（控制科学与工程专业论文）脉冲多普勒雷达信号处理实时仿真算法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 脉冲多普勒( p d ) 雷达是一种广泛被采用的全相参体制的雷达，它利用目标 与雷达之间相对运动而产生的多普勒效应进行目标信息提取和处理，具有较高的 速度分辨率，可以有效地抑制强地杂波的干扰问题。为了满足实验室开发雷达对 抗半实物仿真系统的需求，本论文展开对p d 雷达信号处理实时仿真算法的研究。 本文首先介绍了p d 雷达的工作原理，分析了p d 雷达的距离、速度模糊问题， 对p d 雷达的杂波也做了简单介绍。由于p d 雷达信号处理算法研究的需要，本文 介绍了p d 雷达接收机的组成，详细分析了正交相位检波处理的方法，并对接收端 信号的处理过程进行了仿真。基于p d 雷达工作原理，本文提出了一种低重频脉冲 多普勒雷达信号处理仿真框架，对p d 雷达信号处理系统各主要模块的算法以及其 功能、原理进行了详细的分析，并运用m a t l a b 对低重复频率p d 雷达信号处理进 行了仿真。 最后，本文基于a d s p t s 2 0 1 对雷达信号处理算法的实时性进行了分析，在 v i s u a ld s p + + 开发环境实现了f f t 算法和数据求模算法，获得相应的运算指令周 期。整个工作对p d 雷达信号处理半实物仿真系统的搭建具有重要的意义。 主题词：脉冲多普勒雷达；相参信号；雷达信号处理；实时信号处理 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t p u l s e - d o p p l e rr a d a ri sw i d e l yu s e d ，w h i c hu t i l i z e st h ed o p p l e rs h i f tb e t w e e nt h e t a r g e ta n dt h er a d a rt oh a v et h et a r g e ti n f o r m a t i o np r o c e s s e d i tc a l le f f i c i e n t l ys o l v et h e i n t e r f e r e n c eo ft h eg r o u n dc l u t t e r i no r d e rt om e e tt h en e e d so fe l e c t r o n i cw a r f a r e 、析t 1 1 h a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o n , t h i sp a p e rc o m m e n c e 、玑t l lt h es t u d yo fp u l s e d o p p l e r r a d a rs i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m sf o rr e a l - t i m es i m u l a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ep u l s e d o p p l e rr a d a r ，a n d a n a l y z e si t sp r o b l e mo fd i s t a n c ea m b i g u i t ya n ds p e e da m b i g u i t y t h ep a p e ra l s om a k e s ab r i e fi n t r o d u c t i o no fp u l s e - d o p p l e rr a d a rc l u t t e r o w i n gt ot h en e e d so fr e s e a r c ho n t h e p u l s e d o p p l e r r a d a r s i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ，r e c e i v e rs y s t e m o f p u l s e - d o p p l e rr a d a rh a sb e e na n a l y z e di nt h ep a p e r , a n dt h er e c e i v e rs i g n a l i s s i m u l a t e d b a s e do nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fp u l s e d o p p l e rr a d a r , t h i sp a p e rp r e s e n t sa s i m u l a t i o nf r a m e w o r kf o r t h el o w r e p e t i t i o n - r a t ep u l s e - d o p p l e rr a d a r s i g n a lp r o c e s s i n g ， a n dc o n d u c t sd e t a i l e da n a l y s i so fa l g o r i t h m s ，f u n c t i o n sa n dp r i n c i p l e so fe a c hm o d u l e ， w h i c hc o m p o s e ss i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e mo fp u l s e - d o p p l e rr a d a r t h et e s tf o r l o w - r e p e t i t i o n - r a t ep u l s e - d o p p l e rr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n gs i m u l a t i o nw a sm a d e ，w h i c h v e r i f i e dt h es i m u l a t i o nf r a m e w o r k f i n a l l y ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo fr e a l t i m ep r o c e s s i n go ft h er a d a r s i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m sw i t ha d s p - t s 2 01 b a s e do nt h ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n to fv i s u a ld s p + + ，f f ta l g o r i t h m sa n dm o d u l e - o p e r a t i o na l g o r i t h m sa r e s i m u l a t e dt oo b t a i nt h ec o r r e s p o n d i n gn u m b e ro fi n s t r u c t i o nc y c l e s ，w h i c hi so fg r e a t s i g n i f i c a n c et oc o n s t r u c t as y s t e mw i t hh a r d w a r ei nt h e l o o ps i m u l a t i o no ft h e p u l s e - d o p p l e rr a d a rs i g n e dp r o c e s s i n g k e yw o r d s ：p u l s e d o p p l e rr a d a r ；c o h e r e n ts i g n a l ；r a d a rs i g n a lp r o c e s s i n g ； r e a l t i m es i g n a lp r o c e s s i n g 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 不同p i 心特性1o 表4 1 常用加权函数比较31 表4 3m t d 前的数据排列3 9 表4 3m t d 后的数据检测3 9 表4 4 检测门限品质因子4 4 表4 5 不同虚警率下o s c f a r 算法的品质因子t 4 6 表5 1 求模运算步骤分解5 7 表5 2x = 1 口a = 1 0 的试验结果5 8 表5 3x = a b ，a = 1 0 ，b = 3 的试验结果5 9 表5 4 恒虚警数据关系5 9 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图2 1p d 雷达分类8 图2 2 测距模糊的产生1 1 图2 3 测速模糊的产生1 2 图2 4r a y l e i g h 杂波13 图2 4r a y l e i g h 频谱1 4 图3 1 雷达接收机组成原理框图1 5 图3 2 全相参雷达组成框图1 7 图3 3 雷达目标回波信号波形1 9 图3 4 高频放大后的信号2 0 图3 5 混频处理后的信号2 l 图3 6 中频放大后的信号2 2 图3 7 数字正交检波原理框图一2 3 图3 8 正交相位检波后的信号2 5 图4 2l f m 的时域波形和幅频特性一2 8 图4 3 时域、频域脉压比较2 9 图4 4 频域脉冲压缩方法框图2 9 图4 5 汉明加权对脉压的影响3 2 图4 6 脉冲压缩仿真3 2 图4 7m t d 滤波器3 5 图4 8 横向滤波器组成3 5 图4 91 6 阶f i r 滤波器组的频率响应3 6 图4 10 滤波频率特性3 7 图4 1 1m t d 前的数据波形。4 1 图4 1 2m t d 后的数据波形4 1 图4 1 3 均值恒虚警算法模型4 3 图4 1 4 有序恒虚警检测算法结构4 5 图4 1 5 叠加了瑞利分布杂波、噪声的信号4 6 图4 1 6c a c f a r 检测结果。4 7 图4 1 6g o c f a r 检测结果4 7 图4 1 6s o c f a r 检测结果4 7 图4 1 7 有序恒虚警结果4 8 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 1 8 脉冲压缩后信号4 9 图4 1 9m t d 输出第0 7 通道5 0 图4 1 9m t d 输出第8 , - - - 1 5 通道。5 0 图4 2 00 - - 7 通道s o c f a r 后输出5 1 图4 2 08 1 5 通道s o c f a r 后输出5 1 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使, r - 4 1 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文肌一缝蜂垒盏弱趔丛丝狲纽黼 学位论文作者签名：一黧笠日期：勿刀年1 月夕日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 垒堕辇幽磷堑垫堡盈鳓窃劾 学位论文作者签名：耄垄日期： 作者指导教师签名：他 日期： i l 其t b tl 茂l 铀 | 年 年 步 m m 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及其意义 现代战场上，由于大量使用电子信息装备，不仅数量庞大、体制复杂、种类 多样，而且功率大，使得战场空间中的电磁信号非常密集，形成了极为复杂的电 磁环境。当前精确制导武器研究过程中雷达系统仿真部分相对简单，缺乏有效的 导弹制导系统平台支撑，因此导致在实验环境下导弹可以精确打击目标，而在真 实复杂电磁环境下由于各种杂波以及电磁干扰的影响使导弹“致盲”，不能实现精确 打击。因此，复杂电磁环境下导弹精确制导研究具有重要意义。 根据项目需求，实验室需要搭建导弹电子突防半实物仿真系统，这套系统是 雷达电子对抗半实物仿真系统和导弹动力学模型、情报作战指挥模型组成的数学 模型系统组合而成的。其意义在于使制导武器的半实物仿真跨越了单纯的制导控 制仿真，还同时能够加入卫星导航信号、雷达对抗信号为代表的信号级半实物仿 真，使整个半实物仿真系统的可信度大大优于普通的纯数学仿真系统，对于导弹 突防和反导的战法分析更加精确【l 】，对复杂电磁环境下导弹精确制导研究具有重要 作用。 雷达基本的任务是探测感兴趣的目标，测定有关目标的距离、方位、速度等 状态参数，它主要由天线、发射机、接收机( 包括信号处理机) 和显示器等部分 组成【2 1 1 3 1 ，其中接收机部分承担着对回波信号进行处理，提取包含在回波中的目标 参数信息的重要任务，而雷达信号处理的半实物仿真模块是构成导弹电子突防半 实物仿真系统中雷达电子对抗半实物仿真系统的关键部分，其信号处理算法的可 靠性和实时性 4 1 对整个系统半实物仿真系统的可信度具有重大意义。 现代雷达已经成为各类军事武器装备的重要组成部分，根据雷达应用的技术 的不同，可以将雷达分为脉冲多普勒( p d ) 雷达、相控阵雷达和合成孔径雷达等 等，各种性能的雷达根据其性能被应用到各个领域。其中脉冲多普勒雷达应用广 泛，它是一种能够测量发射频率和所探测物体反射的频率之间偏移的雷达，同时 具有良好的距离探测精度和速度探测能力【7 】【1 1 】。p d 雷达于2 0 世纪6 0 年代研制成 功并投入使用。2 0 世纪7 0 年代以来，随着大规模集成电路和数字处理技术的发展， 脉冲多普勒雷达广泛用于机载预警、导航、导弹制导、卫星跟踪、战场侦察、武 器火控等方面，成为重要的军事装备【4 】。本论文基于实验室开发导弹电子突防半实 物仿真系统对雷达对抗半实物仿真的需要展开对p d 雷达信号处理实时仿真算法 的研究。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 国内外研究现状及发展趋势 雷达系统仿真本身并不涉及军事机密，但服务对象多以军事应用为目的，尤 其是雷达系统仿真的硬件平台多与作战仿真平台结合，故雷达仿真技术就成为保 密的核，t l , 技术而鲜有文章、资料等公开发表。现就所能了解到的情况作简单介绍。 1 2 1 国内外雷达系统仿真研究现状 美国罗姆空军发展中，5 , ( r a d c ) 从本世纪7 0 年代初开始致力于雷达仿真软件 的研究( r a d s i m ) ，其重点是地基监控雷达的信号处理的仿真。并在此基础上发展 成为较为完善的仿真软件一“交互式雷达仿真系统( i r s s ) ，i r s s 可作为雷达 工程师设计和评估雷达的工具，通过不同的功能组合构成对各种雷达分系统的仿 真。从1 9 7 7 年开始，r a d c 还开发出一种雷达辅助设计的软件包一“参数天线 分析软件包( p a a s ) ”。r a d c 将i r s s 和p a a s 结合为更为完善的雷达仿真系统一 “交互式雷达环境仿真模型( i r e s m ) ”。美国军方利用i r e s m 对若干个不同型号 的地基雷达进行了性能评估，并取得了较为理想的效果【2 引。c r o s ss y s t e m s 公司研 制的a g p 6 3 ，a p q 1 6 9 ，a i m 7 m 雷达仿真系统也已广泛的应用于现代雷达的开发 工作中。 国内雷达仿真起步较晚，航天工业总公司二院2 3 所在“八五 其间初步建立 了一套微波段相控阵雷达仿真系统，包括目标特性模型、环境特性模型、波形产 生模型、天线馈电系统模型、雷达接收机模型、雷达信号处理模型、雷达数据处 理模型和雷达电子对抗等模型。利用该系统可以仿真相控阵雷达的动态过程，并 分析其主要性能。2 3 所在“九五”期间继续完善这套相控阵雷达仿真系统。上海 航天局8 0 4 所从1 9 9 7 年起，着手建立地面制导雷达仿真系统，该系统是实时仿真 和功能数字化仿真相结合的系统。 1 2 2 发展趋势 现代p d 雷达最为突出的特点是大量采用数字技术，通常在中频对信号进行采 样和模数转换，后续的信号处理全部由计算机或数字信号处理芯片完成。数字技 术的广泛应用使现代机载p d 雷达实现了多用途，多功能，高度自动化，并且更新 换代的速度明显加快，因为很多情况下增加新功能只需给系统配置新的软件，采 用新的处理算法。 随着信息技术的发展和雷达广泛的被应用于军事领域和生活领域，雷达系统 不断向多功能、多模式、高适应性的方向发展，这就要求雷达系统的仿真研究一 方面要在复杂杂波环境下具有很高的检测概率和很低的虚警率；另一方面要在相 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 同的仿真平台上具有多功能，不但需要发现并测定目标的位置和运动参数，还要 进行分析处理，判定其属性和威胁程度，进行辅助决策，并将目标信息直接传递 给信息中心，信息中心将这些信息实时传送到作战平台或电子对抗系统平台。这 些发展给雷达系统的仿真实时性研究提出了更高更严格的要求。 雷达信号处理要求巨大的计算量和超高速的计算速度，采用数字信号处理器 时单片d s p 很难满足要求，合理采用多通道并行处理结构，可以在单位时间内处 理更多的数据。并行处理的目的就是应用多片处理单元同时处理某项任务，减少 处理时间。它的含义包括流水处理和并发处理，前者指多个操作同时发生在重叠 的时间段内，后者指多个时间同时发生在多个硬件资源上。从七十年代应用的 冯诺依曼结构，到后来的哈佛结构、超级哈佛结构，都是基于这种处理结构【3 】o 此外，雷达信号处理内部各模块之间的数据通信要求处理节点具有大的i o 带宽， 以实现高数据吞吐能力。 1 3d s p 与雷达信号处理的研究与发展 雷达信号处理系统是雷达系统的一个极其重要的组成部分，用于雷达在复杂 环境下( 包括杂波和干扰) 对目标的检测和目标信息的提取，现代雷达技术的发 展越来越倚重于信号处理。雷达信号处理不仅大大的提高了雷达在杂波背景下对 目标的检测能力而且提供了更多的目标信息。 近几十年来，雷达信号处理的研究取得了长足的进步和发展。五十年代实现 了抑制杂波的时域滤波和对复杂信号的匹配滤波，六十年代实现了对有源干扰的 空域滤波，并提出了对变化环境的自适应滤波。由于数字电路技术在六十年代的 实际应用和不断发展，使得雷达的整体性能大幅度提高。进入到八十年代后，微 电子技术，特别是数字信号处理器( d s p ) 的发展，使雷达信号处理完成了从模拟 化到数字化的转化，除了极大的提高了雷达信号处理机的性能之外，还大大提高 了整个处理机的可靠性，减少了体积与功耗【1 6 1 。 现代雷达系统向多功能、多模式、高适应性的方向发展，一方面要求雷达在 复杂杂波环境下具有很高的检测概率和很低的虚警率；另一方面要求雷达在相同 的平台上具有多功能，不但需要发现并测定目标的位置和运动参数，还要进行分 析处理，判断其属性和威胁程度，进行辅助决策，并将目标信息直接传递给信息 中心。d s p 具有高速、灵活、可靠、可编程、低功耗、接口丰富、处理速度快、 实时性好等特点，由通用d s p 构成的雷达信号处理系统，使得雷达信号处理的设 计更侧重于软件编程，这也正好体现了电子系统向软件化发展的一大趋势，这样 可以使雷达信号处理系统的硬件设计复杂性降低，从而提高了设计的灵活性、兼 容性和可提升能力。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 雷达信号处理系统所涉及的主要技术，包括数据重采样、脉冲压缩、多普勒 滤波、恒虚警处理和旁瓣对消等，通常需要完成大量具有高度重复性的实时计算。 d s p 可以利用硬件算数单元、片内存储器、哈佛总线结构、总线寻址单元、流水 处理技术等特有的硬件结构，高速完成f f t 、f i r 、复数乘法以及矩阵运算等数字 信号处理。因此，d s p 非常适合雷达数字信号处理算法的实现。 f f t 是雷达信号处理的重要工具【1 9 】。d s p 内部的硬件乘法器、地址产生器和 多处理内核，保证d s p 在相同条件下，完成f f t 算法的速度比微处理器要快2 到 3 个数量级。因此，在雷达信号处理其中，大量采用d s p 完成f f t i f f t 以实现雷 达信号的时频转换、回波频谱分析、频域数字脉冲压缩等。 1 4 论文工作及章节安排 作者主要从实时仿真的需求出发研究脉冲多普勒雷达信号处理仿真算法，并 搭建雷达信号处理系统进行仿真验证，基于a d s p t s 2 0 1 对算法的实时性进行分 析。 雷达信号处理的过程就是滤除目标回波中的杂波、噪声及干扰，获得清晰目 标回波谱的过程。本文主要研究了脉冲多普勒雷达信号处理过程中的正交解调， 脉冲压缩、动目标检测、恒虚警处理等关键算法，结合脉冲多普勒雷达信号处理 过程进行仿真；根据雷达信号处理的数据量和a d s p t s 2 0 1 处理器的性能，分析 算法的实时性。 本论文章节安排如下：第一章是引言，介绍课题的背景以及研究意义、对国 内外发展现状、d s p 与雷达信号处理的研究与发展关系和论文的工作做了简要的 介绍；第二章首先对本文中用到的p d 雷达系统工作原理等相关知识做简要的介 绍，主要分析了p d 雷达的距离、速度模糊问题；第三章主要介绍了p d 雷达接收 机的主要组成结构和工作原理，对接收端的信号进行了仿真；第四章对p d 雷达信 号处理系统的主要处理模块包括脉冲压缩、距离门重排、动目标检测、恒虚警处 理的原理和算法做了详细的分析，并用m a t l a b 工具做了仿真试验；第五章对 t i g e r s h a r c 系列的a d s p t s 2 0 1 做了简单介绍，并基于此芯片分析p d 雷达信号 处算法的实时性；第六章是总结和展望，对全文进行了总结并对后续工作做了一 些展望。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章p d 雷达概述 2 1p d 雷达的产生与发展 早期的普通脉冲雷达都是非相参系统，它们只是利用发射脉冲与回波脉冲的 时间差提取目标的距离信息。但是当目标附近相等距离上存在大量的干扰物体时， 雷达接收到的微弱的目标回波被淹没在干扰物体反射波中，从而使雷达失效。 军事上，作战双方越来越多的利用雷达的这个弱点。五十年代攻击飞机所广 泛采用的高空高速突防方式，六十年代以后逐渐被低空高速突防方式所取代。大 地和海浪杂波为进攻飞机提供了隐蔽和安全的保证。巡航导弹的出现，使低空突 防能力更趋完善。巡航导弹体积小，雷达反射截面积仅为战斗机的几十分之一或 者更小；飞行高度低，仅几十米到几百米，因此雷达发现这种导弹比低空突防的 飞机更为困难。 为了发现低空突防的目标，迫切需要改变原有的雷达体制。雷达设计师们将 早已在声学和光学中为人熟知的物理概念相参技术用到雷达系统中，当利用时间 差( 距离差) 难以区分目标与背景噪声时，可以利用频率差( 速度差) 将目标从 背景噪声中区分开来。多普勒效应使运动目标的回波与静止背景的回波存在频率 差，这就使得从频率检测运动目标成为可能。地面架设的雷达与周围地物不存在 相对运动，因此这些地物的雷达回波信号频率与发射信号的频率相同；而运动目 标的回波信号频率与发射频率之间存在多普勒频移，频移大小正比于目标相对径 向速度。对于机载雷达，地物背景和目标相对于雷达都是运动的，但地物背景的 相对速度是已知的，且不同于目标的相对速度，因此仍然可以利用多普勒频移将 目标区分出来。 p d 雷达的精确定义【4 】，1 9 7 0 年m i 斯科尔尼科是这样描述的，p d 雷达应具 备如下三点特征： ( 1 ) 具有足够高的脉冲重复频率( p r f ) ，以致不论杂波或所观测的目标都 没有速度模糊； ( 2 ) 能实现对脉冲串频谱单根谱线的多普勒滤波即频域滤波： ( 3 ) 由于p r f 很高，通常对所观测的目标产生距离模糊。 如图2 1 所示，随着p d 雷达的发展，其定义有所延伸，上述定义只能适用于 高p r f 的p d 雷达，而不适用于所有类型的p d 雷达。7 0 年代中期，中p r f 的p d 雷达体制研制成功，并迅速在机载雷达中得到了广泛的应用。这种体制的p d 雷达 p r f 虽较普通脉冲体制雷达要高，但不足以消除速度模糊，其p r f 低于高p r f 的 p d 雷达，但又不足以消除距离模糊。随着p d 雷达技术的发展，一些p d 雷达的 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 设计允许工作在低、中重复频率上来满足不同的需求，无论是中p r f 还是低p r f 的p d 雷达都不能满足斯科尔尼克的p d 雷达定义所规定全部三个条件。三种重复 频率的脉冲多普勒雷达都能满足定义中的第二个条件，即实现频域滤波。所以， 雷达界的学者把能实现对雷达信号脉冲串频谱单根谱线滤波( 频域滤波) ，具有 对目标进行速度分辨能力的雷达称为p d 雷达【4 】。 图2 1p d 雷达分类 2 0 世纪7 0 年代以来国外雷达都采用了先进的全相参结合有源电扫描阵列雷达 工作体制，即脉冲多普勒雷达，多普勒雷达也就是采用全相参体制的雷达。所谓 全相参体制雷达就是全机的时序信号都是由同一个高频率稳定度的频率源产生， 由于快速运动的物体反射电磁波时会产生多普勒频移，雷达接收机里有相参检波 器，因为是同频率源产生的信号，就可以通过两个通道把多普勒相位搬移后进行 对消，把固定目标的回波去掉，只留下运动目标回波，因此脉冲多普勒雷达比一 般雷达的抗杂波性能要好。军事上，机载火控系统用的主要是脉冲多普勒雷达， 如美国现役f 1 4 、f 1 5 、f a 1 8 和f 1 6 等战斗机分别装备的a w g 一9 、a p g 一6 3 、 a p g 6 5 和a p g 6 6 a b 等雷达。装有脉冲多普勒雷达的预警飞机，已成为对付低 空轰炸机和巡航导弹的有效军事装备。 2 2p d 信号处理主要功能 p d 雷达同常规雷达的主要区别在于p d 雷达利用了目标回波中携带的多普勒 信息，在频域内实现目标和杂波的分离，从而可以从很强的地物杂波背景中检测 出动目标，并对其精确测速。p d 雷达信号处理的三个主要功能： ( 1 ) 高度线杂波消除。高度线杂波是由于载机上的p d 雷达的波束照射到地 面时所产生的镜面反射分量所形成的，它只在最近的l 2 个距离单元才存在。可 以通过距离门控制的方法将其去掉。 ( 2 ) 主瓣杂波消除。主瓣杂波位置是天线方位角的函数，因此在天线进行扫 描时，随着主波束指向的变化，要求抑制主瓣杂波的滤波器的凹口时刻对准主瓣 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 杂波位置，才能达到消除主瓣杂波的目的。对p d 雷达来说，高度线杂波相当于地 面m t i 雷达的地杂波，它是与零多普勒频率相对应的。应当指出的是，以上情况 是在速度补偿之后，使固定目标相对载机的速度为零时得到的。 在地面m t i 雷达中采用的一次和二次自适应对消器均可用于主瓣杂波对消， 只是其权值应是方位角的函数。另外一种消除主瓣杂波的方法是在利用f f t 进行 处理时，直接去掉零号滤波器的信息，不再采用杂波对消器，但在设计时必须考 虑地杂波的谱宽、脉冲重复频率的高低和f f t 的点数之间的关系。 ( 3 ) 多普勒滤波器组。p d 雷达信号处理机的核心是一个窄带滤波器组，通 常它是利用快速傅里叶变换( f f t ) 实现的，它与其它杂波抑制技术一起，滤除了 系统的各种杂波，削弱了噪声和干扰的影响，提高了信号噪声比，以较大的概率 提取了目标多普勒谱线，并可实现多普勒频率的有效估计。f f t 有较大的旁瓣电 平，可高达1 3 6 d b ，通常采用加权的方法压低旁瓣，但随之而来的是主瓣的变宽， 需要选择最有效的加权函数来取得最佳效果。 本文中研究的p d 雷达信号处理仿真流程更适合采用数字信号处理技术实现。 首先采用数字方法直接在中频对信号进行采样，然后利用数字处理的方法进行相 位检波。检波后的信号分为，、q 两路分别进行处理。正交检波后的信号先后经过 脉冲压缩、动目标检测、恒虚警等信号处理模块，最后得到目标的距离、速度和 方位信息。 2 3p i ) 雷达的距离和速度模糊 在p d 雷达的定义中讲到p d 雷达采用不同的脉冲重复频率会产生速度或者距 离模糊，在这一节中，本文进一步解释了脉冲重复频率的选择与产生模糊的关系， 给出了距离和速度模糊的定义。 2 3 1 脉冲重复频率的选择 所有的波形设计参数中，脉冲重复频率f 是最为关键的，它直接决定目标距 离和速度的单值范围，更重要的是它影响着杂波的重叠特性，因而直接影响p d 雷 达的检测性能。当雷达信号的载频确定以后，最大不模糊距离民与最大不模糊速 度圪的乘积为一个常数吲，即 咒圪= 扣厶 ( 2 1 ) 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 式( 2 1 ) 中，凡为雷达波长，表明雷达波长越长，最大不模糊距离和最大不模糊 速度越大。表2 1 给出了工作波长为3 c m 时，不同的三种p r f 对应的最大无模糊距 离民与最大不模糊速度圪。 表2 1 不同p r f 特性 参数 低中两 ( p r f ) r2 m 1 1 5 l ( i z2 0 0 她 r 7 5 k m1 3 k m0 7 5 k m 圪 3 0 m s1 7 2 i n s3 0 0 0 m s p d 雷达的很多应用中都要对抗杂波干扰，对高p r f 来说，第一个发射脉冲引 起的低杂波反射还没有减d , n 可忽略的程度，第2 ，3 个发射脉冲引起的地杂波 反射又到了。这将引起杂波的时域重叠。而对低p r f 来说，脉冲串信号的谱线间 隔很近，而每根谱线对应的地杂波沿频域的分布很宽，这又将引起杂波的频域重 叠。 不同p r f 的杂波的重叠情况不同，对应的雷达探测性能也不同。在低p r f 情 况下，由于杂波在频域高度重叠，主瓣杂波分布范围占脉冲重复频率的百分比较 大，对地面动目标的探测能力较差，但上视时的探测性能很好。在高p r f 情况下， 杂波在时域高度重叠，但在频域存在无杂波区，所以雷达对迎头目标探测效果好， 但对尾追目标效果不好。中p r f 在距离和速度上都存在模糊，杂波通常占据着整 个多普勒频带的全部或者大部分，故对目标的检测都是在杂波加噪声中进行的， 不像高p r f 可以在无杂波中检测目标，故对迎头目标的探测能力不如高p r f ，但 是由于距离上的模糊次数比高p r f 的少，旁瓣杂波电平没有高p r f 的高，故在杂 波区域的检测能力，特别是对尾后目标的检测能力比高p r f 好。 2 3 2 距离模糊定义 为了提高检测性能，p d 雷达常采用高p r f 信号，以便在信号频率域获得足够 宽的无杂波区。当脉冲重复频率很高时，对应一个发射脉冲产生的回波能要经过 几个周期以后才能被收到，如图2 2 中对应目标的真实距离是尺，而按照常规方法 读出的目标距离是r 。，产生的误差是 a r = c z 2 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中n 是非负数，c 是光速。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 发射信号 口口口口口口口 - 回波信号 ! 型口口口 图2 2 测距模糊的产生 上述这种由于目标回波的延迟时间可能大于脉冲重复周期，使收、发脉冲的 对应关系发生混乱，同一距离读数可能对应几个目标真实距离的现象叫做测距模 糊，距离读数兄叫做模糊距离。对于高重复频率p d 雷达而言，最大不模糊距离r 为： 咒= c 乃2 ( 2 3 ) 式中i 是脉冲重复周期，最典型的情况z = 1 0 p s 时，如戤= 1 5 k i n ，可以看出这个 距离是相当近的，超出这个范围的目标将会出现距离模糊的问题，不能得到准确 的距离信息，这就需要通过解模糊运算获得距离信息。 一 2 3 3 速度模糊定义 当p d 雷达采用低重复频率时，目标回波的多普勒频移可能超过脉冲重复频 率，使回波谱线与发射信号谱线与发射信号谱线的对应关系发生混乱，几种相差矿 的目标多普勒频移会读出同样的多普勒频率，这种现象叫做测速模糊。图2 3 中 的v 口称为速度模糊。根据多普勒频率与目标速度的关系，最大不模糊速度为： 屹= 4 ( 2 4 ) 第1 1 页 p口 阡 襦且 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 发 信 频 肄i- ? ，j 一一，一一一 一一 、| | 斩7 ， 卜、 图2 3 测速模糊的产生 p d 雷达采用高p r f 时，雷达的最大探测距离远大于最大不模糊距离，存在距 离模糊；采用低p i 疆信号时会产生测速模糊；而使用中p r f 信号有可能同时发生 测距和测速模糊。距离模糊、速度模糊解算是由雷达信号数据处理技术完成。 2 4 脉冲多普勒雷达的杂波 多普勒雷达的基本特点之一，是能够在频域和时域存在着分布相当宽广和功 率相当强的背景杂波中检测出有用的信号，这种背景杂波通常被称为脉冲多普勒 杂波【5 1 ，其杂波频谱密度是多普勒频率和距离的函数。当考虑雷达的噪声和其他干 扰时，信噪比很小的目标回波可能被埋藏在强的背景杂波之中，杂波频谱密度的 形状和强度决定着雷达对具有不同多普勒频率的目标的检测能力。对于高p r f 雷 达，检测一般发生在杂波频谱的清晰区。这种模式下影响性能的主要原因是由于 系统的稳定性和多普勒滤波器的旁瓣效应使得主杂波被展宽至杂波频谱的清晰 区，而对于中p i 强雷达，目标回波一般出现在副瓣杂波中。低重复频率雷达的旁 瓣杂波在距离上重频很少，但在频域上高度重叠。 1 影响杂波参数的因素 ( 1 ) 影响地杂波的参数：雷达波能够透入地物和植被的表层，因此，地物回波 是表面散射和次表层再反射回波的合成。对田地和草地的衰减测量表明，植被不 密时，绝大部分回波来自地表顶层，次表层回波可忽略。 ( 2 ) 影响海杂波的参数：与地杂波散射特性相比，海杂波散射特性有其特殊性， 不仅会因海情的不同表现出不同的散射系数，而且海浪是运动的，即使对于固定 的雷达平台，海杂波也会表现出多普勒展宽，而且成片海杂波散射单元之间的相 关性也比地杂波强。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 杂波的统计模型经典雷达信号处理方法都是以信息论和统计学为理论基 础，基于门限比较的假设检验以及用概率作为系统的性能指标是经典信号处理的 两大特点【1 4 1 。在这种理论的指导下，雷达信号处理只关心信号杂波比( 信息量) ， 而不关心波形是否失真。对回波信号在时、频、空、极化域进行滤波是抑制噪声 杂波的主要手段。为此，在雷达系统的设计中，必须了解噪声、杂波强度的统计 特性、相关性以及在时、频、空、极化域内占据的区段。下面讨论一些常见的噪 声和杂波的统计特性。 ( 1 ) r a y l e i g h 分布：当散射单元由大量统计独立的小散射体组成，而且没有一个 散射体占主导时，其合成杂波的统计特性与热噪声一致，包络可用r a y l e i g h 分布来 描述。适用于雷达以较大的入射角对成片的沙漠、戈壁等均匀地表和低海情海面 进行观测时的情形。在本文仿真试验中的杂波采用r a y l e i g h 杂波。 瑞利分布的概率密度函数为： ，一生 即) = 砉p 2 0 - 2 娩o ( 2 5 ) 【 ox 2 b ；其中b 为信号带宽，m 为整数，= 1 u s ) 对此信号采样，则正交相 位检波后的信号为： s ( n ) = 彳( ”气) c o s ( 2 刀石胛+ 妒( ，z ) ) = a ( n t , ) c o s ( 2 n n ( 2 m 一1 ) 4 f ，) c o s ( ( ，2 ) ) 一 a ( n t , ) s i n ( 2 x f f l ( 2 m 一1 ) 4 f ，) s i n ( 矽( 甩t ) ) = 彳( ，z ) c o s ( 矽( 行t ) ) c o s ( n n 2 ( 2 m 一1 ) ) 一 a ( n t , ) s i n ( q k ( n t , ) ) s i n ( n n 2 ( 2 m 一1 ) ) ( 3 1 1 ) = i ( n ) c o s ( n x 2 ( 2 m 一1 ) ) 一q ( n ) s i n ( n x 2 ( 2 m 1 ) ) = i ( n ) c o s ( m n x - n n 2 ) ) q ( n ) s i n ( m n z n n 2 ) ) f ( 一1 ) 1 2 i ( n ) ，刀为偶数 = 。+ l i ( 一1 ) 2q ( n ) ，胛为奇数 由上式可以看出，采样输出的信号中包含了所有有用的信息，s ( n ) 即为交替 的i 、q 双通道信号，只不过在符号上需要进行修正。另外，i 、q 两路输出信号在 时间上相差一个采样周期，要得到标准的i 、q 双路信号，则需要经过后续的数 字信号处理来实现，在本文中，采用低通滤波的方法。这种数字化方法，既完成 了正交化处理，又实现了信号的检波。 从中频采样输出信号s ( n ) 变换到标准i 、q 信号有多种实现方法：抽选后希尔 伯特变换法、直接希尔伯特变换法和低通滤波法等【8 1 。前两种方法都只对一路信号 作变换，这样得到的正交双路信号的幅度一致性和相位正交性受希尔伯特变换器 第2 3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的阶数影响很大。而低通滤波法对双路信号同时作变换，所用的滤波器系数一样， 这样两路信号通过低通滤波器时由于非理想滤波所引起的失真是一致的，对i 、q 双路信号的幅度一致性和相位正交性没有影响，从而具有很好的负频谱对消功能， 可以达到很高的精度。所以本文主要分析低通滤波法的数字正交检波。 3 3 - 2 数字化正交相位检波仿真 正交，、q 两个通道间的幅度不一致性及相位正交误差是影响系统性能的重要 因素，模拟检波方法由于模拟器件本身存在着不一致性，受环境温度的变化、电 源电压变化等因素的影响，导致i 、q 通道两路间存在着较大的解调误差，加上零 点漂移的影响，幅度一致性一般只能达到0 5 扔，而相位误差则高达2 0 到3 0 。这极 大地影响后续的信号处理性能。中频信号采样与数字正交相干检波技术较好地解 决了这些问题，i 、q 两路信号的一致性好，精度高。图3 8 为从中频放大器输出 的信号经过正交相位检波处理后得到的正交i 、q 两路信号。 图3 8 正交相位检波后信号 如图3 8 所示，通过正交相位检波器后得到的i 、q 两路信号具有较好的幅度 致性。 3 4 本章小结 通过本章中对雷达接收机的介绍可以看出，雷达接收机主要实现了接收信号 放大、将信号频率将为中频、正交相位检波以及对杂波和噪声的抑制等信号处理， 第2 4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 对下一步回波信号进入雷达信号处理阶段有重要影响。本章中对接收机端的信号 进行了仿真，对后续的信号处理算法研究有重要作用。 第2 5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第四章p d 雷达信号处理的算法分析和仿真 雷达的信号处理系统是雷达系统的重要组成部分，它通过各种算法处理雷达 接收到的回波信号，在各种杂波、噪声和干扰背景中检测目标，提取目标的距离、 速度、方位乃至图像等特征信息。 4 1p d 雷达信号处理模型框图 雷达接收机将从天线接收到的微弱高