（信号与信息处理专业论文）多波形频域数字脉冲压缩系统的研究.pdf

电 子科技大学博士论文 ( 5 ) 1 . w . 7 勿 l o ; 提出了一类性能优良 的四相码，并对1 3 - 2 8 位t a y l o r 四相码信号进行了性能研究。本文对较长的t a y l o ; 四相码信号进 行比较全面的分析，并首次采用频域数字处理方法，研究了四相 编码长码雷达信号距离旁瓣频域抑制滤波技术。 ( 6 ) 分别以 1 2 7 位二相编码和 t a y l o ; 四 相码为 例， 对 ( 1 ) t h e c h a r a c t e r is ti c s o f v a r io u s p u ls e c o m p r e s s io n s ig n a ls w it h 9 5 2 5 0 p u l s e c o m p r e s s io n r a t io s i s c o m p re h e n s iv e ly in v e s t ig a t e d in fr e q u e n c y d o m a in . ( 2 ) t h e e ff e c t o f t h e s a m p l in g r a t e o n r m s , th e c ru c ia l p e r fo r m a n c e o f t h e p u l s e c o m p r e s s io n , is a n a ly z e d . t h e s ig n a l d e s ig n a n d p r o c e s s in g 二b a s e d o n t h e p ra c t ic a l n y q u i s t s a m p l in g f re q u e n c y a n d t h e r e s u lt s o f t h e c o m p u te r s im u la t io n s c o n f o r m to t h a t o f t h e s y s te m e x p e r i m e n t s . ( 3 ) a g r o u p o f la r g e t im e - b a n d w i d th p ro d u c t n l f m s ig n a ls a re s y n t h e s iz e d w it h v a r io u s w in d o w - fu n c t io n s in f re q u e n c y d o m a in a n d th e a n a lo g o u s a p p lic a t io n o f s o m e w in d o w - f u n c t io n s h a v e n o t b e e n re p o rt e d b e f o re . m e a n w h i le , th e c o m p u te r s im u la t io n r e s u lts o f t h e s i g n a l r e s o lu t io n a n d d o p p le r re s p o n s e a r e a ls o d is c u s s e d a n d c o m p a r e d w ith t h e a c t u a l e x p e r im e n t a l r e s u lt s . a t la s t, t h e s e l e c t i o n p ri n c ip le s o f w in d o w fi m e t io n f o r la r g e t im e - 电子科技大学博士论文 第一章绪论 本章概述了雷达技术和雷达理论的发展进程，简要介绍雷达脉冲压缩技 术研究的主要内容，并扼要说明了开发多波形频域脉冲压缩系统的愈义和设 计的基本原则，最后介绍了 本文的主要工作. 1 . 1雷达发展概况 雷达在现代军事电子领域中居于核心地位。雷达技术的发展主要应归 功于雷达在第二次世界大战中的成功应用。在战后的半个多世纪中，鉴于雷 达在战争中所起的重要作用，各国纷纷投入大量的人力物力，借助现代电 子 科技的不断进步来发展自己的雷达技术，使雷达技术和理论得到了迅猛的发 展，同时也促进了其民 用领域的应用。 雷达信号理论形成的一个重要时期是二十世纪四、 五十年代。 在此期间， 众多的专家学者运用经典的统计检测和参t估计理论对雷达技术中的目 标探 测和信号处理等问题进行了大t的研究12 7 -3 6 1 ，建立了许多经典理论，总结出 了 一系列雷达信号处理的基本准则15 , 1 1 , 1 2 l . w i e n e r 1 9 4 2 年建立了 最佳线性滤 波和预测理论119 1 ; n o rt h 13 2 1 1 9 4 3 年提出了匹配滤波器理论:u r k o w i t z l 1把匹 配滤波器推广到色嗓声场合， 建立了“ 白 化滤波器” 和“ 逆滤波器” 的概念: s h a n n o n 13 1 1 1 9 4 8年发表了 成为信息论莫基石的 著名论文“ 通信中的数学理 论” 。这些具有划时代意义的科学成就影响广泛深远，极大地推动了雷达技 术理论的发展。 特别是w o o d w a r d 12 11 于 1 9 5 3 年提出了著名的模糊函数理论， 莫定了雷达分辨理论基础。并首次对脉冲雷达的分辨率问题进行系统地研 究，使人们对雷达信号形式及处理的认识上升到了一个新的高度。 .4 , 1 3 , 14 1 从而进一步促进了对雷达波形设计及雷达信号检测的深入研究14 5 .7 , 5 5 .5 7 1 ，并 由此推动了脉冲压缩技术的发展和应用17 , 1 5 - 1a , 2 2 .2 4 1 . 进入六十年代后，由于许多新技术和新器件相继成功开发并应用于雷达 系统中，使得雷达系统的性能和指标有了大幅度提高.与此同时，由于航空 航天等技术发展的需要，雷达的应用范围不断的扩大，功能不断的增强，众 多不同 体制的雷达研制成功井投入使用， 雷达技术的 应用空前萦荣(1 6 , 1 8 1 。 如 第一 章 绪论 采用脉冲压缩技术，在发射机峰值功率受到限制的条件下可以采用增加发射 脉冲宽度的方法来增加发射的平均功率。这样，在提高雷达作用距离的同时 又保持了窄脉冲雷达系统的距离分辨力和测距精度;高频低噪声器件的出现 和使用大大提高了雷达接收机的灵敏度;由于大功率徽波放大管的出现，研 制成功了主振放大式发射机，其高的频率稳定度是实现相参体制，如脉冲多 普勒( p d ) 雷 达的墓础;电 子移相器的实用化使相控阵电 子波束扫描技术趋 于成熟并得到了 成功的 应用。同 一时期，计算机技术的 发展推动了 数字信号 处 理理 论 和 方 法的 研究. 尤 其是1 9 6 5 年c o o l e y 和t u k e y 1 3 4 1 发 现了 离 散 傅 立叶变换的快速算法 f f t ，为数字信号频域处理的实用化打下了坚实的墓 础。之后又陆续出现了 许多快速算法和数字滤波器的设计方法， 使数字信号 处理理论逐渐地成熟和完善e - 1 0 。信号处理也有了 时域和频域两类技术并进 的局面。 自 七十年代后期以来，集成电路技术得到了迅速的发展。同时，随着超 微细加工方法和工艺的不断完善，计算机科学的进步， l s i / v l s u u l s i产品 不断涌现， d s p技术领域的不断创新发展，尤其是超大规模和超高速数字 器件的出现，使雷达信号的产生和处理朝着致字化的方向迅速发展。致字 技术在雷达系统中的应用，使得现代雷达系统在设备小型化、高可靠性和 多功能等方面取得了巨大的进展。雷达信号处理能力的提高显著地改善了 雷达的 性能， 如从动目 标显示(m到动目 标检测( m t d ) ， 信杂比改善因 子 提高了2 0 d b以上，有效地增强了对杂波中运动目 标的检测能力。进入九十 年代，为适应现代电子战、信息战的特征，对雷达系统提出了超分辨、抗 干扰、自 适应反隐身、 低截获、强生存能力等新的要求.因此，超宽带雷 达信号产生技术、 脉冲压缩技术、超分辨信号处理技术 1 9 , 1 3 3 1 、 低截获概率 技术 “p i ) 1 2 3 1 , 数字化接收机技术和以d s p为基础的 软件无线电 技术在 雷达中的应用等正成为现代雷达领域的研究热点. 综上所述， 雷达技术的 发展和进步无疑是巨 大的，同时现代雷达所面临 的挑战也是严竣的。从九十年代初的 海湾胡争到最近在科索沃发生的局部战 争都集中体现了现代电子战对现代雷达生存力和灵活性的要求。现代雷达设 计必须充分考虑并采用各类有利于抗干扰、反隐 身 及低截获概率技术 1 2 3 -1 25 1 , 只有这样才能使己方在现代战争中处于有利地位。总之，进入二十一世纪， 现代电子战、 信息战的实际需要必将给雷达工作者提出更新、更富有挑战性 的 课题，雷达技术理论和应用方面的 研究工作还有许多等待我们去完成圈。 电 子科技大学博士论文 圣 1 . 2脉冲压缩技术 随着飞行技术的飞速发展，对雷达的作用距离、分辨能力、测t精度和 单值性等性能指标提出 越来越高的要求。测距精度和距离分辨力对信号形式 的要求是一致的，主要取决于信号的频率结构，为了提高测距精度和距离分 辨力，要求信号具有大的带宽.而侧速精度和速度分辨力则取决于信号的时 域结构，为了 提高测速精度和速度分辨力， 要求信号具有大的时宽。除此之 外，为提高雷达系统的 发现能力，要求信号具有大的能a.由 此可见，为了 提高雷达系统的发现能力、测量精度和分辨能力，要求雷达信号具有大的时 宽、带宽、能t乘积。但是，在系统的发射和馈电设备峰值功率受限制的情 况下，大的信号能量只能靠加大信号的时宽来得到。 测距精度和距离分辨力 同测速精度和速度分辨力以 及作用距离之间 存在着不可调和的矛盾。于是在 匹 配滤波器理论指导 下， 人们提出了 线性调频， 亦即c h 妙脉 冲压 缩的 概念. 脉冲压缩技术被认为是在雷达技术理论确立之后，雷达技术领域中最重要的 三项创新发展， 即合成孔径雷达技术、 脉冲压缩技术和数字信号处理技术1 川 之一。 在线性调频脉冲压缩概念提出之后，w o o d w a r d 1 2 1 1 从理论上开拓性地完 善了脉冲压缩思想，使人们对大时带积信号进行匹配滤波就可以获得压缩输 出的窄脉冲有了 深刻的认识。大时带积信号可以 在脉内 进行附加调频或调相 甚 至 调 幅 来 得到 ， 因 此 脉 压 信 号 的 范 围 并 不 限 于c h ir p 12 , 1 7 1 . 由 于 发 射 机 效 率的限制，雷达真正采用的 脉压信号是由 调频和相位编码产生的， 其中以线 性调频( l f 叨 和二相编码信号的 研究与 应用最为 广泛 1 5 8 - 6 2 , 6 6 , 6 7 1 . 实现脉冲压缩的关键技术之一就是寻找有效的大时带 积信号产生方法. 研究 人员 最初使 用分 离 元件构 成的 全 通 移 相网 络来 产 生c h i r p 12 1 . 六十 年 代多种类型的 色散延迟线被开发出 来， 用于脉压信号的 无源产生， 取得了一 定的 成效1 1 6 , 1 8 1 ;同时尝试用压控振荡器( v c o ) 作有源产生也是一种途径. 七十年代研制成功的 声 表面波( s a w ) 器件是一 种各项性能都有很大改 进的时 域抽头延迟线， 在脉压系统中获得了比 较广泛的 应用【 1 8 , 9 2 川 。 进入八十年 代后，数字器件的速度、 容量和价格全面改善， 数字产生和处理技术因其突 出的优点成为新研制系统的首选方案。和模拟方法比 较，数字方案的设备量 和可靠性都明显有利:尤其重要的是它可以在相同硬件基础上产生不同类型 第一章 绪论 和参数的各种脉压波形，这对现代雷达对抗环境中波形捷变要求的实现是极 为有利的 8 2 , 1 1 8 。以 数字实现为基础， 应用复 杂的 脉压信号形式己 不再是难 题， 非线性调频( n l f m j 信号的 研究 和应用也 就是 在此基 础上发展起来的 7 9 - s o l 当 前，随着数字器件速度的不断 提高， 信号的直接中 频数字产生技术 己 在发展之中。为了满足成像雷达高分辨率的要求， 研究人员正努力开发宽 带、超宽带脉压信号产生系统。 实现脉冲压缩技术的另一个重要方面是压缩处理，匹配滤波是脉压处 理的墓础。脉压信号经匹配滤波压缩后的愉出，除期望的主窄脉冲外还存在 大小不一的副峰，即距离旁瓣。 在多目 标环境中，强回波的输出旁瓣很可能 掩盖或者混淆弱小回波的主峰，而对嫩弱信号的检侧能力是雷达反隐身的主 要技术 手段之一 1 2 5 1 ， 因 此降 低 压缩输出中 的 峰 值旁瓣电 平 ( 亦即 提高 主旁 瓣比或主副比 ) ， 是脉冲压缩技术的 重要内容。 高 性能的雷达系统通常要求 主副比达到 3 0 d 以上，在一些特殊场合有可能提出超低旁瓣的要求，例如 在气象雷达应用中就希望达到 6 0 d b以上的检测目 标动态范围 9 6 1 。抑制距 离旁瓣的处理措施可以从分析信号本身的旁瓣结构规律性方面着手 ， 叼 ，但 目 前得到的结论十分有限。实际上普遍采用的方法是引入失配加权滤波处理 来压低旁瓣，需要付出的代价是信噪比损失和分辨力下降( 2 ) 。为此，对失配 加权浦波器系数的设计方法的研究一直受到人们的关注1 1 2 0 , 1 2 9 1 。 此外，机 动目 标的多普勒频移f d 对压缩处 理结果的 影响 情 况也 是 必须加以 考虑的 重要 因素。 事实上，采用脉压信号的形式与参数和处理方法是紧密联系的，应当 作系统的研究，即所谓 “ 信号一滤波器对”波形优化设计的思想 2 1 。在此基 础上综合脉压信号是成功应用各种脉冲压缩波形的条件，因 此信号选择与设 计的 研究是脉压技术理论的 主要内 容。 w i l c o x 和s u s s m a n 等1 1 5 - 4 7 , 5 5 ,9 1 1 采用 均方通近方法直接综合给定模糊函数的 信号波形， 在理论和技术上均遇到困 难。 r ih a c z e k等 5 6 , 5 7 则 基于对各种脉压信号性能的 分析提出了 信号分类选 择的简便途径。 显然， 适用于各种应用场合且诸性能 指标俱佳的“ 最优波形” 是不存在的， 综合平衡雷达系统的各种技术要求、 技术实现的难易程度和需 要付出的硬件代价， 才能作出 合理的、 有实用价值的 信号设计。 近年来脉 压信号的设计取得了一些成果， n um 信号获得了比较广泛的应用 7 9 - 6 4 1 - 相位编码信号的 研究也 取得了 一 些 进展， 例如 从二相 码导出的， a y l o ，四 相 码信号的应用1 1 2 7 1 ，从f r a n k 码到p 1 . p 2 . p 3 . p 4 码等l f m导出多相码信号 吕 - 电子科技大学博士论文 的研究1 8 6 ，以及对n l f m波形的童化编码信号的探讨等 8 2 ,8 5 。同时，随着 雷达抗干扰、反对抗技术的发展，波形捷变要求也成为信号综合问题必须考 虑的因素，文献16 9 , 7 0 , 1 1 6 均在综合二相码、四相码的研究中将码组的互相关 性能参数纳入设计优化目 标。此外，反隐身技术的探讨再次引起了人们对双 基地、多基地雷达的兴趣，也促进了对互补码的研究 6 3 .6 5 1 总之，随着现代高科技的飞速发展，数字器件的速度和容t得到了大幅 度提高，以 及许多功能很强的数字信号处理芯片，如 t m s 3 2 0系列的 d s p ( c 2 5 , 3 0 , 4 0 , 5 0 , 6 0 ) 、 横向滤波器 ( i m s a 1 0 0 , t mc 2 2 4 ) 等) 、专用f f t 芯片 ( t m s 2 3 1 0 , .4 4 1 1 0 2 , p d s p 6 5 1 0 a , l h 9 1 2 4 )的大量上市，使得脉压 信号综合与产生以及处理的数字化成为脉冲压缩技术发展的必然趋势。脉冲 压缩技术的发展也为现代雷达技术开辟了更为广泛的发展空间。 1 . 3多波形频域脉冲压缩系统 现代雷达技术的发展和应用的需求互相促进，产生了众多的雷达体制， 实际雷达系统则往往是许多项技术成果综合运用的结果。 雷达技术的发展提高了雷达各子系统的性能指标，为开发具有多种功能 的雷达系统提供了 物质条件，而实际的应用问 题也可能要求雷达必须满足多 种需要.例如， 现代化战机配备的先进的火控雷达往往是多功能的，它既要 完成空空搜索截获目 标，又要承担跟踪和精密测距任务，以控制机炮射击和 制导导弹，甚至兼有地形回避作用。在这类系统中使用的信号形式往往是多 样性的，其脉压参数也是可变的，例如可能需要多种压缩比的波形.因此开 发兼容多种脉压波形的 产生和处理系统是很有意义的。 现阶段设计开发的一些三坐标雷达也具有比较复杂的信号系统。为了 精确地测定多目 标的距离、方位和俯仰角， 一般均采用脉冲压缩体制。同时 普遍采用电 扫描技术实现大空域内的快速搜索及多目 标跟踪功能，典型应用 的电子扫描系统有相位一 频率扫描和相位一 相位扫描方式.为了进一步提高三 坐标雷达的数据率， 研制出了多波束天线系统， 并可以 使用单脉冲测角技术， 既提高数据率又能够改善测盆精度。这样一来就需要产生并处理多个满足雷 达多模式、多功能应用要求的脉冲压缩信号。本文研究的多波形频域数字脉 压系统在多波束三坐标引导指挥雷达中可以发挥积极的作用。 第一幸 绪论 设计多波形频域脉压信号处理系统首先应使每一波形或码组的技术指标 满足雷达总体的要求;其次应能对多形式多参数信号的处理方法具有一致的 硬件结构，这样不仅可以简化、小型化设备，提高可靠性并方便维护，还为 有利于雷达抗千扰反截获的 波形捷变技术提供必要的条件;另外，系统的性 能价格比也是需要考虑的因素。综合各项需求，利用数字技术是目 前实现这 种脉压信号系统的最佳选择。 互 1 . 4本文的主要工作 本文以 频域数字处理技术为基础， 采用高速 f f t( 快速付里叶变换)专 用器件，以 提高脉冲压缩输出的关键技术指标主副比为重点，对多种脉压信 号在低采样率条件下的 低旁瓣处理方法，以 及波形综合、 频域脉压系统设计 实现等方面问 题进行了比 较深入的研究。主要工作内容有: ( 1 ) 对压缩比 在9 5 - 2 5 0 范围内 的l f m . n l f m信号和相位编码信号频 域压缩处理性能进行了比较全面的分析。现有文献对此范围的 n l f m 和相 位编码信号的研究报道很少. ( 2 ) 采用频域谱修正技术设计脉压滤波器，并将该方法应用于 l f m. n l f m信号脉压处理取得实效。由于小时带积 l f m 信号频谱内菲涅尔波纹 对距离旁瓣的严重影响， p o w e l l 9 a 提出了利用 d f t计算加权滤波系数的频 谱修正公式， 文献1 0 3 1 则采取了 矩形化l f m幅度谱的处理措施， 均有一定效 果. 但文献 9 8 , 10 8 1 的 分析限于l f m且按四 倍信号带宽 采样， 失配信噪比 损失 较不修正有 所增加. 本文方 法基于实 用的为,q u is t 频率进行分析和处理， 改 善主副比的同时信噪比损失也优于普通窗函数加权，并推广应用于n um. 设计经实际系统测试平均比 直接加窗的r四 相码信号 的 频域旁瓣抑制加权问 题，推出了适用于任意码长的二相码信号和 t a y l o r 四相码信号频谱结构表达式，提出了频域设计旁瓣抑制滤波器的方法，以及 扩展多 谱勒容限的 措施。 并对 1 2 7位左右的 二相编码信号和 t a y l o ;四 相码 信号的旁瓣抑制脉压性能和多普勒性能分别进行了计算机仿真分析和实验测 试，得到了令人满意的性能指标。 ( 5 ) 研制出了 一套 适用于多种波形信号的 数字频域脉压处理系统，可对 l f m . n l f m 、 二 相编码以 及 t a y l o ， 四 相码等多 种波形信号 进行压缩处理。 处理信号带宽可达5 m h z ，适用压缩比范围为2 5 0以内。系统采用本文提出 的 设计方法， 对时带积在 9 5 2 5 0的l f m . n l f m 以 及二 相编 码和 t a y l o r 四相码等多种波形信号进行了实验测试，实测的主副比超过 3 0 d b ，达到了 雷达系统应用的实际要求。 电 子科技大学博士论 文 第二章雷达信号基本理论 本章简要介绍雷达信号的基本理论，主要包括雷达信号的最佳处理、匹 配涟波处理的基本思想与构成方法、雷达信号的模糊函数与距离一 速度分辨 性能的关系、脉压信号的特征参a定义与性能特点、以及脉冲压缩技术和 乙 刀 雷达的联系。 给出了在雷达信号处理中一些广泛应用的重要结论，为本 文的研究提供必要的理论基础。 2 . 1 最佳处理与匹配滤波 雷达信号理论中的许多论题都和最佳处理这一论题密切相关。所谓最 佳，是指在一定标准或准则愈义下的最优处理，准则的选择和具体的工作条 件有关.我们知道雷达系统工作的目的首先是要从含有噪声、杂波或人为干 扰的接收信号中发现目 标， 这一过程实际上就是雷达信号最佳处理中的最佳 检测问题。 设一线性滤波器的输入信号为x ( t) , x ( t ) =s ( t ) +n ( t ) ( 2 . 1 ) 其中， 叮 t ) 是雷达发射的 确知 信号， 其频谱为 s ( f ) =j s ( t ) e - j 2 f d t ( 2 . 2 ) 信号能t为: e 一f is (f f df n ( t ) 为 均 值 为 零 的 平 稳 白 噪 声 ， 功 率 谱密 度为n o / 2 . 设线性滤波器系统的冲激响应为 理可得滤波器的输出响应为: y (t ) = y .* (t ) + y . (t ) ( 2 . 3 ) 自 相关函 数为1 2 ( t ) 二 n o 8 ( z ) / 2 ， 则 其 h ( t ) ， 其频率响应为h ( f ) 。由 叠加原 ( 2 . 4 ) 而由 信号与 系统及随 机 信号 理论可知， 浦波器对: ( 0 的 响应y s ( t ) 为 第二章 霄达信号 荃本理论 mt ) =了 h ( f )s ( f ) e x p ( j 2 n f t ) df ( 2 . 5 ) 假设滤波器的 输出信号成分在to 时刻形成了一个峰值， 那么输出 信号成 分的峰值功率为: .y (to) = l j h (f )s。 一 。 2nf o)df l a ( 2 . s ) 对上式应用不等式可得 j h ( f ) 动e xj2.f o)价iih cf)i z df 贝 s ( f x l(j 2 . f to ) 12 d f ( 2 . 7 ) 物出嗓声的平均功率为: n。飞_ _ ， _ z。 _ y ( t ) = 长 匕1】 hf 刀 一 d f 2岌 于是此时池波器翰出的信嗓比为: ( 2 . 8 ) 、二 。 yz i jh (f )s (f )exp(j2o o)df lz 。 11 n 一iy , v o q _i-_ _ j l v n=一 下了 r 2 万 一石 妥-一 _ y . 191 ; o h v j df2 ( 2 . 9 ) 由 ( 2 . 3 ) 和 ( 2 . 7 )式整理可得到: s n双5 p s (f ) 2df ( 2 . 1 0 ) n o / 2 2 e / n o 可 见( 2 . 1 0 ) 不 等 式 中 等 号 成 立时 滤 波 器 输出 信噪比 最 大( s n r , = 2 习n a ) e 而该式当且仅当 ( 2 . 1 1 )式满足时等号成立: h 仃) =k s 仃 ) e x p ( - j 2 n f t o ) ( 2 . 1 1 ) 对 实 信 号 s o ) 而 言 满 足 关 系 式 s 伽 ) = s (- 司， 则 经 傅 立 叶 逆 变 换 可 得 h ( t ) =k s ( t 。 一 ， )( 2 . 1 2 ) 式 ( 2 . 1 1 ) 就是要获得滤波器 输出 最大 信噪比 时， 滤 波器的 传递函 数和 电子科技大学博士论文 与输入信号频谱之间应满足的关系，而式 ( 2 . 1 2 )是滤波器的冲激响应与输 入信号时域波形之间应满足的 关系。 满足这种关系的 线性滤波器称为匹配滤 波器。即除了 常数k和线性 相位因 子e x p( 一 ， t o ) 之外， 匹 配滤波器的 频 率特性恰好是输入信号频谱的共扼，其冲激响应由所欲匹配的信号唯一地确 定，并且是该信号的共扼镜象. 匹 配 滤 波 器 的 作 用 是 对 输 入 信 号 , w 完 成 一 次 相 关 运 算 。 由 于 h (t ) 与 s 0 的强烈相关特性， 在t = t 。 时刻， 信号各频率分童同 相处加从而得到最大输 出 ， 且 输出 只 与 信 号 能 1t 有 关. 而 输 入 噪 声 是 随 机 的 ， 各 频 率 分 f 与h 仃 ) 间没有确定关系，其输出功率只能是统计平均的结果.匹配滤波器的这种相 关运算特性，决定了它对平稳白 噪声中确知信号的 检测具有最优检测能力， 是以输出信噪比 最大为准则的最佳接收机。匹配滤波器在许多场合都是一种 最佳线性处 理器， 因 此有着广泛的 应用。 在 本文进行的 频域脉冲压缩处理 研 究中，压缩处理器的设计分析都是在( 2 . 1 1 ) 式的基础上进行讨论的。 互 2 . 2模糊函数与分辨理论 如前所述，虽然决定雷达检测性能的关键是信号能童而非其形式，但 要获得最大信噪比 作匹配滤波时， 信号波形与滤波器实现的难易直接联系， 因此波形的选择设计有着重要的意义。模糊函数是雷达波形设计的有效工 具。模糊函数最初是在研究雷达分辨力问题中提出的概念，其定义有多种形 式 7 1 ，这里仅讨论一种常用的定义形式。 为明确模糊函数的物理意义，首先建立雷达回波信号的点目 标模型，再 考察脉冲雷达的距离分辨力。 设发射信号复 包络为u ( t ) , 窄带信号s ( t ) 可表示成 s ( t ) = u ( t ) e x p ( j 2 n f o t ) 目 标在斜距r ( t ) 上引 起回 波 信号s j t ) 相 对发射信号s ( r ) 延时r ( t ) , ( 2 . 1 3 ) 即有: s . w= s t - ti ( t ) - u t - ti ( t ) e x p .1 2 n f o t - , ( t ) 简单的情况，目 标以 匀速v飞向雷达，则 电子科技大学博士论文 f lu v 2 ( 2 . 3 8 ) 1月盛 ，1奋eej f d 一!.l 一一 占 将信号复包络u ( t) 及其频谱函 数 69 用幅 度和相 位函 数写出 u ( t ) = a ( t ) e x p u o ( t ) u ( f ) 二 a ( f ) e x p q d( f ) 代入( 2 . 3 1 ) 和( 2 . 3 2 ) 式有 声 = j f . (t) d t + j a (t) o (t) 1 d t ( 2 . 3 9 ) 。 2 = 了 a .(f ) 2 d f + 了 a 2 (f ) (d ,(f ) 2 d f (2 . 4 0 ) ( 2 . 3 9 ) 和( 2 . 4 0 ) 式表明，在频域对信号幅度谱或相位谱进行调制，可以 增加等效时宽， 提高速度分辨力; 在时域对信号调幅或调相位则可以 增加等 效带宽，提高距离分辨力。 对常规脉冲雷达来说，加大脉冲宽度提高平均功率势必降低距离分辨 力， 而脉冲压缩技术则采用脉内附加调频或相位编码的方法， 扩展了 信号等 效带宽，对回波信号作匹配滤波或相关接收，结果输出压缩了的窄脉冲，从 而提高了宽脉冲信号的距离分辨力。 脉压信号的 距离 多普勒性能由 其模糊函 数充分描述。 r i h a c z e k l 将雷 达信号分为四类:正刀刃、剪切刃、图钉型和钉板型。 常规矩形或高斯脉冲 信号属于正刀刃型，脉内线性或非线性调频信号属于剪切刃一类，噪声信号 则是理想的图钉类型，脉冲串信号为钉板型.图 2 . 1中显示，b a r k e r码属 于 “ 图钉” 型信号， 它对运动目 标的多普勒频移十分敏感，而 l f m信号则 属于多普勒容忍信号，为剪切刃形状。 在雷达搜索应用当中为发现目 标，一般希望雷达系统的接收处理对多普 勒频移不敏感，此时 l f m信号有其突出的 优点。 研究 人员对二相码信号也 提出了一些处理方法以 拓展其多普勒性能，并取得了一定成果 9 2 , 1 1 9 1 。 本文 研制的 频域数字脉压处理系统 ( 见第五 章) 原则上可以 处 理各种不同 类型的 脉 压信号，但处理采用零中频复数加权方式，不易于运用非相干加权模式扩展 第二章，达信号基本理论 二相码信号的多普勒容限，因此对目 标多普勒频移较大时，模拟分析主要选 择了l f m和n l f m多普勒响应能力较好的 信号。 脉冲压缩体制雷达有着许多突出的优点【 卜 “ ，这里我们着重说明此技 术在现代雷达反对抗中的良 好性能。 现代战争条 件下， 雷达己 从战 胜自 然杂波的 基本要求进入对抗 人为 干扰 甚至对抗摧毁性武器( a r m ) 进攻的 阶段. 敌方一些干扰的 实施和反 辐射导弹 的跟踪打击都是以 侦察接收设备对雷达信号的截获为基础的，所以，降低雷 达 信号 被截获 可能 性的 有 关 技 术措 施亦即 低截 获 概率 ( l p i : l o w p ro b a b il ity o f i n t e r c e p t ) 技术成为雷达设计者必须 研究的 重要课题。 使用 超低旁瓣天线、 大 时宽带宽积信号并进行波形捷变是现阶段i n雷达的主要手段。 为客观评价l p i 各项技术措施的有效性，s c h l e h e 0 ” 定义了截获因子 r , a r = r m ( 2 . 4 1 ) 其中 ， r ， 是 侦察 接收 平台 的 截 获 距离， r . 是 雷 达 探 测目 标的 作 用 距离 。 雷 达方程描述了影响雷达作用距离的主要参数: r , = 只 g , g , 矛 口 ( 4 , ) k t , b , f , (s i n ) , ( 2 . 4 2 ) 式中: p: ，雷达发射功率;g， ， 雷达发射天线增益; g, , 雷达接收天线增 益;4 ， 雷达工作波长;a ，目 标反射面积; k ， 波尔兹曼常数;t , , 雷达 接收 机噪 声 温度; f , ， 雷 达接收 机噪 声系 数; ( s i n ) , , 雷 达检 测目 标需 要的 最小信嗓比。 对侦收方则有: r 2 = 只 g g , a z ( 4 , ) 2 k t , b , f , ( s i n ) , ( 2 . 4 3 ) 这 里t , 、 b , 、 f , , ( s i n ) ， 是 截 获接 收 机 相 应性能 参 数; g ， 是 截获 天 线增 益: g 是 霄 达 在 截 获 接 收 方向 上的 天 线 增 益， 对 主 瓣 截 获 来 说g = g , ， 对 旁 瓣 则 有g 二 g, g ,: 是 雷 达 发 射 天线的 旁瓣 增 益. 综合起来，( 2 . 4 1 ) 式可用下式表示: 一刀- 电子科技大学博士论文 1 r p , t 丫 t , 丫1 ) ( l , 丫 a z 、 4 从n , j e t , 人 t b ， 八l i 人q 儿 ( s i n ) , ( s i n ) , ( g 2 g 子 、 i i ( 2 . 4 4 ) 贬 g , g , ) 式中: 为发射脉冲宽 度，n ， 是截获接收机谱密度， l ， 和l ， 是雷达与 截获接 收机损失。 低 截 获雷 达 设 计的目 标是 尽可能 增 大己 方的 探 测 距离r 。 而采 取 各 种有 效 措施降 低敌 方可 截 获我 信号的 距 离r , ， 使 敌为 我所 发现 又不暴 露自 己 ， 就是要使a ， 尽可能的小。由( 2 . 4 4 ) 式可见， 防止旁瓣被截获的 有效手段是 减少 g r : ， 就是使用超低旁 瓣天线。由 该式还可以 看出， 采用大时宽带宽积 信号的脉压体制则有利于反截获。以检波视放式雷达告普接收机( r w r ) 分 析，其有效带宽可表示成 刀 ， = 4 2 b , 刀 ， ( 2 . 4 5 ) 其中b r f 是 检 波 前的 高 频带 宽， b v 是 检波 后的 视频 带宽。 侦 察方工 作 在 对雷 达参 数 未知 条 件 下， b w 要 做得 尽可能宽， 而b ; 则 按 欲 截获的 最窄 脉 冲宽 度 t 设计。 设有 几= 卫 一 2 t . 那么 ( t b , ) 一 了 (t / t ) ， b r f t m. ( 2 . 4 6 ) 雷达使用脉压技术， 设子脉冲宽度为t , ， 压缩比 ( 时宽带宽 积) 为d ， 上 式可改写为: ( t b , ) = 了 d z (t , l s - ) ， b ,u -t m ( 2 . 4 7 ) 显然截获因子与压缩比的平方根成反比，设计低截获概率雷达应当尽可 能的使用大时带积信号. 总之，充分利用雷达接收机已知信号形式和参数可作匹配滤波处理，而 截获接收机只能工作在失配状态的优势，是尤 尸 了 雷达的信号设计和处理的基 本思想. 若侦收方查知信号形式并使用相应的匹配滤波器， 结合其距离优势， 截获因子就会大大增加。所以，采用多种形式和参数的脉冲压缩信号，并进 行脉间波形捷变， 使截获接收机不能进行匹配处理，是l p i 技术的一项有效 第二章 ，达信号基本理论 的措施。 圣 2 . 4 频域与时域数字脉压处理 随着现代科学技术的进步，脉压处理系统实现方法也向 着不断完巷的方 向 发展，由 模拟式、 数模结合式发展到全数字式脉冲压缩系统，特别是高速 大规模数字信号处理 ( d s p ) 芯片的出 现，更使数字脉压处理技术得到了空 前的发展。在稳定性、可靠性、 精确度、灵活性、一致性、低功耗、设备量 以 及批t生产等方面数字脉压系统占有显著的优势. 数字脉压处理又可分为两种方法实现，即时域脉压处理和频域脉压处 理，两种方案的原理如图2 .2 所示.时域脉压处理系统采用f i r滤波，通过 对两个有限长度序列进行线性卷积而实现脉压处理，滤波器复相关运算量随 着信号时宽的 增加而显著增加，完成运算所需的芯片盆级也随之增加，因 此 在处理较大时宽信号时不宜采用时域处理方案，而采用频域脉压处理方法。 ( hr ) ( 8 ) 频城处理 ( b ) 时域处理 图2 . 2数字脉压处理原理框图 频域数字脉压处理系统基于高效快速傅立叶变换 ( f f t ) 器件，通过将 两个进行线性卷积有限 长度序列的 f f 1 ， 相乘，并将其乘积反变换至时域而 获得脉压输出结果. 采用这种处理方式，在实现时域脉压处理时所需的n 1 次 乘法 /累 加 ( n是每个序列取样数目 ) 减少到 ( 3 / 2 ) n l o g a ( n十i ) , 这说明 处理信号的 运算 量随 信号 脉宽 增加而 增加 得不明 显。因 此， 在处理大 时宽脉压信号时采用频域处理系统有着明显的优势，而且其性能指标也优于 时 域处理。 所以， 本文所研究的系统采用频域处理方案，处理相对时宽较大 的脉压信号. 一2 4 电子科技大学博士 论文 第三章 l f m和n l f m信号频域脉压性能分析 3 . 1 概述 现代雷达系 统中 常用的 脉冲压 缩信号 有四类: 线性调频( l f i1 刃 脉冲信号、非 线性调频( n l f m ) 脉冲信号、 频率编码脉冲信号和相位编码脉冲信号。前面三种 可归结为调频脉冲压缩信号，均是通过频率调制实现非线性相位调制，从而获得 大的 时宽 和带宽. 由 于 线 性 调 频 ( c h i r p ) 信号 是 较容易 产生的 一 种脉冲 压缩信号， 因 此它是最早被研究和应用得最为广泛的一种脉压信号。 这种信号的突出优点是 匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感，即使回波信号具有较大的多普勒频 移，原来的匹配滤波器仍能起到脉冲压缩的作用。 这一特性，一方面使信号处理 系统的设计得以简化 另一方面又使输出响应出现与多普勒频移成正比的附加时 延.另外，由 于线性调频信号匹配滤波器输出响应的旁瓣较高( 相对于主峰为- 1 3 .2 d b ) ，为了压低旁瓣通常采用失配处理，即 级联一个加权网 络71 ， 称为旁瓣抑 制加权网络。 在 l f m信号脉压处理中，引入加权网 络来抑制旁瓣是有代价的，首先会带 来信号能f损失使信噪比( s n r ) 下降， 其次等效带宽变窄引起主瓣展宽， 这在 一定程度上降低了雷达系统的距离分辨力。为了解决以上问题，人们开始对非线 性调频信号进行研究. 非线性调频信号是在线性调频信号的 基础上，改变发射信号频谱，使其在 匹配滤波器压缩输出时即可得到较低的旁瓣， 而不需要采用加权的方式来抑制旁 瓣。这就避免了因加权处理而引入的信噪比损失和分辨率下降等问题。以前，由 于其产生和处理的复杂性， 这类信号没有得到广泛应用。 现在，随着电子技术， 特别是数字电子技术的飞速发展， n l f m信号的产生和处理变得比以前更为容 易，因此， n l f m信号正广泛应用于现代雷达系统中。 采用离散的频率和相位调制技术，也可构成复杂的大时带积脉压信号。 这 类信号除了具有与 其逼近的 连续调频信号相 近的特性外，还可以 方便的通过改变 发射频率的次序来增强系统的灵活性和抗截获能力，也可通过脉间频率步进来获 得极好的分辨力和大的时带积. 本章将主要针对线性调频信号和非线性调频信号的时频特性以及频域脉压 第三章 l f m和n l f m信号 频城脉压性能分析 性能进行详细地分析讨论。 3 . 2 线性调频信号 3 . 2 . 1 l f m信号的时域、频域特性 线性调频矩形脉冲信号的复数表达式为 (3.(3 s (t) = u (t) e x p u 2 ot) = 书re c k t i . 4 l - 1 /e x p u 2 * f o t + k t / 2 其中“( t )为信号复包络 a(t) = 1 rea l i exp(j.k tz ) 式中t 为脉冲宽度，由式( 3 . 1 ) 信号瞬时频率可写成 f, (t) 一 会 备 ， 、 十 ” /2) = .fo + ” ( 3 . 3 ) 其中k = b i t 为频率变化率， b 为频率变化范围，即 信号的 带宽。 令 .f , = 0 ， 得到 零中 频 信号 ( 基带 信 号 ) ， 分 别 取 其 实 部 、 虚 部 就 可 获 得 两 路 正 交 信 号 ( 即i . q通 道) 。图3 . 1 ( a ) . ( b ) 分别 给出了t = 2 0 t rs , b = 5 m h z 的l f m 信号的基带信号波形。 l f 翻叭匕门加而二 丫 . 别 山 . 叫分 份 加 l f m块阳月白 曰 阴: 了 . 急 血 .9 - m 日勺 ( a ) i 通道( b ) q通道 图 3 . 1 l f m荃带信号 为简 便起见， 令儿= 。 ， 代入式( 3 . 1 ) 求傅立叶 变换得信号 频谱 u (。 二 1 gt r e x p ( j rt k t ) e x p ( - j 2 n j t ) d t 电子科技大学博士论文 - 2 k t e x p ( - j ) z 2 l k )( 3 . 4 ) 么 !习2 exp k ) ( c ( u , ) +c ( u 2 ) +.1 s ( u , ) +s ( u 2 ) 1 ) 式中 u , = 而积分 c ( 功 =丁 c o s o a 2 / 2 ) d x 称为菲涅耳 ( f r e s n e l )积分。 由 此可进一步得到其振幅为: i w a = 命 c (u ,) c (u 2)2 w,) ) s (u 2)z! 2 ( 3 . 5 ) 相位频谱为: 、 ， 一 n f 2 + arctgl s(u,) + s(u 2 )k c(u,) + c(u 2) ( 3 . 6 ) 根据菲涅耳积分的性质， 当 t b - l 时 ，菲涅耳纹波很小。信号能f 9 5 % 以 上集中在- b / 2 f 3 0 以 上， 可近似认为线性调频脉冲具有矩形振幅频谱， 因此其匹配滤波器也应具有矩形带通振幅特性。为了简化分析，将高频带通系统 化为等效的零中频低通系统，将不会改变所得结论的正确性。 线性调频信号匹配涟波器的近似频率特性可描述为: h ( 力= e x p ( j x f l k ) ，一 b / 2 f b / 2 ( 3 . 9 ) 如果浦波器翰入端作用有信号 e x p ( j 2 x ( 4 t + 1 / 2 k t ) ,! t j t / 2 其他 了压.1.过we，ee.、 - 、， (t u 其中，古 为多 普勒频 移， 匹 配滤 波器物出 信号的 频谱为 y ( f ) = u ( f ) h ( 力 = e x p ( jxf / k ) 鱿e