混沌信号脉冲同步技术在雷达中的应用_图文

V01.34.NO.6

火力与指挥控制
Fire Control&Command Control

第34卷第6期
2009年6月

Jun,2009

文章编号:1002一0640(2009)06—01II-04

混沌信号脉冲同步技术在雷达中的应用.
李春彪1'2,胡 文1,王德纯h3,王翰康4
University,Germany 97074)

(1.南京理工大学电子技术与光电技术学院,江苏南京210094,2.江苏经贸职业技术学院,江苏南京210007, 3.南京电子技术研究所,江苏南京210013,4.Wuerzburg



要:依据混沌系统的脉冲同步特性,结合数字信号处理技术,可以得到原发射信号的时间延迟信号与变时间尺度信

号.据此提出脉冲同步技术在混沌雷达系统中的应用方案,给出连续混沌信号雷达的结构框架.仿真实例以Colpitts电路产生 的混沌信号为雷达发射信号,验证了基于脉冲同步的混沌信号时延与变时间尺度技术应用于混沌雷达的可行性.混沌雷达系 统中的信号处理部分以宽带互模糊函数为工具,根据宽带模糊函数的定义给出了混沌信号雷达信号处理部分的详细框图. 关键词:混沌同步,时间延迟,尺度变换.混沌雷达f
中图分类号:TN957,TN958,TN711.4,TP273

文献标识码:A

Application of Impulsive Synchronization in Chaotic Signal Radar
LI Chun—bia01,2 HU Wenl.WANG
9

De—chunl~.WANG

Han—kang'

(1.Nanjing University of Science and Technology.Nanjing 210094,China,2.Jiangsu Institute of Economic&Trade Technology.Nanjing-China 210007·3.Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210013,China·4.Wuerzburg University,Germany 97074))

Abstract:According

as

the

characteristic of impulsive synchronization of chaotic
can on use

system,combined
to

with digital signal processing technology,we time—delay and block diagram circuit
as

impulsive synchronization theory

produce chaotic

time—scaling versions,based

the above,the blue

print of coherent chaotic radar and

is brought forward.A simulation

example using the chaotic signal generated by Colpitts

radar transmitted signal proves that impulsive synchronization technology exhibiting the time—

delay and time—scaling versions of chaotic signal is feasible.Furthermore founded with the definition of wideband
cross

ambiguity function,the technique finds its application in chaotic signal radar.

Key words:synchronization of chaos,time delaying,time—scale changing,chaotic radar




宽带混沌信号的同步,其实质上就是宽带混沌

系;②控制同步:指从控制论的观点出发,通过对非 线性系统引入某种控制律,以改变受控系统轨道的 改变,使受控系统的运动状态稳定到人们期望的状 态上.根据驱动一响应同步原理,一个自治的混沌系 统,可以将它分解成为激励部分和响应部分,只有当 响应系统的所有条件李雅普诺夫指数均为负时,才 能达到响应系统与驱动系统的混沌同步.由驱动系 统与响应系统通过驱动变量构成总体动力学系统, 响应系统的行为取决于驱动系统,而驱动系统的行 为与响应系统无关. 人们研究同步方案,其中的一个主要目的是使 得混沌信号能够通过同步实现进一步的延时控制, 相关或者匹配,从而满足混沌信号在雷达,通信等工 程领域实际应用的需要.脉冲同步技术利用驱动系

信号在不同时段范围内的信号复制与重现问题.混 沌同步的方法较多,有驱动一响应同步方案,耦合同 步方案,连续变量微扰反馈方案,自适应控制方案 等.归纳起来,混沌同步大致分为两类:①驱动一响 应同步:指同步的两个系统之间存在着驱动一响应关

收稿日期:2008—05—11

修回日期:2008-08-02

*基金项目:国家自然科学基金费助项目(60472059) 作者简介:李春彪(1971一),男,江苏宝应人.讲师.博士 生.主要研究方向:高分辨力成像技术与混沌雷
达.

万方数据

·112·(总第34—930)

火力与指挥控制

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统的部分信息唯一恢复出自身系统的全部信息(或 者是自身系统信息的某种尺度变换与延时变换),该 技术很好地解决了混沌信号的延时问题与变时间尺 度问题,据此容易构造混沌信号的复制信号,这就为 混沌信号作为雷达信号创造了条件,使得脉冲同步 能够广泛应用于雷达领域. 1

王=Ax+F(z) y=sAy+sF(y)

(2) (3)

其中F:彤一彤,z,yERl是状态变量,A∈殿跏是常 数矩阵,5是常数,王和多分别表示dx/dt和dy/dt. 假设式(2)在初始值为z(0)时的解是z(£),那么系 统(3)在初始值也为士(O)时的解是
y(f)=z(甜) (4)

利用脉冲同步技术实现时延和变时
间尺度
在雷达工作体制中,往往利用多普勒效应来测

显然,y(£)是z(£)时间尺度变化s后的信号,即 可能通过系统(3)来得到z(z)的变时间尺度信号. 但要强调的是,只有当式(2)和式(3)的初始值完全 相同时,式(4)才成立,这在实际上是难以做到的,为 此,利用脉冲同步技术来保证(4)式的成立.

量目标的速度.当目标相对于雷达天线有径向运动, 接收到的回波信号将经历时间尺度变化.在雷达发 射信号为宽带信号的情况下,为了取得好的目标检 测效果,最直接的办法是联合估计回波信号的时延 和时间尺度变化.通过计算与分析发射信号与回波 信号的宽带互模糊函数进行时延和时间尺度变化联 合估计可以获得雷达探测的目标信息….雷达对于 接收信号的处理是通过复制出原发射信号的系列延 时与变时间尺度来实现的,据此与实际收到的回波 信号进行相关,从而提取目标信息.宽带互模糊函数 是一个很好的观测雷达目标信息的工具,根据宽带 互模糊函数图形可以判断目标的位置与速度等信 息.宽带互模糊函数的定义可以采用:

圈1混沌信号时间尺度变化框图

基于脉冲同步的混沌信号时间尺度变化实现系 统如图1所示,由式(2)描述的驱动系统产生的混沌 信号z(f)以1/△7'的速率被采样,产生脉冲序列 x(kAT).脉冲序列先被存储在缓存中,时延r后以 slAT'的速率输出,然后通过脉冲控制的方式耦合到 响应系统.响应系统可以由如下方程组描述:
,
!

AFv.(5,r)·√…J z2(£)zl(s(f—r))dt(1) 其中z.(t)和z:(£)分别对应于发射信号和回波信 号,s和r分别是与目标相对速率可相关的时间尺度 变化因子和与目标距离相关的时间延迟,s=(1+口/ f)/(1-v/c)(f是信号传播速度).显然,直接计算宽 带互模糊函数需要得到发射信号z.(f)的一系列时 间尺度变化和时间延迟后的信号z.(s(£一r)).但是 一般的非解析信号时延和变时间尺度技术大多由数 字方式实现【2],需要极大的运算量,不利于实时操 作.混沌信号是一种类似噪声的超宽带信号,能够用 简单的确定性非线性动力系统产生,从而容易被控 制达到同步.近年来,关于混沌信号在雷达中的应用 研究也越来越多[3-8],解决宽带混沌信号的在不同时 段范围内的信号复制与重现显得尤为关键. 本文从混沌系统的脉冲同步特性出发,提出一 种基于脉冲同步技术的混沌雷达信号复制方案,结 合数字技术实现混沌信号的时延和变时间尺度变 换.在此基础上,计算混沌信号的宽带互模糊函数, 获得目标的延时信息或速度信息.为了利用脉冲同 步技术,这里将脉冲同步的主要思想归纳如下[912]. 设有两个混沌系统

一f

J

7y=sAy--ksF(Ty)

f≠iAT/s i----0,1,2,…
(5)

【△yI..i盯/J=y(t+)--y(t一)=--Be

其中B是常数矩阵,P(f)一z(站)-k(t)是同步误差.
这里,式(5)和式(2)分别构成了脉冲同步系统 中的响应系统和驱动系统.在l-__----0,s一1时,B和 AT取合适的值,系统(5)将与系统(2)同步,也就是

随着£一o.有多(f)一z(f).此时相当于利用混沌系统
的同步技术去构造一个模拟的非线性插值滤波器, 通过开关信号将驱动系统的采样值"插入"到响应系 统中并影响该时刻的值使响应系统强迫振荡并与驱 动系统趋于一致,从而实现混沌信号的复制.当r一 0,s≠1时,缓存以速率s/△丁输出脉冲序列,新的脉 冲序列等效于从系统(3)产生的信号中抽样得到的 序列,而系统(3)的初始值与系统(2)的相同.因此, 随着(5)与脉冲序列同步,输出的信号也将趋近于 x(st).当r≠0时,由于系统的非时变性,情况与上

述类似,只是得到的输出信号;(£)将趋近于z(s(£
--r)).可见,脉冲同步系统通过对驱动系统的采样 与延时及变速率输出实现了对原驱动系统输出混沌 信号的延时与时间尺度变换.下面在脉冲同步技术

万方数据

李春彪,等:混沌信号脉冲同步技术在雷达中的应用

(总第34—931)

·113·

的基础上阐述其在雷达中的应用方案,提出连续混 沌雷达的结构框架. 2

勒拉伸对峰值检测没有影响,延时和多普勒拉伸能 够被联合检测.上述混沌信号雷达系统,对于回波信 号的处理主要是依据宽带互模糊函数算法结构,这 一算法结构依据式(1)可以表示为图3形式.该结构 采用基于脉冲同步的延时实现系统与时间尺度变化 系统.在该信号处理算法结构(图3)中,驱动系统由 方程6描述.响应系统由方程7所描述,响应系统的 所有记忆元件的参数是驱动系统的的记忆元件的参 数s倍,并且可以根据速率控制而被选择.
x=Ax+F(z) y=sAy+sF(y)
接受回波信号x'(1)

脉冲同步在混沌雷达系统中的应用
鉴于混沌信号的类噪声特性,文献[10-1提出了

基于精确混沌映射的噪声雷达信号产生器,将动力 学理论引入到两种类型的混沌信号产生器性能分析 中去,并应用在雷达系统信号处理中.事实上,基于 脉冲同步技术,可以构造出一个连续混沌雷达的结 构,如图2所示,通过对驱动系统的采样恢复出系统 的原始混沌信号或者原始混沌信号的时间延迟与变 时间尺度变换信号,进而实现匹配滤波.考虑到对于 一般宽带系统实现的宽带信号的延迟线存在色散效 应,若要求宽带混沌系统严格同步,则要求延迟线具 有较宽的非色散频带.本系统提取出驱动系统的输 出信号部分信息,将其注入到响应系统中去,而部分 信息的传输与处理一定较之于全部信息的传输与处 理要简单得多.由于响应系统的插值滤波作用,结合 对采样信号的延时与压扩数字处理,响应系统完成 了对驱动系统输出信号实现了变换处理,得到其变 时间尺度信号与延时信号.

(6)
(7)

塑型唑型 J恁

积分输出 模糊函数

一一~四一

雕{搿P

州扭 州 D

田3基于模糊函数计算的雷达信号处理部分框图

雷达系统中,接受信号是发送信号的时间延迟 和时间尺度变换,由目标相对于天线的距离和相对 运动造成.本混沌雷达系统中的时延与尺度变换技 术利用驱动系统与响应系统的脉冲同步,通过将驱 动系统发出信号的采样值进行延时与变速率转读后 .插入"到响应系统,经过响应系统的滤波作用实现 了发出混沌信号的一个"时频"变换.在此基础上,结 合快速的相关算法和自适应滤波容易得到判断目标 所需要的时延和多普勒拉伸信息,获得目标的速度 和距离信息.延时和变尺度的实现可以用来产生不 同距离和速度单元的一系列的参考信号,这些参考 信号被相关,返回目标估计的信息.上述基于脉冲同 步的延时实现系统与时间尺度变化系统的雷达信号 处理算法结构充分利用硬件上的参数设置实现时间 尺度变换而避开了这一信号的运算过程,提高了数 据处理的实时性;用数字方法实现的延时,也避免了 宽带信号的延时困难,因而具有很大的适用性. 3

撼H缫H黼H毓>卅类袭
延时,缓存,l 变速率输出【

数据存储,分析,判断,显示系统

一妣戮
翥||{|i掣兀l
一,

圈2连续混沌雷达的结构框架图

在这个连续混沌雷达的结构中,混沌振荡源产 生预定频谱的混沌信号,经过功率分配器分成两等 份并进行采样,一路采样信号驱动混沌振荡器1(响 应系统)产生发送信号,功率被一个宽带放大器1所 放大,并通过天线发射出去;功率分配器的第二路输 出采样后,采样信号产生变量延时和输出频率的变 换,而后被输出驱动到混沌振荡器2(另一个响应系 统).混沌振荡器2将产生对已经发送的混沌信号的 延时和尺度变换.混沌振荡器2的一系列输出(可以 构造出一系列的处在混沌振荡器2位置处的距离门 与多普勒f-1)和接受天线接收来的混沌信号混频,混 频器输出信号采样和存储并以用来做进一步的处 理.和随机噪声雷达结构相比,这里提出的运算相关 器在延时和延时的速率上是匹配的,所以高的多普

仿真实例
下面以Colpitts电路为例,将其产生的混沌信

号为雷达的发射信号,并利用基于脉冲同步的混沌 信号时延和变时间尺度技术,仿真阐述本文提出的 混沌信号雷达系统的信号处理方法.Colpitts电路 如图4所示,Cl;C2;20
RE;400 0,Vc=y岳=5 pf,L=50 nH,RL=35 Q,

V.电路方程如文献[83.

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火力与指挥控铜

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换":实时重构出驱动系统发出的信号及其延时,结 合对采样数据的变速率输出和变参数响应系统滤波 作用,进一步获得驱动系统所发出信号的时间尺度 变换信号.由此可构造出新型连续混沌雷达系统及 其信号处理算法结构,仿真实例以Colpitts电路作 为驱动系统,其记忆元件的参数改变后作为响应系 统,驱动系统与响应系统之间通过脉冲耦合方式获


厶CIVl 毒=IL- 一IcCzVI=Vc- V≥=吐]
z2忐(一y2一yD—JB—L;
l+v 2一IIRt,
Lg
L

得同步,由此构造的混沌雷达实现了对距离与速度 有别的目标的检测.实践证明,这种基于脉冲同步技 术的雷达系统在工程上是可行的. 参考文献:
n]
Weiss
L

\

实际上,若没有使用脉冲同步技术,要恢复出原 混沌信号,要对驱动系统产生的混沌信号进行采样, 采样频率必须为该系统所产生混沌信号最高频率的 两倍,也就是要满足Lyquist采样频率.而正是由于 脉冲同步技术的应用,存储间隔是采样间隔的Ⅳ 倍,这就大大减小了数据处理的压力,相当于将采样 速率下降为原来所需要的采样频率的1/Ⅳ.存储的 数据延时r后以新的时间间隔dt/s(dt为存储间隔, s为尺度变换)被读出,继而通过开关脉冲的控制作 用耦合到响应系统中,调整耦合强度,并结合响应系 统中的记忆元件参数的对应的调整,使之随着尺度 的变化而相应变为原来的s倍,这样响应系统的输 出信号便实现了原驱动系统产生的混沌信号的时延 与变时间尺度,这正是脉冲同步技术应用于雷达信 号处理的基础.利用这个技术可以判断雷达探测目 标的信息. 假设在单基地雷达接收天线1
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m/s的
口]
I竺l ]

两个运动目标,通过以脉冲同步技术为基础实现延 时与变时间尺度的雷达系统,可以得到其相应的宽 带模糊函数图形,如图5所示.图中可以分辨出距 离,速度有别的三个目标.

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l=l 1

Yang

T,Chua of
to

L

O.Impulsive

Control

and

圈5基于脉冲同步技术实现的雷达信号处理效果

Synchronization and Application

Nonlinear

Dynamical

Systems

4

结束语
利用脉冲同步技术可以得到原混沌信号的时延
I= 2

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信号与尺度变换信号.通过同步混沌系统中的响应 系统的滤波作用,实现对原发出混沌信号的"时频变

Synchronization

Measurement Feedback[J].Int.J.Bifurcation and
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