射波形较为复杂的情况，会极大增加计算量，且对同一目标当需要替换入射波形形式时，需要重新开展仿真，难以满足大量入射波形响应特性实时比较分析的需求。此外，在通过测试获取目标时域波形响应的过程中，受到设备条件的限制，一般很难实现任意时域波形的生成。虽然国内外多家单位针对目标时域波形响应的获取开展了研究，研究方向涵盖电磁散射建模、微波暗室模拟测试等，但对于大批量和任意波形条件下时域波形响应数据的生产仍存在欠缺。
3.这里的陈述仅提供与本发明有关的背景技术，而并不必然地构成现有技术。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于扫频数据的时域波形响应转换方法，可实现任意时域波形输入下目标响应特性的快速生成。
5.为了达到上述目的，本发明提供一种基于扫频数据的时域波形响应转换方法，包含以下步骤：
6.步骤s1、求解与入射时域波形参数相匹配的目标一维距离像；
7.根据入射时域波形信号对应的扫频参数，通过频域电磁散射建模或微波暗室步进频电磁散射测试获取目标的宽带散射特性数据，经过傅里叶变换转换为目标的一维距离像信息；
8.步骤s2、求解目标时域的冲击响应；
9.将目标的一维距离像横轴由径向距离改为时间，获取目标的冲击响应，并通过插值处理保证目标冲击响应与入射窄脉冲具有一致的时间采样间隔；
10.步骤s3、求解时域波形入射下的目标响应；
11.通过对入射时域波形信号与目标冲击响应的卷积，获取目标对入射时域信号的响应特性。
12.所述步骤s1中，扫频参数包括中心频率、扫频步长和扫频带宽；
13.所述中心频率等于时域波形的中心频率fc；
14.所述扫频带宽满足：
15.b＝1/tc(1)
16.式中，tc为时域波形脉冲宽度；
17.所述扫频步长由那奎斯特采样率决定，雷达像窗口在径向的宽度为：
[0018][0019]
式中，δf为扫频步长，c为光速；
[0020]
若目标的最大尺寸为d，此时扫频步长需满足：
[0021][0022]
以与入射时域波形相匹配扫频参数为输入，利用频域电磁散射建模算法开展仿真，或者在微波暗室利用步进频电磁散射测量系统开展模拟测试，获取复杂目标的扫频散射场数据；
[0023]
假设复杂扩展目标一维距离像在径向包含m个采样点，扫频回波信号包含n个频点的信息，目标的一维距离像即目标的散射中心沿着径向距离的分布特性a(rk)表示为：
[0024][0025]
式中，rk为编号为k的径向位置处相对于参考距离中心的距离；xm(f
vi
)为目标扫频散射场；f
vi
为扫频频率序列；j为虚数单位；c为光速。
[0026]
所述步骤s2中，入射时域波形信号的时间采样步长为：
[0027]
t
p
＝1/f
p
(5)
[0028]
式中，f
p
为入射时域波形信号的采样率；
[0029]
在傅里叶变换过程中不进行补零操作的前提下，一维像中径向距离坐标轴转换为时间后，其采样间隔为：
[0030]
tb＝1/(2b)(6)
[0031]
式中，b为扫频带宽；
[0032]
将一维距离像中的峰值提取并加载在新冲击响应数组中的相应位置，进而实现复杂目标冲击响应的求解。
[0033]
所述步骤s3中，发射时域波形信号的响应表示为：
[0034]
prx(t)＝ptx(t)*hrp(t)(7)
[0035]
式中，ptx(t)为发射时域波形信号；hrp(t)为目标的冲击响应；prx(t)为发射信号的响应；t为时间。
[0036]
本发明可实现任意时域波形输入下目标响应特性的快速生成。本发明首先对拟选用的时域信号波形进行分析，根据带宽及目标几何外形设计相应的扫频参数，通过频域电磁散射建模或测试获取目标的宽带散射特性数据，利用傅里叶变换将频域散射场数据转换为目标的时域冲击响应，通过入射时域波形与目标冲击响应的卷积实现目标对任意波形的时域响应的获取，是一种行之有效的复杂目标时域波形响应生成方法。本发明通过对扫频数据进行信号处理的方式获取时域波形的响应，规避了对时域电磁散射建模算法和时域任意波形测量系统的限制，能够基于传统频域电磁散射建模算法或步进频电磁散射测量系统实现任意入射波形下目标响应的快速生成，极大扩展了适用范围。
附图说明
[0037]
图1是本发明提供的一种基于扫频数据的时域波形响应转换方法的流程图。
[0038]
图2是入射时域波形信号。
[0039]
图3是点目标的一维距离像。
[0040]
图4是点目标的冲击响应。
[0041]
图5是目标对时域波形的响应。
具体实施方式
[0042]
以下根据图1～图5，具体说明本发明的较佳实施例。
[0043]
目前主流的电磁散射特性测量系统多为步进频率扫描测量系统，能够较为方便的获取目标的扫频散射特性。因此，通过对目标扫频散射特性数据的处理分析，建立一种基于扫频数据的时域波形响应转换方法，一方面可以解决复杂入射波形响应特性建模难度大的问题，另一方面可以基于测试获取的扫频数据实现任意入射波形下响应特性生成，将极大拓展和简化复杂目标时域波形响应获取方式，具有重要的研究价值。
[0044]
本发明提供一种基于扫频数据的时域波形响应转换方法，基于扫频数据的时域波形响应转换方法的总体思路为通过频域数据的分析获取目标的冲击响应，并利用冲击响应与时域波形的卷积实现响应特性的求解。因此该方法的首要问题就是目标时域冲击响应的求解。目标的冲击响应与探测参数息息相关，需要根据入射时域信号的形式分析其内部包含的扫频参数，采用与时域信号一致的参数开展频域散射场数据的获取，并根据频域数据通过傅里叶变换等转换处理实现冲击响应的求解。如图1所示，所述基于扫频数据的时域波形响应转换方法具体包含以下步骤：
[0045]
步骤s1、求解与入射时域波形参数相匹配的目标一维距离像；
[0046]
通过对入射时域波形信号的分析，根据其对应的载频、带宽等信息设计相应的扫频参数，通过频域电磁散射建模或微波暗室步进频电磁散射测试获取目标的宽带散射特性数据，经过傅里叶变换转换为目标的一维距离像信息。
[0047]
入射时域波形的主要参数包括中心频率fc、脉冲宽度tc、信号采样率f
p
。为保证频域散射场数据与入射时域波形的匹配性，要求开展频域电磁散射仿真或测试的参数具备与入射时域波形参数的匹配性。扫频参数主要包括中心频率、扫频步长及带宽。其中扫频的中心频率与时域波形一致均为fc，扫频带宽满足：
[0048]
b＝1/tc(1)
[0049]
式中，tc为时域波形脉冲宽度。
[0050]
扫频步长由那奎斯特采样率决定，它确定了雷达像窗口在斜距方向(径向)上的范围。一般的，雷达像窗口在径向的宽度为：
[0051][0052]
式中，δf为扫频步长；c为光速。若目标的最大尺寸为d，显然要l≥d，才能保证目标在径向完全位于雷达窗口内，从而不引起一维距离像的混叠，此时扫频步长应该满足：
[0053]
[0054]
只有满足式(3)时，才能保证目标在斜距向完全位于雷达窗口之内，而不会发生混叠现象。
[0055]
以与入射时域波形相匹配扫频参数为输入，利用频域电磁散射建模算法开展仿真，或者在微波暗室利用步进频电磁散射测量系统开展模拟测试，获取复杂目标的扫频散射场数据。
[0056]
由雷达信号处理理论，可知：随步进频率变化的目标回波同目标的一维距离像之间构成一对离散傅里叶变换(dft)关系。因此，已知目标的扫频散射场数据，可以通过一维逆离散傅里叶变换(idft)来获得目标的一维距离像，也即各个距离单元上目标散射中心的分布。假设复杂扩展目标一维距离像在径向包含m个采样点，扫频回波信号包含n个频点的信息，目标的一维距离像即目标的散射中心沿着径向距离的分布特性a(rk)可以表示为：
[0057][0058]
式中，rk为编号为k的径向位置处相对于参考距离中心的距离；xm(f
vi
)为目标扫频散射场；f
vi
为扫频频率序列；j为虚数单位；c为光速。
[0059]
步骤s2、求解目标时域的冲击响应；
[0060]
将目标的一维距离像横轴由径向距离改为时间，获取目标的冲击响应，并通过插值处理保证目标冲击响应与入射窄脉冲具有一致的时间采样间隔。
[0061]
目标的一维距离像中横轴为距离，根据电磁波传播关系，将目标的一维距离像中横坐标轴由距离改为时间，此即为目标冲击响应。为便于后续入射信号与目标冲击响应的卷积等处理操作，需要保证目标冲击响应的采样间隔与入射时域信号波形一致。入射时域波形信号的时间采样步长为：
[0062]
t
p
＝1/f
p
(5)
[0063]
式中，f
p
为入射时域波形信号的采样率。
[0064]
而在傅里叶变换过程中不进行补零操作的前提下，一维像中径向距离坐标轴转换为时间后，其采样间隔为：
[0065]
tb＝1/(2b)(6)
[0066]
式中，b为扫频带宽。
[0067]
一般而言，入射时域波形的采样率较高，即tb要大于t
p
，因此需要对一维距离像结果进行插值。为防止插值过程造成冲击响应峰值的展开，可将一维距离像中的峰值提取并加载在新冲击响应数组中的相应位置，进而实现复杂目标冲击响应的求解。
[0068]
步骤s3、求解时域波形入射下的目标响应；
[0069]
通过对入射时域波形信号与目标冲击响应的卷积，获取目标对入射时域信号的响应特性。
[0070]
根据信号与系统理论，目标对入射信号的响应是入射信号与目标本身冲击响应的卷积。而目标的冲击响应与其一维距离像中散射中心分布之间存在对应关系。因此，可通过发射时域波形信号与目标冲击响应的卷积获取发射信号的回波响应。
[0071]
发射时域波形信号的响应可以表示为：
[0072]
prx(t)＝ptx(t)*hrp(t)(7)
[0073]
式中，ptx(t)为发射时域波形信号；hrp(t)为目标的冲击响应；prx(t)为发射信号的响应；t为时间。
[0074]
通过上述处理，可以基于扫频数据获取任意入射时域波形输入下复杂目标的响应特性。该响应特性为时间的函数，通过对其进行傅里叶变换，可以获取其频谱特征，进而实现对入射时域波形探测效果的分析。
[0075]
在本发明的一个实施例中，以高斯窄脉冲探测下点目标的时域波形响应求解为例，首先，对拟选用的入射时域波形信号进行分析，如图2所示，作为典型入射时域波形信号算例的调制高斯窄脉冲信号的时域波形及其频谱形式，该窄脉冲入射信号为中心频率为1ghz，脉冲宽度1ns，对应带宽1ghz，信号的采样率10ghz，对应时间采样间隔为0.1ns。假设存在位于坐标原点的理想点目标，其对各个频率的后向散射均为1。根据其对应的载频、带宽等信息设计相应的扫频参数，通过对点目标扫频散射场数据的傅里叶变换，获取目标的一维距离像信息，所得结果如图3所示，一维距离像成像所采用的散射场数据中心频率为1ghz，带宽1ghz，扫频步长0.02ghz。接着根据电磁波传播关系，将点目标的一维距离像中横坐标轴由距离改为时间，获取目标冲击响应，并通过插值保证目标冲击响应的采样间隔与入射窄脉冲信号一致，所获取结果如图4所示。最后通过对入射信号与目标本身冲击响应的卷积获取目标的时域响应。点目标对高斯窄脉冲信号的时域响应波形及其频谱形式如图5所示。
[0076]
本发明可实现任意时域波形输入下目标响应特性的快速生成。本发明首先对拟选用的时域信号波形进行分析，根据带宽及目标几何外形设计相应的扫频参数，通过频域电磁散射建模或测试获取目标的宽带散射特性数据，利用傅里叶变换将频域散射场数据转换为目标的时域冲击响应，通过入射时域波形与目标冲击响应的卷积实现目标对任意波形的时域响应的获取，是一种行之有效的复杂目标时域波形响应生成方法。本发明通过对扫频数据进行信号处理的方式获取时域波形的响应，规避了对时域电磁散射建模算法和时域任意波形测量系统的限制，能够基于传统频域电磁散射建模算法或步进频电磁散射测量系统实现任意入射波形下目标响应的快速生成，极大扩展了适用范围。
[0077]
需要说明的是，在本发明的实施例中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实施例，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0078]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0079]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

技术特征：
1.一种基于扫频数据的时域波形响应转换方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤s1、求解与入射时域波形参数相匹配的目标一维距离像；根据入射时域波形信号对应的扫频参数，通过频域电磁散射建模或微波暗室步进频电磁散射测试获取目标的宽带散射特性数据，经过傅里叶变换转换为目标的一维距离像信息；步骤s2、求解目标时域的冲击响应；将目标的一维距离像横轴由径向距离改为时间，获取目标的冲击响应，并通过插值处理保证目标冲击响应与入射窄脉冲具有一致的时间采样间隔；步骤s3、求解时域波形入射下的目标响应；通过对入射时域波形信号与目标冲击响应的卷积，获取目标对入射时域信号的响应特性。2.如权利要求1所述的基于扫频数据的时域波形响应转换方法，其特征在于，所述步骤s1中，扫频参数包括中心频率、扫频步长和扫频带宽；所述中心频率等于时域波形的中心频率f
c
；所述扫频带宽满足：b＝1/t
c
(1)式中，t
c
为时域波形脉冲宽度；所述扫频步长由那奎斯特采样率决定，雷达像窗口在径向的宽度为：式中，δf为扫频步长，c为光速；若目标的最大尺寸为d，此时扫频步长需满足：以与入射时域波形相匹配扫频参数为输入，利用频域电磁散射建模算法开展仿真，或者在微波暗室利用步进频电磁散射测量系统开展模拟测试，获取复杂目标的扫频散射场数据；假设复杂扩展目标一维距离像在径向包含m个采样点，扫频回波信号包含n个频点的信息，目标的一维距离像即目标的散射中心沿着径向距离的分布特性a(r
k
)表示为：式中，r
k
为编号为k的径向位置处相对于参考距离中心的距离；x
m
(f
vi
)为目标扫频散射场；f
vi
为扫频频率序列；j为虚数单位；c为光速。3.如权利要求2所述的基于扫频数据的时域波形响应转换方法，其特征在于，所述步骤s2中，入射时域波形信号的时间采样步长为：t
p
＝1/f
p
(5)式中，f
p
为入射时域波形信号的采样率；在傅里叶变换过程中不进行补零操作的前提下，一维像中径向距离坐标轴转换为时间
后，其采样间隔为：t
b
＝1/(2b)(6)式中，b为扫频带宽；将一维距离像中的峰值提取并加载在新冲击响应数组中的相应位置，进而实现复杂目标冲击响应的求解。4.如权利要求3所述的基于扫频数据的时域波形响应转换方法，其特征在于，所述步骤s3中，发射时域波形信号的响应表示为：prx(t)＝ptx(t)*hrp(t)(7)式中，ptx(t)为发射时域波形信号；hrp(t)为目标的冲击响应；prx(t)为发射信号的响应；t为时间。

技术总结
一种基于扫频数据的时域波形响应转换方法，首先对拟选用的时域信号波形进行分析，根据带宽及目标几何外形设计相应的扫频参数，通过频域电磁散射建模或测试获取目标的宽带散射特性数据，利用傅里叶变换将频域散射场数据转换为目标的时域冲击响应，通过入射时域波形与目标冲击响应的卷积实现目标对任意波形的时域响应的获取，是一种行之有效的复杂目标时域波形响应生成方法。通过对扫频数据进行信号处理的方式获取时域波形的响应，规避了对时域电磁散射建模算法和时域任意波形测量系统的限制，能够基于传统频域电磁散射建模算法或步进频电磁散射测量系统实现任意入射波形下目标响应的快速生成，极大扩展了适用范围。极大扩展了适用范围。极大扩展了适用范围。


技术研发人员：谢志杰 黄志勇 廖意
受保护的技术使用者：上海无线电设备研究所
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/1