本发明属于雷达信号处理领域，特别涉及一种基于Python的雷达信号处理系统及方法。
背景技术：
雷达是发射机通过天线将电磁波能量射向空间某一方向，处在该方向山的物体反射碰到的电磁波，通过接收反射波，提取关于物体的距离，径向速度，方位，高度等信息的设备。由于在反射信号中存在各种环境杂波和电磁干扰等，倘若需要将目标信息提取出来则需要复杂的雷达信号处理。
因为雷达在现代战中产生的革命性的作用，雷达技术在近现代迎来了突飞猛进的发展。自计算机技术发展后，为雷达的发展提供了新的发展方向。数字雷达信号处理算法具有数据量大，算法复杂，高实时性等特点，通过计算机技术，可以实现对雷达的精确控制，并能够实时算法实现和结果显示。使用计算机处理雷达信号，相比传统的信号处理方法来进行信号处理，具有可移植性高，开发速度快的优点，同时还能够缩短开发时间，降低系统复杂度，提高系统可移植性。
传统数字信号处理一般采用FPGA或者DSP芯片为基础的信号处理解决方案，具有功耗低、稳定性强的特点，但是同时也有修改困难，缺乏灵活性等缺点。FPGA或DSP信号处理平台复杂，且雷达信号处理对系统的实时性要求高，导致开发周期延长。在程序编写调试阶段，由于程序算法复杂性高，造成下载编译时间长，严重影响修改程序的效率。另外，传统信号处理方式的可操作性差，由于缺乏可视化界面，造成系统操作不易理解，不利于操作人员对系统的控制。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于Python的雷达信号处理系统及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于Python的雷达信号处理系统，包括数据采集模块、调制信号产生模块、同步控制模块、USB通信模块、信号处理模块和控制显示模块；
所述数据采集模块，用于采集雷达回波信号，并将模拟信号转换为数字信号；
所述调制信号产生模块，用于产生锯齿信号，进而调制发射信号；
所述同步控制模块，用于产生与锯齿信号同步的脉冲信号，控制数据采集模块中N路采集通道同步采集雷达回波信号；
所述USB通信模块，将数据采集模块采集的数据传输至信号处理模块中；
所述信号处理模块，用于对采集的回波信号进行信号处理，获取目标信息并将其传输至控制显示模块；所述信号处理包括数据重排、滤波、杂波抑制、动目标检测、恒虚警、目标凝聚和测角；
所述控制显示模块，用于控制雷达信号处理系统的开启与关闭，显示目标信息，且能进行用户身份认证。
基于所述雷达信号处理系统的雷达信号处理方法，包括以下步骤：
步骤1、通过同步控制模块、控制显示模块控制数据采集模块采集雷达回波信号，并将模拟信号转换为数字信号；
步骤2、将步骤1获得的数字信号通过USB通信模块传输至信号处理模块；
步骤3、信号处理模块对接收到的信号进行滤波、数据重排、杂波抑制、动目标检测、恒虚警、目标凝聚和测角，获得目标的距离、速度和角度信息；
步骤4、将步骤3获得的目标的距离、速度和角度信息传输至控制显示模块进行显示，完成雷达信号处理。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明利用同步控制模块能够控制数据采集模块对N路雷达回波信号的同步采集；2)本发明的信号处理模块中，通过杂波抑制模块有效抑制了静止杂波及干扰；3)本发明中通过相位法实现系统的测角功能，算法简单易于实现；4)本发明的控制显示模块为用户提供系统的操作和显示界面，方便用户使用；5)本发明控制显示模块中的身份认证功能为系统的安全性提供了保障。
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明基于Python的软件化雷达信号处理系统的结构框图。
图2为本发明中数据采集模块的结构框图。
图3为本发明中信号处理模块的结果框图。
具体实施方式
结合图1，本发明的一种基于Python的软件化雷达信号处理系统，包括数据采集模块、调制信号产生模块、同步控制模块、USB通信模块、信号处理模块和控制显示模块；
数据采集模块，用于采集雷达回波信号，并将模拟信号转换为数字信号；
调制信号产生模块，用于产生锯齿信号，进而调制发射信号；
同步控制模块，用于产生与锯齿信号同步的脉冲信号，控制数据采集模块中N路采集通道同步采集雷达回波信号；
USB通信模块，将数据采集模块采集的数据传输至信号处理模块中；
信号处理模块，用于对采集的回波信号进行信号处理，获取目标信息并将其传输至控制显示模块；信号处理包括滤波、数据重排、杂波抑制、动目标检测、恒虚警、目标凝聚和测角；
控制显示模块，用于控制雷达信号处理系统的开启与关闭，显示目标信息，且能进行用户身份认证。
进一步地，数据采集模块包括：
回波接收模块，用于接收探测目标的雷达回波信号；
AD采集模块，实现多路信号的同步采集。
作为一种具体示例，结合图2，数据采集模块包括：USB6211采集器、雷达传感器K-MC4，工作方式如下：
产生一个频率为1kHz的脉冲信号作为锯齿波产生和数据采集的同步信号。产生一个频率为1kHz，最低电压为1V，最高电压为10V的锯齿信号，触发源为1kHz的脉冲信号，将锯齿波信号作为雷达传感器的调频信号，用来调制雷达的发射波形；
USB6211采集器对雷达传感器4路回波信号进行同步采集，采样频率为50kHz，触发源为1kHz的脉冲信号，在建立的读取任务中，新建4个电压读取虚拟通道，设置电压虚拟通道的读取方式为无限读取，设置每次任务读取单通道读取点数为20000，得到一个4*20000的类型为Rarray的矩阵。
进一步地，调制信号产生模块、同步控制模块均通过USB6211采集器实现。
作为一种具体示例，调制信号产生模块通过USB6211采集器实现具体为：USB6211采集器产生0～10V锯齿信号，进而调制发射信号。
作为一种具体示例，同步控制模块通过USB6211采集器实现具体为：USB6211采集器产生与锯齿信号同步的脉冲信号，用于控制N路信号的同步采集。
进一步地，USB通信模块包括：
缓存模块，将模数转换后的数据进行缓存；
传输模块，建立雷达回波信号的采集虚拟通道，并将回波信号传输至信号处理模块。
进一步地，结合图3，信号处理模块包括依次相连的滤波模块、数据重排模块、杂波抑制模块、动目标检测模块、恒虚警模块、目标凝聚模块、测角模块；其中，
滤波模块，用于对采集到的雷达回波信号进行滤波；
数据重排模块，用于将滤波后的信号重排为N/2路复数信号，并将其转化为2维矩阵；
杂波抑制模块，用于对重排后的信号进行杂波抑制处理；
动目标检测模块，用于从杂波抑制后的信号中提取检测目标的距离、速度信息；
恒虚警模块，用于保持信号检测时虚警率恒定；
目标凝聚模块，用于将恒虚警模块处理得到的目标信息凝聚为点迹信息；
测角模块，用于测量目标相对于雷达在水平方向上的角度。
作为一种具体示例，信号处理模块的工作方式如下：
数据重排模块首先将数据采集模块传输过来的4路信号分为两路I、Q正交信号，将Rarray矩阵重新变更为两个秩为2的矩阵Rarray1和Rarray2，每个矩阵大小为50*400，分别存储两路正交的信号；
杂波抑制模块中，在连续波雷达中，由于多数情况下杂波功率集中于零频附近，所以可以通过去直流的方法去掉回波信号中的直流分量，利用FIR滤波器滤除不在测量范围内的信号，并使用动目标显示技术，抑制静止杂波；
动目标检测模块对经过杂波抑制的50*400的矩阵Rarray1和Rarray2分别进行二维FFT，并剔除对应目标距离为负的400*25个点；
恒虚警模块对动目标检测后的矩阵Rarray1和Rarray2使用自适应门限，用以确定在特定的点上的是目标还是杂波；
目标凝聚模块将做完恒虚警处理后的Rarray1和Rarray2矩阵中的呈椎体形状的目标信息凝聚为一个点迹信息；
测角模块将目标凝聚处理后的两个数据矩阵Rarray1和Rarray2中的目标点的相位做差，借助雷达传感器的鉴角曲线得到系统在水平方向的角度信息。
进一步地，控制显示模块包括：
控制模块，用于控制数据采集模块的采集频率和雷达信号处理系统的整体运行时间；
显示模块，用于进行控制模块的相关设置和显示检测目标的相关信息。
认证模块，用来验证用户的身份。
综上，作为一种具体示例，基于Python的雷达信号处理系统的工作方式如下：
认证模块对用户进行认证，当输入的验证码与验证模块的密码相同时，整个系统开始，当验证码与原来不符时，跳出警告并阻止系统的运行。
验证模块认证成功后，系统开始运行，数据采集模块中的脉冲信号产生模块产生频率为1kHz的脉冲同步信号，锯齿波产生模块使用同步信号作为触发源产生频率为1kHz的锯齿波信号，数据采集模块新建一个具有4路输入电压的采集虚拟通道的任务，通过该任务设置采样周期为50kHz，同时数据采集模块开始数据采集；
数据采集模块将数据送入缓冲区，缓冲区中的数据经USB通信模块传输到信号处理模块中，再对数据做信号处理，数据重排模块将4路信号变为两路I、Q复数信号，并将信号重排为400*50的矩阵，杂波抑制模块首先完成去直流处理，即对矩阵中的每行求平均，并将矩阵中的每个数据减去其对应行的平均值，再通过动目标显示处理，去除静止物体的杂波。对经过杂波抑制模块的矩阵进行二维的FFT处理，并剔除距离为负的左半边的400*25个点，保留右半边的400*25的矩阵。对剩余的矩阵进行恒虚警和目标凝聚处理，在经处理后的两个数据矩阵中找出非零的值所对应的横纵坐标转化为目标的速度和距离信息，并将目标点的相位差通过对比鉴角曲线得到目标角度信息，最后将目标的速度、距离和角度信息传输给显示模块。
显示模块检测目标的速度、距离和角度模块进行显示，并在地图中加以显示。
基于雷达信号处理系统的雷达信号处理方法，包括以下步骤：
步骤1、通过同步控制模块、控制显示模块控制数据采集模块采集雷达回波信号，并将模拟信号转换为数字信号；
步骤2、将步骤1获得的数字信号通过USB通信模块传输至信号处理模块；
步骤3、信号处理模块对接收到的信号进行数据重排、滤波、杂波抑制、动目标检测、恒虚警、目标凝聚和测角，获得目标的距离、速度和角度信息；
步骤4、将步骤3获得的目标的距离、速度和角度信息传输至控制显示模块进行显示，完成雷达信号处理。
本发明的信号处理系统具有操作简单、实时性好、兼容性好、安全性高的特点，实现了对目标的实时探测和信息显示。